基于1.2m望遠鏡自適應光學系統激光信標轉盤式機械快門的研究*

周 鈺，熊耀恒，何少輝

(中國科學院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011)

自適應光學技術通過實時探測并校正動態波前誤差，克服了大氣擾動的影響，使得光學望遠鏡恢復了其理想的分辨率(即衍射極限)。然而，隨著自適應光學的發展，信標問題變得尤為突出，它嚴重限制了使用自然導星的自適應光學望遠鏡在可見光波段的天空覆蓋率。為了解決信標問題，Foy和Labeyrie提出了激光導引星(LGS)的概念，同時也稱為人造信標。目前激光導引星有兩類，一類是發射589 nm激光聚焦在80～90 km高度的高空鈉層產生的后向共振散射信標，稱為鈉導星，另一類是10～20 km高度的平流層大氣分子對信標激光的瑞利散射，稱為瑞利導星[1]。

近年來，國內外研究工作者在激光信標理論和技術方面都開展了各項研究。理論方面主要針對非等暈性誤差進行研究，包括聚焦非等暈性誤差、傾斜角度非等暈性誤差等問題[2-4]。然而，在工程實現方面則相對比較復雜，自適應光學系統采用不同的布局方法會出現相應不同系列的問題。采用激光信標后，通常有同軸和離軸兩種工作方式。根據云南天文臺1.2 m望遠鏡筒軸兩側設備配備的情況，比較適合采用共孔徑發射信標激光方式。但是，激光信標的共孔徑發射接收光路中存在著一個嚴重的問題，即當發射高功率激光脈沖時的雜散光和近程高度附近的后向散射光都會使得自適應光學系統中的波前探測器產生信號飽和，從而接收不到信標回波的有用信號。盡管采用了時間選通技術來抑制噪聲，但是暴露在外的光敏面還會受到影響，情況嚴重時還會造成探測器損壞或者縮短其壽命，因此如何解決雜散光的影響是共光路系統必須解決的關鍵問題。作者參考其它一些機械快門資料[5]設計了一種適合于激光信標發射接收共光路使用的新型轉盤式機械快門裝置，把機械快門裝置放置在波前探測器前面，從而起到徹底保護作用。

1 設計原理

由于所設計的轉盤式機械快門是針對基于適合激光信標的裝置，而信標技術波前探測采樣頻率應滿足上千赫茲，因此機械快門首先必須具備高重復頻率這一特點。其次，機械快門裝置的開關門時序需要與脈沖激光器的發射時序、探測器探測時間進行時序同步。

1.1 采樣厚度

激光信標的原理是從地基發射一束激光，聚焦在高度為z處，經過一定△t2的時間延時后，波前探測器開門，用時間選通的方法選出高度z附近的一段光束作為激光信標，接收返回的后向散射信號，經過延時△t2后(時間延時大小與采樣厚度△z有關)探測器關門。因此，為了提高波前探測精度和估計機械快門開關的時間，首先應考慮信標的采樣厚度。信標采樣厚度公式如下[6]：

(1)

(2)

式中Dp為發射系統的直徑；z為信標高度；r0為大氣相干長度；M是表征激光束質量的質量因子。

根據分子散射定律，適合瑞利散射導引星的波長應該較短。因此，選擇當信標高度為15 km，激光波長分別為308 nm、353 nm、354.7 nm、510.6 nm、532 nm，激光束質量M=2、4、6，r0為11 cm情況下，計算出采樣的信標厚度一般在1.5～2.8 km。

1.2 設計原理圖

新型轉盤式機械快門裝置總體安裝還是采用1.2 m激光測距單片旋轉式圓盤快門安裝方法。由于激光信標在大氣中聚焦的高度變化動態非常小，它不同于激光測距時所探測的空間軌道目標的高度變化范圍非常大，因此在一定程度上減小了設計的復雜性。新設計的轉盤式機械快門是采用兩片圓盤進行組合，其目的是通過對兩圓盤的相對角度進行前后調整，最后可將光電二極管和激光發射控制系統的電路延遲抵消。

圖1 轉盤快門示意圖

圖1為轉盤快門示意圖，Ⅰ為旋轉快門圓盤，Ⅱ為光電檢測圓盤。如圖所示，所設計的轉盤式機械快門是采用兩個半徑大小不同的Ⅰ圓盤和Ⅱ圓盤組合進行同軸安裝，兩個圓盤相互旋轉調整后進行固定并一同旋轉。圖中Ⅰ所示，快門結構中A為方凹槽，用于起始對稱定位；B和D為擋光齒，用于保護探測器免受雜散光的損害；C為圓弧長孔；E為凹槽，用于探測器開門接收回波。Ⅱ盤的F孔主要有兩個功能，第一，它和I盤的B齒具有相對角度位置，起到定位作用；第二，它為光電二極對管提供檢測作用。F孔數與Ⅰ中的D齒數是相同的，孔徑大小與所選光電二極管的外形有關。考慮到環境雜散可見光對光電二極管的干擾，采用紅外主動式光電二極對管，并安裝在組合盤的兩側，其安裝位置在離軸心為R的圓周上(圖中1，2，3，4所示位置上)。但是為了安裝的簡便以及有統一的水平標高，最好安裝在1和3的位置上。

1.3 工作原理

開啟直流高速電機專用控制器，電機加速旋轉，最后平穩在設置的轉速時將光電二極對管檢測電路接通，對Ⅱ盤中的F孔進行檢測，適當調節Ⅰ盤和Ⅱ盤的相互角度，將光電二極管和激光發射控制系統的電路延遲抵消。當檢測到光電信號后，通過電路的放大、整形和推動送給激光控制電源控制激光發射，此時探測器剛好被I盤中的D齒遮擋住，經過△t1時間后機械開門，光束入射到圓盤上的凹槽E，光通過進入波前探測器曝光，△t2時間采樣工作后快門關門。在下一個機械快門同步基準信號到來時，輸出新的脈沖激光。

根據設計要求，必須在快門完全處于關斷狀態時發射激光，經過一段時延后，快門完全打開。因此，如圖1，設計擋光區的扇形夾角為φ1，通光區的扇形夾角為φ2。

轉盤的參數計算公式為：快門重復頻率f=N×ω；快門周期T的大小T=1/f；完全開門時間大小△t2=φ2/2(πω)。

結合前面計算瑞利導星的采樣厚度，設計一個重復頻率約為1 000 Hz的轉盤式機械快門裝置，開門時間為10 μs(采樣高度為15 km，采樣厚度3 km)。當設置電機轉速為62.5轉/秒時，快門周期T為1 000 μs，則確定的轉盤開孔數N≈16。

2 時序控制

所設計的裝置是適用于高重復頻率的轉盤式機械快門，因此需要對同步時序進行控制。機械快門開關門時序須要與脈沖激光器的發射時序、波前探測器曝光時間時序同步。同步控制系統的原理如圖2。

圖2 同步控制系統原理圖

圖3 同步時序控制圖

用機械快門同步基準信號觸發激光器發射脈沖激光束，主波信號被PIN探測到，信號經過放大整形后形成觸發脈沖，產生一個TTL邏輯脈沖電信號觸發DG535延時器。通過調整輸出的門信號的延遲時間，保證波前探測器開門接收一定高度返回的后向散射信號，并通過脈寬發生器對延遲信號進行調整以設定探測器關門時間。

圖3為機械快門的開關與脈沖激光發射，信號接收同步時序圖。用機械快門同步基準周期信號的上升沿為基準觸發脈沖激光，在時間間隔△t1內機械開關關門，圓盤齒對波前探測器進行擋光(擋光區的扇形夾角為φ1)，△t1時間后機械開關開門，在機械開光的開門周期內接收信號(通光區的扇形夾角為φ2)。此時經過時間延時器的設定在機械開門周期內使波前探測器開門，進一步控制探測器的曝光時間。重復以上步驟，使得機械快門、脈沖激光器和波前探測器進行同步連續工作。

3 結 論

所設計的轉盤式機械快門中的圓盤是通過螺母固定的，其圓盤上的開孔數和開槽數也可以通過轉盤快門工作時所需的重復頻率和電機的轉速簡單的反推出得到，因此可以很便捷地設計以及更換適應不同導星的旋轉圓盤，為不同類型的激光信標收發共光路實現起到了重要作用。本文只是在理論上對設備進行分析設計，希望以后能夠在系統上配置設備獲得詳細數據進一步驗證其可行性。

[1] 周仁忠，閻吉祥.自適應光學原理[M].北京：北京理工大學，1996.

[2] 沈鋒，姜文漢.激光導引星大氣湍流波前非等暈性誤差的像差模式分解[J].光學學報，2003，23(3):348-355.

Shen Feng,Jiang Wenhan.Modal Decomposition of Anisoplanatic Error of Atmospheric Turbulence for a Laser Guide Star[J].Acta Optica Sinica,2003,23(3):348-355.

[3] 周鈺，熊耀恒.1.2m望遠鏡自適應光學系統中激光導引星聚焦非等暈性[J].強激光與粒子束，2008,20(4):529-532.

Zhou Yu,Xiong Yaoheng.Focus Anisoplanatism for 1.2 m Telescope Laser Guide Stars in Adaptive Optics System[J].High Power Laser and Particle Beams,2008,20(4):529-532.

[4] Fried D J,Belsner J F.Analysis of Fundamental Limits to Artifical-guide-star Adaptive-optics-system Performance for Astronomical Imaging[J].J Opt Soc Am A,1994,11(1):277-287.

[5] 李新陽，王春鴻，鮮浩，等.一種轉盤式機械快門同步時序控制方法及其應用：中國，03149543.5[P].2005-01-26.

[6] 宋正方，范承玉，魏合理.瑞利信標自適應光學系統的波長選擇與信標亮度[J].強激光技術進展，1996(6):23-28.