激光星间通信中不同光学终端的研究

光学终端在激光星间通信中扮演着重要的角色.研究了单个光学望远镜及光学望远镜阵用作激光星间通信中的光学终端时的系统性能,从电磁辐射入手,分析比较了单个光学望远镜及光学望远镜阵的增益及光学接收终端的方向图与相关参数的关系.仿真不仅论证了激光星间通信需要极精确的指向角度,而且得出结论:使用光学望远镜阵作为激光星间通信系统的光学终端具有更大的优势.     

复共轭自适应光学系统可改善对天体的观察

由于在大型地基望远镜上装上自适应光学系统 ,天体物理学家现已具备分辨力接近哈勃太空望远镜 ,同时集光能力远比哈勃大的仪器。例如 Keck10 m望远镜的集光本领为哈勃望远镜的 16倍 ,采用自适应光学以后 ,其分辨力已可达到 0 .0 34弧秒。这些系统依靠待研究天空区内存在的明亮导星。此种导星使由于大气湍流产生的波前误差得以测量和校正。(我们感光趣的一个天体发光够亮而角尺寸又够小 ,也可用作导星。)然而 ,一般的自适应光学系统存在两个问题。一是它们只能对导星周围最接近的一小块天空 (等晕块 )进行充分校正。二是由于足够亮的天然导…     

非科尔莫戈罗夫湍流下望远镜的分辨力分析

为分析不同大气湍流条件下望远镜的分辨力,计算了非科尔莫戈罗夫(Kolmogorov)湍流条件下望远镜的分辨力。通过非科尔莫戈罗夫湍流条件下大气的相位结构函数推出望远镜长曝光和短曝光传递函数,进而推导了望远镜的分辨力函数,并得到望远镜口径无穷大时的长曝光极限分辨力与湍流功率谱指数β之间的关系,最后由望远镜的极限分辨力函数推导了望远镜的归一化分辨力函数。结果表明,β越小望远镜的极限分辨力越高,β越大望远镜的极限分辨力越低;不同的β,望远镜的短曝光和长曝光的最佳分辨力所对应的D/r0也不同。     

激光钠导引星技术研究进展

望远镜是人类探索宇宙奥秘最重要的科学工具之一。大型地基光学望远镜对天观测时,大气扰动使星光波前畸变导致其实际分辨率大幅下降,是长期困扰高精度天文观测的重大科技问题。因此世界各大望远镜均在竞相发展自适应光学技术,以校正大气造成的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率,这标志着地基光学望远镜正在进入自适应光学望远镜时代。激光钠导引星是用激光激发海拨约90 km电离层中的钠原子产生的人造亮星,作为自适应光学校正的信标源,是自适应光学望远镜的核心技术之一。文中介绍了激光钠导引星技术的原理、方法与国内外发展状况,尤其是该实验室采用的固体激光和频技术,实现了钠D2线光谱匹配和钠层激发匹配的微秒脉冲钠导引星激光,并在国内外大望远镜上使用获得成功。     

赤道式望远镜寻北方法及测量结果

赤道式望远镜指北偏差直接影响测量的准确性,找到一种快速有效的寻北方法是非常关键的。锁定望远镜指向南赤道面,如果划过视场的星的轨迹不是水平直线,将调整望远镜极轴绕竖直轴线转动,直至星的轨迹是水平直线;锁定望远镜指向东或西赤道面,如果划过视场的星的轨迹不是水平直线,将调整望远镜极轴绕水平轴线转动,直至星的轨迹是水平直线。利用球面三角形的知识,推导分析了此种寻北方法的理论依据,望远镜指向南赤道面调整的是极轴指北偏差的水平分量,望远镜指向东或西赤道面调整的是极轴指北偏差的竖直分量。通过此方法寻北后的赤道式望远镜,连续50 min恒动对某恒星进行观测,其Y轴脱靶量变化4。观测结果表明,文中的寻北方法是快捷有效的,并且调整后的赤道式望远镜具有较高的指北精度。     

层析法可改进对星体的观察

由于有了装在大型地基望远镜上的自适应光学系统，天文学家就有分辨率可接近哈勃太空望远镜的仪器，而其收集的光则远多于后者。例如，Keck10m望远镜收集的光为2.4m哈勃望远镜的16倍，用自适应光学现在可以分辨0.034弧秒。这些系统依靠待研究天空区内或附近的明亮导星，它可以测量及校正大气湍流导致的波前误差。有时碰巧会有一个感兴趣的天文物体既有足够的亮度，视角尺寸又足够小，可用作其导星。然而一般的自适应光学系统存在两个问题：其一是，它们只能很好地校正导星周围的一小片天空；其二是因为足够亮的导星极少，距离望远镜又极远…     

两种激光导星方案的区别与共性

1　引言　　如在大气中形成激光导星 ,则可能在地面望远镜中应用自适应校正以提高图像质量。但由于无法直接从导星的抖动获得所需信息 ,很难用激光导星信号校正波前的总斜度。 R.Ragazzoni系统地研究了多种方法来解决利用人造导星信号自适应光学系统中波前总斜度测量的问题。已发表一些解决该问题的方法 ,但都增加了系统技术实现的复杂性 ,如 :同时测量明亮自然星和导星的总角度抖动 ,使用双色激光导星 ,使用辅助望远镜和激光源。在后两种情况中 ,激光导星不能视作点光源。使用辅助望远镜或激光源的光学方案很简单。 R.Ragazzoni描述了该…     

中继镜系统上行传输的数值模拟

利用激光大气传输四维程序,在H-V5/7湍流模型下建立了双望远镜中继镜系统上行传输模型。数值研究了地面发射功率对中继平台接收望远镜与地面发射望远镜之间的耦合效率以及中继平台接收功率和接收光场远场峰值功率密度的影响。结果表明:在文中的条件下,中继平台接收功率随着地面发射功率的增大而增大,同时,中继接收望远镜与地面发射望远镜之间的耦合效率和中继平台接收光场的光束质量随着地面发射功率的增大而下降;存在一临界热畸变参数NDc,当上行传输的热畸变参数超过这一值时,中继平台接收光场的远场峰值功率密度不再增加反而下降。对不同湍流效应下的中继镜系统上行传输的临界热畸变参数作了进一步研究,得到了临界热畸变参数随D/r0值变化的拟合关系式NDc=22.36e-0.26（D/r0）+36.87。     

基于激光跟踪仪的天基望远镜安装测量技术

根据天基硬X射线调制望远镜的总体设计要求,提出了望远镜测量坐标系与星敏感器坐标系一致性测量原理,在分析被测对象特点的基础上,设计了基于激光跟踪仪的测量方案,并设计了人造星源等辅助测量装置,分析了测量精度,给出了望远镜坐标系和星敏感器坐标系的具体测量步骤,总结了测量方案的一系列特点,最后指出了下一步研究方向。     

新型钠信标激光器研究进展

自适应光学技术广泛应用于大型地基光学望远镜，以校正大气扰动造成的波前畸变，使望远镜达到近衍射极限分辨率，实现对观测目标的清晰成像。激光钠导引星作为自适应光学校正的信标源，是自适应光学望远镜的核心技术之一。介绍了589nm光抽运垂直外腔面发射半导体钠导引星激光器和掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的固体激光器的最新研究进展。这些方案因其具有体积小、效率高、可靠性高、成本低、易维护等优势，被认为是新一代钠导引星激光器有潜力的发展方向。     

不同导星数量和排布情况下地表层自适应光学系统的性能分析

基于频谱滤波理论和经典大气湍流 7 层模型, 通过地表层自适应光学 (GLAO) 系统的理论滤波器模型, 结合 有限导星条件下的误差传递函数 (ETF), 探究了不同导星数量与不同导星排布情况下地表层自适应光学系统的性能。 研究结果表明 6 颗导星呈中心 1 颗、其余 5 颗在视场边缘均匀环形分布时, 系统校正性能较优。该研究结果对正在研 制的一米新真空太阳望远镜多层共轭自适应光学 (MCAO) 系统 (含有 GLAO 系统) 具有重要指导作用和参考价值。     

适用于小视场星敏感器的导航星表构建方法

导航星表构建是星敏感器设计阶段的重要工作.对于小视场,受限于恒星分布规律,易出现导航星表空洞问题.为解决小视场条件下均匀完备导航星表构建问题,对基于球面螺旋基准点的导航星表构建方法进行了改进:摒弃了原方法通过改变球面螺旋基准点数量和位置重新构建导航星表的思路,转而通过增选部分恒星来达到减少星表空洞的目的.设立了描述恒星消除星表空洞能力的权值,并以该权值递减顺序开展恒星增选;同时,设计了增选恒星距离阈值条件以保持增选后导航星表的均匀性.仿真表明,在4圆形视场条件下,相对于原方法,文中方法得到的导航星表,总星数减少708颗,均匀性指标提高约44%,而星表空洞变化较小,显示了较好的性能.     

Boltzmann entropy-based guide star selection algorithm for star tracker

A Boltzmann entropy-based guide star selection algorithm is presented. The guide stars generated by this algorithm satisfy uniform distribution, while there are at least two guide stars measured in any possible boresight direction of the star tracker. A guide star catalogue with a 14/spl deg//spl times/14/spl deg/ square field of view is reported.     

均匀快速的导航星选取方法

为解决导航星表分布的均匀性、构建的快速性问题,提出了一种基于极坐标细分法(PCSM)及距离-星等加权法相结合的导航星选取方法。通过在近似均匀分布的球面基准点的邻域附近选取导航星,用来保证所选导航星分布均匀性,并解决坐标极值越界问题;为了提高搜星过程整体速度,引入了k-vector 快速搜索方法搜索基准点邻域内候选星;最后,综合考虑导航星的均匀性与亮度指标,设计了距离-星等加权方法筛选导航星。仿真结果表明:该方法简单、易行、适用性强,选取的导航星分布均匀性好。     

近红外导航恒星排序方法研究

天文导航具有自主性强、精度高和误差不随时间积累等优点,惯性导航系统常采用天文观测的方法来提高定位和定姿精度,全天时星跟踪器技术成为近年来国内研究的热点。近红外系统多基于 2MASS 星表产生导航星表,系统工作中需要对可观测恒星进行排序,实现对恒星的最优选择。本文阐述了2MASS近红外恒星的测星能力计算方法,利用给出的信噪比(Signal noise ratio: SNR)计算公式,对一组亮背景条件下的恒星 SNR 进行了计算,并据此进行了理论排序。 利用外场观星试验拍摄的星图,计算了恒星星点的 SNR,并按照实测星点 SNR 对恒星进行了排序。计算结果表明：导航恒星的理论 SNR 与实测 SNR 的排序结果完全一致。     

星载自适应光学系统的双导星信标理论研究

星载相机的波前畸变主要来源于两个部分:由于温度场、重力场变化引起的相机光学系统自畸变;由于大气湍流引起的波前误差。为获得高分辨率的图像,需要校正波前误差。提出一种对星载光学系统波前畸变进行有效探测的技术。星载激光器分时产生钠导星和瑞利导星,前者用于校正自畸变,后者用于校正大气湍流造成的波面像差。针对该方法对激光能量的要求,建立了双导星信标系统的数值模型,并进行仿真。结果表明,该方法对激光器的要求,在目前是可以实现的。该方法可以用于空间相机光学系统的波面畸变探测,从而为星载自适应光学的进一步研究提供依据。     

Design and performance analysis of adaptive optical telescopesusing lasing guide stars

The use of adaptive optical systems using electrically deformable mirrors to compensate for turbulence effects is discussed. Since these systems require bright reference sources adjacent to the object of interest and can be used only to observe the brightest stars, artificial guide stars suitable for controlling an adaptive imaging system must be created in the upper atmosphere by using a laser to excite either Rayleigh backscattering in the stratosphere or resonance backscattering in the mesospheric sodium layer. The design requirements of a laser-guided adaptive telescope, as well as the expected imaging performance, are discussed in detail. It is shown that a 2-m ground-based laser-guided telescope can achieve imaging performance levels at visible wavelengths nearly matching the theoretical imaging performance of the Hubble Space Telescope (HST). The required lasers can be either bought off the shelf or built with current technology. The laser power requirement for the Rayleigh guide star approach is on the order of 82 W for zenith viewing when the atmospheric seeing cell diameter is 20 cm. For the same conditions the laser power requirement for the Na guide star approach is on the order of 14 W. Both systems will achieve near diffraction limited imaging with a Strehl ratio of ~0.67 and an angular resolution of approximately 0.07 arcsec for an observation wavelength of 0.5 μm     

利用变形反射镜和激光导星扩大校正视场

为了扩大自适应光学(AO)系统的校正视场,在主要湍流层的共轭面上设置两个变形反射镜(DM),即采用分层共轭自适应光学(MCAO)的方法.主湍流层的共轭面位置设置两个变形反射镜和激光导星可以将湍流层上不同高度位置产生的波前畸变进行分离,并使焦距非等晕性几乎完全消除.在自适应光学系统中,角度的非等晕性产生的波前误差主要取决于校正的模式数、大气介质折射率结构常数(C2n)的分布和系统的几何尺寸.结果表明:对于孔径为3.5 m的望远镜,利用两个变形反射镜能够达到3弧分的校正视场.     

层向多层共轭自适应光学系统的模拟

单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理,研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟,内容包括:如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真,仿真结果表明:层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流,比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。