专利名称：基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大视场自适应光学系统，特别是一种基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置，属于自适应光学技术领域。
背景技术：
自适应光学是地基大口径望远镜解决大气湍流扰动、获得高分辨成像的主要技术手段，目前自适应光学系统已经成为地基大口径望远镜不可或缺的组成部分；然而受大气非等晕性影响，自适应光学系统的校正视场很小，通常情况下，在可见光波段只能在几个毫秒视场范围内取得较好的校正效果。为此，该技术实现之初，人们一直致力于研究如何突破等晕区的限制，扩大校正视场，如在长波段观测，选择大气条件优秀的站址，发展太空望远镜等；其中J. M. Beckers在1988年提出的多层共轭自适应光学(MCAO)技术最有 发展潜力(参见 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),然而其系统结构复杂，造价昂贵，在某些如银河巡天等不追求衍射极限分辨力的应用场合并不具备优势。2001年Rigaut借鉴MCAO技术分层共轭校正的思想，提出地表层共轭自适应光学(GLAO)技术，该技术只针对地表层湍流进行探测和校正，由于通常情况下地表层湍流占整个大气湍流的绝大部分，因此地表层校正后虽然达不到衍射极限的校正效果，但是可以在更大视场范围内有效降低大气湍流对成像观测的影响，获得大视场部分校正图像。该技术提出后，国外先后开展了理论研究与仿真分析(参见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)。在太阳物理研究领域，备受人们关注的太阳活动区域通常对应有几角分的视场，太阳自适应光学技术角秒级高分辨成像视场显然无法满足需求。目前太阳表面观测的大视场高分辨图像多是通过高分辨图像重建技术获得，如最常见的斑点干涉技术，相位差法等，但是高分辨重建技术本身也存在一定的限制，用来进行图像重建的数据本身信噪比不能太低，当大气视宁度太差，其重建精度有限甚至不能重建。太阳自适应光学系统可以提高重建数据信噪比，然而由于自适应光学只对等晕区以内视场有很好的校正效果，整体大视场图像重建反而增加了算法的难度，相比之下，大视场范围内部分校正图像更有利于图像的高分辨重建。

发明内容
本发明的技术解决问题针对现有太阳观测无法同时满足大视场与高分辨的问题，提供一种基于太阳地表层共轭大视场自适应光学技术的大视场高分辨成像装置，该装置首先通过地表层共轭自适应光学系统得到大视场部分校正图像，再利用高分辨图像重建系统，对太阳表面结构图像进行高分辨重建，最终获得大视场高分辨图像。相对于传统AO获得局部清晰的图像，地表层共轭自适应光学系统得到的大视场范围内部分校正图像更加有利于图像的高分辨力重建；另一方面本发明主要消除地表层湍流对系统观测的影响，这相当于提高了大气视宁度，可以得到信噪比更高的大视场图像供高分辨图像重建，对太阳天文研究具有十分重要的意义。本发明的技术解决方案基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置，其特征在于包括太阳地表层共轭自适应光学系统I和高分辨图像重建系统2 ；其中太阳地表层共轭自适应光学系统I包括跟踪子系统11、地表层大气波前校正器12、多视线波前探测器13、波前控制器14及成像子系统15 ;所述跟踪子系统11位于系统前端，对倾斜像差进行探测和校正，保证图像的稳定；所述地表层大气波前校正器12位于近地表层湍流的共轭位置或入瞳共轭位置，校正地表层湍流引起的波前像差；所述多视线波前探测器13位于地表层大气波前校正器12后面，共轭于入瞳位置，对大视场范围内不同视线方向波前信息进行探测，得到多个视线方向累积的波前像差；所述波前控制器14综合处理多视 线波前探测器13得到的不同视线方向湍流波前信息，用于控制地表层大气波前校正器12对地表层湍流进行校正；所述成像子系统15位于系统末端，用于采集系统补偿地表层湍流后的部分校正图像；高分辨图像重建系统2对部分校正图像进行无失真重建，最终获得太阳表面结构的大视场高分辨图像；经过望远镜系统的太阳光波，首先由跟踪子系统11对低阶的倾斜像差进行探测和校正，去除图像抖动和漂移，维持图像稳定；稳定的图像进入由地表层大气波前校正器12和多视线波前探测器13组成的反馈系统进行高阶波前像差闭环校正；图像先经过地表层大气波前校正器12，校正后的光波经分光后一路进入多视线波前探测器13以探测波前残差，多视线波前探测器13同时探测不同视线方向上累积的波前信号，探测信号由波前控制器14进行处理，得到地表层湍流信息，控制地表层大气波前校正器12进行闭环校正；经过校正后的光波分光后另一路进入成像子系统15，在I 2角分范围内进行大视场成像；部分校正的图像再经过高分辨图像重建系统2进行无失真图像重建，最终获得大视场范围内接近衍射极限的高分辨图像。所述跟踪子系统，主要由跟踪探测器，倾斜校正器以及相应控制器组成，跟踪探测器探测波面倾斜信息，其中控制器对探测信息进行处理并控制倾斜校正器进行闭环校正。所述的地表层大气波前校正器12均采用变形反射镜，所述变形反射镜包括压电式变形反射镜、PMN变形反射镜、Bimorph变形反射镜及MEMS变形反射镜；地表层大气波前校正器12共轭于地表层湍流高度或望远镜入瞳位置，主要校正地表层湍流对系统成像的影响。所述的多视线波前探测器13主要为哈特曼波前探测器，可以采用单个大视场哈特曼波前探测器，每个子孔径对应角分量级的大视场，在子孔径上划分子区域，通过对不同子孔径内相同位置子区域进行互相关计算，探测不同视线方向上累积的湍流信息；也可以采用多个哈特曼波前探测器，每个探测器对应一个视线方向，进而得到不同方向湍流信息。所述的波前控制器14对多视线波前探测器13得到的不同视线方向波前信息进行处理，得到地表层湍流引起的波前像差，并控制地表层大气波前校正器12实现系统的闭环校正。由于不同视线方向上高层湍流彼此分离而地表层湍流则相互重叠，不同空间位置上湍流相互独立，因此可以利用多视线波前信息取平均的方法，得到地表层湍流引起的波前误差。上述中提取地表层湍流方法如下为简单起见，令大气湍流分为地表层(K和高层ΦΗ湍流两部分，多视线波前探测器13同时探测N个方向波前信息，记为
权利要求
1.基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置，其特征在于包括太阳地表层共轭自适应光学系统(I)和高分辨图像重建系统(2);其中太阳地表层共轭自适应光学系统(I)包括跟踪子系统(11)、地表层大气波前校正器(12)、多视线波前探测器(13)、波前控制器(14)及成像子系统(15);所述跟踪子系统(11)位于系统前端，对倾斜像差进行探测和校正，保证图像的稳定；所述地表层大气波前校正器(12)位于近地表层湍流的共轭位置或入瞳共轭位置，校正地表层湍流引起的波前像差；所述多视线波前探测器(13)位于地表层大气波前校正器(12)后面，共轭于入瞳位置，对大视场范围内不同视线方向波前信息进行探测，得到多个视线方向累积的波前像差；所述波前控制器(14)综合处理多视线波前探测器(13)得到的不同视线方向湍流波前信息，用于控制地表层大气波前校正器(12)对地表层湍流进行校正；所述成像子系统(15)位于系统末端，用于采集系统补偿地表层湍流后的部分校正图像；高分辨图像重建系统(2)对部分校正图像进行无失真重建，最终获得太阳表面结构的大视场高分辨图像； 经过望远镜系统的太阳光波，首先由跟踪子系统(11)对低阶的倾斜像差进行探测和校正，去除图像抖动和漂移，维持图像稳定；稳定的图像进入由地表层大气波前校正器(12)和多视线波前探测器(13)组成的反馈系统进行高阶波前像差闭环校正；图像先经过地表层大气波前校正器(12)，校正后的光波经分光后一路进入多视线波前探测器(13)以探测波前残差，多视线波前探测器(13)同时探测不同视线方向上累积的波前信号，探测信号由波前控制器(14)进行处理，得到地表层湍流信息，控制地表层大气波前校正器(12)进行闭环校正；经过校正后的光波分光后另一路进入成像子系统(15)，在I 2角分范围内进行大视场成像；部分校正的图像再经过高分辨图像重建系统(2)进行无失真图像重建，最终获得大视场范围内接近衍射极限的高分辨图像。
2.根据权利要求I所述的基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置，其特征在于所述跟踪子系统(11)由跟踪探测器、倾斜校正器及控制器组成；跟踪探测器探测波面倾斜信息，控制器对探测信息进行处理并控制倾斜校正器进行闭环校正。
3.根据权利要求I所述的基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置，其特征在于所述地表层大气波前校正器(12)采用变形反射镜，所述变形反射镜包括压电式变形反射镜、PMN变形反射镜、Bimorph变形反射镜及MEMS变形反射镜。
4.根据权利要求I所述的基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置，其特征在于所述多视线波前探测器(13)为哈特曼波前探测器，采用单个大视场哈特曼波前探测器，每个子孔径对应I角分左右的较大视场，通过在子孔径内划分多个子区域，不同子孔径内相同位置子区域间进行互相关计算，实现多视线方向波前探测；也可以采用多个哈特曼波前探测器，每个探测器对应一个视线方向，进而对多视线方向波前像差进行探测。
5.根据权利要求I所述的基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置，其特征在于所述波前控制器(14)对多视线波前探测器(13)探测到的不同视线方向波前信息利用平均进行处理，得到地表层湍流引起的波前像差，并控制地表层大气波前校正器(12)实现系统的闭环校正。
6.根据权利要求I所述的基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置，其特征在于所述高分辨图像重建系统(2)采用太阳图像高分辨重建算法进行图像重建，所述太阳图像高分辨重建算法为斑点干涉算法或盲卷积算法 。
全文摘要
基于太阳地表层共轭自适应光学系统的大视场高分辨力成像装置，由地表层共轭自适应光学系统和高分辨图像重建系统组成，其中地表层共轭自适应光学系统包括跟踪子系统、多视线波前探测器、地表层大气波前校正器、波前控制器、成像子系统。其特征在于该装置先利用地表层共轭自适应光学系统对地表层湍流进行探测和校正，在大视场范围内改善成像质量；部分校正图像再经过高分辨图像重建系统进行重建，得到高分辨力太阳图像。该装置利用地表层共轭自适应光学系统消除地表层湍流的影响，提高大气视宁度，增强成像信噪比，改善成像质量，使得太阳图像高分辨重建更加精确和高效，对太阳物理研究具有重要意义。
文档编号G01J9/00GK102879901SQ20121037558
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者饶长辉, 张兰强, 朱磊, 钟立波, 顾乃庭, 饶学军 申请人:中国科学院光电技术研究所