激光傳輸中非等暈性誤差的研究

激光傳輸中非等暈性誤差的研究

0非等暈性誤差在天文觀測領(lǐng)域，光學(xué)技術(shù)的自適應(yīng)能力通過實時探測和修正動態(tài)波前的誤差，克服了氣擾動的影響，恢復(fù)了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的理想分辨率。人造信標(biāo)技術(shù)也存在一些局限性,非等暈性誤差是其中之一。由于目標(biāo)光與信標(biāo)光所通過的大氣湍流未必相同,這種差異會給校正帶來誤差,即是自適應(yīng)光學(xué)(AO)系統(tǒng)的非等暈性誤差。非等暈性誤差主要包括角度非等暈性、聚焦非等暈性、AO系統(tǒng)時間延遲非等暈性、AO系統(tǒng)色散非等暈等等分析了人造信標(biāo)非等暈性誤差測量系統(tǒng)的技術(shù)要求,介紹了高性能瑞利信標(biāo)回光波面測量系統(tǒng),詳細(xì)介紹了瑞利信標(biāo)非等暈性測量試驗并給出了試驗結(jié)果,可為深入研究信標(biāo)理論和人造信標(biāo)技術(shù)提供借鑒。1焦、角度非等暈誤差的模擬目標(biāo)可視為無窮遠(yuǎn)的光源,所發(fā)光沿平行方向進入望遠(yuǎn)鏡接收孔徑。來自瑞利信標(biāo)的光是一個椎體,那么信標(biāo)上方有未采樣的大氣湍流,信標(biāo)下方的椎體以外的大氣湍流信息同樣沒有采樣,這兩部分湍流引起的校正后剩余誤差稱為非等暈性誤差經(jīng)典的AO理論對單一的聚焦、角度非等暈誤差研究較多。圖1中θ=0時的情況,瑞利信標(biāo)光與目標(biāo)光傳播方向相同時,此時的非等暈誤差為聚焦非等暈誤差,去掉Zernike像差的平移項、傾斜項和離焦項后的聚焦非等暈方差為:式中:D為望遠(yuǎn)鏡口徑;k=2π/λ為波數(shù);H為信標(biāo)高度;當(dāng)圖1中僅存在由瑞利信標(biāo)光與目標(biāo)光傳播方向偏差角θ引起的非等暈誤差,稱為角度非等暈誤差,去掉了Zernike像差的平移項、傾斜項和離焦項后的角度非等暈方差為:式中:Hc=D/2θ。選擇常用的Hufnagal、HV5/7及SLC-Night大氣模型,按照公式(1)和公式(2)對聚焦、角度非等暈誤差進行模擬分析,如圖2所示。實際的AO系統(tǒng)可能同時存在聚焦、角度及時間延遲等非等暈誤差,并且這幾種非等暈誤差耦合在一起,一般難以得到解析解或近似解,只有通過數(shù)值計算獲得結(jié)果。2信標(biāo)非等暈性誤差的物理關(guān)系通過望遠(yuǎn)鏡在目標(biāo)星附近發(fā)射瑞利信標(biāo),可采用共孔徑或分孔徑進行接收,同時測量自然星回光波面、瑞利信標(biāo)回光波面,并進行比較,以測量和評價瑞利信標(biāo)非等暈性,在回光強度合適條件下,逐步改變?nèi)鹄艠?biāo)的發(fā)射高度與偏角,可得到瑞利信標(biāo)非等暈性誤差與信標(biāo)高度、偏角的物理關(guān)系。人造信標(biāo)回光波面測量一般由望遠(yuǎn)鏡、信標(biāo)激光器、耦合發(fā)射系統(tǒng)、弱光探測系統(tǒng)、時序控制系統(tǒng)等組成。除了對望遠(yuǎn)鏡跟蹤探測能力具有一定要求之外,對信標(biāo)激光器波長、能量、光束質(zhì)量也有明確要求,同時時序控制系統(tǒng)需要控制信標(biāo)激光器出光、弱光探測系統(tǒng)采集動作并保證時序上的同步,對弱光探測系統(tǒng)的探測能力、探測精度也有較高的技術(shù)要求。2.1波前探測器技術(shù)要求瑞利信標(biāo)非等暈誤差測量需要兩路Hartmann波前探測器,以實現(xiàn)對自然星回光波面、瑞利信標(biāo)回光波面的同步測量,在波前探測器靈敏度、波前探測器測試精度、雜光抑制與選通等技術(shù)上具有較高要求。2.1.1波前回光光子數(shù)計算對于人造瑞利信標(biāo),在滿足“點”源條件下,全孔徑回光光子數(shù)計算為式中:N哈特曼波前測量系統(tǒng)要保證一定的波前探測精度,子孔徑內(nèi)最小光子數(shù)需要滿足式中:N為子孔徑內(nèi)回光光子數(shù);d為子孔徑尺度;r實際上,由于探測器件性能的限制,對子孔徑光子數(shù)的要求更高。在望遠(yuǎn)鏡、激光器等系統(tǒng)參數(shù)一定的條件下,應(yīng)盡可能選用高靈敏度探測器。2.1.2波前探測器參數(shù)人造信標(biāo)波前探測對空間分辨率、時間分辨率都有一定要求,子孔徑通常取Fried相干長度r由于要對自然星回光波面、瑞利信標(biāo)回光波面進行同時測量和比較,兩路波前探測器推薦使用完全相同的參數(shù)設(shè)計。自然星可以看作無窮遠(yuǎn)的點目標(biāo),回光接近平行光束,而瑞利信標(biāo)高度有限,回光為發(fā)散光束,因此瑞利信標(biāo)波前探測器需要同時保證動態(tài)范圍和探測精度,通常在瑞利信標(biāo)回光波前探測器前采用自適應(yīng)調(diào)焦系統(tǒng)將發(fā)散光束準(zhǔn)直為平行光束再進行測量,這樣兩路波前探測器可完全相同,嚴(yán)格保持一致的測試精度。2.1.3信標(biāo)距離和距離選通厚度的精細(xì)控制信標(biāo)回光強度較弱,必須考慮背景雜光的抑制問題,對于共孔徑發(fā)射接收光路更是如此,發(fā)射信標(biāo)激光脈沖時的雜散光和近程高度附近的后向散射光都會使得測量系統(tǒng)波前探測器產(chǎn)生信號飽和,從而接收不到信標(biāo)回波有用信號。盡管采用了時間選通技術(shù)來抑制噪聲,但是暴露在外的探測器光敏面還會受到影響,情況嚴(yán)重時還會造成探測器損壞或縮短其壽命。如何解決雜散光的影響是共光路系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問題。此外,信標(biāo)距離的選通必須滿足一定的同步控制時序關(guān)系。機械快門裝置是研究人員提出的有效措施之一。根據(jù)需求可設(shè)計機械快門的轉(zhuǎn)動頻率達(dá)上千赫茲,機械轉(zhuǎn)盤以穩(wěn)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動,在一個周期內(nèi),通過安裝在盤片兩邊的光電開關(guān)檢測到接通信號,觸發(fā)激光器出光,此時探測器處于轉(zhuǎn)盤遮擋狀態(tài),經(jīng)過一定延遲時間機械開門,此時信標(biāo)回波信號正好經(jīng)過轉(zhuǎn)盤凹槽進入到探測器曝光,采樣結(jié)束后快門關(guān)門,下一個機械快門同步基準(zhǔn)信號到來后重復(fù)動作。機械快門如圖3所示。機械快門有效地遮擋了近程雜光,基于同步時序關(guān)系對選通距離和選通厚度實現(xiàn)精確控制,也可以結(jié)合探測器高精度電子快門進行選通厚度精確控制。瑞利信標(biāo)所容許的最大散射層厚度滿足式中:Δh為選通厚度;λ為激光波長;h2.2波前探測器系統(tǒng)瑞利信標(biāo)非等暈性誤差測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。主擴束器采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu),為保證在450~650nm寬光譜具有高透過率、高像質(zhì),主鏡采用拋物面、次鏡采用雙曲面設(shè)計。兩塊濾光鏡對532nm高反,以實現(xiàn)對瑞利信標(biāo)、自然星回光光譜分光,自然星回光高透并經(jīng)反射鏡耦合進入自然星回光哈特曼傳感器,反射的532nm信標(biāo)光入射進入4F系統(tǒng),在焦點位置安裝機械快門裝置,準(zhǔn)直后的光束進入信標(biāo)哈特曼傳感器。為保證信標(biāo)哈特曼傳感器測量不同高度瑞利信標(biāo)波面時高精度、大動態(tài)范圍的性能,在信標(biāo)哈特曼傳感器前加入補償透鏡,減小瑞利信標(biāo)回光發(fā)散程度。兩路波前探測器采用完全相同的參數(shù)設(shè)計,子孔徑陣列為14×14。機械快門探測到同步基準(zhǔn)信號后,控制信標(biāo)激光器出光,并根據(jù)發(fā)射高度計算兩路波前探測器的延時,信標(biāo)波面探測器積分時間為10μs,自然星波面探測器積分時間為400μs。兩路波前探測器同時采集信標(biāo)回光波面、自然星回光波面,以實現(xiàn)非等暈性誤差的測量和評價。3信標(biāo)回光與自然星回光橫向比較采用共孔徑發(fā)射接收模式開展了瑞利信標(biāo)非等暈性誤差測量試驗,主要包括兩個試驗內(nèi)容:在零偏角情況下,分別發(fā)射瑞利信標(biāo)至8~18km,同時測量瑞利信標(biāo)波面與自然星波面,獲得瑞利信標(biāo)聚焦非等暈性誤差;在信標(biāo)高度為12km條件下,在0~100μrad偏角范圍內(nèi)同時測量瑞利信標(biāo)波面與自然星波面,獲得瑞利信標(biāo)非等暈性誤差。圖5分別為8km瑞利信標(biāo)回光、自然星信標(biāo)回光某同一時刻哈特曼傳感器測量得到的點陣圖像。瑞利信標(biāo)高度從8~18km,回光強度逐漸降低,哈特曼點陣信噪比約從200降為30;自然星回光哈特曼點陣信噪比約為80,可以準(zhǔn)確計算哈特曼點陣的質(zhì)心。圖6分別為8km瑞利信標(biāo)回光、自然星信標(biāo)回光某同一時刻測量得到的波面以及兩者的位相差(均去除平移項、傾斜項和離焦項),可以看出兩者波面空間上具有一定的相關(guān)性。圖7為測量得到的瑞利信標(biāo)聚焦非等暈性誤差隨信標(biāo)高度的變化曲線,圖中同時給出了當(dāng)?shù)卮髿饽Ｐ拖碌睦碚撚嬎憬Y(jié)果。試驗時的大氣相干長度約為9cm,等暈角約為7μrad。圖中可以看出,瑞利信標(biāo)在8km高度時對應(yīng)的非等暈性方差約9rad圖8為在12km高度不同偏角下測量得到和理論計算的非等暈性誤差?？梢钥闯?隨著瑞利信標(biāo)偏角的增大,瑞利信標(biāo)非等暈性誤差總體上呈上升趨勢,基本符合物理規(guī)律,經(jīng)過與大氣參數(shù)對比分析,個別數(shù)據(jù)點“背離”規(guī)律與試驗時大氣條件的客觀變化有關(guān)。圖9為瑞利信標(biāo)12km高度,50μrad偏角的瑞利信標(biāo)波面、自然信標(biāo)波面和兩者之差的各階Zernike系數(shù)方差,可以看出非等暈方差主要集中在前30階。為評估非等暈性誤差對望遠(yuǎn)鏡成像的影響,把瑞利信標(biāo)波面與自然星波面差進行了遠(yuǎn)場變換,得到了積分幀的遠(yuǎn)場光斑如圖10所示,光斑的峰值Strehl比為0.062,半高全寬FWHM為4.9