自适应光学望远镜技术

光学望远镜是利用光波获取远距离目标信息的有力工具。由于光波波长比无线电波短得多，所以其分辨能力也远高于雷达。然而由于使用环境给光学望远镜带来随时间而变化的动态干扰，光学望远镜的实际分辨力常常远达不到理论上所预期的衍射极限。对于一个口径达数米的大型光学望远镜，由于动态干扰的影响，在地面观察时的成像分辨力不会超过天文爱好者手中口径为o．1-0．2m的小望远镜。这给天文观测或者空间监测都带来严重后果，它降低了对目标的探测能力，使得目标的形态细节分辨不清，也降低测量定位精度。这个现象数百年前即被天文界发现并始终困扰着天文界。即使大科学家牛顿(1，Newton)对此也无能为力，他在18世纪初出版的《光学》一书中，已经描述了大气湍流对望远镜观察的影响，认为只有在高山之巅的宁静大气才能减轻这种影响。直到20世纪70年代自适应光学诞生，这个问题才有了解决的可能。

　　自适应光学系统能够实时测量并补偿光波受动态扰动所造成的波前畸变，使光学望远镜得到接近衍射极限的目标像，或者使激光发射系统有效地将强激光聚焦到目标上。自适应光学技术使光学系统具备了自动适应外界条件变化、保持最佳工作状态的能力，从而使传统光学系统那种在环境干扰面前无能为力的被动工作模式得以彻底改变，极大地提高了光学系统的性能。自适应光学在空间观测和强激光武器方面的巨大应用潜力使它自诞生以来就受到世界各国科技工作者和军界的高度重视，并取得很大成功。近年来又大力推向民用领域，许多国家也都在努力发展自适应光学在天文和其他方面的应用。

　　 §1 动态扰动对光学成像的影响

　　从点源发出的电磁波，以球面波的形式向前传播，具有相同相位的点组成的波阵面(波前)是以点源为中心的球面。从无限远点光源来的平行光，其波前是平面。球面波或平面波聚焦后产生的像，受接收孔径衍射的影响产生衍射光斑。

 

图4—1是口径为0的圆形孔径对波长为A的平行人射光产生的衍射光斑，它由一个中心亮斑和一组较弱的同心圆环组成。中心亮斑的角半径是1．22),／D。因此一个理想的通过电磁波获取信息的系统，其衍射极限角分辨力是1．22,~／D，即波长越短，口径越大，分辨能力越高。

　　 光学系统本身的误差和光波传输介质的

 

任何扰动都可以使波前偏离球面或平面，即产生波前畸变。成像分辨力对波前畸变是十分敏感的，几分之一波长的波前畸变就足以使像点弥散，成像质量下降。为了保证成像质量，传统光学技术从设计、材料、加工、装调各方面采取种种措施来减小波前误差，并3求在使用过程中保持不变。因而光学技术也就成为现代加工技术中精度最高的技术之一，常常要达到十分之一波长甚至更高，即达到几十纳米的量级。尽管如此，光学系统在使用中常常受到环境的干扰而不能保持其原有性能。动态干扰使光波波前产生动态畸变，造成点光源所成的像扩展成为不断晃动和闪烁的模糊斑，因而使目标的形态细节分辨不清，定位精度下降，对目标的探测能力也因光能的弥散而下降。传统光学技术是靠提高光学系统的静态精度来保证成像质量的，它对动态干扰完全无能为力。图4-2是受大气湍流影响的成像光斑图。

 

　　给光学望远镜带来动态干扰的因素主要有：光学系统内部温度变化而导致的热变形、不同观测方向下系统部件与重力的相对方向发生变化而导致的重力变形以及大气湍流造成的光波波前动态随机扰动，此外还有望远镜的机械振动和跟踪抖动等。

　　使用环境的温度不断变化，光学系统内部温度分布也随之变化，使得系统各部件发生热变形。由于温度是随时间而变化的，因此系统所发生的热变形也不是固定的，不可能通过加工或者其他静态措施予以校正。系统在使用时，目标的方位变化不可避免地要使系统随之运动，从而使系统与重力的相对方向发生变化。大型光学望远镜的重量都很大，重力的相对方向发生变化所导致的系统部件重力变形不可忽略。这种变形同样随时间而变，因此也不是传统的光学技术所能克服的。以—亡两种变形的特点都是变化比较缓慢，其变化频率通常在几个赫兹以下。望远镜在工作时还受风力、振动和跟踪误差的影响而使光轴产生抖动，从波前来说，这种抖动可表述为到达望远镜波前的整体倾斜，造成像斑因抖动而模糊。

　　对光学系统影响最大的是大气湍流造成的光波波前的随机动态畸变。夏日的阳光下沿着沥青马路观看远处的景物，可以看到景物在抖动而模糊不清，这就是大气湍流的影响。即使在十分宁静的夜晚，我们周围的大气也不平静。它的温度、压力、密度以及湿度都时时处处发生着随机的变化。它包含了大量不规则的大尺度结构，这些大尺度结构时时碎裂为更多的同样也不规则的小尺度结构，而这些不规则的小尺度结构又时时碎裂为尺度更小的不规则结构。如此碎裂不已，直到这些不规则结构的动能最终耗散为热。新的大尺度不规则结构不断产生，因而大气中始终存在着不断变化的不同尺度的不规则结构，这就是大气湍流。由于大气湍流造成了空气折射率的不均匀性，空间目标发出的光波穿过大气层到达地球表面时，波前的振幅和相位都受到了很严重的随机扰动，因而使望远镜的成像质量严重恶化。

　　大气湍流对传输光束质量的影响得到了广泛深入的研究，通常用三个主要参数：相干长度ro，时间常数To和等晕角g。来描述..