[发明专利]一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统

说明书

本发明公开了一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统，包括倾斜镜、变形镜、精跟踪波前传感器、相关夏克‑哈特曼波前传感器以及波前控制器。针对部分强湍流条件下对太阳进行高分辨力成像观测的需求，从探测波长、校正阶次以及自适应光学系统本身结构入手，提升自适应光学系统在极端湍流强度条件下的校正能力，满足城市科普等应用需求。在探测方面，通过使用长波探测，降低强湍流的影响；在系统参数方面，分析校正对象时空特性，增加探测和校正单元，使之与湍流强度相匹配。在控制算法和校正阶次方面，采用模式法控制以提高系统闭环校正稳定性的基础上，基于校正精度要求的分析，进行高阶探测、低阶校正的方法，进一步确保系统稳定闭环工作。

技术领域

本发明涉及一种太阳自适应光学系统，属于自适应光学技术领域，具体涉及一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统，用于太阳观测过程中，极端湍流强度(大气相干长度在3～5厘米)所致的光波前畸变的探测和校正。

背景技术

自适应光学系统通过对大气湍流引起的波前畸变进行实时补偿校正，使大口径望远镜获得理想的成像能力，是当前大口径天文望远镜的必备设备。在太阳观测领域，虽然太阳望远镜口径较小，但是由于白天地球受到太阳辐射的影响，湍流较夜间观测更强，且更加多变，因此也需要自适应光学系统恢复大口径望远镜高分辨力成像能力。

众所周知，对于太阳自适应光学系统而言，由于需要利用太阳大气本身结构特征作为信标进行波前提取，因此，为了保证一定的探测精度，通常而言，太阳自适应光学系统的设计和工作都存在着大气条件的下限，即需要大气湍流满足不低于8cm(ThomasR.Rimmele and Jose Marino,solar adaptive optics,Living Rev.Solar Phys.,8,2,2011)。一些系统虽然对控制算法等进行改进，可以适当降低系统工作的湍流条件下限，但是对于极端湍流条件下，传统意义上的太阳自适应光学系统均无法工作。

一些太阳观测的站址虽然具有较好的平均视宁度，其大气视宁度强度多变，有时也会出现非常差的瞬时大气视宁度；此外，随着人类活动的范围越来越大，早期天文观测站址的大气条件也在受到越来越多的影响。部分大气湍流条件即使配备传统太阳自适应光学系统，也无法进行太阳高分辨力观测。另一方面，随着近几年来国家对科普工作的大力推广，科普观测对传统自适应光学技术提出了新需求；由于科普的面向大众的特殊性，无法在偏远地区选择大气条件较好的区域作为站址，城市附近由于人类活动的影响，太阳望远镜都面临着比较极端的湍流条件。为了上述应用需求，如何确保太阳自适应光学系统在极端湍流条件下可以稳定工作，是自适应光学技术面临的新挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对部分强湍流条件下的对太阳进行高分辨力成像观测的需求，从探测波长、校正阶次以及自适应光学系统本身结构入手，提升自适应光学系统在极端湍流强度条件下的校正能力，满足城市科普等应用需求。在波前探测方面，通过使用长波探测，降低强湍流的影响；在系统参数方面，分析校正对象时空特性，增加探测和校正单元，使之与湍流强度相匹配；在控制算法和校正阶次方面，采用模式法控制以提高系统闭环校正稳定性的基础上，基于校正精度要求的分析，进行高阶探测、低阶校正的方法，进一步确保系统稳定闭环工作。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统，由准直镜1、倾斜波前校正器2、高阶波前校正器3、第一分光镜4、精跟踪波前传感器5、精跟踪波前校正控制器6、第二分光镜7、成像子系统8、相关夏克-哈特曼波前传感器9以及高阶波前校正控制器10组成。倾斜波前校正器2、精跟踪波前传感器5和精跟踪波前校正控制器6组成对大气湍流进行倾斜校正的闭环子系统。高阶波前校正器3、相关夏克-哈特曼波前传感器9以及高阶波前校正控制器10组成对大气湍流进行高阶像差校正的闭环子系统。经过望远镜主焦点的光，首先由准直镜1进行准直，随后进入倾斜波前校正器2和高阶波前校正器3，其中高阶波前校正器3位于望远镜入瞳的共轭位置。第一分光镜4将光分为两束，一束用于精跟踪波前传感器5探测低阶倾斜像差；另一束经第二分光镜7分别进入成像子系统8和相关夏克-哈特曼波前传感器9。