WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Больбасова Лидия Адольфовна АДАПТИВНАЯ КОРРЕКЦИЯ АТМОСФЕРНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОГО ОПОРНОГО ИСТОЧНИКА Специальность 01.04.05 – «Оптика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2009

Работа выполнена в очной аспирантуре ГОУ ВПО «Томский государственный университет» на кафедре оптико-электронных систем и дистанционного зондирования и в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.

Научный консультант: доктор физико-математических наук профессор Лукин Владимир Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор Якубов Владимир Петрович доктор физико-математических наук профессор Белов Владимир Васильевич

Ведущая организация: ФГУП НПО Астрофизика, г. Москва

Защита состоится 8 октября 2009 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссер- тационного совета Д 212.267.04 при Томском государственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, ауд. 119.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан 7 сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Пойзнер Б.Н.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрастающий интерес и необходимость получения все большего объема информации о процессах и явлениях, происходящих в глубинах Вселенной, вместе с наличием соответствующих технологических возможностей, приводят к созданию все более крупных и совершенных оптических телескопов наземного базирования. При этом неотъемлемым элементом современного астрономического телескопа становятся системы адаптивной оптики (АО), предназначенные для достижения качества изображения, близкого к дифракционному, в реальном масштабе времени.

Работа таких оптико-электронных систем базируется на получении информации об искажения вносимых турбулентной атмосферой в структуру оптического излучения, получить которую можно путем анализа волнового фронта излучения, принятого от опорного источника. Наиболее перспективным, призванным удовлетворить требования поставленных задач, является оснащение адаптивного телескопа дополнительной системой формирования искусственного источника опорной волны, на основе обратного рассеяния лазерного излучения в атмосфере, получившего название лазерная опорная звезда (ЛОЗ) [1]. При этом способ формирования искусственного источника опорной волны, идеология и методология извлечения из него информации об атмосферных искажениях в канале распространения излучения во многом определяют структуру и эффективность работы АО-системы в целом.

Системы ЛОЗ активно разрабатываются более 20 лет, и как следствие к настоящему моменту опубликовано большое количество работ, в основном за рубежом, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям в этом направлении. Данной теме посвятили работы многие авторы, например F. Roddier, R. Fugate, M. Roggemann, В. Ellerbroek, R. Ragazzoni, D. Fried, R. Foy, C. Danty, В.П. Лукин, М.С. Беленький, А.А. Токовинин.

Неоднократно указывалось, что эффективность соответствующих АОсистем с ЛОЗ ограничена главным образом фокусным и угловым неизопланатизмом, а также невозможностью измерения и коррекции наклона волнового фронта на основе данных измерения от искусственного опорного источника [2]. При этом, несмотря на большое число публикаций, посвященных поискам путей решения указанных выше проблем, они остаются актуальными и требуют дальнейшего развития методов АО-коррекции.

Необходимо отметить, что указанные выше проблемы тесно связаны с рядом теоретических задач, удовлетворительное решение которых до настоящего времени не получено. Это обусловлено в первую очередь тем, что адаптивная оптическая коррекция на основе искусственного опорного источника мало исследована аналитическими методами.

С одной стороны, существует множество работ, посвященных АО-кор- рекции с ЛОЗ, в то же время значительная их часть, например [3], акцентирует внимание на отдельных технических аспектах функционирования АОсистем с ЛОЗ или на работе конструктивных элементов, например корректоров волнового фронта [4]. Подавляющее количество публикаций посвящено численному исследованию работы АО-систем с ЛОЗ, где атмосферная турбулентность моделируется фазовыми экранами [5], и лишь в незначительном количестве представлены работы, посвященные аналитическим исследованиям в области адаптивной коррекции атмосферных искажений.

Это в первую очередь работы, выполненные в Институте оптики атмосферы СО РАН начиная с конца 70-х гг., в частности монография [6], значительно позже опубликованная за рубежом [7] и не утратившая своего научного значения на сегодняшний день.

В связи с этим целесообразным для дальнейшего развития методов адаптивной коррекции атмосферных искажений с ЛОЗ представляется исследование аналитическими методами эффективности и ограничений адаптивной коррекции на основе различных типов искусственных опорных источников с использованием моделей высотного профиля атмосферной турбулентности, соответствующих реальным условиям астрономических обсерваторий. Все эти исследования необходимы для решения указанных выше проблем при использовании ЛОЗ, устранение которых позволит сделать работу АО с ЛОЗ более эффективной. Это, безусловно, является в настоящее время актуальным и составляет научную задачу, имеющую теоретическое и важное прикладное значение.

Таким образом, целью работы являлось развитие методов адаптивной фазовой коррекции атмосферных искажений на основе искусственного опорного источника – лазерной опорной звезды.

В диссертационной работе решались следующие основные задачи:

Получить в форме, удобной для практического использования, аналитические выражения, позволяющие исследовать эффективность астрономического оптического наземного телескопа в условиях адаптивной коррекции с одним и несколькими искусственными опорными источниками, а также в ее отсутствие.

Исследовать эффективность и определить предельные возможности АО-коррекции атмосферных искажений изображения на основе различных видов опорных источников с использованием моделей вертикального профиля атмосферной турбулентности, соответствующих крупным астрономическим обсерваториям.

Исследовать ограничения, связанные с угловым неизопланатизмом волнового фронта при модовой коррекции атмосферных искажений. Получить аналитические выражения для функции пространственной корреляции фазовых аберраций, определяющих основное влияние атмосферной турбулентности на качество формируемого изображения.

Исследовать ограничения, связанные с измерением и коррекцией наклона волнового фронта на основе искусственного опорного источника без допущений о неподвижности ЛОЗ. Получить аналитические выражения для дисперсии дрожания изображения ЛОЗ с учетом флуктуаций самого источника.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе теоретических подходов, применяемых при решении задач распространения оптических волн в турбулентной атмосфере, позволяющих получать аналитические результаты. В диссертационной работе используются положения и математический аппарат теории формирования оптического изображения, разделы теории лазерной локации, вычислительные методы программного пакета аналитических и численных вычислений «Mathematica 5.0».

Положения, выносимые на защиту 1. Действие адаптивной фазовой коррекции атмосферных искажений при использовании одного искусственного опорного источника, сформированного фокусировкой лазерного излучения, эквивалентно увеличению когерентной зоны апертуры телескопа и определяется соотношением:

-1/x ()( x)n dC, n dC () где Cn () – высотный профиль атмосферной турбулентности; х – высота формирования ЛОЗ.

Применение нескольких опорных звезд, сформированных на одной высоте, делает возможным создание когерентной апертуры телескопа любого размера.

2. При модовой коррекции атмосферных искажений размер области углового изопланатизма определяется наивысшим порядком аберраций волнового фронта, которые компенсируются адаптивной оптической системой.

Размер этой области прямо пропорционально зависит от размера апертуры телескопической системы. При фазовой коррекции только наклонов волнового фронта учет конечности внешнего масштаба турбулентности уменьшает область изопланатизма фазовых флуктуаций.

3. Дисперсия случайного дрожания изображения точечного искусственного опорного источника с флуктуирующим положением центра пропорциональна дисперсии дрожания изображения неподвижного точечного источника, а также зависит от эффективного размера лазерного пучка, формирующего звезду, размера приемной апертуры телескопа и дисперсии дрожания пучка в плоскости формирования опорного источника.

Достоверность научных положений и других результатов диссертации обеспечивается строгостью используемых математических постановок задач, корректным использованием аналитических методов расчета и признанных моделей профиля атмосферной турбулентности, теоретическим обоснованием полученных результатов и выводов. Подтверждается согласованием с физическими представлениями о распространении оптического излучения в турбулентной атмосфере, а также согласием с экспериментальными данными, представленными в работах других авторов: В. Ellerbroek, J. Mar- shalla, A. Tokovinin.

Новизна научных положений и других результатов Первое научное положение есть результат исследования эффективности адаптивной фазовой коррекции на основе различных видов опорных источников, новизна которого обусловлена решением задачи аналитически. Выполнены численные исследования эффективности такой коррекции с использованием признанных модельных зависимостей профиля атмосферной турбулентности для крупных астрономических обсерваторий. Установлены предельные возможности фазовой коррекции на основе опорного источника, сформированного фокусировкой лазерного излучения, обусловленные влиянием фокусного неизопланатизма.

Второе положение отражает идею определять область углового изопланатизма при модовой коррекции через допустимый угловой разнос, эквивалентный порядку фазовых аберраций волнового фронта, которые должны быть скомпенсированы АО-системой, в противоположность традиционно используемому изопланатическому углу. В литературе подобные выводы отсутствуют. Обнаружена зависимость размера этой области от внешнего масштаба турбулентности и размера апертуры телескопа. Сформулированы требования к быстродействию АО-системы при модовой коррекции.

Третье положение есть результат аналитического решения задачи о величине дисперсии дрожания ЛОЗ в новой постановке – сняты допущения о неподвижности искусственного опорного источника, которая до сих пор никем не решалась. Установлено, что дисперсия дрожания изображения искусственного опорного источника сферической волны с флуктуирующим положением источника меньше, чем дисперсия дрожания изображения неподвижной сферической волны.

Кроме того, предложено для повышения эффективности работы АОсистем формировать ЛОЗ лазерным пучком, соизмеримым с апертурой телескопа, а в качестве опорных источников использовать только его фрагменты (конструкция ориентированного по полю датчика волнового фронта).

Научная ценность защищаемых положений и других результатов Ценность первому положению придает аналитическое выражение, которое позволяет на основе информации о профиле атмосферной турбулентности в месте расположения телескопа оценить эффективность адаптивной фазовой коррекции и выбрать оптимальную высоту формирования ЛОЗ.

Второе положение показывает необходимость для определения размера области «углового неизопланатизма» при модовой коррекции атмосферных искажений учитывать порядок наивысшей корректируемой моды и размер апертуры телескопа, а при коррекции наклонов волнового фронта – конечность величины внешнего масштаба турбулентности.

Третье положение дает теоретическую основу для решения «проблемы компенсации наклонов волнового фронта» по данным измерений от искусственного опорного источника – ЛОЗ.

В работе показаны возможности повышения эффективности адаптивной фазовой коррекции атмосферных искажений на основе искусственного опорного источника.

Практическая значимость определятся возможностью использования результатов данной работы при создании и работе АО-систем с ЛОЗ для астрономических телескопов и других оптико-электронных систем, работающих в турбулентной атмосфере.

Полученные аналитические выражения для параметра Штреля в форме, удобной для практического использования, позволяют на основе информации о профиле атмосферной турбулентности в местоположении системы выполнять исследования эффективности астрономического телескопа, эффективности коррекции адаптивной фазовой коррекции на основе одиночного искусственного опорного источника, сформированного сфокусированным лазерным пучком, и нескольких опорных источников, сформированных на одной высоте, а также определять оптимальные параметры ЛОЗ – высоту формирования, длину волны излучения.

Полученные аналитические зависимости для пространственной корреляции модовых составляющих волнового фронта излучения позволяют оперативно оценить предельно допустимое угловое расстояние между ЛОЗ и астрономическим объектом или несколькими опорными источниками при модовой АО-коррекции.

Полученные аналитические выражения для дисперсии дрожания ЛОЗ с учетом флуктуаций положения самого источника позволяют проводить оценки этой величины в реальных атмосферных условиях.

Использование предложенного алгоритма фазовой коррекции, широкого лазерного пучка размером, сравнимым с апертурой телескопа для формирования ЛОЗ, и ориентированного по полю датчика волнового фронта к извлечению информации об атмосферных искажениях позволит повысить эффективность АО-коррекции на крупных телескопах.

Апробация работы и публикации Основные результаты работы обсуждались: на международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Бурятия 2007;

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»