自适应光学多共轭波前传感的层析技术

以分层大气的相关长度与整个大气层相关长度的关系为基础，在湍流集中于两薄层的假设下，给出待确定相位分布与测量结果之间的矩阵方程及方程的系数矩阵，通过求解此超定方程，可望得到各层大气湍流所引起的相位畸变．     

ROPP掩星数据反演软件及其精度分析

GPS掩星探测技术已成为地球大气和电离层探测的重要手段。介绍了无线电掩星数据反演地球大气参数的原理方法以及处理软件ROPP的功能和模块构成;并详细阐述了模块的算法原理。依据掩星探测几何关系,在球对称模式下利用ROPP软件进行参数配置,对COSMIC掩星数据进行预处理,由阿贝尔积分反演得到大气折射率廓线;并利用一维变分反演方法得到大气参数如温度、湿度和压强的廓线。反演结果图示说明,与CDAAC处理数据进行了比较和误差分析,分析表明折射率、温度、压强和湿度的吻合程度较好,30km以下折射率误差约在5%范围内;同时给出了误差的来源及分析。     

模型人眼的视网膜自适应成像系统

为了更好的进行人眼视网膜成像探测及人眼像差校正,建立了一套基于液晶波前校正器的模型,模拟人眼眼底的自适应成像系统。该系统采用Shark-Hartman波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过计算处理转化为灰度图通过电脑施加到LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过校正后,系统波误差从1．92μm降低到0．048μm系统分辨率接近70lp／mm已经到达该光学系统衍射极限分辨。可以满足低阶大像差情况下的模拟人眼视网膜成像要求。     

基于模式互信息的大气湍流畸变波前重构

基于模式法进行波前重构时需将波前相位畸变展开成不同的正交多项式组合,不同的正交基分别代表由大气湍流引起的波前相位畸变的不同模式,通过计算大气湍流引起的波前畸变与各个模式的互信息,分析不同模式对波前畸变的影响程度,按互信息从大到小建立新的重构矩阵进行波前重构。数值模拟结果表明:当仅采用一种模式进行校正时,基于互信息重构的波前残差均方根值从1.8rad下降到1.15rad,而传统模式重构法的波前残差均方根值仅下降到1.74rad,采用2种模式重构波前时,2种方法的波前残差均方根值分别下降了1.2rad和0.1rad。当采用65个模式对波前重构时,传统模式法的波前残差为0.2rad,而当基于互信息重构的波前残差为0.2rad时,仅需要采用18个模式。与传统模式法相比,在相同的波前重构精度下,基于互信息的波前重构所需的重构模式数大大减少,从而降低了重构矩阵的复杂度,提升的波前重构的速度。     

哈特曼波前探测器波面重构精度研究

活体人眼波前像差的精确探测一直是人眼自适应成像系统波前探测和波前校正的难点。以Shark-Hartman波前探测器(S-H)和液晶空间光调制器(LCOS)搭建了一套活体人眼像差探测及眼底自适应成像系统。对Shark-Hartman波前探测器(S-H)波面探测精度的影响进行研究。在液晶空间光调制器LCOS施加同阶等大小的波前畸变,探测不同情况下的哈特曼波前探测器上的波面重构值并且加以分析,并对当前波前探测精度的自适应像差校正及成像结果进行对比分析。利用优化参数的哈特曼波前探测器进行自适应校正成像实验。实验证明,人眼动态像差的精确探测是自适应系统像差校正的基础。哈特曼波前传感器的波前探测及重构精度是获得人眼眼底视网膜的衍射极限分辨的根本,哈特曼波前传感器的子孔径数选择及子孔径大小对眼底自适应成像系统起到关键作用。     

LEO卫星轨道参数对GPS掩星数量和分布的影响

利用低地球轨道LEO（LowEarth Orbit)卫星所载GPS接收机探测地球大气的分层结构是上世纪80年代后期才发展起来的新技术，不同的LEO卫星，将使发生的掩星事件数量和分布有所差别，在一定的大气折射指数分布模型和现有GPS星座的假设条件下，利用射线追踪法模拟了掩星事件，并讨论了LEO卫星的轨道倾角和高度对掩星事件发生的数量和分布的影响。其结论对实际发射LEO卫星时的参数选取具有参考价值。     

大气湍流对激光传输的影响

当激光在湍流大气中传播时,大气湍流折射率场的起伏导致了激光波震面的畸变,破坏了激光的相干性,而相干性退化将削弱激光的质量,表现在光束相位的随机起伏、光束的随机漂移、能量在光束截面上的重新分布（畸变、展宽、破碎等）以及由此而引起的光强起伏等。本文介绍了大气湍流的形成及基本特性,并着重讨论了湍流对激光传输的影响。     

稳定分层湍流的大涡模拟

稳定分层湍流是大气和海洋流动中常见的自然现象, 是预测大气和海洋流动的重要物理机制. 我们用大涡模拟方法研究稳定分层流体湍流, 以期获得与实际大气和海洋中稳定分层湍流相符的性质. 我们在不同初始条件的流场和不同的流动特征参数（雷诺数Re和弗罗德数Fr）下用大涡模拟方法获得充分发展湍流场. 通过分析湍动能和湍流特征尺度随时间的演化考察稳定分层湍流演化过程; 并通过三维能谱、水平和垂直能谱来检验数值模拟是否和真实大气、海洋中实测结果一致. 研究结果表明, 大涡模拟可以用较少网格数获得和实测一致的稳定分层湍流性质. 不同的初始流场都能演化为湍流, 并且发现演化过程的后期总是内波能量占优势. 研究证实要获得和实测一致的稳定分层湍流的关键是特征参数必须满足一定条件： 特征雷诺数和弗罗德数不一定要和实际大气和海洋中的参数相等, 但是要求雷诺数足够大, 弗罗德数足够小（例如Re〉102, Fr〈0.1）; 特别重要的是组合参数ReFr2必须大于10.     

三维多层流动过孤立山脉产生的山脉重力波的数值试验

利用中尺度数值模式ARPS研究了分层流动大气中的非线性山脉重力波。分层流动过孤立山脉所产生的山脉重力波的数值模拟表明,具有两层模式结构的气流过孤立山脉产生一个发散模态的拦截背风波,同线性理论模式计算结果具有基本相同的流动特征。但是具有三层模式结构的气流过孤立山脉所产生的非线性山脉重力波和大气船波表现出同两层模式结构的气流完全不同的流动特征,因非线性相互作用在山脉背风面产生了2个发散波模态的拦截背风波向山脉下游传播,具有同两层模式和线性理论模式相比更加复杂的波动特征。     

畸变进气对对旋风机单级运行内流特性及性能的影响

为对压入式矿用对旋风机在畸变进气条件下单级运行方案的合理选择提供理论依据,采用SST k-ω湍流模型对风机前级和后级叶轮单独运行情况下的内部流场进行非定常数值模拟,分析了均匀和畸变两种进气条件下单级叶轮运行时的内流特性,对比了全压和全压效率等风机性能参数。结果表明：当前级叶轮单级运行时,畸变进气对流动的影响集中在前级叶轮上游区域,前级叶轮出口直至扩散器区域内流动扰动较小;后级叶轮单级运行时,畸变进气加剧了前级叶轮作为前导叶对后级叶轮区域内流动产生的不利影响,两级叶轮内熵损失较均匀进气条件显著增大,扩散器内的湍流程度加剧。与后级叶轮单级运行相比,前级叶轮单级运行受畸变进气影响而导致的流动损失较小,全压效率提高约11%。     

Adaptive-optics corrections available for the whole sky

Adaptive-optics systems can in principle allow a telescope to achieve performance at its theoretical maximum (limited only by diffraction), by correcting in real time for the distortion of starlight by atmospheric turbulence. For such a system installed on an 8-m-class telescope, the spatial resolution and sensitivity could be up to 100 times better than conventional imaging. Adaptive-optics corrections have hitherto been achieved only for regions of the sky within a few arcseconds of a bright reference source. But it has been proposed theoretically that by using multiple guide stars, the tomography of atmospheric turbulence could be probed and used to extend adaptive-optics corrections to the whole sky. Here we report the experimental verification of such tomographic corrections, using three off-axis reference stars approximately 15 arcsec from the central star. We used the observations of the off-axis stars to calculate the deformations of the wavefront of the central star, and then compare them with the real measured values. This tomographic approach is found to reduce variations in the wavefront by approximately 92%. Our result demonstrates that a serious barrier to achieving diffraction-limited seeing over the whole sky has been removed.     

光子噪声受限的波前传感器的实验研究

以自适应塑远镜技术中应用最广的哈特曼(Hartmsnn)型波前传感器为例,利用光子计数技术对单孔径望远镜在光子噪声受限条件下所能探测到的目标星等极限、探测灵敏度极限以及探测速率极限等基本问题作了实验和理论研究。结果表明,利用文中所述的刀口式哈特曼波前传感器,在光子噪声受限条件下,在1ms探测时间内,在波前误差探测灵敏度为十分之一波长的情况下,可探测到八等星目标。为了在光子计数技术基础上准确标定实验目标的星等,研究分析了进入波前传感器的光通量与探测到的对应光电子通量之间的关系,给出了计算模式、计算机模拟结果和实验结果。     

基于小波分形插值算法的大气湍流波前畸变重构

波前传感器自适应光学系统的波前畸变校正效果主要取决于重构波前的精度,而现有的模式法、区域法等方法重构波前精度较低,波前畸变校正性能有待提高。针对这一问题,提出一种基于小波分形插值算法的大气湍流波前畸变重构,在对原始波前进行小波变换的基础上采用分形插值的方法,能够有效提高精度,同时避免高频信息丢失,最后进行小波逆变换得到重构波前。仿真结果表明,与传统的最小方差估计算法相比,该方法重构波前的灰度平均梯度由0.065增加到0.765 4,均方根误差由3.249 2下降到0.634 6。     

二维精简索引分层导航星库的构造

提出二维精简索引分层导航星库的构造方法。该方法把导航星分为局域亮性和局域暗星，以局域亮星为主构造星三角形，从而减少了存储三角形的数量；对星三角形进行二维精简索引，以提高检索效率、节约比对时间；通过参数的不同选择，可以转换为其他类型的导航星库。二维精简索引分层导航星库与分层星识别方法相配合，具有存储空间较少、识别速度较快的优点，适用于视场较大、探测星等较低的第2代星敏感器。     

Aero-optical aberration measuring method based on NPLS and its application

The existing methods for measuring aero-optical aberration suffer from several problems, such as low spatiotemporal resolution, sensitivity to environment, and integral effects. A new method for measuring aero-optical aberration of supersonic flow is proposed. Based on the self-developed measuring method of supersonic density field, the wavefront aberration induced by a cross-section of supersonic flow field could be measured by ray-tracing. Compared with other methods, the present one has three significant innovations: (1) high spatiotemporal resolution. Its time resolution is 6 ns, and the spatial resolution can reach up to micrometers; (2) it can avoid the integral effects and study the wavefront aberration induced by the flow field of interest locally; (3) it can also avoid the influence from the test section wall boundary layers and environmental disturbances. The present method was applied to supersonic flow around an optical bow cap. The results of high spatiotemporal resolution reveal fine wavefront structures, and show that shock waves, expansion waves and turbulent boundary layers have different impacts on the wavefront aberration.     

利用动态跟踪原理进行质心计算的新方法

分析H-S(Hartmann-Shack)波前传感器在扩展动态范围及抑止噪声方面存在的不足,提出了根据大气湍流的时间特性确定在一次采样时间间隔内质心移动的变化范围,对质心进行连续动态跟踪测量的新方法.该方法在大气扰动较强时,可以扩展波前传感器动态范围,有效地降低CCD读出噪声和散弹噪声对质心探测精度的影响,并为动态质心计算方法提供理论论证及仿真结果.     

航空发动机插板式进气压力畸变紊流度分布

根据试验的结果,插板式进气畸变脉动压力在发动机进口可分为未扰动区、掺混区和低压区。紊流的主要能量分布在掺混区内,具有低频和宽泛的幅值特征,基本服从正态分布。其主要能量分布在100 Hz以内,其幅值较低压区高6倍,是影响畸变度的主要区域。对其它两个区域的紊流分布也进行了分析,得到了其统计分析结果。还发现,随插板升高,特别是在发动机接近失稳时,脉动压力能量逐渐向一固定频段收敛,该低频段幅值大幅升高并充满畸变流场,并引起发动机失稳。初步分析认为:可能是进气道内的气流在强烈的紊流扰动下,出现了自激振荡现象。     

Optical turbulence profiling with single star SCIDAR technique

In order to characterize optical turbulence, we have developed a single star SCIDAR （SSS） for measurement of the distribution of Cn^2 with height. The SSS consists of a 40 cm telescope and a CCD camera for fast sampling of stellar scintillation pattern. Spatio- temporal auto and cross-correlation functions of the single star images are computed, providing vertical profiles of optical turbulence intensity C2（h） and wind speed V（h）. Using this new SSS experiment, profiles of turbulence can be obtained from the ground to the top of atmosphere, allowing the determination of seeing, isoplanatic angle and coherence time. Detailed characteristics of atmospheric optical turbulence are important for active and passive imaging, astronomical site testing, adaptive optics, laser communications, target tracking and designation, and laser beam control. We plan to improve the robotization of the SSS to be able to use it routinely even under harsh weather and altitude conditions that we expect to encounter on the high Tibetan plateau or at Dome A in Antarctica. SSS will also be applied for the site testing campaign of the future Chinese extremely large telescope.     

Optical wavefront distortion due to supersonic flow fields

The optical wavefront distortion caused by a supersonic flow field around a half model of blunt nose cone was studied in a wind tunnel. A Shack-Hartmann wavefront sensor was used to measure the distorted optical wavefront. Interesting optical parameters including the peak variation (PV), root of mean square (RMS) and Strehl ratio were obtained under different test conditions during the experiment. During the establishing process of the flow field in the wind tunnel test section, the wavefront shape was unstable. However after the flow field reached the steady flow state, the wavefront shape kept stable, and the relative error of wavefront aberration was found small. The Shack-Hartmann wavefront sensor developed was proved to be credible in measuring quantitatively the optical phase change of light traveling through the flow field around model window.