用Hartmann-Shack波前传感器测量大气湍流特征

　　引言

　　大型地基天文望远镜在透过大气观察星体时，其象质会因大气的扰动而严重下降，并依赖于扰动的状况。自适应光学为解决这一问题提供了可能。但是，自适应光学的校正效果也是依赖于大气的扰动状况。所以，测量大气湍流特征规律对于评价天文望远镜的选址和自适应光学实验二者来说都是很重要的。在自适应光学系统中，波前传感器测量到动态波前误差，而且提供了波前的时间和空间信息。所以，当系统处于开环状态时，自适应光学波前传感器不失为一种测量扰动的很好的工具。H盯tmann一Shaok波前传感器测量到不同子孔径的波前斜率(象移差)，同时测量到各个子孔径的斜率起伏和不同子孔径之间的象移差。这些数据为分析扰动特征提供了一个很好的基础。

　　1原理

　　在H一S波前传感器中，子孔径之间有许多不同的间距和不同的方向。它可以很方便地得到扰动的时间和空间结构，以计算象移差的方差。在这一方法的实现中，其限制因素是需要采集和处理的哈特曼光斑数据量相当巨大。少量的子孔径数据只能得到扰动的时间结构，但可以减少对数据采集和处理量的需求。

　　2实验

　　我们作了一个紧凑的Hartmann一Shack波前传感器。它由两组九条具有不同楔角的棱镜，一个会聚透镜和一个CCD相机组成。这两组棱镜处于正交方向，构成了H一S波前传感器的9xg的子孔径阵列。透镜的有效口径是75mm.焦距为412.smm，CCD象素大小为11.7x7.7m，通过计算机对CCD的视频信号进行采集和处理。靠此实验装置，我们作了测量湍流特征的两个实验。

　　2.1水平光路的湍流测量

　　H一S波前传感器用于测量水平光路的大气湍流。在一个屋顶上放置一个He一Ne激光器作为光源，在另一个屋顶放置一个望远镜作为接收器(图1)。光路距地面高度约15m，光程约34om。激光通过望远镜l后聚焦，透过透镜2准直和靠H一S传感器3接收，H一S波前传感器的视频信号输出后由计算机4进行处理。

　　连续采集了1000帧约360秒的哈特曼光点，计算了光点质心的象移差。在本实验中，所有子孔径的二维象移差的方差是护一3.602弧秒。在光瞳入口，子孔径的大小是20.smm。由(l)式可以算出r=45.smm。不同间距的子孔径之间的象移差的方差也计算出来了，如图2所示，(5)式和(6)式的理论曲线也同时如图所示。可见，理论曲线与实测结果吻合得是相当好的.

　　2.2湍流池测里

　　在中国科学院安徽光机所建了一个湍流模拟池以用于大气光学的研究实验。模拟池内充满了水，在池子底部加热，就可以产生一个可控制的湍流。用H一S传感器测量湍流特征(图3)。一束激光1通过透镜2和3准直，穿过湍流池4，由H一S传感器5接收，数据由计算机6处理。通过这些数据可以分析功率谱强度。图4显示了一次实验结果，在这次实验中场-5.smm。由于扰动媒介是水，其运动是由热交换导致的，所以扰动的频率带宽很低。很显然在高频段，其功率谱与频率的关系是-3/8次方的关系。