天文台址大气光学湍流探测技术.doc

天文台址大气光学湍流探测技术 第28卷第4期 2010年l2月 天文学进展 PROGRESSINASTRONOMY Vlo1.28. Dec. No.4 2010 文章编号:1000—8349(2010)04—391—13 天文台址大气光学湍流探测技术 刘立勇1,2,3,姚永强,2 f1.中国科学院国家天文台,北京100012;2.中国科学院光学天文重点实验室,北京100012;3 中国科学院研究生院,北京100039) 摘要:综述了大气光学湍流探测技术的必威体育精装版进展,对近年来光学湍流探测设备进行简要总结.通 过对光学湍流特征参数的介绍,分析了大气光学湍流探测在天文观测中日趋重要的作用.重点介绍 了微温脉动仪,DIMM,MASS,SCIDAR等技术的原理与观测.总结国内大气光学湍流探测 技术的现状,展望其在天文领域应用的未来发展趋势. 关键词:天文选址;视宁度;光学湍流廓线 中图分类号:Plll文献标识码:A 1引言 星光到达望远镜观测设备之前首先要经过地球大气层,大气湍流效应会严重影响光学成 像系统的观测质量[1-4].人们通常把大气温度或大气密度随机起伏而引发的折射率场的湍动 称为大气光学湍流[5-7】.大气光学湍流是具有不规则结构的多尺度非线性系统[8--10],大气 折射率结构常数是重要的大气光学特性参数. 大气湍流活动是天文学家和大气物理学家共同关注的研究课题,但天文学家更关心湍 流大气对天文观测的实际影响[11,12】.天文选址对于任何规模的地面望远镜建设和运行来 说,都是其前期至关重要的基础性工作,对大型观测设备尤为重要.下一代天文观测设备 日益大型化,复杂化,投资规模庞大,须安置在具有观测优势的台址上才能充分发挥其作 用,获得最大的科学产出.大气光学湍流对天文观测的影响程度已经成为地基天文观测选 址的首要考核指标[13--17】. 现代天文选址要求对候选台址上空的大气湍流及其运动特征,尤其是大气光学湍流分层 特性,进行更加细致精确的研究,以发展自适应光学技术和干涉技术.例如,TMT望远镜自 收稿日期:2010—04—01;修回日期:2010—04.19 基金项目;国家自然科学基金资助项目10778709);中国科学院国家天文台青年人才基金资助项目 392天文学进展28卷 适应光学系统设计,要求从地面到30km高度的大气光学湍流廓线观测资料,空间分辨率要 达到500Ill,时间分辨率要达到几秒.大气光学湍流探测技术的发展将不仅为天文台址的选 择提供参考依据,而且还可为自适应光学系统的设计,大气光通讯技术等光学工程应用提供 支持,也为大气湍流理论研究提供宝贵的基础数据. 在早期的天文选址和台址评价中,局限于当时观测设备的水平,大气光学湍流的影响没 有得到足够的理解;光学湍流的探测手段较简单,以表征大气整层积分湍流强度的相干长度 (视宁度)的测量为主.在观测方法上,也有较大局限陛,如目视观测法,目视望远镜衍射环法 等都存在人为误差,即使是非常有经验的专业人员观测,其观测结果也只能作为定性评价. 随着望远镜及其后端技术的发展,特别是自适应光学技术在天文观测中的进一步应用,大气 光学湍流特性越来越受天文界的重视[11,18].大气相干长度仅仅表征整层大气的湍流活动强 度,单一的相干长度测量已经不能满足大型望远镜建设台址评价的要求,大气光学湍流分层 结构,等晕角,相干时间,外尺度等已成为大型光学望远镜建设台址评价的必需参量.近20 年,各种新型的光学湍流探测技术逐步得到发展并应用于天文选址和已有台址的评价中. 2大气光学湍流特性 影响天文观测的大气光学湍流主要分布在地面以上30km以内,一般分为三部分:近地 面层湍流,边界层湍流,自由大气湍流[19.近地面湍流发生在从地面到离地面几百米高度范 围,这部分的湍流活动受到地形,植被及建筑物布局的严重影响;边界层湍流一般发生在几百 米到1km的对流层的低空范围;自由大气层湍流一般在1km以上,在对流层顶的湍流活动 较强,而基本上不受地面状况的影响.大气光学湍流破坏了光波的相干性,相位和振幅的改变 都会严重影响光的传播和光学成像的质量.表征大气光学湍流的参数很多,与天文观测相关 的主要有大气相干长度,厂0,大气相干时间To,等晕角.和外尺度o等. 2.1大气折射率结构常数((h) 大气折射率起伏会导致光传播在波前上的振幅和相位产生随机起伏.大气折射率结构常 数()是描述大气折射率起伏强度的指标,一般称作大气光学湍流活动强度[2o1.大气折 射率与大气温度,湿度,气压有关,()会随高度和时间发生变化,可以通过测量气象参数 或大气闪烁序列来对其统计特性进行研究. 大气折射率结构常数是最详细的大气湍流强度分布的物理量,直接提供湍流大气中的湍 流分层信息,为自适应光学提供必