中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

为了探测更遥远更暗弱的天体，实现对宇宙早期的星系形成与演化、恒星形成历史、第一代恒星等科学目标的研究，天文学家们对望远镜的探测灵敏度、分辨率和成像质量等提出了更高的需求，需要更大口径的望远镜。国际上已有14台8-10m口径的光学望远镜，正在建设中的有30m口径的TMT望远镜和39m口径的ELT望远镜等。目前国内正在建设14.5m大口径地基光学/红外望远镜，同时也在推动十米级极大规模光谱巡天望远镜的项目。但望远镜口径越大，受湍流影响越大，因此需要配备自适应光学（AO）系统，然而国内西部优秀天文台址上的现有大气湍流分层廓线监测数据还无法为望远镜AO系统的设计提供充分依据，亟需长期监测大气湍流分层廓线的仪器设备。
因此本文开展了大气湍流分层测量技术的研究，综述了大气光学湍流测量方法，通过对比各种大气湍流分层测量技术的优缺点并结合国内外现有设备情况，选出了国内目前所没有的环状图像闪烁测量仪（RINGSS）和近地层闪烁仪（LOLAS）两种监测仪器作为主要研制对象。RINGSS是国际上新提出的湍流测量仪器，其结构简单、便携易实现、成本低廉、集多种仪器功能于一身，既可通过统计环状图像在不同模板上的光强变化获得整体大气湍流的中分辨率分层廓线，也可以通过统计环状图像的半径变化获得到整体大气视宁度。LOLAS则结构简单、系统可靠，且能通过统计双星波前闪烁的互相关实现对近地层高分辨率大气湍流分层廓线的监测。RINGSS和LOLAS两者结合可用于上述台址全面且细致的大气湍流分层廓线的长期测量，为中国大型地基光学/红外望远镜的AO系统和科学仪器的优化设计提供参考。因此本文重点开展了RINGSS和LOLAS的开发研制，主要研究内容如下：
首先，对RINGSS和LOLAS仪器测量大气湍流分层廓线的理论进行了深入研究，包括Kolmogorov大气湍流模型理论，基于此湍流模型推导出的波前起伏功率谱理论以及波前闪烁理论，而后总结了基于波前闪烁技术的不同测量仪器之间的异同点。
然后，本文开展了RINGSS的研制工作。首先是对RINGSS的基于环状图像测量大气湍流参数的原理的研究，主要包括其权重函数的构建、统计信号的获取、数据的处理、误差校正及湍流廓线的反演计算和整体大气视宁度的计算。然后研制了一套原型机，并完成了该设备的安装调试和对空观测实验，成功获得整体大气湍流的中分辨率廓线及整体大气视宁度。该设备可以通过两种原理获得整体大气视宁度，根据两者之间的相关性可判断仪器测量结果的可靠性。
接着，本文介绍了对LOLAS的研制工作。首先同样介绍了LOLAS的基于双星波前闪烁测量近地层高分辨率湍流廓线的原理，然后基于此原理自主开发了一套专用于LOLAS的数据处理程序，并通过数值模拟仿真，验证了该程序的可行性。针对原始仪器中未考虑的宽光谱因素所带来的误差进行了校正，提高了近地层高分辨率湍流廓线测量的精度。然后成功研制了一套LOLAS原型机，并进行了对空观测实验，获得了近地层高分辨率湍流廓线数据。
为了研究两台新研制的仪器的测量效果，还进行了不同湍流廓线测量仪器之间的对比测试。首先开展了LOLAS与团队自研的月亮闪烁仪（LuSci）对近地层湍流廓线同步测量的对比测试，两者所测得的湍流廓线表明了两台仪器高度一致，验证了LOLAS的可靠性。然后开展了RINGSS和LOLAS两台仪器的联合观测实验以获得完善且详细的大气湍流分层廓线信息，结果表明两台仪器的联合使用十分适用于台址的长期监测。