极大望远镜近地层自适应光学系统波前重建技术研究

Ground Layer Adaptive optics (GLAO) system is a very important part of the extremely large telescope systems, which can increase the angular resolution of the telescope over a lager field and improve the efficiency and ability of astronomical observations. The spots elongation produced on the Shack- Hartmann wavefront sensor, the anisoplanatism error induced by the atmospheric turbulence, the time delay error in the servo loop of the adaptive optics system are three key factors in the wavefront reconstruction of the GLAO system, which will be studied in this project by incorperating the theories of stochastic process and optimal prediction. The error induced by the elongated spots will be decreased by a model of the nonuniformity and correlations of the noises and through a centroid detection method for Shack–Hartmann wavefront sensor. The anisoplanatism influence will be suppressed by a tomographic wavefront reconstruction of the turbulence volume from multiple laser guide stars according to a priori statistics of the atmospheric turbulence and the location informations of the laser guide stars. The delay error will be reduced by a nonlinear prediction of the wavefront aberration induced by the atmospheric turbulence. At last, an efficient algorithm for the reconstruction of the wavefront aberration induced by the atmospheric turbulence for GLAO system for the Extremely Lager Telescopes will be derived. This project aims to provide a theoretical foundation for the further study of the multi-conjugate adaptive optics systems and for the design of the adaptive optics system of the extremely large telescope in China.

近地层自适应光学作为新一代自适应光学技术，可以在较大视场内提高望远镜的分辨率，从而提高天文观测的能力和效率，已成为极大口径地基天文望远镜的重要组成部分。本项目拟根据随机过程和最优预测等理论研究极大口径望远镜近地层自适应光学系统波前重建时遇到的关键问题，具体包括光斑畸变、非等晕性和延迟误差等。项目通过建立噪声的非均匀性、相关性模型和优化质心定位算法减少光斑畸变带来的探测误差；结合大气湍流统计信息和导星位置信息对大气湍流像差进行三维重建以减少非等晕性误差；利用对大气湍流像差进行非线性预测以减少延迟误差的影响。研究目标是提出一种适合极大口径望远镜近地层自适应光学系统波前重建的算法，为进一步研究多层共轭自适应光学技术奠定基础，也为我国下一步建造极大口径望远镜自适应光学系统提供技术储备和理论支持。

近地层自适应光学（GLAO）系统能够在较大的视场范围内均匀提高望远镜的像质，为宽视场成像和宽视场光谱仪服务，以满足现代天文观测的需求，已经成为大口径望远镜研制的关键技术之一。其中，波前重建是准确计算变形镜控制信号和自适应光学系统运行的基础，对系统的性能有直接的影响。项目组的主要研究内容及结果如下：（1）提出了一种高精度的波前重建方法，将传统Shack-Hartmann传感器利用波前局部斜率进行波前重构的算法推广到同时利用波前的局部斜率和局部曲率进行波前重构，数值模拟结果表明，波前重建算法可以进行高精度的波前重建，特别是针对高频成份较多的畸变波前。针对Peaks函数作为输入波前，该波前重建算法得到的波前残差RMS为0.033λ，小于常规算法的0.090λ，表明算法可以显著提高波前重建精度。（2）为降低研制成本和规避风险，需要对系统反复进行模拟验证，为此项目组提出了一种基于小波分析模拟大气湍流相位屏的方案，根据离散小波变换的频段分割性质，对Von Karman型功率谱进行切割，模拟结果表明，该方案产生的大气湍流相位屏与Von Karman模型较好地吻合，该方法计算复杂度低，能快速模拟大尺寸、高分辨率大气湍流相位屏。（3）项目组针对兴隆2.16m望远镜及其所在台址的大气视宁度，研制了一套自适应光学系统，实验结果表明，该系统可以把模拟大气扰动引起的波前像差的均方根值校正到0.1λ以下，获得接近衍射极限的成像质量。（4）提出了一种能克服大气湍流影响，对点目标清晰成像的方法，并将该方法成功应用到望远镜对分离星点组成的天文目标的清晰成像中，模拟实验结果表明，该方法简单、高效、抗噪声能力强。（5）提出一种使用随机相位板来增加点全息图的随机性，进而提高数字全息自适应光学系统成像分辨率的方法，并实验验证了方法的有效性。论文研究结果，为近地层自适应光学系统的测试、波前重建算法设计、系统构建及高分辨成像方面提供了重要参考，可为未来大口径望远镜的研制提供重要支撑。