白日湍流大气光学参数测量技术研究

The main technical target of CGST is to realize 0.03 arc-second (solar surface is about 20km) high spatial resolution in the observation. Thus, adaptive optical system is a necessity for CGST. The design of adaptive optical system is based on the turbulent atmosphere optical property of the site. Therefore, besides the Seeing Parameter, the site testing for observatory of CGST needs atmospheric optical turbulence parameters related to the adaptive optical system, which includes atmosphere coherence time, isoplanatie angle, atmospheric turbulence profiles. .At present, none of day time atmospheric optical turbulence parameters, which includes atmosphere coherence time, isoplanatie angle, refractive Index Structure Constant Profile, can be measured except the Seeing Parameter measured by S-DIMM. MASS, SCIDAR, which are night measurement technology, can not directly be applied to the measurement of day time atmospheric optical turbulence parameters. This project will put forward measurement technology of day time atmosphere coherence time, isoplanatie angle, atmospheric turbulence profiles by measuring variance and covariance of solar limb. Furthermore, this measurement technology will be applied to the site testing for observatory of CGST and also monitor the turbulent atmosphere optical property of FuXian Lake Solar Observation.

中国巨型太阳望远镜(CGST)的主要技术指标是实现0.03角秒(对应日面约 20Km)的高空间分辨率的观测，因此自适应光学系统将是CGST所必备的。由于自适应光学系统需要根据址点的湍流大气的光学特性进行设计，在CGST的选址中除了视宁度外还需要监测大气相干时间、等晕角、湍流大气强度轮廓线等与自适应光学系统相关的湍流大气的光学参数。.目前除了S-DIMM可以测量白日视宁度以外，大气相干时间、等晕角和折射率结构常数轮廓线等其他白日湍流大气光学参数还没有很好的技术手段进行测量。MASS、SCIDAR等夜间测量技术不能直接应用于白日湍流大气光学参数的测量中。本项目将提出利用太阳像边缘的抖动方差和协方差测量白日折射率结构常数轮廓线和大气相干时间等参数的测量技术，并将其应用于CGST选址和抚仙湖太阳观测站的湍流大气光学特性的监测工作中。

随着对太阳物理研究的深入，高时空分辨率的太阳光球、色球的磁场和速度场的测量对太阳物理的研究越来越重要，为此欧美和中国均提出了4米及其以上口径的巨型太阳望远镜计划。而地球湍流大气是地面巨型太阳望远镜实现高时空分辨率太阳观测的主要干扰因素，为此巨型太阳太阳望远镜均要配备MCAO等大视场自适应光学系统。而址点的湍流大气强度轮廓线的分布和大气相干时间等参数对MCAO各种参数确定非常重要。为此本项目研究了白日湍流大气的强度轮廓线的分布和大气相干时间等光学参数的测量方法及湍流大气对成像过程的影响及其高分辨重建方法等方面。.本项目的重要结果有以下三个方面，分别是：1. 提出了基于双孔径的分层大气大气测量设备，并根据湍流大气功率谱模型建立了湍流大气轮廓线和大气相干时间的计算模型。2. 基于计算模型，提出了两种基于观测数据反演湍流大气轮廓线的方案，分别是基于最优化模型的估算方法和直接估算方法，这两种方法各有优缺点，基于最优化的方法可以获得较高分辨率的湍流大气轮廓线，但是有些情况下不一定收敛正确。直接估算方法分辨率较低，但是可以较为准确的反映真实的湍流大气轮廓线状态。这两种方法均对高层大气的分辨率较低，其中直接估算方法几乎对10km以上的湍流大气没有分辨率。3. 与国家海洋局极地研究中心合作，利用简易SDIMM测量了南极泰山站的白日视宁度。.本项目的科学意义是首先是研究了湍流大气轮廓线和大气相干时间的测量方法，并提出了测量设备的方案。基于该方案正在研制白日湍流大气光学参数测量设备，有望在2017年上半年投入到抚仙湖观测站的白日湍流大气光学参数的监测中。其监测数据将应用于NVST的MCAO研制中，并且还可以投入到稻城无名山等新的太阳观测址点的监测中，可以为下一代巨型太阳望远镜的MCAO研制提供关键参数。