中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

天文学家和研究学者们为了清楚观测更遥远且暗弱的天体，进行科学目标的研究，在全球范围内选取了多个优秀的天文台址，建造了大口径的地基光学/红外望远镜，但大气湍流对地基光学/红外望远镜的成像质量造成了严重影响，自适应光学系统可以用于矫正和补偿大气湍流带来的影响。使用湍流监测仪器测量出大气湍流参数并进行长期监测，有助于台址选取和自适应光学系统的配置，从而对大型地基望远镜的建设具有重要意义。国内外已经研制出了一系列测量大气光学湍流的仪器和方法，其中国际上新提出的仪器RINGSS(Ring-Image Next Generation Scintillation Sensor)体积小，易于携带与装调，并且具有价格便宜的优势，未来有机会替代MASS(Multi-Aperture Scintillation Sensor)-DIMM(Differential Image Motion Monitor)成为测量大气光学湍流的主要设备。因此，针对国内发展大气光学湍流测量方法和仪器的需求，本课题开展了基于环状图像的大气光学湍流廓线测量方法的研究，通过对比几种不同的大气光学湍流测量技术，选择出发展前景广阔且国内研究较为空白的基于环状图像的大气光学湍流廓线测量方法作为本课题的主要研究对象。本论文叙述的研究工作如下：
第一，深入研究基于环状图像测量大气光学湍流廓线的原理，研究了目前RINGSS仪器的光学系统，并完成了像质评价和热分析。通过光学设计与实验观测发现，该仪器采集到的内离焦面环状图像存在色差，这导致环像能量不够集中，并且在宽范围的环境温度使用时，对像质影响较大，需要添加调焦装置，不利于仪器简化和长期监测使用时的操作简洁性。研究发现，RINGSS仪器在望远镜入瞳处形成的是近似的凹圆锥形相位，得到的是内离焦面环状图像，本论文通过将原本铝材的望远镜替换为碳纤维材质的GSO RC8望远镜，并且在不改变望远镜离焦的前提下，设计了新的空气间隔透镜组来形成近似的圆锥形相位，改善了环状图像的色差和仪器对环境温度的敏感，能够获得能量更集中的环状图像，有利于后续的图像处理。
第二，本论文提出了使用圆锥透镜替代传统的负透镜、双胶合正透镜组合的新方案。新的方案能够在望远镜瞳孔处形成精确的圆锥形相位，从而在焦面上得到像质优秀的消色差环状图像。在宽范围的环境温度使用时，温度变化对像质几乎无影响，不需要添加任何调焦装置，有助于仪器简化，方便长期监测运行中的实验操作。论文还相应地对原有处理算法中波前的表达进行了改进，直接使用瞳孔处精确圆锥相位的底角的正切值来拟合圆锥波前。
第三，本论文提出基于RINGSS仪器的改进的光学系统，讨论了近似圆锥形相位光学系统、近似圆锥形相位光学系统的减焦、精确圆锥形相位光学系统等共八个系统，分别完成了光学设计、像质评价、微扰动模拟和热分析。对近似凹圆锥形相位、近似凸圆锥形相位、精确凹圆锥形相位、精确凸圆锥形相位，共四种情况下进行了望远镜入瞳处相位、权重函数和环状图像的对比分析。光学设计和成像数值模拟结果表明，使用50mm口径圆锥透镜形成精确凸圆锥形相位的系统得到的环像质量最佳。论文还进行了RINGSS原仪器（RINGSS1），和使用12.7mm口径圆锥透镜形成精确凸圆锥形相位系统（RINGSS2）观测对比实验，结果显示RINGSS1测得的视宁度结果整体比RINGSS2偏低，RINGSS1测得的大气相干时间和等晕角的结果比RINGSS2偏高。