發(fā)布時(shí)間：2020-05-24 04:58

【摘要】：為了滿足天文學(xué)家對(duì)太陽等擴(kuò)展目標(biāo)的大視場(chǎng)高分辨力成像觀測(cè)需求,太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)(MCAO:multi-conjugate adaptive optics)技術(shù)近年來成為自適應(yīng)光學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一,其利用大氣湍流的垂直高度分布信息,控制多個(gè)變形鏡對(duì)大氣湍流進(jìn)行分層校正,從而獲得太陽活動(dòng)區(qū)大視場(chǎng)高分辨力校正效果。因此,實(shí)現(xiàn)太陽MCAO的基礎(chǔ)和前提是獲得大氣湍流分層統(tǒng)計(jì)特性,實(shí)質(zhì)是獲得與太陽MCAO系統(tǒng)校正帶寬有關(guān)的大氣湍流特性參數(shù),包括大氣等暈角、大氣相干時(shí)間、Greenwood頻率和Tyler頻率等。進(jìn)一步地,這些大氣湍流特性參數(shù)又與大氣湍流分層后不同高度的大氣視寧度和不同高度的大氣風(fēng)速密切相關(guān)。因此,本文瞄準(zhǔn)太陽MCAO技術(shù)的具體應(yīng)用需求,基于云南天文臺(tái)撫仙湖太陽觀測(cè)站(FSO:Fuxian Lake Solar Observatory)的1米新真空太陽望遠(yuǎn)鏡(NVST:new vacuum solar telescope),以及大視場(chǎng)夏克-哈特曼波前傳感器(SHWFS:ShackHartmann Wavefront Sensor),開展白天大氣視寧度分層測(cè)量技術(shù)和白天大氣風(fēng)速分層測(cè)量技術(shù)研究,重點(diǎn)開展大氣視寧度和風(fēng)速分層測(cè)量技術(shù)的算法改進(jìn)、仿真驗(yàn)證以及實(shí)驗(yàn)分析工作。首先,介紹了大氣湍流特性和大氣湍流分層測(cè)量原理。介紹了在湍流問題研究中處于統(tǒng)治地位的Kolmogorov湍流統(tǒng)計(jì)理論,包括其折射率起伏統(tǒng)計(jì)特性和相位擾動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性。之后介紹了Kolmogorov湍流情況下的主流大氣湍流分層測(cè)量技術(shù),包括Scintillation Detection and Ranging(SCIDAR)、SLOpe Detection And Ranging(SLODAR)以及Solar Differential Image Motion Monitor Plus(S-DIMM+)。針對(duì)用于白天大氣湍流分層測(cè)量的導(dǎo)星具有二維擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的特性,提出將SDIMM+用于大氣視寧度分層測(cè)量研究;考慮到S-DIMM+無法測(cè)量風(fēng)速以及導(dǎo)星斜率數(shù)據(jù)獲取的便利性,提出將SLODAR用于大氣風(fēng)速分層測(cè)量研究。接著,基于撫仙湖太陽觀測(cè)站的一米太陽望遠(yuǎn)鏡NVST和37單元大視場(chǎng)SHWFS,開展大視場(chǎng)SHWFS數(shù)據(jù)預(yù)處理及波前斜率提取提取技術(shù)研究。瞳面旋轉(zhuǎn)是地平式望遠(yuǎn)鏡Coudé焦點(diǎn)和折軸Cassegrain焦點(diǎn)必須面臨的問題,使得SHWFS相機(jī)靶面圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn),進(jìn)而引起用于計(jì)算白天大氣湍流分層測(cè)量的導(dǎo)星存在發(fā)生旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致不同時(shí)刻同一導(dǎo)星之間具有不同方向基準(zhǔn),最終對(duì)大氣湍流分層測(cè)量算法造成潛在的不利影響。因此瞳面旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償是大視場(chǎng)SHWFS數(shù)據(jù)預(yù)處理的必須步驟。根據(jù)地平式太陽望遠(yuǎn)鏡NVST的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),提出基于轉(zhuǎn)臺(tái)的瞳面旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償。對(duì)瞳面旋轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)償后,在AO系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)下SHWFS采集的太陽圖像仍然會(huì)受到相機(jī)噪聲以及光學(xué)系統(tǒng)中光的非均勻性等因素的影響,由此有必要進(jìn)一步對(duì)太陽圖像進(jìn)行平暗場(chǎng)處理。此外,因?yàn)?7單元大視場(chǎng)SHWFS采集的太陽目標(biāo)圖像具有二維擴(kuò)展結(jié)構(gòu),如太陽黑子或太陽米粒,以及望遠(yuǎn)鏡spider結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致SHWFS子孔徑之間的對(duì)比度存在明顯差異,因此互相關(guān)算法將被用于導(dǎo)星波前斜率提取。再次,基于S-DIMM+提出了一種改進(jìn)的白天大氣視寧度分層測(cè)量技術(shù)。SDIMM+能夠用于白天大氣視寧度分層測(cè)量,但是大氣分層數(shù)目受到波前傳感器子孔徑排布限制而變得固定。子孔徑陣列數(shù)量較少的波前傳感器將導(dǎo)致一個(gè)稀疏的高度網(wǎng)格,進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)湍流層的位置無法被準(zhǔn)確評(píng)估且每層湍流強(qiáng)度易被高估。為了解決這個(gè)問題,本文提出一種改進(jìn)S-DIMM+方法,其通過迭代的方式對(duì)不同高度空間范圍內(nèi)的白天大氣視寧度進(jìn)行分層測(cè)量,每次迭代過程中大氣分層數(shù)目固定,且后一次迭代測(cè)量的高度范圍低于于前一次測(cè)量結(jié)果,最終所有迭代結(jié)果被結(jié)合為一個(gè)新的具有更密和更均勻分布高度網(wǎng)格的視寧度廓線。改進(jìn)SDIMM+方法能夠突破傳感器硬件對(duì)大氣視寧度分層數(shù)目的限制,減少稀疏高度網(wǎng)格導(dǎo)致的湍流強(qiáng)度高估,顯著提高大氣視寧度分層測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。改進(jìn)方法通過不同的大氣湍流模型進(jìn)行仿真測(cè)試,仿真結(jié)果表明改進(jìn)S-DIMM+能夠更為理想地評(píng)估輸入大氣模型。進(jìn)一步地,基于NVST采集的AO系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)下的太陽圖像數(shù)據(jù)序列,評(píng)估云南撫仙湖觀測(cè)站上空的大氣視寧度垂直高度分布。7×7的大視場(chǎng)SHWFS用改進(jìn)S-DIMM+產(chǎn)生了一個(gè)16層且高達(dá)15km的高度網(wǎng)格,相鄰兩層的垂直高度間隔為1km�；诟倪M(jìn)方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明大氣湍流可分為3個(gè)部分:位于0-2km的地表層、位于3-6km的中間層以及≥7km的高層。最后,基于SLODAR提出了一種改進(jìn)的大氣風(fēng)速分層測(cè)量技術(shù)。SLODAR是一種基于導(dǎo)星波前斜率且被廣泛應(yīng)用于夜間大氣視寧度分層測(cè)量的技術(shù);此外,通過在時(shí)間延遲互相關(guān)圖中追蹤與湍流層相對(duì)應(yīng)的互相關(guān)峰的移動(dòng)快慢和方向,SLODAR能夠測(cè)量對(duì)應(yīng)湍流層的風(fēng)速和風(fēng)向。然而這種風(fēng)速測(cè)量方法僅對(duì)可被單獨(dú)分離的互相關(guān)峰有效,但在許多情況下,在時(shí)間延遲互相關(guān)圖中很難被找到不同湍流層對(duì)應(yīng)的孤立互相關(guān)峰,導(dǎo)致無法對(duì)每層風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行測(cè)量。為了解決這個(gè)問題,本文提出了一種測(cè)量每個(gè)湍流層風(fēng)速和風(fēng)向的改進(jìn)方法,其通過追蹤二維(2D)互相關(guān)圖中不同方向上一維切片曲線上的一系列互相關(guān)峰,最后根據(jù)凍結(jié)流動(dòng)假設(shè)來評(píng)估每個(gè)湍流層的風(fēng)速和風(fēng)向,改進(jìn)方法甚至對(duì)于弱響應(yīng)的互相關(guān)峰也有效。改進(jìn)方法通過不同大氣湍流模型進(jìn)行仿真測(cè)試,仿真結(jié)果表明改進(jìn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每層大氣的風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量。進(jìn)一步地,進(jìn)一步地,基于NVST采集的AO系統(tǒng)開環(huán)狀態(tài)下的太陽圖像數(shù)據(jù)序列,評(píng)估云南撫仙湖觀測(cè)站上空的大氣風(fēng)速和風(fēng)向垂直高度分布,測(cè)量高度范圍為0 12km。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所有層的風(fēng)速都具有一個(gè)相對(duì)較小的值(10m/s)。本文針對(duì)太陽MCAO技術(shù)的具體應(yīng)用需求,重點(diǎn)開展白天大氣視寧度分層測(cè)量技術(shù)和白天大氣風(fēng)速分層測(cè)量技術(shù)研究,在國(guó)內(nèi)和國(guó)際上都屬于開創(chuàng)性的成果,對(duì)推動(dòng)我國(guó)大氣湍流分層測(cè)量技術(shù)的發(fā)展具有重要研究意義和參考價(jià)值,為進(jìn)一步開展多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的研究打下了基礎(chǔ)。
【圖文】：

第 1 章 緒論1.2.1 自適應(yīng)光學(xué)基本原理一般地，地球大氣湍流會(huì)使來自無限遠(yuǎn)處目標(biāo)光源的平面波產(chǎn)生相位畸變：0iE E e …(1.1)式中 0表示波前復(fù)振幅，φ表示畸變波前相位。一種稱為相位共軛補(bǔ)償技術(shù)通過光路中特定的光學(xué)器件引入與湍流畸變波前共軛的相位，則目標(biāo)平面波經(jīng)過大氣湍流后再經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的波前畸變將被抵消，如圖 1.1 所示，其也是自適應(yīng)光學(xué)的基本原理。

特定的光學(xué)器件引入與湍流畸變波前共軛的相位，則目標(biāo)平面波再經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后的波前畸變將被抵消，如圖 1.1 所示，其也是本原理。圖 1.1 相位補(bǔ)償技術(shù)示意圖[17]Figure 1.1 Sketch of phase compensation technology
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;TP212

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