[發明專利]組合多孔徑閃耀和差分圖像運動光學湍流傳感器及方法

有效

• 申請號: 201310270194.2
• 申請日: 2013-06-28
• 公開（公告）號: CN103335816A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 裴沖;陳華林;袁祥巖
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06;G01N21/85
• 代理公司: 江蘇致邦律師事務所 32230
• 代理人: 栗仲平

技術領域

本發明涉及大氣光學領域，具體涉及一種組合多孔徑閃耀和差分圖像運動的天文光學湍流傳感器，是一種進行天文光學湍流參數測量的傳感器。本發明還提供這種天文光學湍流傳感器的測量方法。

背景技術

光波在湍流大氣中傳輸時，光波參數（強度、相位以及傳播方向等）因湍流擾動而起伏，這種起伏導致了光束的飄移和擴展、圖像的模糊。大氣湍流的存在直接影響高分辨成像，限制了天文測光精度和望遠鏡實際角分辨率、可觀測光譜范圍等。所以對大口徑地基光學望遠鏡，選擇優秀天文臺址和長期監測其光學臺址參數至關重要。

大氣相干長度、等暈角、湍流強度廓線等天文光學臺址參數，是天文臺選址與天文觀測不可或缺的重要參數，也是自適應光學中的重要參數。

其中大氣相干長度表征了某一特定光程中一定橫向間距上的大氣相干性，也表征全程大氣湍流強度，即大氣視寧度，它對自適應光學系統變形鏡促動器的數目、波前傳感器孔徑數目、激光導星功率、天空覆蓋率等有影響。

等暈角表征了通過大氣湍流到達觀測點的光波波前的角度相關性，到達系統的不同方向的兩束光之間的夾角超過等暈角，其相關性將迅速降低。等暈角直接影響自適應光學系統校正視場。

視寧度和等暈角是對全程大氣的描述，而湍流強度廓線是湍流強度隨高度的分布，反映了大氣湍流的細節。它直接影響MCAO（Multi-Conjugate?Adaptive?Optics）中的大氣層析重構數目、變形鏡數目和共軛高度、以及GLAO（Ground?Layer?Adaptive?Optics）的效率等。

目前廣泛應用的差分圖像運動監測儀，通過統計單星象經瞳孔平面上兩個小孔徑所成像的相對運動實時監測大氣視寧度。其結構簡單，廣泛應用于臺站視寧度測量，我國在云南天文臺和國家天文臺興隆觀測站，西部天文選址等處都有過差分圖像運動監測儀運行。它的一種結構為：在小望遠鏡?(口徑250-350mm左右)入瞳上放置一個安裝有兩個小楔角楔鏡的子孔徑(50-100mm)模板，使到達兩個子孔徑的波前傾斜，產生同一目標星的不重疊雙像，CCD圖像傳感器統計星像質心差方差，從而計算視寧度。

基于等暈角和湍流的關系，以及閃耀和湍流的關系，最方便的方法是利用恒星光強閃耀率計算等暈角。所以通過統計望遠鏡入瞳上的環形孔徑接收的歸一化的光強起伏方差測量等暈角。基于大氣視寧度和等暈角的測量方法，現有同時或者通過更換光瞳模板近似測量這兩個參數的儀器。

湍流強度廓線的測量手段主要有探空氣球、風廓線雷達反演以及聲雷達測量等方法，但他們都有各自的不足，如數據均為非光波波段直接測量、測量精度不高、測量距離有限、需要其他參數配套測量，限制了測量的目標范圍和精度。而采用光波波段的多孔徑閃耀傳感器利用閃耀和湍流關系可以測量自由大氣層視寧度、等暈角和近似湍流強度廓線等天文光學臺址參數。

由CTIO設計研制的在光波波段測量的組合多孔徑閃耀和差分圖像運動傳感器，可以同時測量整層大氣視寧度、自由大氣層視寧度、等暈角和近似湍流強度廓線等多個天文光學臺址參數，具有實時的優越性，

已被成功配置到Cerro?Tololo，Mauna?Kea，Cerro?Paranal，30米望遠鏡選址點、南極Dome?C等進行臺址測量。

我國尚無成功應用組合多孔徑閃耀和差分圖像運動傳感器進行測量，也缺乏對其關鍵技術的研究。但是組合多孔徑閃耀和差分圖像運動傳感器存在加工難度高，裝調困難等問題，比如：瞳孔分割鏡（PSU）的加工難度大，其尺寸小，包括一個圓形孔徑和三個共心的環形孔徑，由外向內三個環的尺寸為：外直徑5.5mm內直徑3.9mm、外直徑3.85mm內直徑2.2mm和外直徑2.15mm內直徑1.3mm，中心圓的直徑1.27mm。各子孔徑相對于PSU主軸的傾斜角度8°，相鄰子孔徑的旋轉角度為30°，PSU的鏡面為凹面，曲率半徑250mm。PSU材料為銅，經拋光加工為光學面，在銅上依次鍍鉻、鋁反射膜和SiO保護膜。針對PSU加工復雜和需要PSU數量多的情況下，CTIO提出對加工好的高質量的PSU進行復制，得到有機玻璃的瞳孔分割鏡。另外組合多孔徑閃耀和差分圖像運動傳感器的實驗室光學裝調復雜，精度要求高，比如：PSU的傾斜、瞳孔分割鏡對應的4個成像鏡沿兩個方向的旋轉各不相同、DIMM通道的兩個子鏡及其對應的轉向鏡的旋轉等。

因此，目前需要一種新的天文光學湍流測量儀，它充分簡化組合多孔徑閃耀和差分圖像運動傳感器結構，同時滿足現場裝調方便，長期可靠。而現有技術中尚未出現這種測量儀。

發明內容????