模拟大气湍流装置畸变波前时空特性的测量与分析

作     者：谭涛 

作者单位：中国科学院研究生院（光电技术研究所） 

学位级别：硕士

导师姓名：李新阳

授予年度：2015年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：自适应光学 湍流模拟器 随机相位屏 热风式湍流模拟器 Kolmogorov湍流 

摘      要：大气湍流是大气中一种不规则的随机运动,对大气湍流的研究大多是利用湍流统计理论进行的。大气湍流的数理模型主要有Kolmogorov湍流和非Kolmogorov湍流。一般通过空间特征和时间特征来反映湍流畸变波前的特性。空间特征主要有大气相干长度、相位结构函数等;时间特征主要有时间常数、Greenwood频率和波前相位时间功率谱等。自适应光学系统(Adaptive Optics System)主要用来补偿大气湍流造成的随机波前畸变。在自适应光学系统中,波前探测器探测经湍流扰动的光波前,通过有效的波前控制算法,由波前校正器进行补偿。当观测目标发出的光太微弱而且附近区域没有足够亮的星体提供波前扰动的探测时,就需要利用激光导引星(Laser Guide Star,LGS)。大气湍流的时空特性决定了自适应光学系统的校正效果。为了在实验室内研究LGS条件下与湍流时空特性匹配的校正方法,搭建了室内自适应光学系统平台,其中湍流模拟装置是基于LGS的自适应光学系统平台的主要部分之一。本文采用了两种方式产生室内可控的大气湍流,分别是旋转随机相位屏方法和热风式湍流模拟器,但这两种方式产生的模拟湍流的时空特性尚未得到仔细研究。本文的目的就是准确测量和分析模拟湍流产生的畸变波前的时空特性,并预估不同的模拟湍流条件下自适应光学系统的校正效果。对于旋转随机相位屏模拟大气湍流,得到不同转速下大气相干长度、65阶Zernike系数的方差分布曲线,表明旋转随机相位屏模拟的大气湍流低阶倾斜像差较大。随着相位屏转速的增加,时间常数减小,Greenwood频率增大。实验结果表明利用旋转随机相位屏模拟的大气湍流的时空特性基本符合Kolmogorov湍流统计理论。对HT200型热风式湍流模拟器,分析了热风温度和风速变化对湍流强弱的影响。当风速固定时,随着温度的增加湍流增强;当温度不变时,随着风速的增加湍流减弱。通过对相位结构函数和Zernike系数方差分布曲线的分析发现,与Kolmogorov湍流相比,热风式湍流模拟器的高阶像差较大,而低阶像差偏小。其相位结构函数指数约为4/3,与Kolmogrov湍流的指数5/3不同。认为热风式湍流模拟器产生的湍流是一种非Kolmogorov湍流。基于冻结湍流假设,分析了运动目标条件下湍流像差空间平移与时间延迟的关系。利用复原相差的图像平移模拟提前LGS偏角的方法,研究了运动目标条件下利用提前LGS偏角提高校正效果的可行性。结果表明,旋转随机相位屏湍流模拟器的波前残差降低了50%以上,热风式湍流模拟器的波前残差降低了10%左右。两种湍流时空特性的不同是造成校正效果差异的主要原因。全文通过搭建实验平台,对旋转相位屏和热风湍流模拟器时空特性进行了测量,并预估了不同的模拟湍流条件下自适应光学系统的校正效果。未来将加强对非Kolmogorov湍流的理论分析,并开展模拟湍流条件下的LGS自适应光学系统校正实验研究。