專利名稱：基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種大視場自適應光學系統，特別是一種基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置，屬于自適應光學技術領域。
背景技術：
自適應光學是地基大口徑望遠鏡解決大氣湍流擾動、獲得高分辨成像的主要技術手段，目前自適應光學系統已經成為地基大口徑望遠鏡不可或缺的組成部分；然而受大氣非等暈性影響，自適應光學系統的校正視場很小，通常情況下，在可見光波段只能在幾個毫秒視場范圍內取得較好的校正效果。為此，該技術實現之初，人們一直致力于研究如何突破等暈區的限制，擴大校正視場，如在長波段觀測，選擇大氣條件優秀的站址，發展太空望遠鏡等；其中J. M. Beckers在1988年提出的多層共軛自適應光學(MCAO)技術最有 發展潛力(參見 J· M. Beckers, Increasing the size of the isoplanatic patch withinmulticonjugate adaptive optics, in ES0 Conference and Workshop Proceedings,vol. 30, European Southern Observatory, Garching, Germany, 1988, pp. 693-703),然而其系統結構復雜，造價昂貴，在某些如銀河巡天等不追求衍射極限分辨力的應用場合并不具備優勢。2001年Rigaut借鑒MCAO技術分層共軛校正的思想，提出地表層共軛自適應光學(GLAO)技術，該技術只針對地表層湍流進行探測和校正，由于通常情況下地表層湍流占整個大氣湍流的絕大部分，因此地表層校正后雖然達不到衍射極限的校正效果，但是可以在更大視場范圍內有效降低大氣湍流對成像觀測的影響，獲得大視場部分校正圖像。該技術提出后，國外先后開展了理論研究與仿真分析(參見David R. Andersen,et al. Performance Modeling of a Wide-Field Ground-Layer Adaptive OpticsSystem, Publications of the Astronomical Society of thePacific，vol.118，2006，pp.1574-1590)。在太陽物理研究領域，備受人們關注的太陽活動區域通常對應有幾角分的視場，太陽自適應光學技術角秒級高分辨成像視場顯然無法滿足需求。目前太陽表面觀測的大視場高分辨圖像多是通過高分辨圖像重建技術獲得，如最常見的斑點干涉技術，相位差法等，但是高分辨重建技術本身也存在一定的限制，用來進行圖像重建的數據本身信噪比不能太低，當大氣視寧度太差，其重建精度有限甚至不能重建。太陽自適應光學系統可以提高重建數據信噪比，然而由于自適應光學只對等暈區以內視場有很好的校正效果，整體大視場圖像重建反而增加了算法的難度，相比之下，大視場范圍內部分校正圖像更有利于圖像的高分辨重建。
發明內容
本發明的技術解決問題針對現有太陽觀測無法同時滿足大視場與高分辨的問題，提供一種基于太陽地表層共軛大視場自適應光學技術的大視場高分辨成像裝置，該裝置首先通過地表層共軛自適應光學系統得到大視場部分校正圖像，再利用高分辨圖像重建系統，對太陽表面結構圖像進行高分辨重建，最終獲得大視場高分辨圖像。相對于傳統AO獲得局部清晰的圖像，地表層共軛自適應光學系統得到的大視場范圍內部分校正圖像更加有利于圖像的高分辨力重建；另一方面本發明主要消除地表層湍流對系統觀測的影響，這相當于提高了大氣視寧度，可以得到信噪比更高的大視場圖像供高分辨圖像重建，對太陽天文研究具有十分重要的意義。本發明的技術解決方案基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置，其特征在于包括太陽地表層共軛自適應光學系統I和高分辨圖像重建系統2 ；其中太陽地表層共軛自適應光學系統I包括跟蹤子系統11、地表層大氣波前校正器12、多視線波前探測器13、波前控制器14及成像子系統15 ;所述跟蹤子系統11位于系統前端，對傾斜像差進行探測和校正，保證圖像的穩定；所述地表層大氣波前校正器12位于近地表層湍流的共軛位置或入瞳共軛位置，校正地表層湍流引起的波前像差；所述多視線波前探測器13位于地表層大氣波前校正器12后面，共軛于入瞳位置，對大視場范圍內不同視線方向波前信息進行探測，得到多個視線方向累積的波前像差；所述波前控制器14綜合處理多視 線波前探測器13得到的不同視線方向湍流波前信息，用于控制地表層大氣波前校正器12對地表層湍流進行校正；所述成像子系統15位于系統末端，用于采集系統補償地表層湍流后的部分校正圖像；高分辨圖像重建系統2對部分校正圖像進行無失真重建，最終獲得太陽表面結構的大視場高分辨圖像；經過望遠鏡系統的太陽光波，首先由跟蹤子系統11對低階的傾斜像差進行探測和校正，去除圖像抖動和漂移，維持圖像穩定；穩定的圖像進入由地表層大氣波前校正器12和多視線波前探測器13組成的反饋系統進行高階波前像差閉環校正；圖像先經過地表層大氣波前校正器12，校正后的光波經分光后一路進入多視線波前探測器13以探測波前殘差，多視線波前探測器13同時探測不同視線方向上累積的波前信號，探測信號由波前控制器14進行處理，得到地表層湍流信息，控制地表層大氣波前校正器12進行閉環校正；經過校正后的光波分光后另一路進入成像子系統15，在I 2角分范圍內進行大視場成像；部分校正的圖像再經過高分辨圖像重建系統2進行無失真圖像重建，最終獲得大視場范圍內接近衍射極限的高分辨圖像。所述跟蹤子系統，主要由跟蹤探測器，傾斜校正器以及相應控制器組成，跟蹤探測器探測波面傾斜信息，其中控制器對探測信息進行處理并控制傾斜校正器進行閉環校正。所述的地表層大氣波前校正器12均采用變形反射鏡，所述變形反射鏡包括壓電式變形反射鏡、PMN變形反射鏡、Bimorph變形反射鏡及MEMS變形反射鏡；地表層大氣波前校正器12共軛于地表層湍流高度或望遠鏡入瞳位置，主要校正地表層湍流對系統成像的影響。所述的多視線波前探測器13主要為哈特曼波前探測器，可以采用單個大視場哈特曼波前探測器，每個子孔徑對應角分量級的大視場，在子孔徑上劃分子區域，通過對不同子孔徑內相同位置子區域進行互相關計算，探測不同視線方向上累積的湍流信息；也可以采用多個哈特曼波前探測器，每個探測器對應一個視線方向，進而得到不同方向湍流信息。所述的波前控制器14對多視線波前探測器13得到的不同視線方向波前信息進行處理，得到地表層湍流引起的波前像差，并控制地表層大氣波前校正器12實現系統的閉環校正。由于不同視線方向上高層湍流彼此分離而地表層湍流則相互重疊，不同空間位置上湍流相互獨立，因此可以利用多視線波前信息取平均的方法，得到地表層湍流引起的波前誤差。上述中提取地表層湍流方法如下為簡單起見，令大氣湍流分為地表層(K和高層ΦΗ湍流兩部分，多視線波前探測器13同時探測N個方向波前信息，記為
權利要求
1.基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置，其特征在于包括太陽地表層共軛自適應光學系統(I)和高分辨圖像重建系統(2);其中太陽地表層共軛自適應光學系統(I)包括跟蹤子系統(11)、地表層大氣波前校正器(12)、多視線波前探測器(13)、波前控制器(14)及成像子系統(15);所述跟蹤子系統(11)位于系統前端，對傾斜像差進行探測和校正，保證圖像的穩定；所述地表層大氣波前校正器(12)位于近地表層湍流的共軛位置或入瞳共軛位置，校正地表層湍流引起的波前像差；所述多視線波前探測器(13)位于地表層大氣波前校正器(12)后面，共軛于入瞳位置，對大視場范圍內不同視線方向波前信息進行探測，得到多個視線方向累積的波前像差；所述波前控制器(14)綜合處理多視線波前探測器(13)得到的不同視線方向湍流波前信息，用于控制地表層大氣波前校正器(12)對地表層湍流進行校正；所述成像子系統(15)位于系統末端，用于采集系統補償地表層湍流后的部分校正圖像；高分辨圖像重建系統(2)對部分校正圖像進行無失真重建，最終獲得太陽表面結構的大視場高分辨圖像； 經過望遠鏡系統的太陽光波，首先由跟蹤子系統(11)對低階的傾斜像差進行探測和校正，去除圖像抖動和漂移，維持圖像穩定；穩定的圖像進入由地表層大氣波前校正器(12)和多視線波前探測器(13)組成的反饋系統進行高階波前像差閉環校正；圖像先經過地表層大氣波前校正器(12)，校正后的光波經分光后一路進入多視線波前探測器(13)以探測波前殘差，多視線波前探測器(13)同時探測不同視線方向上累積的波前信號，探測信號由波前控制器(14)進行處理，得到地表層湍流信息，控制地表層大氣波前校正器(12)進行閉環校正；經過校正后的光波分光后另一路進入成像子系統(15)，在I 2角分范圍內進行大視場成像；部分校正的圖像再經過高分辨圖像重建系統(2)進行無失真圖像重建，最終獲得大視場范圍內接近衍射極限的高分辨圖像。
2.根據權利要求I所述的基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置，其特征在于所述跟蹤子系統(11)由跟蹤探測器、傾斜校正器及控制器組成；跟蹤探測器探測波面傾斜信息，控制器對探測信息進行處理并控制傾斜校正器進行閉環校正。
3.根據權利要求I所述的基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置，其特征在于所述地表層大氣波前校正器(12)采用變形反射鏡，所述變形反射鏡包括壓電式變形反射鏡、PMN變形反射鏡、Bimorph變形反射鏡及MEMS變形反射鏡。
4.根據權利要求I所述的基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置，其特征在于所述多視線波前探測器(13)為哈特曼波前探測器，采用單個大視場哈特曼波前探測器，每個子孔徑對應I角分左右的較大視場，通過在子孔徑內劃分多個子區域，不同子孔徑內相同位置子區域間進行互相關計算，實現多視線方向波前探測；也可以采用多個哈特曼波前探測器，每個探測器對應一個視線方向，進而對多視線方向波前像差進行探測。
5.根據權利要求I所述的基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置，其特征在于所述波前控制器(14)對多視線波前探測器(13)探測到的不同視線方向波前信息利用平均進行處理，得到地表層湍流引起的波前像差，并控制地表層大氣波前校正器(12)實現系統的閉環校正。
6.根據權利要求I所述的基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置，其特征在于所述高分辨圖像重建系統(2)采用太陽圖像高分辨重建算法進行圖像重建，所述太陽圖像高分辨重建算法為斑點干涉算法或盲卷積算法 。
全文摘要
基于太陽地表層共軛自適應光學系統的大視場高分辨力成像裝置，由地表層共軛自適應光學系統和高分辨圖像重建系統組成，其中地表層共軛自適應光學系統包括跟蹤子系統、多視線波前探測器、地表層大氣波前校正器、波前控制器、成像子系統。其特征在于該裝置先利用地表層共軛自適應光學系統對地表層湍流進行探測和校正，在大視場范圍內改善成像質量；部分校正圖像再經過高分辨圖像重建系統進行重建，得到高分辨力太陽圖像。該裝置利用地表層共軛自適應光學系統消除地表層湍流的影響，提高大氣視寧度，增強成像信噪比，改善成像質量，使得太陽圖像高分辨重建更加精確和高效，對太陽物理研究具有重要意義。
文檔編號G01J9/00GK102879901SQ20121037558
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者饒長輝, 張蘭強, 朱磊, 鐘立波, 顧乃庭, 饒學軍 申請人:中國科學院光電技術研究所