Способ аттестации телескопа

 

Использование: в астрономии, в частности в способах аттестации телескопа в атмосферных условиях. Сущность изобретения: световое излучение принимают, коллимируя его, разделяют на два пучка равной интенсивности и сдвигают друг относительно друга на величину, меньшую величины пространственного радиуса корреляции атмосферных флюктуаций. Затем суммируют сдвинутые пучки, дискретизируют и детектируют в каждой области дискретизации, интегрируют результаты детектирования в двух взаимоортогональных направлениях и восстанавливают карту аберрационных искажений телескопа. 1 ил.

Изобретение относится к астрономии, причем предпочтительным является использование его для аттестации телескопа в атмосферных условиях его эксплуатации.

Известен способ аттестации телескопа, основанный на формировании изображения точечного источника и последующей оценки разрешающей способности телескопа по функции размытия изображения точек. Этот способ был предложен В. И.Проником и А.Г.Щербаковым и описан в (1).

Недостаток этого способа аттестации телескопа заключается в том, что он применим только в цеховых условиях при изготовлении телескопа и, во-вторых, он не позволяет восстановить карту аберрационных искажений телескопа.

Известно также, что основным способом аттестации телескопа является метод Гартманна, предложенный и описанный им в работе (2). Этот метод основан на дискретизации светового излучения, прошедшего через аттестуемый телескоп, квадратичном детектировании излучения, фокусируемого в каждой области, и восстановлении карты аберрационных искажений телескопа по результатам детектирования в каждой области дискретизации.

Недостаток этого способа заключается в том, что при квадратичном детектировании светового излучения в каждой области дискретизации за время меньше интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций τ_A=(0,2÷0,001) сек восстанавливается суммарная карта аберрационных искажений телескопа и атмосферы, то есть этот метод применим для аттестации телескопа только в цеховых условиях при его изготовлении, когда искажения светового излучения в турбулентной атмосфере практически отсутствуют.

В действительности чрезвычайно актуальной является аттестация телескопа в условиях его эксплуатации. Во первых, это позволяет принять решение о необходимости демонтажа зеркала телескопа и его покрытий и, во-вторых, что особенно важно, позволяет выявить карту аберрационных искажений телескопа, и скомпенсировать эти искажения при последующей обработке изображения.

Для устранения аберраций атмосферы и восстановления карты аберрационных искажений телескопа в атмосферных условиях его эксплуатации был предложен способ аттестации телескопа, являющийся модификацией метода Гартманна (3). Этот метод в отличие от метода Гартманна основан на том, что осуществляют квадратичное детектирование принимаемого светового излучения, прошедшего через аттестуемый телескоп в каждый области дискретизации за время большее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций. При этом происходит усреднение атмосферных фазовых флуктуаций, но вместе с тем снижается и точность аттестации телескопа по сравнению с аттестацией его в цеховых условиях методом Гартманна. Снижение точности обусловлено тем, что при усреднении атмосферных флуктуаций теряется вся высокочастотная информация в восстанавливаемой карте аберрационных искажений телескопа для пространственных частот f больших величин , где r₀ пространственный радиус корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения (r₀≈10 см), средняя длина волны принимаемого светового излучения, и F фокусное расстояние аттестуемого телескопа. простанственно-частотный вектор в плоскости приемной апертуры аттестуемого телескопа изменяется от 0 до D/2, где D- диаметр апертуры телескопа.

Данный способ по изобретению лишен указанного недостатка.

Цель способа заключается в повышении точности аттестации телескопа в атмосферных условиях его эксплуатации. Поставленная цель достигается тем, что в способе аттестации телескопа, основанном на дискретизации оптического излучения, прошедшего через аттестуемый телескоп, квадратичном детектировании этого оптического излучения в каждой области дискретизации и интегрировании результатов детектирования за время большее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций, перед дискретизацией оптическое излучение коллимируют, спектрально фильтруют, разделяют на два пучка равной интенсивности, пространственно сдвигают пучки в двух взаимно-ортогональных направлениях на величину, меньшую пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций, суммируют сдвинутые пучки, и после дискретизации суммарного излучения на области, ограниченные пространственным радиусом корреляции атмосферных флуктуаций, кваддетектирования оптического излучения в каждой области дискретизации и интегрирования результатов детектирования в двух взаимноортогональных направлениях, восстанавливают карту аберрационных искажений телескопа путем сшивания результатов интегрирования в двух взаимоортогональных направлениях. На чертеже представлена возможная схема его реализации.

Здесь 1 точечный источник светового излучения (звезда), 2 турбулентная атмосфера, 3 аттестуемый телескоп, 4 коллимирующая линза, 5 интерференционный светофильтр, 6 полупрозрачное светоделительное зеркало; 7 плоские зеркала, 8 полупрозрачное суммирующее зеркало, 9 матричный квадратичный детектор, 10 делительное устройство,
11 устройство сшивания фазы.

Дадим краткое математическое обоснование способа и рассмотрим его реализацию по схеме, представленной на чертеже.

Световое излучение от точечного широкополосного источника (звезды), прошедшее через турбулентную атмосферу и аттестуемый телескоп, можно представить в виде произведения трех сомножителей.

Здесь
E₀ комплексная амплитуда плоской волны от точечного источника.

функция атмосферного изменения параметров светового излучения от объекта E₀ определяемая

где
и , соответственно, функции атмосферных флуктуаций амплитуды и фазы светового излучения в атмосфере.

функция изменения параметров светового излучения в телескопе, определяемая

где
функция зрачка телескопа, а карта аберрационных искажений аттестуемого телескопа. Тогда с учетом (2) и (3) выражение (1) можно представить в виде

После прохождения светового излучения (4) через узкополосный светофильтр имеем

где
средняя длина волы излучения в полосе пропускания интерференционного светофильтра Dl. После пропускания интерференционного светофильтра Dl выбирается из условия когерентности принимаемого светового излучения.

где
σ_т среднеквадратичное отклонение неоднородностей поверхности телескопа от идеальной фокусирующей поверхности.

Задача аттестации телескопа заключается в выделении функции по принимаемому световому излучению (5).

Для достижения поставленной цели разделяют принимаемое световое излучение (5) на два пучка разной интенсивности и сдвигают эти пучки друг относительно друга на величину , меньшую (по крайней мере на порядок) величины пространственного радиуса коррекции атмосферных флуктуаций с учетом коллимаций

где с учетом коллимации

а
r₀ пространственный радиус корреляции атмосферных флуктуаций на приемной апертуре телескопа, f фокусное расстояние коллимирующей линзы.

В результате указанного сдвига имеет

где
kΔρ разница в оптической длине световых путей пучка (10) относительно пучка (9),
Заметим, что практически удобно оценивать сдвиг пучков в двух взаимно-ортогональных направления по U и V где
Суммируя сдвинутые пучки, получим

Далее суммарное поле (II) дискретизируют и квадратично детектируют матричным приемником, у которого расстояние между центрами соседних элементов матрицы и их размеры вибрируются равными
Тогда электрический сигнал на выходе К-го элемента матрицы можно записать

Осуществляя квадратичное детектирование за время, более интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций T ≫ τ_A, и усредняя при этом атмосферные флуктуации, имеем:

Здесь

где ,,
где
структурная функция атмосферных фазовых флуктуаций, определяемая

Учитывая, что величина сдвига Δρ выбрана таким образом, что выполняется условие (7), то нетрудно убедиться, что

Таким образом введение преддетекторного сдвига позволяет усреднить атмосферные эффекты в отличие от прототипа так, что это усреднение практически не влияет на точность измерения величины . При этом точность измерения будет тем выше, чем меньше величина упомянутого сдвига.

В результате усреднения выражения (13) можно написать в виде

При выборе величины пространственного сдвига, удовлетворяющего (7), из дополнительного условия

где
n целое число, получаем

Учитывая далее, что для малого аргумента sinα ≈ α, после соответствующей нормировки окончательно получаем, что сигнал на выходе К-го канала дискретизации пропорционален разности фаз.

,
где
Сшивая далее полученные разности для всех каналов дискретизации восстанавливаем карту оберрационных искажений аттестуемого телескопа.

Положительный эффект от использования способа заключается в повышении точности аттестации телескопа в атмосферных условиях его эксплуатации. При этом точность восстановления карты аберрационных искажений телескопа тем выше, чем меньше величина сдвига и соответствующего ему элемента дискретизации.

Предварительные испытания с применением фотоматриц на приборах с зарядовой связью (ПЗС) позволили выявить предлагаемым способом неоднородности поверхности зеркал телескопа в пределах размеров элементов фотоматриц, площадь фотовхода которых ограничена квадратом со стороной 80х80 мкм, а зазоры между элементами 20 мкм. Таким образом, неоднородности зеркал телескопа, выявлены предлагаемым способом лежат в пределах 100 мкм, в то время, как известным способом выявляются неоднородности от 2 до 10 см.

Формула изобретения

Способ аттестации телескопа, включающий дискретизацию на области порядка радиуса корреляции атмосферных флюктуаций прошедшего через аттестуемый телескоп отфильтрованного излучения, квадратичное детектирование излучения в каждой области дискретизации и математическую обработку результатов детектирования за время, большее интервала временной корреляции атмосферных флюктуаций, отличающийся тем, что перед дискретизацией оптическое излучение коллимируют, разделяют на два пучка равной интенсивности, пространственно сдвигая их в двух взаимно ортогональных направлениях на величину, на один или несколько порядков меньшую пространственного радиуса корреляции атмосферных флюктуаций, затем их суммируют, а детектирование осуществляют матричным квадратичным детектором с периодом детекторов, равным величине сдвига пучков в схеме разделения, после чего восстанавливают карту аберрационных искажений телескопа путем интегрирования результатов детектирования в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

РИСУНКИ

Рисунок 1