基于大视场夏克—哈特曼波前传感器的白天大气视宁度和风速分层测量技术研究

1、基于大视场夏克哈特曼波前传感器的白天大气视宁度和风速 分层测量技术研究 为了满足天文学家对太阳等扩展目标的大视场高分辨力成像观 测需求 , 太阳多层共轭自适应光学 (MCAO:multi-conjugate adaptive optics) 技术近年来成为自适应光学研究领域的热点之一 , 其利用大 气湍流的垂直高度分布信息 , 控制多个变形镜对大气湍流进行分层校 正 , 从而获得太阳活动区大视场高分辨力校正效果。因此, 实现太阳MCA的基础和前提是获得大气湍流分层统计特性，实质是获得与太阳 MCAO系统校正带宽有关的大气湍流特性参数，包括大气等晕角、大气 相干时间、Greenwood频率和Ty

2、ler频率等。进一步地，这些大气湍 流特性参数又与大气湍流分层后不同高度的大气视宁度和不同高度 的大气风速密切相关。因此,本文瞄准太阳MCA(技术的具体应用需求 基于云南天文台抚仙湖太阳观测站 (FSO:Fuxian Lake Solar Observatory) 的 1 米新真空太阳望远镜 (NVST:new vacuum solar telescope), 以及大视场夏克 - 哈特曼波前传感器 (SHWFS:ShackHartmann Wavefront Sensor), 开展白天大气视宁度分 层测量技术和白天大气风速分层测量技术研究 , 重点开展大气视宁度 和风速分层测量技术的算法改进、

3、 仿真验证以及实验分析工作。 首先, 介绍了大气湍流特性和大气湍流分层测量原理。 介绍了在湍流问题研 究中处于统治地位的 Kolmogorov 湍流统计理论 , 包括其折射率起伏 统计特性和相位扰动统计特性。之后介绍了 Kolmogorov 湍流情况下 的主流大气湍流分层测量技术 , 包括 Scintillation Detection andRanging(SCIDAR)、SLOpeDetection AndRanging(SLODAR以及 Solar Differential Image Motion Monitor Plus(S-DIMM+) 。针对用于白 天大气湍流分层测量的导星具有二

4、维扩展结构的特性,提出将 SDIMM+用于大气视宁度分层测量研究；考虑到S-DIMM无法测量风速以及导 星斜率数据获取的便利性，提出将SLODA用于大气风速分层测量研 究。接着,基于抚仙湖太阳观测站的一米太阳望远镜NVST和37单元大视场SHWFSf展大视场SHWF数据预处理及波前斜率提取提取技 术研究。瞳面旋转是地平式望远镜 Coude焦点和折轴Cassegrain焦 点必须面临的问题，使得SHWF相机靶面图像发生旋转，进而引起用 于计算白天大气湍流分层测量的导星存在发生旋转 , 导致不同时刻同 一导星之间具有不同方向基准 , 最终对大气湍流分层测量算法造成潜 在的不利影响。因此瞳面旋转补偿

5、是大视场 SHWF数据预处理的必须 步骤。根据地平式太阳望远镜NVST勺光学系统设计，提出基于转台的 瞳面旋转补偿。对瞳面旋转进行补偿后，在AO系统开环状态下SHWFS 采集的太阳图像仍然会受到相机噪声以及光学系统中光的非均匀性 等因素的影响 , 由此有必要进一步对太阳图像进行平暗场处理。 此外, 因为37单元大视场SHWF采集的太阳目标图像具有二维扩展结构， 如太阳黑子或太阳米粒，以及望远镜spider结构会导致SHWF子孔径 之间的对比度存在明显差异 , 因此互相关算法将被用于导星波前斜率 提取。再次，基于S-DIMM提出了一种改进的白天大气视宁度分层测 量技术。SDIMM能够用于白天大气

6、视宁度分层测量，但是大气分层数 目受到波前传感器子孔径排布限制而变得固定。 子孔径阵列数量较少的波前传感器将导致一个稀疏的高度网格 , 进而导致强湍流层的位置 无法被准确评估且每层湍流强度易被高估。为了解决这个问题 , 本文 提出一种改进S-DIMM方法,其通过迭代的方式对不同高度空间范围 内的白天大气视宁度进行分层测量 , 每次迭代过程中大气分层数目固 定, 且后一次迭代测量的高度范围低于于前一次测量结果 , 最终所有 迭代结果被结合为一个新的具有更密和更均匀分布高度网格的视宁 度廓线。改进SDIMM方法能够突破传感器硬件对大气视宁度分层数 目的限制,减少稀疏高度网格导致的湍流强度高估 ,显

7、著提高大气视 宁度分层测量结果准确性。 改进方法通过不同的大气湍流模型进行仿 真测试,仿真结果表明改进S-DIMM能够更为理想地评估输入大气模 型。进一步地，基于NVST采集的A0系统开环状态下的太阳图像数据 序列,评估云南抚仙湖观测站上空的大气视宁度垂直高度分布。7X 7的大视场SHWF用改进S-DIMM产生了一个16层且高达15km的高度 网格,相邻两层的垂直高度间隔为1km基于改进方法的实验结果表 明大气湍流可分为 3 个部分 : 位于 0-2km 的地表层、位于 3-6km 的中 间层以及7km的高层。最后，基于SLODA提出了一种改进的大气风 速分层测量技术。SLODA是一种基于导星

8、波前斜率且被广泛应用于 夜间大气视宁度分层测量的技术 ;此外, 通过在时间延迟互相关图中 追踪与湍流层相对应的互相关峰的移动快慢和方向，SLODAR能够测量 对应湍流层的风速和风向。 然而这种风速测量方法仅对可被单独分离 的互相关峰有效 , 但在许多情况下 , 在时间延迟互相关图中很难被找 到不同湍流层对应的孤立互相关峰 , 导致无法对每层风速和风向进行 测量。为了解决这个问题 , 本文提出了一种测量每个湍流层风速和风 向的改进方法 , 其通过追踪二维 (2D) 互相关图中不同方向上一维切片 曲线上的一系列互相关峰 , 最后根据冻结流动假设来评估每个湍流层 的风速和风向 , 改进方法甚至对于弱响应的互相关峰也有效。改进方 法通过不同大气湍流模型进行仿真测试 , 仿真结果表明改进方法能够 实现对每层大气的风速和风向测量。进一步地 ,进一步地,基于 NVST 采集的AO系统开环状态下的太阳图像数据序列，评估云南抚仙湖观 测站上空的大气风速和风向垂直高度分布，测量高度范围为0-12km。 实验结果表明 , 所有层的风速都具有一个相对较小的值 (<10m/s) 。