WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Красноярск, 2008), международных симпозиумах «SPIE Europe Symposium on Remote Sensing» (Италия 2007; Великобритания 2008, Германия 2009), «SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation 2008» (Франция 2008), 6th International Workshop on Adaptive Optics for Industry and Medicine (Ирландия 2007), международных школах – семинар молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск 2006; Красноярск 2008), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2008), Международной школе-конференции «Turbulence mixing and Beyond» (Италия 2009).

По материалам диссертации опубликовано 19 работ, из них 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 статьи в трудах SPIE, 3 статьи в трудах международных конференций, 7 тезисов докладов конференций.

Реализация и внедрение результатов Исследования поддерживались грантом фонда Министерства образования и науки РФ: в рамках программы УМНИК (2008 г.), грантом РФФИ № 08-05-09327 «Моб_з», грантом SPIE для поездки на международный симпозиум «Remote Sensing», 2008 г.

Результаты работы использованы при выполнении гранта РФФИ № 08-05-99019-р_офи, а также в следующих проектах и программах РАН, СО РАН: Проект «Распространение, формирование лазерных пучков и прием оптических изображений в атмосфере, как стратифицированной, рассеивающей и турбулентной среде при управлении параметрами излучения и приемных устройств. Атмосферная коррекция искажений и решение обратных задач оптики атмосферы с учетом многократного рассеяния излучения», № Госрегистрации 01.20.03 02786; Программа Президиума РАН № «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля» в части 3; Проект «Дневной астроклимат Сибири и проблемы построения адаптивного телескопа»; Комплексный интеграционный проект СО РАН № 3.2 «Развитие адаптивных систем коррекции изображения для наземных телескопов».

Материалы диссертации в частях, касающихся повышения эффективности адаптивной фазовой коррекции, используются в работах, проводимых в Южной Европейской обсерватории на телескопе Сьерра Параналь (Чили).

Вклад автора. Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены при непосредственном участии соискателя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения; общий объем работы 138 стра- ниц; работа содержит – 13 таблиц и 44 рисунка; список цитируемой литературы включает 152 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, методы исследований, приведены научные положения, выносимые на защиту, новизна, научная ценность и практическая значимость работы.

Первая глава носит обзорный характер и содержит необходимые для понимания оригинальной части работы сведения из теории атмосферной адаптивной оптики и распространения оптических волн в турбулентной атмосфере. Сделан литературный обзор, позволяющий оценить современное состояние исследований, которым посвящена диссертационная работа.

В разд. 1.1 изложены принципы работы АО-систем для атмосферных приложений. Рассматриваются типы искусственных опорных источников в АО-системах и методы их создания для астрономических приложений.

Такие источники формируются на основе рэлеевского обратного рассеяния лазерного излучения в атмосфере или на высотах 90–100 км в слое натрия атмосферы и получили соответствующие названия – рэлеевская ЛОЗ и натриевая ЛОЗ соответственно. Отмечено, что АО с ЛОЗ становятся неотъемлемым элементом астрономического телескопа. Данные о современных АО-системах с ЛОЗ крупных астрономических телескопов представлены в Приложении.

В разд. 1.2 анализируются факторы, ограничивающие эффективность АО-систем с ЛОЗ: фокусный и угловой неизопланатизм, неопределенность наклона волнового фронта.

Поскольку сферический волновой фронт от точечного искусственного опорного источника, распространяющийся назад к апертуре телескопа, не проходит через ту же самую часть атмосферы, что плоский волновой фронт от астрономического объекта, при этом фазовые флуктуации плоской и сферической волн имеют существенные различия, то, как следствие, отображаться они будут в разных плоскостях и будет иметь место неполная компенсация атмосферных искажений. Это явление в результате неизбежно приводит к деградации работы АО-системы и получило название «фокусный неизопланатизм».

Известно, что излучение от опорного источника должно проходить через те же атмосферные неоднородности, что и от астрономического объекта, поэтому когда опорный источник находится на угловом расстоянии, большем чем изопланатический угол толщи атмосферы, то, как следствие, он не несет полную информацию об атмосферных искажениях изображения наблюдаемого объекта. В результате это явление также приводит к деградации работы АО-системы и получило название угловой неизопланатизм. Однако такое определение не учитывает, что на практике имеет место модовая, т.е.

частичная, фазовая коррекция искажений.

Все же главной проблемой АО с ЛОЗ считается невозможность измерения и коррекции глобального или общего наклона волнового фронта.

Поскольку излучение от ЛОЗ проходит одни и те же атмосферные неоднородности дважды, в то время как луч от астрономического объекта только один раз, то принято считать невозможным разделить эти два вклада и получить данные для коррекции наклонов. Теоретической основой данного утверждения являются аналитические расчеты, выполненные с рядом допущений, при отсутствии экспериментальных исследований.

Представлен обзор основных подходов к решению указанных выше проблем, предложенных ранее другими исследователями. Отмечена их актуальность в настоящее время и отсутствие результатов аналитического характера.

В разд. 1.3 изложены основные математические подходы к решению задач распространения оптического излучения в турбулентной среде, в том числе подходы, позволяющие получать аналитические результаты и используемые в диссертационной работе.

В разд. 1.4 представлены используемые для получения численных результатов в диссертационной работе модели высотных зависимостей структурной характеристики флуктуаций показателя преломления атмосферы для различных астрономических обсерваторий.

В заключение главы обсуждается необходимость развития методов адаптивной коррекции атмосферных искажений с использованием искусственных опорных источников. Дается формулировка направления исследований.

Вторая глава посвящена исследованию эффективности адаптивной коррекции атмосферных искажений изображения астрономического объекта, формируемого оптической системой наземного телескопа через турбулентную атмосферу на основе различных типов искусственных опорных источников.

В качестве показателя эффективности выбран параметр Штреля, представляющий собой отношение средней интенсивности на оси системы в случайно-неоднородной среде к интенсивности в вакууме. Для описания поля излучения, прошедшего турбулентную атмосферу после АО-коррек- ции и без коррекции, использовался обобщенный метод Гюйгенса–Кирх- гофа, а при оценке интенсивности поля – фазовое приближение этого метода. Фазовые флуктуации оптической волны описывались в приближении геометрической оптики.

В этом приближении, предполагая, что основным искажающим фактором является атмосферная турбулентность, в разд. 2.1 получено аналитическое выражение для параметра Штреля астрономического телескопа в отсутствие адаптивной коррекции. Показано, что ключевым параметром здесь становится радиус когерентности плоской волны r,пл, рассчитывающийся по всей толще среды.

В разд. 2.2 исследуется эффективность адаптивной коррекции искажений, осуществляемых на основе алгоритма фазового сопряжения с использованием данных измерения волнового фронта от ЛОЗ, сформированной фокусировкой лазерного излучения, – традиционная АО-коррекция с ЛОЗ.

Дан вывод выражения для параметра Штреля.

Распределение средней интенсивности поля в фокальной плоскости телескопа, формируемого естественной звездой, в результате адаптивной коррекции с использованием ЛОЗ описывалось в виде:

-12 -2 < I(- f,) > = 1d 2 exp 2 exp d 2R 2R -ik12 ik * G0 (0,1; - f,)G0 (0,2; - f,)exp + 2 f 2 f < exp i Sпл (1) - S (2 ) i (x,0;0,1) - S (x,0;0,2 ) >, (1) [ ]- { } пл сф S сф где G0 (0, 1; - f,) – функция Грина для свободного пространства; S() – фазовые флуктуации, обусловленные атмосферной турбулентностью.

% Здесь был введен радиус когерентности поля при коррекции r0 с опорной сферической волной в виде -1/x ()( x)n dC % r0пл = r0пл 0. (2) n dC () Здесь Cn () – высотный профиль атмосферной турбулентности; x – высота формирования ЛОЗ. Отсюда следует, что действие АО-коррекции эквивалентно увеличению когерентной части апертуры телескопа, которое определяется выражением в квадратных скобках.

С использованием модельных зависимостей Cn () проанализирована % величина r0пл для различных длин волн, типов ЛОЗ и высоты формирования опорного источника. Определены предельные возможности такой адаптивной коррекции, обусловленные влияниям фокусного неизопланатизма. Показано, что такая коррекция становится неэффективной (St 0,4) для крупных телескопов с апертурой порядка 8 м. Обнаружено существование оптимальной высоты формирования рэлеевской ЛОЗ в зависимости от интенсивности и распределения турбулентных флуктуаций.

В разд. 2.3 дан вывод выражения для параметра Штреля при адаптивной коррекции атмосферных искажений, осуществляемой на основе алгоритма фазового сопряжения с использованием данных измерения волнового фронта от нескольких опорных источников, сформированных на одной высоте – матрицы ЛОЗ.

В разд. 2.4 суммируются результаты аналитических расчетов параметра Штреля и приводятся в форме, удобной для практического использования. Для телескопа без коррекции - n dC ()(2R)-1/ St 42 0, (3) 1+ ( / 2R) где – длина волны излучения; в случае адаптивной фазовой коррекции на основе ЛОЗ, сформированной путем фокусировки излучения:

-x n dC ()( / x)2 (2R)-1/ (4) St 42 0, 1+ ( / 2R) и при адаптивной фазовой коррекции на основе системы опорных источников, сформированных в виде упорядоченной решетки источников (матрицы ЛОЗ):

-x n dC ()( x)2 (2R)-1/ St 42 0, (5) 1+ N5/3( 2R) где N – линейный размер матрицы субапертур.

Представлены результаты численных расчетов эффективности телескопа на основе моделей Cn () крупных астрономических обсерваторий.

Исследовалась эффективность АО-коррекции при использовании различного числа опорных источников в условиях, соответствующих натриевой и рэлеевской ЛОЗ. Показано, что использование высот рэлеевского рассеяния требует большего числа опорных источников для достижения заданного уровня коррекции. Установлена высокая эффективность фазовой коррекции с применением матрицы ЛОЗ в отношении фокусного неизопланатизма. Основным результатом анализа является близость к полю, формируемому астрономическим объектом при увеличении числа субапертур. Таким образом, увеличивая число опорных источников в матрице ЛОЗ, можно практически для любого телескопа добиться значений параметра Штреля, сколь угодно близких к единице, т.е. сделать любую апертуру полностью когерентной.

Выполнено сопоставление с экспериментальными данными, полученными в обсерваториях, модели высотного профиля турбулентности которых были использованы в данных исследованиях, показавшее хорошее согласие.

Отмечено, что учет влияния амплитудных флуктуаций, наряду с фазовыми флуктуациями, естественно, уменьшит предельно достижимый уровень коррекции, в итоге параметр Штреля будет несколько ниже.

В разд. 2.5 обсуждаются особенности применения различных лазерных пучков для формирования ЛОЗ, связанные с когерентностью формируемого от них излучения. Рассчитаны радиусы когерентности плоской и сферических волн для моделей высотных профилей атмосферной турбулентности, описанных в первой главе. Показана возможность использования отдельных фрагментов широких лазерных пучков в качестве опорных источников.

В заключение описаны основные результаты исследований, представленные в данной главе.

Третья глава посвящена исследованию структурных ограничений искусственных опорных источников: углового неизопланатизма при модовой коррекции и компенсации наклонов волнового фронта на основе данных от ЛОЗ.

Первая часть главы посвящена исследованию ограничений, обусловленных угловым неизопланатизмом при модовой коррекции атмосферных искажений, непосредственно связанных с задачей о допустимом угловом расстоянии между опорными источниками в матрице ЛОЗ. Задача решалась с использованием представления функции волновых аберраций в виде ряда по полиномам Цернике, где каждый член содержит информацию о пространственных свойствах фазовых флуктуаций.

В разд. 3.1.1 рассчитаны традиционно используемый в АО изопланатический угол 0 и связанные с ним величины для моделей профиля атмосферной турбулентности, представленных в первой главе, и проанализировано влияние высоты расположения телескопической системы на эти параметры. Сопоставлены условия изопланатизма в общей теории изображения и при формировании изображений сквозь турбулентную атмосферу.

В разд. 3.1.2 получены аналитические выражения для функции пространственной корреляции модовых составляющих фазовых флуктуацией, определяющих основное влияние атмосферной турбулентности на качество изображения: двух положений наклонов, комы и дефокусировки.

Представлены результаты численных исследований, свидетельствующие, что размер области изопланатизма в АО-системе более точно характеризовать не традиционно используемым изопланатическим углом, а допустимым угловым расстоянием, определяемым размером области пространственной корреляции фазовых искажений излучения, распространяющегося в турбулентной атмосфере. Эта область определяется порядком аберраций, которые должны быть скомпенсированы, и уменьшается с ростом номера моды (рис. 1–3).

На рис. 1–3 b() – нормированная функция пространственной корреляции и параметр = h/D выступает в качестве аргумента, где – угловое расстояние; D – диаметр телескопа; h – эффективная толща атмосферы.

Подтверждением данного вывода являются также экспериментальные данные измерений углов изопланатиз- Log b[] ма без и при АО-коррекции, полу- 0,5 ченные другими исследователями, но не нашедшие объяснения.

0,Выполнены исследования влия- 0,ния внешнего масштаба инерцион- ного интервала атмосферной турбу- 0,0,005 лентности (рис. 2) и размера апер- туры телескопа (рис. 3).

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






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