1. Научная деятельность
  2. Гранты РНФ
  3. Гранты РНФ
  4. Адаптивная оптика для 6-ти метрового телескопа САО РАН

Адаптивная оптика для 6-ти метрового телескопа САО РАН

Конкурс РНФ 2020 года:
«Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Проект № 20-19-00597
«Адаптивная оптика для 6-ти метрового телескопа САО РАН»
Сроки выполнения проекта 2020-2022
+
2023-2024
Отрасль знаний Инженерные науки
Руководитель проекта к.ф.-м.н. Шелдакова Юлия Вячеславовна
Название организации Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер Российской академии наук
Объем финансирования 18 млн. рублей   
+
14 млн. рублей

Аннотация

   Проект направлен на решение проблемы повышения эффективности крупнейшего в Евразии 6-метрового астрономического телескопа наземного базирования (БТА CAO РАН), работающего, (как и другие телескопы РФ), в условиях сильной атмосферной турбулентности и аэрозольного рассеяния. Невысокая эффективность данного телескопа обусловлена его расположением и, как следствие, сильным влиянием атмосферных структурных неоднородностей — турбулентности, рефракции, аэрозольных частиц. Именно случайные неоднородности показателя преломления приводят к существенному снижению угловой разрешающей способности телескопа и к уменьшению светового потока на элемент разрешения. Это, в свою очередь, понижает возможности наблюдений точечных астрономических объектов (звёзды, квазары), как при фотометрических, так и спектроскопических исследованиях. Проблема повышения эффективности БТА решается путем разработки эффективной спектральной аппаратуры, с применением перспективных оптических схем, снижением потерь на оптических поверхностях, повышением квантовой эффективности приемников излучения. Однако БТА остается единственным телескопом большого диаметра, где не используются методы кардинального повышения эффективности телескопов - методы активной и адаптивной оптики. Один из способов решения обозначенной проблемы — использование адаптивных оптических элементов, способных компенсировать искажения оптического излучения в турбулентной среде. В то же время, внедрение адаптивных оптических систем в крупные астрономические телескопы является достаточно сложной научно-технологической задачей и требует индивидуального подхода. Для корректного выбора элементов и методов компенсации фазовых флуктуаций, вызванных атмосферной турбулентностью необходимо: 1) провести фундаментальные исследования вариаций изменчивости различных параметров астроклимата (суточных и сезонных); 2) разработать индивидуальные методы измерения фазы в условиях малого значения соотношения сигнал-шум. Последняя задача особенно актуальна при разработке датчиков волнового фронта в телескопах, работающих без искусственной опорной звезды.

при поддержке RNF.png


   Целью проекта является решение актуальной научно-технической задачи, связанной с применением методов и систем адаптивной оптики в схеме 6-метрового телескопа Специальной астрофизической обсерватории РАН, для повышения его разрешающей способности в условиях турбулентной и рассеивающей атмосферы. Впервые будет поставлена и, что самое главное, решена задача компенсации фазовых флуктуаций в широкоапертурных (6 и более метров) наземных телескопах, расположенных в достаточно неблагоприятных астроклиматических условиях.

   Одной из ключевых особенностей разрабатываемой адаптивной системы для телескопа БТА САО РАН будет использование четырёх контуров коррекции современными (в том числе и предельно быстродействующими) деформируемыми зеркалами и принципиально нового алгоритма работы адаптивного контура, а также программируемых спецвычислителей на базе ПЛИС-технологии. Первый контур будет включать компенсацию квазистатических аберраций основного зеркала телескопа, в том числе и при его смещении внутри самого купола. Второй контур будет предназначен для коррекции общих наклонов излучения, приходящего от опорной звезды - достаточно медленная система стабилизации светового пучка. А два остальных контура будут включать в себя компенсацию крупно- и мелкомасштабных аберраций. Важной, но пока до конца нерешенной проблемой остаётся необходимость получения информации об остаточных фазовых флуктуациях для каждого контура коррекции. Для разработки алгоритмов управления адаптивной системой будет использоваться локальная модель турбулентной атмосферы. Такая модель будет получена в результате проведения исследований с использованием измерений текущего состояния уровня турбулентности атмосферы вблизи самого телескопа. При распространении излучения на протяжённой трассе с сильной турбулентностью частота изменения фазовых флуктуаций может превышать 200 Гц. Для коррекции таких искажений необходима адаптивная система, работающая с частотой более 2000 Гц. Используемый в большинстве современных адаптивных систем датчик Шака-Гартмана способен обеспечить скорость обработки данных в несколько килогерц даже в случае большого количества субапертур линзового растра (порядка 400). Однако, с повышением частоты получения изображений уменьшается время экспозиции, а, соответственно, и количество световой энергии, попадающей на датчик волнового фронта. Это приводит к необходимости применения сверхчувствительных охлаждаемых камер, работа с которыми имеет свои особенности. Поэтому применение датчика Шака-Гартмана и алгоритма фазового сопряжения в подобной системе приводит к сложностями, а иногда принципиально невозможно, в том числе ввиду не единственности решения задачи аппроксимации волнового фронта методом наименьших квадратов. Также проблемой является не только разработка алгоритмов управления адаптивными зеркалами, но и самой электронной системы - современные компьютеры и их интерфейсы не позволяют осуществлять управление выходным каскадом усилителей с частотами более 700 - 800 Гц. Поэтому в проекте предлагается использование программируемых логических интегральных схем ПЛИС. Более того, будет разработана быстрая адаптивная оптическая система апертурного зондирования под управлением ПЛИС, состоящая из деформируемого зеркала на толкателях, блока управления зеркалом и скоростного приёмника оптического излучения с фазовым детектором. Для достижения требуемого быстродействия система будет использовать алгоритм апертурного зондирования с частотной модуляцией каналов адаптивного корректора. Проведённые нами предварительные оценки показали, что частота полного цикла коррекции такой адаптивной системы будет достигать 2500–3000 Гц, что позволит компенсировать флуктуации фазы излучения на телескопах наземного базирования в полосе частот до 250–300 Гц.

   По результатам лабораторных и натурных испытаний макета, будут доработаны схемы существующих спектрографов высокого разрешения БТА, а также разработаны предложения для развития систем сверхвысокого спектрального разрешения. .

    при поддержке RNF.png

   Достижение поставленной в предлагаемом проекте цели будет обеспечено благодаря комплексному подходу и согласованию экспериментальных и теоретических исследований. Исследование всех разрабатываемых элементов адаптивной оптической системы будет проведено на лабораторном макете с последующим испытанием в натурной схеме телескопа БТА.

при поддержке RNF.png

  • Шелдакова Юлия Вячеславовна
  • Самаркин Вадим Васильевич
  • Топоровский Владимир Владимирович
  •    2020 г.
       Выполнен обзор результатов, характеризующих проблему применения методов адаптивной оптики на БТА. Рассмотрены свойства комплекса БТА (телескоп + автоматическая система управления), как колебательной системы. Проанализирована информация об астроклиматических характеристиках места установки БТА и характеристиках собственно телескопа в башне. Оценена возможность систем АО для решения низкочастотных проблем оптики БТА (механические и температурные деформации главного зеркала, дрейф фокуса). Рассмотрены возможности применения средств АО в методах спектроскопии высокого разрешения, в первую очередь, на спектрографе НЭС БТА. Оценен выигрыш, обеспечиваемый АО, как в светосиле по потоку, так и по числу одновременно передаваемых элементов спектра. 

       Разработана модель распространения излучения в турбулентной среде, которая позволяет оценить возможную степень коррекции аберраций. Было рассмотрено возникновение в плоской волне точек с нулевой интенсивностью. Проведена зависимость результатов от количества узлов сетки. Для дополнения модели распространения излучения сквозь турбулентную среду было проведено численное исследование распространения лазерного излучения сквозь случайно-неоднородную среду. Исследованы спектральные характеристики атмосферной турбулентности, смоделированной в лаборатории.
       
       2021 г.
      Проведены лабораторные испытания системы стабилизации излучения на основе ПЛИС. Макет стабилизации положения светового пучка состоял из ПЛИС, двух зеркал с блоками управления, двух квадрантных фотодиодов и компьютера. Стабилизация положения пучка в пространстве осуществлялась с помощью двух зеркал, которые в зависимости от приложенного напряжения позволяли изменять свой наклон как по оси X, так и по оси Y. Наклоны зеркала обеспечивались помощью пьезокерамических пакетов емкостью 1 мкФ, которые конструктивно совмещены с юстировочными винтами. После отражения от зеркал, лазерный пучок разделялся на два пучка, положение каждой части фиксировалось с помощью квадратного фотодиода. Управление осуществлялось с помощью ПЛИС, в функции которой входило вычисление координат двух пучков и выработка напряжений для подачи на устройства коррекции. Блок управления корректирующим зеркалом представлял из себя усилитель постоянного тока, который обеспечивал усиление управляющего сигнала, выработанного ПЛИС, до величины, определяемой параметрами пьезопакета управляющего зеркала (в диапазоне от -30 до + 190 вольт).
    Модуль цифровой обработки на платформе ПЛИС, который оцифровывает напряжения с фотодиодов, выполняет алгоритмическую процедуру расчета кодов напряжений для корректирующего зеркала и делает цифроаналоговое преобразование для корректирующего зеркала.
    В процессе тестирования системы велась запись отклонений пучка от центра одного из квадрантных датчиков до коррекции и после коррекции. Эксперименты, проведенные на макете установки, показали, что применение системы стабилизации положения пучка в пространстве позволило уменьшить амплитуду рысканья пучка приблизительно на 15 дБ. Остаточная ошибка по угловой величине составила +/- 2 мкрад. Работающая система коррекции исправляет как постоянное смещение пучка, так и его динамическую составляющую.

       Разработан рассекатель звёздного изображения, формируемого адаптивной системой. Адаптивная система частично устраняет искажения изображения звезды, вызванные атмосферной турбулентностью. Однако происходящее при этом уменьшение угловых размеров турбулентного диска изображения звезды не всегда является достаточным для согласования ширины щели спектрографа с элементом разрешения приемника, регистрирующего спектр.
       Рассмотрены два типа рассекателей изображения звезды, оптимальных для работы с эшелле-спектрографом, оснащенным комплектом дифракционных решеток скрещенной дисперсии. Одна из конструкций испытана в наблюдениях. Используемые конструкции рассекателей в разы минимизируют потери света на входе согласованного спектрографа. Адаптивная оптика устанавливается до рассекателя изображения, что требует согласования схемы рассекателя и адаптивной системы.

       Проведены исследования, позволяющие получить информацию об искажениях на трассе распространения излучения из данных, характеризующих распределение оптических вихрей в плоскости наблюдения. Изучение особенностей распространения вихревого излучения было выполнено на основе методов численного эксперимента. Фазовая модуляция выполнялась в плоскости апертуры источника одним из полиномов Цернике или фазовым экраном, спектральная плотность флуктуаций показателя преломления, на котором задавалась спектром фон Кармана. Для регистрации использовались алгоритмы, подробное описание которых с оценками. Показано, что наличие вихрей в волновом фронте означает, что фаза излучения задается полиномами с номером выше, чем 5 (кома, трилистник и т.д.), а задание фазы такими полиномами, как наклон, фокусировка, астигматизм не приводит к появлению дислокаций в области с диаметром меньшим, чем 1,4 начального диаметра пучка.

       2022 г.
       Разработан контроллер блока управления адаптивным зеркалом биморфного или пьезоактюаторного типа на базе ПЛИС. Подобраны оптимальные ЦАП и АЦП. Разработан протокол обмена данными между ПЛИС и программным обеспечением верхнего уровня. Для тестирования блока и алгоритмов управления была разработана, изготовлена и исследована система коррекции волнового фронта лазерного излучения в реальном времени. Цифровой узел блока управления содержит следующие компоненты:

    • аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который снимает значения напряжений с датчика и передает дальше в цифровой тракт;
    • вычислительное ядро, реализующее алгоритмы обработки с выдачей рассчитанных напряжений на цифро-аналоговой преобразователь;
    • цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который с наименьшим откликом выставляет напряжения, рассчитанные в вычислительном ядре;
    • персональный компьютер, взаимодействующий с вычислительным ядром и обеспечивающий управление и инициализацию системы, а также сбор данных и их анализ.
       Оптимизация профиля деформируемого зеркала осуществляется путем подбора напряжений на его актюаторах на основе одного параметра, служащего показателем качества лазерного пучка. В качестве такого параметра может выступать, например, уровень сигнала в дальней зоне при ограничении апертуры фокального пятна диафрагмой, диаметр которой соответствует дифракционно-ограниченному размеру. Подбор напряжений осуществляется с помощью гибридного алгоритма: на первом этапе используется генетический алгоритм, позволяющий найти в качестве начального приближения устойчивое решение, а затем осуществляется переход к традиционному алгоритму «восхождения на холм». Исследования, проведенные с использованием быстродействующей системы подбора напряжений, показали ее эффективность при компенсации искажений волнового фронта, вызванных искусственно созданным турбулентным потоком воздуха от тепловентилятора.

    В результате решения задачи аппроксимации полиномами Цернике фазового экрана, заданного полиномами, установлено, что: 
    • При задании фазы 9 полиномами и включении в базис аппроксимации большего или равного числа полиномов, даже на сетках довольно небольшой размерности, достигается очень высокая точность. 
    • Точность воспроизведения фазы уменьшается при увеличении числа полиномов, формирующих экран. При этом совершенно неудовлетворительные результаты наблюдаются при использовании сеток малой размерности. 
    • Точность может быть увеличена за счет увеличения размерности сетки, но даже в этом случае отличие вычисленного фазового профиля от заданного составляет не менее 22%. 
    • Также рассмотренный метод показывает неудовлетворительные результаты если число полиномов в базисе аппроксимации меньше, чем в сформированном экране. 

      Аппроксимация фазового экрана, вносящего в волновой фронт турбулентные искажения умеренной интенсивности, показала, что вычисленное распределение фазы визуально похоже на заданное, ошибки аппроксимации зависят от радиуса Фрида и изменяются в пределах от 21% до 24%. Более значительными являются отклонения амплитудного распределения пучка с заданной фазой от пучка с вычисленной фазой. Они также зависят от радиуса Фрида и изменяются в более широком диапазоне – от 30% до 68%. 

      Особые точки волнового фронта появляются при задании фазы экраном, моделирующим турбулентность. При этом число оптических вихрей зависит от интенсивности турбулентных искажений, внутреннего масштаба турбулентности, размеров области регистрации и пройденного пучком расстояния. Полученные результаты позволяют сделать предположение о том, что анализ статистики дислокаций позволит определить такие характеристики атмосферы, как внутренний масштаб или радиус Фрида.

      Для тестирования макета системы адаптивной оптики было последовательно построено три контура: контур, отвечающий за стабилизацию положения лазерного излучения, контур для компенсации крупномасштабных аберраций, включающий биморфное деформируемое зеркало, и контур для компенсации мелкомасштабных аберраций, включающий деформируемое зеркало на толкателях. Эффективность работы системы была протестирована с использованием тепловентилятора. Анализ спектральной энергии аберраций волнового фронта, разложенного по полиномам Цернике, показывает более чем десятикратное улучшение при проведении коррекции.

       2023 г.
       Выполнено моделирование оптической схемы, которая полностью соответствует предложенной в проекте оптической схеме. Оценено влияние внутреннего масштаба турбулентности на качество компенсации искажений световых пучков. Минимизирована линия задержки цифрового тракта в системе коррекции волнового, для этого микропроцессор, использующийся для преобразования цифрового кода в аналоговый уровень напряжения на электродах деформируемого зеркала, был заменён на ПЛИС.  Проведены энергетические расчёты и определены параметры дихроичных оптических элементов. Разработана принципиальная схема адаптивной оптической системы в предщелевой части платформы Нэсмит-2 БТА с учетом габаритных ограничений и параметров оптической схемы БТА. Проведены оптические расчёты параметров элементов, необходимых для встраивания адаптивной системы в схему телескопа.

    Публикации:

    1. А.В.Кудряшов, А.Л.Рукосуев, А.Н.Никитин, И.В.Галактионов, Ю.В.Шелдакова Real-time 1.5 kHz adaptive optical system to correct for atmospheric turbulence Optics Express, Vol. 28, Issue 25, pp. 37546-37552, 2020 https://doi.org/10.1364/OE.409201

    2. И.Галактионов, Ю.Шелдакова, А.Никитин, В.Самаркин, В.Парфёнов, А.Кудряшов Laser beam focusing through a moderately scattering medium using a bimorph mirror Optics Express, Vol.28, No.25/7, pp.38061-38075, 2020. https://doi.org/10.1364/OE.408899

    3. Клочкова В. Г., Шелдакова Ю. В., Власюк В. В., Кудряшов А. В. О повышении эффективности спектроскопии высокого разрешения на БТА методами адаптивной оптики Астрофизический бюллетень, том 75, № 4, сс.528–542, 2020. https://doi.org/10.1134/S1990341320040100

    4. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Самаркин В.В., Рукосуев А.Л., Никитин А.Н., Шелдакова Ю.В., Отрубянникова О.В. Исследование охлаждаемого деформируемого зеркала на пьезоактюаторах для коррекции атмосферных флуктуаций фазы Оптика атмосферы и океана, 33, №9, сс.677-684, 2020. https://doi.org/10.15372/AOO20200903

    5. Шелдакова Ю.В., Рукосуев А.Л., Белоусов В.Н., Галактионов И.В., Никитин А.Н., Самаркин В.В., Кудряшов А.В. FPGA-based 2 kHz closed-loop adaptive optical system with stacked actuator deformable mirror Proceesings of SPIE, 11508, сс.115080K, 2020. https://doi.org/10.1117/12.2569315

    6. В. Е. Панчук, В. Г. Клочкова, Э. В. Емельянов (V. E. Panchuk, V. G. Klochkova and E. V. Emelyanov) Техника спектроскопии звезд на телескопах малых и умеренных диаметров Астрофизический бюллетень (2021) https://doi.org/10.1134/S1990341321020073

    7. В.Топоровский, В.Самаркин, Ю.Шелдакова, А.Рукосуев, А.Кудряшов (V. Toporovsky, V. Samarkin, J. Sheldakova, A. Rukosuev, A. Kudryashov) Water-cooled stacked-actuator flexible mirror for high-power laser beam correction Optics & Laser Technology (2021)  https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107427

    8. Галактионов И.В., Шелдакова Ю.В., Никитин А.Н., Кудряшов А.В. (Galaktionov I.V., Sheldakova J.V., Nikitin A.N., Kudryashov A.V.) LCOS-SLM для задачи фокусировки лазерного излучения видимого диапазона сквозь умеренно рассеивающую среду Новые технологии высшей школы. Наука, техника, педагогика (2021) EDN: FMKOOU

    9. И.Галактионов, Ю.Шелдакова, В.Топоровский, В.Самаркин, А.Кудряшов (I. Galaktionov, J. Sheldakova, V. Toporovsky, V. Samarkin, A. Kudryashov) Bimorph vs stacked actuator deformable mirror for laser beam focusing through a moderately scattering medium Proceesings of SPIE (2021) https://doi.org/10.1117/12.2577604

    10. Ф.Ю. КАНЕВ, В.П. АКСЕНОВ, И.Д. ВЕРЕТЕХИН (F.Yu. Kanev, V.P. Aksenov, I.D. Veretekhin) Анализ точности алгоритмов регистрации оптических вихрей Оптика атмосферы и океана (2021) https://doi.org/10.1117/12.2577604

    11. Канев Ф.Ю., Макенова Н.А., Веретехин И.Д. Development of Singular Points in a Beam Passed Phase Screen Simulating Atmospheric Turbulence and Precision of Such a Screen Approximation by Zernike Polynomials Photonics, 9(5), 285 (2022) https://doi.org/10.3390/photonics9050285

    12.  Шелдакова Ю.В., Галактионов И.В., Никитин А.Н., Александров А.Г., Кудряшов А.В., Белоусов В.Н., Рукосуев А.Л. FPGA based laser beam stabilization system Proceesings of SPIE, Proc. SPIE 11987, Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XXIV, 119870C (2022) https://doi.org/10.1117/12.2614525

    13. Топоровский В.В., Люй П.Ж., Денисов Д.Г., Золотухина А., Никитин А.Н., Кудряшов А.В. The method of designing an opticalelectronic imaging system for correcting the parameters of the wavefront of laser radiation transmitted through a turbulent atmosphere Proceesings of SPIE, Proc. SPIE 11987, Laser Resonators, Microresonators, and Beam Control XXIV, 119870N  2022 https://doi.org/10.1117/12.2616105

    14. Топоровский В.В., Кудряшов А.В., Шелдакова Ю.В., Галактионов И.В., Самаркин В.В. Deformable piezoelectric mirrors with high density of control elements Proceesings of SPIE, Proc. SPIE 12341,123411I (2022) https://doi.org/10.1117/12.2645061

    15. Клочкова В.Г., Шелдакова Ю.В., Галактионов И.В., Никитин А.Н., Кудряшов А.В., Белоусов В.Н., Рукосуев А.Л. Local correction of the light position implemented on an FPGA platform for 6-meter telescope Photonics, 9(5), 322 (2022) https://doi.org/10.3390/photonics9050322

    16. Клочкова В. Г., Панчук В. Е., Юшкин М.В. Результаты избранных программ спектроскопии звезд на БТА САО РАН с Эшелле-спектрографом НЭС Журнал "Астрофизический бюллетень", том 77, №1, сс.92-103 (2022) https://doi.org/10.1134/S1990341322010047

    17. Галактионов И.В., Никитин А.Н., Шелдакова Ю.В., Топоровский В.В., Ласкин А., Кудряшов А.В. Adaptive system with Zernike-based hill-climbing algorithm for super Gaussian and doughnut-like beam shaping PROCEEDINGS OF SPIE, Proc. SPIE 12667, Laser Beam Shaping XXIII, 126670J (2023) https://doi.org/10.1117/12.2676756

    18. Галактионов И.В., Шелдакова Ю.В., Топоровский В.В., Рукосуев А.Л., Кудряшов А.В. Overcoming challenges in laser beam focusing through a moderately scattering medium: stacked-actuator vs. bimorph deformable mirror PROCEEDINGS OF SPIE, Proc. SPIE 12780, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 127800P (2023) https://doi.org/10.1117/12.2689613

    19. Галактионов И.В., Шелдакова Ю.В., Никитин А.Н., Топоровский В.В., Кудряшов А.В. A Hybrid Model for Analysis of Laser Beam Distortions Using Monte Carlo and Shack–Hartmann Techniques: Numerical Study and Experimental Results Algorithms MDPI, Algorithms 2023, 16, 337 (2023) https://doi.org/10.3390/a16070337

    при поддержке RNF.png

    По любым вопросам можно связаться с

    Шелдаковой Юлией Вячеславовной
    sheldakova@idg.ras.ru

    Наш адрес: 119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1,
    лаборатория 
    Атмосферной адаптивной оптики

    при поддержке RNF.png