一项研究在大气湍流剪切干涉仪波前传感器

M。默罕默德·伊斯梅尔¹,M。穆罕默德Sathik²。

研究学者、计算机科学系、Sadakathullah光电学院Tirunelveli Tamilnadu、印度
大学校长,Sadakathullah Appa Tirunelveli Tamilnadu,印度。

文摘

当光束通过湍流大气中传播,光束的波前是扭曲的,它影响地面望远镜的图像质量。自适应光学波前畸变的实时补偿的一种方式。在一个自适应光学系统中,波前畸变波前传感器测量,然后使用一个活跃的光学元件,如变形镜瞬时波前畸变校正。本文通过湍流的物理背景成像,利用柯尔莫哥洛夫统计,和极化剪切干涉技术意义和正确的讨论了自适应光学的波前畸变。使用Matlab模拟干涉记录进行了研究光学系统的畸变和干涉图的大气湍流的影响。干涉图的数据是减少使用傅里叶变换技术和波前重建波前斜率数据

关键字

巴比内补偿器、大气湍流、可变形镜,闪烁。

介绍

天文学家们尝试理解物理宇宙的极限,他们必须看深夜天空以锐利的眼光。不幸的是,看着夜空像从一个游泳池的底部。地球大气层是由许多层有不同的温度梯度,不同的速度梯度和不同的密度梯度。这些属性的混沌和随机变化的流体称为涡流或湍流大气原因。湍流导致许多不同长度尺度的涡流的形成。大部分的湍流运动的动能是包含在大型结构。这些大规模的能源“级联”结构规模较小结构基本上由一个惯性和半流体的机制。这一过程持续进行,创造越来越小的结构,产生涡流的层次结构。最终这个过程创建结构足够小,分子扩散变得重要和粘性耗散的能量终于发生。

望远镜的分辨能力当成像通过地球大气湍流不是望远镜直径成正比,而是为了湍流的相干长度[1]特征称为油炸参数ρ。通常ro 10 - 20厘米的顺序在光学波段在浏览网站。成像一个遥远的明星似乎是点和飞机在望远镜进入瞳孔的波前波前没有气氛。通过地球的大气层平面的波阵面时传播;的光学路径长度衰减是由于折射率的随机波动。因此,波前相位变化时空上,所以波阵面不再是平面。二次这种现象是闪烁的效果。

在图2显示了点源模拟图像衍射有限的情况下,在强湍流的存在。峰的强度归一化强度PSF没有动荡。这个光分布在一个更大的领域展示了高分辨率和高对比度成像困难。

有许多可能的解决方案,以提高图像质量的焦平面的望远镜。这是太空望远镜,散斑干涉法[2]和自适应光学[3]。根据该技术的性能和成本,可以选择最合适的方法来减少大气的影响。

减少大气影响的最佳选择是发射望远镜送入太空,但它有自己的发射技术的局限性大望远镜和操作成本。散斑干涉法,使用盲de-convolution post处理方法用于改善图像质量。这些方法需要曝光的图像,不适合非常微弱的对象。替代,巴布科克[3]提出了一个解决方案与一个技术纠正这些动态畸变波前称为“自适应光学(AO)。它基本上由波前传感器,可变形镜和控制硬件。今天这个AO受益于现代技术和高速计算机,使实时正确的扭曲。使用AO的效率与当前技术和地面望远镜都得到很大的提高。发展的一个AO系统,有必要了解大气湍流的特点及其对图像质量的影响。

二世。成像通过大气湍流

相位扭曲,到达望远镜入口折射率变化的累积效应是通过一个垂直的路径在大气中。折射率结构函数是由方程(1.1)。

柯尔莫哥洛夫的湍流模式扭曲规定相位结构函数的具体形式

从这个柯尔莫哥洛夫模型开发,油炸参数ρ

三世。代的柯尔莫哥洛夫的大气湍流模型

湍流是非常复杂的,仍然不是完全理解。在过去的几百年中,对光学传播模拟湍流的影响得到太多的关注。关注统计建模[4]产生了几个有用的理论。在这些理论中,有必要采取统计分析,因为它是不可能准确描述所有职位的折射率在空间和时间。最广泛接受的湍流流场理论,由于与观测一致的协议,首次提出了安德烈·柯尔莫哥洛夫[6]。

柯尔莫哥洛夫模型假定能量注入湍流介质在大空间尺度上(规模外,Lo)形成涡流。这些大旋涡级联的能量成小尺度涡流,直到它变得足够小(规模小,l0)能量消散的粘性介质的属性。惯性之间内在和外在尺度柯尔莫哥洛夫预测湍流与空间频率的幂律分布,κ(11/3)。

大气湍流是一个随机过程。柯尔莫哥洛夫使用结构与湍流相关函数来描述non-stationery随机函数及其相关参数的温度、湿度和速度。通常一个相关函数将用于描述材料的统计数据之间的距离。然而,对于纯粹的柯尔莫哥洛夫动荡与无限规模外,相关函数趋于无穷分离两点之间趋于零。因此结构函数被使用。

柯尔莫哥洛夫湍流大气湍流的模型是有效的。实验证明,夜莺& mainz (1991) [8]。大气湍流的太阳能,风切变提供初始能源在大尺度和粘滞摩擦耗散为热能的空气在内部规模[9]。

外尺度湍流统计中的一个重要参数,在争论在天文数据库的值的范围。柯尔莫哥洛夫动荡的标准光谱通常是用无限外规模和无限外尺度的影响是减少低空间频率的贡献。这种效应更加明显的望远镜直径超过外部规模的大小。鉴于外部规模通常是10米到100米,许多未来的超大望远镜会比外规模更大的直径。

这个功率谱只是有效的内部和外部之间的惯性范围内规模[11],因为它趋于无穷时在更大的空间分离。为了适应有限的内在和外在尺度,柯尔莫哥洛夫功率谱的修改是卡门的功率谱。

,f (r)是2 d -柯尔莫哥洛夫阶段屏幕,可以从傅里叶反变换获得√卡门功率谱的湍流大气。在处理电磁传播穿过大气层时,折射率可以被认为是独立于时间短(100μs)时间尺度。因为光的速度是如此之快,所花费的时间甚至光遍历一个非常大的湍流涡多,比时间更短的艾迪的属性变化。因此,时间属性通过泰勒冻结湍流建成湍流模型假设。

四、干涉图模拟

使用泽尼克多项式来描述大气湍流畸变引入的是众所周知的。常设调查小组委员会的波前传感器测量波前斜率。诺尔(1976)[10]引入了积分表示和泽尼克多项式的衍生品。泽尼克多项式的导数可以写成泽尼克多项式的线性组合。因此,从波前斜率信息传感器可以方便地表示为一个函数的泽尼克多项式。为代表的泽尼克多项式的梯度

在γjj叫做泽尼克导数矩阵。在继续泽尼克系数,模拟不同的干涉图的泽尼克系数值代表不同的畸变。

使用Matlab代码直条纹的干涉仪。屏幕任意动荡阶段被纳入的边缘模式由于边缘模式变得扭曲。在应用程序的不同的紊流phasescreen,边缘被扭曲的方式不同。以来,直边缘无法分析,所以我们必须考虑一维边缘扭曲的情节模式。一维边缘扭曲的情节模式考虑了简单的分析。傅里叶变换技术应用于一维图找出原始信号后删除整个不必要的信号。阴谋的一维快速傅里叶转换给所有的正面和负面的频率出现在信号。删除所有不需要的信号,频率更高,快速傅里叶功率谱的转换计算。只考虑包含最大的频率信息,所有其他的频率被忽视。现在上面的信号的傅里叶反变换,其中包含的最大信息发现返回信号的空间坐标。 Then the phase was unwrapped to remove the integral multiple of the 2π uncertainties. From the unwrapped phase, the Zernike coefficients were found out using the values the γjj values for both the x- and y-variables as given by Noll. The Coefficient Matrix A was finally calculated and the various Zernike coefficient values was recorded for the different interferometric patterns.

诉波前重建

在本节中重建波前的计算,从斜率数据。后发现的波前重建波前斜率使用模态的方法。模态方法的波前计算使用泽尼克基函数使用21模式。

六。结论

估计的自适应光学波前误差是一个非常重要的方面。除了望远镜系统错误,大气湍流也占主要贡献的错误。柯尔莫哥洛夫的大气湍流的特点是模型。有必要准确地估计这些畸变在动态情况下,为了应用,实时修正。模拟剪切干涉仪的研究证明了剪切干涉仪性能更好的低炸参数和Rytov数字大于0.2。傅里叶理论方法已经应用于极化剪切干涉仪(PSI)建立波前传感的基础。理论模拟进行了可视化的各种干涉条纹图形畸变。研究表明,适度的湍流条件下D / ro = 0.025, PSI的敏感性并不显著改变。

引用

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