基于多层共轭自适应光学的人造多色导星阵列发射系统的制作方法

本发明涉及一种自适应光学装置，具体涉及一种基于多层共轭自适应光学的人造多色导星阵列发射系统。

背景技术：

利用激光激发90km处钠原子共振散射产生钠导星解决自然导星天空覆盖率不足的问题，是目前大口径地基望远镜自适应光学系统进行波前探测的主要手段。利用单颗钠导星进行波前探测基本能满足口径8m左右望远镜的需求，但是，下一代望远镜口径已经达到30m量级，利用单颗钠导星进行探测存在以下问题：1)由于钠导星激发产生的高度为有限高度，钠导星对路径上的湍流采样不全导致的“圆锥效应”将更加明显，从而降低后端ao系统校正效果；2)单颗钠信导星只能对路径上的湍流信息进行二维探测，从而限制了ao系统校正视场(在可见光波段仅为几角秒)，进而限制了ao系统的应用，如对扩展目标(星云)成像。

而克服以上问题的一种主要手段就是多层共轭自适应光学(mcao)系统，该系统主要利用不同方向的离轴导星对多个视线方向上的湍流信息进行探测，再利用层析技术对每个视线方向的湍流信息进行解耦和融合，得到不同海拔高度上的大气湍流信息，然后利用多个变形镜共轭到不同湍流层所处的海拔高度对湍流进行校正。

然而实际情况下，导星上行泵浦激光经过大气，湍流的倾斜像差会产生一个随机的偏移未知量(εx，εy)，那么实际人造导星位置为(xμν+εx，yμν+εy)的随机偏移，但是理论计算湍流信息是按照xμν，yμν来进行解耦融合，从而造成复原的大气三维信息与实际信息之间存在误差，无论后续的层析技术或者波前探测技术的改进，均无法避免以上问题，大大限制了mcao系统的精度和可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于多层共轭自适应光学的人造多色导星阵列发射系统，能够完成上行路径湍流倾斜信息的探测，再利用倾斜反射镜对其进行闭环校正，以获得位置准确的人造导星阵列，为自适应光学系统产生理想的导星阵列，提升多层共轭自适应光学系统性能。

其技术方案如下：

一种基于多层共轭自适应光学的人造多色导星阵列发射系统，其关键在于：包括激光器、扩束透镜组、分光机构，倾斜反射镜、发射望远镜和倾斜探测系统，所述倾斜探测系统包括楔镜、倾斜探测器和控制器，其中发射望远镜同时具有出射激光和对目标成像的功能；

从激光器中发出的激光，经扩束透镜扩束后，透过分光机构，经倾斜反射镜反射后，再通过发射望远镜扩束聚焦，使高空钠原子产生一级激发并产生具有至少两种波段的多色导星阵列；

所述发射望远镜能够接收多色导星阵列两种波段的回光，并依次经过倾斜反射镜和分光机构的反射后，通过楔镜对回光经大气湍流产生的偏移距离进行放大，再进入到倾斜探测器中探测两种回光对应导星的相对位置差异，所述控制器根据倾斜探测器的探测信号恢复出上行路径倾斜信息，并控制发射光路中的倾斜反射镜产生相应的位移，完成倾斜像差闭环校正。

采用以上方案，利用人造导星阵列进行大气湍流三维信息的探测过程中，由于导星泵浦激光上行路径中同样存在大气湍流，湍流的倾斜信息将会造成人造导星的位置随机漂移，从而影响单个导星探测湍流的解耦与融合精度，从而对后端多层共轭自适应光学系统的校正产生明显的误差。而本申请中通过激光对钠原子进行一级激发时产生至少两种回光波段的多色信标，由于不同波段对大气折射率不同，因此对这不同波长回光光斑进行成像，两种光斑将偏移一定的距离，而这距离则可反应上行路径湍流的倾斜信息，利用楔镜则可放大其偏移距离，使其更易于被倾斜探测器进行接收探测，通过倾斜探测器能够则完成上行路径湍流倾斜信息的探测，再利用控制器控制倾斜反射镜产生相应位移，完成闭环校正，最终获得位置准确的人造导星阵列，为自适应光学系统产生理想的钠导星阵列，提升多层共轭自适应光学系统性能。

作为优选：所述分光机构为偏振分光，能够基于发射激光与导星回光的时序进行分时分光。采用以上方案，可弱化干扰，相对减少光能损失。

作为优选：所述分光机构采用挖孔分光原理进行分光。采用以上方案，其结构相对简单，便于获得，有利于降低系统成本。

作为优选：发射望远镜接收的两种波段的回光中，其中一种为短波回光，其波长小于0.4μm。采用以上方案，波长越短，则其折射率变化率则更大，而在进行双波长探测时，其中一个为短波长，有利于增加两种回光之间的折射率之差，且使其差值足够大以使回光光斑偏离明显，以便于测量更精确。

作为优选：所述激光器为330nm激光器。采用以上方案，330nm激光对钠原子进行一级激发时即可产生330nm和589nm两种回光波段的多色信标，通过钠原子不同能级之间的跃迁，产生两种不同波段的信标，使得系统结构更简单，便于操作，且产生回光波段相差较大，回光的折射率之差较大，回光光斑偏离明显，也便于探测测量，并且由于是同一处钠原子在不同能级之间跃迁产生的多色导星，因此两种波段导星光斑完全重合，避免了利用不同波段激光器产生多色导星时光斑不重叠带来的误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的基于多层共轭自适应光学的人造多色导星阵列发射系统，利用多色导星探测上行路径倾斜像差，获得位置确定的导星阵列，能够明显减小导星阵列位置不确定导致的融合与解耦误差，提升多层共轭自适应光学系统性能，有效提升多信标对湍流探测精度，而且结构简单紧凑，适用范围广，易于实现。

附图说明

图1为本发明构成原理示意图；

图2为利用多心导向获得大气湍流倾斜信息的示意图；

图3为330nm激光激发钠原子一级跃迁示意图；

图4为倾斜探测器靶面光斑成像示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

为便于理解，首先对利用人造钠导星阵列进行大气湍流分层三维探测的基本原理进行详细说明：

其中，xμν，yμν为人造导星阵列中某一颗导星的位置坐标；(i,j)为子孔径的坐标；xij，yij为穿过(i,j)子孔径的光线在哈特曼上探测器上x和y方向上偏移的位置；h为人造导星的高度；n为湍流分层的总的层数；为穿过(i,j)子孔径的光线在第k层湍流中湍流单元在x和y方向产生的偏移角度，其中

hm代表第m层湍流；r^(m)为第m层的大气相干长度，即投影到第m层薄层大气上子孔径的大小。

假设哈特曼探测器一共有n个子孔径，将大气湍流分为了m层，导星阵列中包含了m/n个导星，因此可以解算出所有大气湍流单元产生的角度偏移从而完整探测出大气湍流的三维信息，从以上公式中可以看出，大气湍流单元产生的角度偏移是导星位置xμν，yμν的函数，然而由于湍流的影响，导星还会产生一个随机的偏移未知量(εx，εy)，那么实际人造导星位置为xμν+εx，yμν+εy，但是现有系统及理论计算湍流信息是按照xμν，yμν来进行解耦融合，从而造成复原的大气三维信息与实际信息之间存在较大误差，故本发明系统的根本目的在于获取计算(εx，εy)的准确值，并可根据(εx，εy)的值完成闭环校正，提高光学系统性能。

在此背景之下，参考图1至图4，本申请提出了一种基于多层共轭自适应光学的人造多色导星阵列发射系统，其主要包括激光器1、扩束透镜组2、分光机构3，倾斜反射镜7、发射望远镜8和倾斜探测系统10，倾斜探测系统10包括楔镜4、倾斜探测器5和控制器6。

从激光器1中发出的激光，经扩束透镜2扩束后，透过分光机构3，经倾斜反射镜7反射后，再通过发射望远镜8扩束聚焦，使高空钠原子产生一级激发并产生具有至少两种不同波段的多色导星阵列9；

发射望远镜8同时具有出射激光和对目标进行成像的功能，其能够接收多色导星阵列9两种不同波段的回光，并依次经过倾斜反射镜7和分光机构3的反射后，并通过楔镜4对回光经大气湍流产生的偏移距离进行放大，再进入到倾斜探测器5中探测两种回光对应导星的相对位置差异，所述控制器6根据倾斜探测器5的探测信号恢复出上行路径倾斜信息，并控制发射光路中的倾斜反射镜7产生相应的位移，完成倾斜像差闭环校正。

本发明中的分光机构3可以是偏振分光的结构，即其可以根据激光发射与导星回光的时序进行分时分光，确保光路不会干涉，且减少光能损失，当然也可以直接采用挖孔分光原理的器件，其结构相对简单，成本也较低。

本实施例中以激光器1为330nm激光器为例，当330nm激光器出射激光一级激发钠原子时，其源自跃迁能级如图3所示，330nm波段的光子入射至90km钠层，钠原子吸收一个光子的能量，由3s1/2基能级跃迁至4p3/2激发能级。经过一定寿命时间后，激发能级的原子发生自发辐射，原子从激发能级跃迁至3s1/2和4s1/2时，辐射出中心波长为330nm和2206nm的光子；处于4s1/2原子跃迁至3p3/2和3p1/2时，辐射出中心波长为1140nm和1138nm波段的光子；处于3p3/2钠原子跃迁至3s1/2时，辐射出中心波长为589nm的光子；处于3p1/2钠原子跃迁至3s1/2时，辐射出589.6nm波段的光子。

当人造信标散射回光中包含两种回光的波长分别为λ1和λ2时，两种波段的回光波经历相同的大气湍流，如图2所示，此时的湍流效应可以等效为楔镜4，由于波长的不同，不同回光相对湍流的折射率也就不同，折射率之差记为δn＝n(λ1)-n(λ2)，n(λ)表示针对某一特定波长λ相对大气的折射率，为该波长的固有属性。

此时利用发射望远镜8对这两种波段的回光成像，将会发现两种波段回光成像的光斑将分离，其原因是因为大气湍流对两个波段产生的角度偏差θ不同，此时记两种波段角度偏差之差为δθ(实际情况中，两种波段的回光近似平行，图2中为便于理解，故放大二者之间的δθ表示)，而根据角度几何关系，则可以计算出针对某一特定波长λ，大气湍流倾斜像差产生的角度偏差为：

θ＝βδθ

其中：为灵敏度因子，反应了不同波段折射率差的影响，为了稳定钠导星，则本实施例中λ＝589nm。

通过倾斜探测器5中330nm和589nm波段回光的两个光斑偏移的位置，得到两个波长的斜率变化量，从而计算出大气湍流偏移的角度θ，再推算出(εx,εy)，最后利用倾斜反射镜对偏移的角度进行补偿。

根据误差传递理论，大气倾斜角探测误差σθ＝βσδθ，即在相同的角度偏转差δθ测量精度条件下，灵敏度因子β越小，大气倾斜角θ的测量精度越高，从公式中可以看出，增大δn是减小β的重要手段之一，根据研究结果表明，波长越短，针对不同波长的折射率变化越大，故选择双波长探测时，一个波长应该为短波长，即λ＜0.4um，有利于保证δn足够大，所以本专利采用330nm回光和589nm回光两种波段的多色信标，进行倾斜信息的探测。

在倾斜探测器5的靶面上得到两种波段光斑示意如图4所示，可以看出，虽然两种波段光波经历的大气路径相同，但是由于大气对不同波段的折射率不同，从而导致330nm波段光斑与589nm波段光斑之间分离了一定距离，再利用楔镜4对其偏差距离进行放大，以便于倾斜探测器5探测，利用质心提取方法，可以提取出两种不同波长光斑的质心相对靶面圆心偏移距离分别为(x589,y589)、(x330,y330)，从而可以得到两种光斑在x和y方向的距离差：

δx＝|x589-x330|

δy＝|y589-y330|

设倾斜探测器5前端成像透镜的焦距为f，则可以得到两种光斑在x和y方向的角度偏差：

则可以确定倾斜反射镜7在x和y方向产生的倾斜补偿量为：

θx＝βδθx

θy＝βδθy

从而得到偏移值：

εx＝θχ·h

εy＝θy·h

其中h为钠层中心高度，得到εx，εy值后，则可得到人造导星的实际位置，同时又通过倾斜反射镜7的倾斜补偿，可有效确保导星阵列处于确定位置，大大提升本光学系统的性能，以及多信标对湍流探测的精度等。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。