基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计

对基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量系统进行了研究,系统利用脉冲激光在测量区域大气层内不同高度形成信标星,以此测量地面至信标星之间的大气湍流信息。本文在分析瑞利激光导星湍流廓线测试的原理和系统组成基础上,对系统关键参数进行了优化选取,并设计了激光发射系统和差分像移接收系统,最后对系统性能进行评估。结果表明:系统可对地面高度0.2~10 km范围内的大气进行湍流廓线测量,该技术在地基天文观测、星地激光通信、地基激光武器领域具有重要的应用价值。     

激光钠信标光斑漂移和光斑半径的数值模拟与分析

激光钠信标的光斑漂移、光斑半径的变化对自适应光学校正有直接的影响。在激光钠信标光斑漂移方差和有效半径理论模型的基础上,采用数值模拟的方法,在三种大气湍流模式下,具体研究了激光钠信标光斑与激光光斑漂移方差和有效半径的差异,计算了不同发射口径时激光钠信标光斑的长曝光与短曝光有效半径的平均值,分析了有再泵浦能量激光对激发钠信标光斑漂移方差和平均有效半径的影响。研究结果表明,大气湍流强度、激光发射口径以及再泵浦激光能量都能够影响激光钠信标光斑漂移和光斑半径。     

微秒脉冲激光钠导引星星群技术研究（特邀）

激光钠导引星被称为人造恒星,用于探测和校正光波经大气湍流引起的波前畸变,大幅度提高自适应光学望远镜的成像质量。采用单颗钠导引星探测的有效视场范围有限,通过多束黄激光分别激发大气电离层钠原子产生多颗钠导引星,能在较大视场内获得更清晰的目标成像,在精密天文观测、空间目标探测等领域具有重要应用。文中重点介绍了微秒脉冲激光钠导引星星群的产生,基于100 W级微秒脉冲激光,采用小角度精密偏振分光/并束调控的专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束20 W/束、重复频率kHz、脉冲宽度百微秒的钠激光发射到天空,在40"观测视场内生成四颗导引星,星群构型可调控,如线形、平行四边形、菱形和正方形等,每颗钠导引星亮度约为V波段8等星,光斑大小约3.25"。利用脉冲同步控制技术,钠导引星回波信号可以避免瑞利散射光的干扰,从而获得更高的空间分辨率。这为大口径天文望远镜多层共轭校正系统的研制提供技术参考。     

钠信标光斑大小及回光数研究

钠信标已经成为地基大口径望远镜自适应光学系统的必要组成部分。钠信标光斑大小和回光数是影响自适应光学系统性能的关键因素,从发射角度考虑,主要由激光到达钠层时功率密度分布和耦合效率共同决定。为了准确估计钠信标光斑大小和回光数,首先建立了激光在大气中传输的模型,通过分析激光发射望远镜口径和上行路径大气湍流对激光到达钠层功率密度分布的影响,得出优化激光发射望远镜口径的普适方法;然后根据激光通过发射望远镜后到达钠层的功率密度与耦合效率的关系,计算钠信标光斑大小和回光数;最后利用探测误差和时域误差作为评价指标,计算了系统的最优采样频率。研究结果表明,针对丽江高美古天文台大气条件（大气相干长度（r0@550 nm）中值为7~9 cm）,激光发射望远镜口径最佳值为300 mm,此时产生的光斑最优;当r0为9 cm,激光器采用中国科学院理化技术研究所20 W级百微秒脉冲激光器并利用D2a+D2b双峰泵浦激发钠原子时,产生的钠信标回光数为1.3107 photonss-1m-2,光斑大小为0.6,最优的采样频率为900 Hz。     

自适应成像中的Na激光导星技术

大气湍流严重限制地基天文望远镜的分辩率。在最好的观测台址和良好的能见度条件下，可见光波段的分辩率一般不超过1弧秒。过去的20年中发展了采用电变形镜的自适应光学系统，用以补偿湍流效应。可惜这类系统要求被观测天体附近有明高的参考源，且只能用于观测最亮的星。通过用激光激发中圈钠层的共振反向散射，可在高层大气建立控制自适应成像系统的人造导星。本文对激光导星自适应望远镜之设计要求及预期成像行为作了评论。     

基于阵列激光导星的自适应光学波前探测数值仿真

为克服当前波前探测技术存在的固有问题,提出了一种基于阵列激光导星（Laser Guide Star,LGS）的自适应光学系统。该系统可以有效消除聚焦非等晕效应的影响从而提高系统的波前探测精度,由此大幅度增大激光导星自适应光学系统的大气湍流探测范围,从而降低自适应光学系统对导星亮度的要求。阐释了该系统的闭环工作过程,并依据其工作过程建立仿真模型,数值仿真了该系统基于阵列激光导星的波前探测过程。最后对重构波前精度进行评估,分析了仿真存在的误差。数值仿真结果显示:该系统的波前重构精度较好,校正残差为11%,初步验证了利用阵列激光导星进行波前探测的可行性。     

湍流大气中折返路径激光成像探测实验

采用红光激光器、3M微晶棱镜阵列反光膜和长焦高速CCD(电荷耦合器件)构建的折返路径激光成像探测系统,进行典型天气条件下湍流大气中1km传输路径上的激光光斑回波成像探测实验,并配备激光闪烁仪和大气相干长度仪实时监测湍流参数。对激光光斑图像的强度进行了统计分析,获得了不同位置、不同光斑孔径范围内的闪烁指数和光强起伏的空间相关系数,并尝试拟合得出了光斑中心点理想的点闪烁指数。将依据该闪烁指数推算出的湍流折射率结构常数与实时监测数据进行对比分析,结果表明:利用该方法所得的湍流折射率结构常数与激光闪烁仪实测值在变化趋势上具有良好的一致性,并且折返路径激光成像探测方法容易确保傍轴近似条件,理论上更符合实际。该系统不仅可用于观测受大气湍流影响的完整的远场激光光斑,通过定量化理论建模,还有望发展成为一种单端的大气光学湍流参数成像探测新技术。     

激光大气传输远场光斑仿真

从衍射、大气湍流对光束漂移和扩展以及激光发射系统的跟瞄精度等方面分析了激光大气传输的远场瞬时光斑分布。用蒙特卡罗方法仿真计算了远场光斑瞬时质心分布,根据光斑的质心分布和瞬时光斑分布计算了长曝光光斑。     

星载自适应光学系统的双导星信标理论研究

星载相机的波前畸变主要来源于两个部分:由于温度场、重力场变化引起的相机光学系统自畸变;由于大气湍流引起的波前误差。为获得高分辨率的图像,需要校正波前误差。提出一种对星载光学系统波前畸变进行有效探测的技术。星载激光器分时产生钠导星和瑞利导星,前者用于校正自畸变,后者用于校正大气湍流造成的波面像差。针对该方法对激光能量的要求,建立了双导星信标系统的数值模型,并进行仿真。结果表明,该方法对激光器的要求,在目前是可以实现的。该方法可以用于空间相机光学系统的波面畸变探测,从而为星载自适应光学的进一步研究提供依据。     

面向激光通信的大气随机信道分析与研究

大气激光通信系统以其容量大、体积小、保密性高等特点,正适合替代微波作为信息传输瓶颈问题的最佳解决方案,具有重大的意义和良好的应用前景.研究了大气随机信道的特性,特别是大气随机信道对激光传输的影响.大气随机信道的研究是激光通信系统的一个十分重要的研究部分,对激光通信系统的设计和实现具有较大的参考价值.根据大气湍流的特点,建立了大气湍流信道的模型,依据湍流信道模型进行了激光在湍流信道中水平传输远场光斑的计算机模拟仿真,分别就不同的湍流、不同的传输距离进行了光斑的实时显示,并和实际测量光斑进行了比对.分析了激光通过大气随机信道时光斑变化的因素,利用软件对光斑进行了模拟,并将模拟光斑与实际测量光斑进行了比较.用此系统可以方便、准确、形象地显示激光光斑的闪烁、分裂等现象,便于我们研究大气对无线光通信的影响,为进一步优化激光通信系统性能,最终实现全天候的大气激光通信做了有意义的探索.