[发明专利]一种地表层自适应光学系统性能评价方法

说明书

本发明公开了一种地表层自适应光学系统性能评价方法，该方法根据地表层自适应光学系统中导星分布，以目标视线方向上均方根误差最小为判据计算每颗导星的权重，对地表层湍流波前进行加权平均波前重构。结合空间频谱滤波理论，将权重因子引入系统误差传递函数。在计算各层湍流的相位结构函数后，得到望远镜系统的光学传递函数，从而通过解析的方式评价系统性能。本方法基于大气分层理论、空间频谱滤波理论和最优估计理论，对地表层湍流波前探测效果进行解析计算，避免数值仿真分析的局限性；引入不同导引星的权重因素，较传统平均算法提升了系统校正性能。对后续大视场地表层自适应光学系统研制具有应用价值。

技术领域

本发明专利属于自适应光学领域，具体涉及到一种地表层自适应光学系统性能评价方法。

背景技术

自适应光学(Adaptive Optics,AO)技术可以解决大气湍流对大口径望远镜影响，但是存在一些原理性的限制。首先，受大气非等晕性的影响，AO系统校正视场有限，不能满足某些场合的运用需求；其次，AO系统需要足够亮的星体作为信标为波前传感器供信息，天文观测中很多区域都无法找到满足条件的亮星，导致利用AO系统进行天文观测时，其空域覆盖率较低。激光导引星虽然可以解决这一问题，但是其有限的高度又会带来“锥效应”问题。

传统AO系统的校正视场大小主要受角度非等晕性限制，而角度非等晕误差主要来自于两个方面:一是参考星和目标星不在同一位置时，参考星光波与目标星的光波传输路径不同，校正的像差并非目标星光波传输路径上的像差，只有当观测目标本身亮度足以作为导引星时，这种误差才可以避免；另一方面传统AO系统的变形镜一般位于望远镜入瞳或其共轭的位置，而湍流层则多位于不同高度的大气层中，对于扩展目标来说，只有探测视场对应的区域附近可以很好的校正大气湍流的影响，对于距离稍远的区域，由于不同视场在高层湍流处经过不同的区域，单个变形镜无法对不同视线方向上的湍流引起的波前像差进行完全的校正，导致校正视场有限。

多层共轭自适应光学(Multi-Conjugate Adaptive Optics,MCAO)技术针对这两方面突破等晕角的限制。该技术由J.M.Beckers于1988首先出。根据波前探测方式的不同，又分为层向多层共轭自适应光学(Layer Oriented MCAO,LOMCAO)和星向多层共轭自适应光学(Star Oriented MCAO,SOMCAO)。地表层自适应光学(Ground Layer AdaptiveOptics,GLAO)可以成是MCAO的一种特例，是Rigaut等人在2002年提出的。它通过多颗引导星探测，但只使用一面变形镜校正校正近地表层的湍流。GLAO原理示意图如图1所示。

GLAO技术主要基于大气湍流的分层特性，不少天文观测站点大气湍流观测数据表明，大部分大气扰动都集中在地表层，而不同视场的光波在近地表层收到的影响几乎一样，通过对地表层的探测和校正，可以在更大视场范围内获得可观的校正效果。国外在夜天文研究领域分析表明，GLAO可以在最大8’左右的视场内提高成像质量，对于某些特殊的系统，其校正视场也可以达到几十角分。由于GLAO只校正地表层大气湍流，因此其校正后的成像一般达不到衍射极限的校正效果。这点限制了GLAO在部分应用场合的应用，但是也填补了另外一些应用中传统AO的不足。