大气湍流波前畸变的超前预测方法研究

大口径望远镜是空间目标监测的重要工具，目前我国以后开始着手4米级望远镜的研制工作。由于大气湍流的影响，大口径望远镜必须借助于自适应光学技术才能实现高分辨率的目标观测。自适应光学技术利用波前探测器件获得波前畸变信息，然后施加给波前校正器进行补偿校正。由于探测与校正之间存在着时间延迟，会给系统引入时间延迟误差，导致校正精度的降低。常规的方法就是尽力提高波前探测器和波前校正器的速度，这对硬件提出了很高的要求，增加了系统的成本。同时，波前探测速度的提高会牺牲探测器的曝光时间，限制对暗弱目标的探测能力。因此，单纯依靠硬件的改进无法根本解决时间延迟对校正精度的影响。本课题拟深入研究大气湍流的时间和空间特性，采用基于Zernike多项式模式分解与模式相关的湍流预测方法对波前畸变进行超前预测，实现对湍流波前的实时预测，以降低系统的时间延迟误差，提升自适应光学系统的校正性能。

大口径望远镜是空间目标监测和天文观测的重要工具。由于大气湍流的影响，大口径望远镜必须借助于自适应光学技术才能实现高分辨率的目标观测。自适应光学技术利用波前探测器件获得波前畸变信息，然后施加给波前校正器进行补偿校正。由于探测与校正之间存在着时间延迟，会给系统引入时间延迟误差，导致校正精度的降低。常规的方法就是尽力提高波前探测器和波前校正器的速度，这对硬件提出了很高的要求，增加了系统的成本。同时，波前探测速度的提高会牺牲探测器的曝光时间，限制对暗弱目标的探测能力。因此，单纯依靠硬件的改进无法根本解决时间延迟对校正精度的影响。本课题从波前探测器的高精度测量入手开展了针对大气湍流的特性研究工作，深入分析了湍流的时间和空间相关特性，并设计了基于Zernike模式的相关预测算法，及基于微透镜斜率矩阵的自适应预测算法，理论分析和实验均证明了预测技术对自适应光学系统性能提升具有重要的意义。数据分析表明，对于纯时间延迟约为5ms的液晶自适应光学系统，其平均的性能提升幅度可以达到10%~30%左右。