一種基于脈沖激光的信標(biāo)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于脈沖激光的信標(biāo)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),用于對(duì)暗弱目標(biāo)的高分辨率成像,尤其涉及一種針對(duì)激光信標(biāo)特性的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自適應(yīng)光學(xué)是一種對(duì)動(dòng)態(tài)像差進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)和校正的技術(shù)。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)最早應(yīng)用在天文觀測(cè)領(lǐng)域,利用所觀測(cè)的目標(biāo)自身所反射的太陽(yáng)光作為信標(biāo)進(jìn)行波前誤差探測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)各種星體目標(biāo)的高分辨率成像。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)暗弱目標(biāo)的高分辨力成像識(shí)別,必須采用基于激光導(dǎo)引星的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。對(duì)于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù),主要利用波前傳感器直接對(duì)目標(biāo)星進(jìn)行探測(cè),同時(shí)獲取傾斜、離焦和高階像差信息,并利用一級(jí)傾斜鏡和變形鏡進(jìn)行像差校正控制。但是一級(jí)傾斜鏡,不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍和高精度的校正控制,同時(shí)由于大氣湍流是一種復(fù)雜的像差分布,同時(shí)存在低階和高階像差,以及低頻和高頻像差,因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣湍流像差的更好校正,需要采用分類(lèi)控制的方法。
[0003]另外,由于激光信標(biāo)是人為激光在目標(biāo)光附近產(chǎn)生的亮目標(biāo),因此存在以下幾個(gè)問(wèn)題:(I)激光信標(biāo)的穩(wěn)定性和大小問(wèn)題,這決定了波前探測(cè)的準(zhǔn)確度和精度;(2)由于激光信標(biāo)的高度小于目標(biāo)星的高度,同時(shí)還存在角度偏差,由此會(huì)引入聚焦非等暈和角度非等暈誤差;(3)激光信標(biāo)經(jīng)過(guò)上行和下行傳輸后,不能實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣湍流的傾斜像差探測(cè);(4)激光在傳輸過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的瑞利后向散射,對(duì)波前探測(cè)產(chǎn)生極大的背景噪聲;(5)在望遠(yuǎn)鏡跟蹤目標(biāo)星的過(guò)程中,會(huì)不斷改變望遠(yuǎn)鏡高角,從而使激光信標(biāo)的距離以及瑞利散射的高度發(fā)生變化,導(dǎo)致激光信標(biāo)的大小發(fā)生變化。
[0004]因此,需要針對(duì)激光信標(biāo)的特性,發(fā)明一種基于激光信標(biāo)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是:解決發(fā)射激光信標(biāo),以及利用激光信標(biāo)對(duì)大氣湍流進(jìn)行探測(cè)和校正的技術(shù)問(wèn)題,提供一種針對(duì)脈沖激光的信標(biāo)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)暗弱目標(biāo)的高分辨成像。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于脈沖激光的信標(biāo)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),包括脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)27、接收望遠(yuǎn)鏡1、目標(biāo)星高精跟蹤傳感器29、成像探測(cè)器31、變形鏡4、目標(biāo)星波前探測(cè)器28、激光信標(biāo)波前探測(cè)器30、一級(jí)傾斜鏡3和二級(jí)傾斜鏡7;
[0007]激光信標(biāo)和目標(biāo)星的光能量同時(shí)被接收望遠(yuǎn)鏡I接收,經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后,依次通過(guò)一級(jí)傾斜鏡3和變形鏡4,在分光鏡5進(jìn)行光譜分光,其中目標(biāo)光的部分光譜光透射進(jìn)入目標(biāo)星波前探測(cè)器28,剩余的目標(biāo)光光譜光和激光信標(biāo)光經(jīng)過(guò)分光鏡5反射,縮束系統(tǒng)6縮束,以及二級(jí)傾斜鏡7反射后,在分光鏡8進(jìn)行光譜分光,目標(biāo)光的部分光譜光透射進(jìn)入目標(biāo)星高精跟蹤傳感器29,其他的光譜經(jīng)分光鏡8反射后,在分光鏡9進(jìn)行光譜分光,目標(biāo)光的剩余光譜透射進(jìn)入成像探測(cè)器31,激光信標(biāo)光譜反射進(jìn)入激光信標(biāo)波前探測(cè)器30;
[0008]系統(tǒng)中的目標(biāo)星波前探測(cè)器28和激光信標(biāo)波前探測(cè)器30兩路波前探測(cè)器,分別實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)和不同像差的探測(cè);利用目標(biāo)星波前探測(cè)器28探測(cè)目標(biāo)光得到低階像差,控制接收望遠(yuǎn)鏡I中的次鏡32校正低階低頻像差;利用目標(biāo)星波前探測(cè)器28探測(cè)目標(biāo)光得到低階像差,同步利用激光信標(biāo)波前探測(cè)器30探測(cè)信標(biāo)光得到高階像差,同時(shí)控制變形鏡4校正低階高頻像差以及高階像差,最終解決單獨(dú)由激光信標(biāo)波前探測(cè)引入的非等暈誤差問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)激光信標(biāo)模式下對(duì)大氣湍流像差的探測(cè)和校正;利用目標(biāo)星波前探測(cè)器28探測(cè)目標(biāo)光,得到低頻傾斜像差,控制一級(jí)傾斜鏡3,實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍傾斜像差控制;利用目標(biāo)星高精跟蹤傳感器29探測(cè)目標(biāo)光,得到高頻傾斜像差,控制二級(jí)傾斜鏡7,實(shí)現(xiàn)高精度傾斜像差控制;利用激光信標(biāo)波前探測(cè)器30探測(cè)信標(biāo)光,得到傾斜像差,控制脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)27中的傾斜鏡24,克服發(fā)射光路由于激光上行光路大氣湍流抖動(dòng)、發(fā)射機(jī)架振動(dòng)等因素引入的導(dǎo)星抖動(dòng)誤差問(wèn)題;
[0009]脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)27包括脈沖激光器26、反射鏡25、傾斜鏡24、次鏡22、調(diào)焦系統(tǒng)23和主鏡21;經(jīng)脈沖激光器26發(fā)出的脈沖激光,依次經(jīng)過(guò)發(fā)射鏡25、傾斜鏡24、次鏡22和主鏡21,發(fā)射到一定高度的大氣層中,產(chǎn)生激光信標(biāo);
[0010]所述目標(biāo)星波前探測(cè)器28由多子孔徑10和相機(jī)11組成;相機(jī)11放置在多子孔徑10的焦點(diǎn)位置,目標(biāo)光經(jīng)過(guò)多子孔徑10在相機(jī)11上形成多個(gè)像點(diǎn),依據(jù)每個(gè)像點(diǎn)相對(duì)標(biāo)定位置的偏移量,計(jì)算出傾斜像差和離焦、象散等低階像差;
[0011]所述目標(biāo)星高精跟蹤傳感器29由成像系統(tǒng)12和探測(cè)器13組成;探測(cè)器13放置在成像系統(tǒng)12的焦點(diǎn)位置,目標(biāo)光經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)12在探測(cè)器13上成像,依據(jù)像點(diǎn)相對(duì)標(biāo)定位置的偏移量,計(jì)算出傾斜像差;
[0012]所述成像探測(cè)器31由成像系統(tǒng)19和相機(jī)20組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星的高分辨率成像。
[0013]所述激光信標(biāo)波前探測(cè)器30由縮束系統(tǒng)14、斬波系統(tǒng)15、視場(chǎng)光闌16、微透鏡陣列17和相機(jī)18組成;視場(chǎng)光闌16放置在縮束系統(tǒng)14的焦點(diǎn)位置,斬波系統(tǒng)15放置在縮束系統(tǒng)14的焦點(diǎn)附近,相機(jī)18放置在微透鏡陣列17的焦點(diǎn)位置;信標(biāo)光經(jīng)過(guò)縮束系統(tǒng)14縮束后,經(jīng)過(guò)微透鏡陣列17,在相機(jī)18上形成像點(diǎn)陣列;依據(jù)陣列像點(diǎn)相對(duì)標(biāo)定位置的偏移量,計(jì)算出傾斜像差和高階像差;斬波系統(tǒng)15是一個(gè)時(shí)間選通控制器,由脈沖激光給出外觸發(fā)信號(hào),對(duì)選通時(shí)間起始位置和選通時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行選擇,可有效消除望遠(yuǎn)鏡不同高角的瑞利散射對(duì)波前探測(cè)的影響;
[0014]所述的多子孔徑10是一種2X 2微透鏡陣列,或者3 X 3微透鏡陣列,或者4 X 4微透鏡陣列。
[0015]本發(fā)明的原理:根據(jù)脈沖激光信標(biāo)和大氣湍流像差的特點(diǎn),設(shè)計(jì)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng);系統(tǒng)采用兩級(jí)傾斜控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍和高精度傾斜像差控制;采用兩級(jí)變形控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻像差和高頻像差的分開(kāi)探測(cè)和控制;系統(tǒng)利用兩套波前探測(cè)器,探測(cè)出不同信號(hào)光提供的傾斜、低階和高階像差信號(hào),可解決單獨(dú)由激光信標(biāo)波前探測(cè)引入的非等暈誤差問(wèn)題,以及克服導(dǎo)星抖動(dòng)誤差問(wèn)題;同時(shí)針對(duì)脈沖激光的特點(diǎn),采用外觸發(fā)斬波技術(shù),可有效消除望遠(yuǎn)鏡不同高角的瑞利散射對(duì)波前探測(cè)的影響,實(shí)現(xiàn)利用激光信標(biāo)對(duì)波前誤差不間斷探測(cè)。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍和高精度傾斜像差控制;
[0018](2)實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣湍流像差分類(lèi)控制;
[0019](3)解決單獨(dú)由激光信標(biāo)波前探測(cè)引入的非等暈誤差問(wèn)題,以及克服導(dǎo)星抖動(dòng)誤差冋題;
[0020](4)有效消除望遠(yuǎn)鏡不同高角的瑞利散射對(duì)波前探測(cè)的影響,實(shí)現(xiàn)利用激光信標(biāo)對(duì)波前誤差不間斷探測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明中基于脈沖激光的信標(biāo)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)示意圖;
[0022]圖中:I接收望遠(yuǎn)鏡、2準(zhǔn)直透鏡、3—級(jí)傾斜鏡、4變形鏡、5分光鏡、6縮束系統(tǒng)、7二級(jí)傾斜鏡、8分光鏡、9分光鏡、10多子孔徑、11相機(jī)、12成像透鏡、13探測(cè)器、14縮束系統(tǒng)、15斬波系統(tǒng)、16視場(chǎng)光闌、17微透鏡陣列、18相機(jī)、19成像透鏡、20相機(jī)、21主鏡、22次鏡、23調(diào)焦系統(tǒng)、24傾斜鏡、25反射鏡、26激光器、27脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、28目標(biāo)星波前探測(cè)器、29目標(biāo)星高精跟蹤傳感器、30激光信標(biāo)波前探測(cè)器、31成像探測(cè)器、32接收望遠(yuǎn)鏡次鏡
[0023]圖2為3X 3微透鏡陣列示意圖;
[0024]圖3為針對(duì)500Hz脈沖激光器,斬波系統(tǒng)示意圖;
[0025]圖4為針對(duì)500Hz脈沖激光器,對(duì)望遠(yuǎn)鏡不同高角,斬波時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所示,本發(fā)明包括脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)27、接收望遠(yuǎn)鏡1、目標(biāo)星高精跟蹤傳感器29、成像探測(cè)器31、變形鏡4、目標(biāo)星波前探測(cè)器28、激光信標(biāo)波前探測(cè)器30、一級(jí)傾斜鏡3和二級(jí)傾斜鏡7;
[0027]其中脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)27包括脈沖激光器26、反射鏡25、傾斜鏡24、次鏡22、調(diào)焦系統(tǒng)23和主鏡21;目標(biāo)星波前探測(cè)器28由多子孔徑10和相機(jī)11組成,相機(jī)11放置在多子孔徑10的焦點(diǎn)位置;目標(biāo)星高精跟蹤傳感器29由成像系統(tǒng)12和探測(cè)器13組成,探測(cè)器13放置在成像系統(tǒng)12的焦點(diǎn)位置,目標(biāo)光經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)12在探測(cè)器13上成像;成像探測(cè)器31由成像系統(tǒng)19和相機(jī)20組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)星的高分辨率成像;激光信標(biāo)波前探測(cè)器30由縮束系統(tǒng)14、斬波系統(tǒng)1