防抖!自适应光学的由来和应用(自适应光学原理)

导语：防抖！自适应光学的由来

太空望远镜建不了太大，而且极其昂贵。地面望远镜虽然可以做得大很多，却因为大气抖动的原因，让我们无法看清楚远处天体的细节。

幸运的是，有一种方法，能够让地面望远镜克服大气抖动，也就是牛顿所说的大气不够宁静所带来的影响，帮助地面望远镜提高分辨能力。这种方法就叫做自适应光学。

在冷战时期，美国和苏联都往天上发射各种间谍卫星。对于其中任何一方来说，如果可以分辨出天空中对方的卫星是什么型号，并且监测到间谍卫星经常在偷窥什么地方，就可以尽早转移敏感目标，并且迷惑对手。这些卫星和天体目标一样，和观测者中间也隔着时刻变化的大气。即使用4米口径的望远镜去看这些卫星，能看到的也只是模糊一团，什么也分不清楚。

图1：俄国监测到的美国间谍卫星。各种各样，有长方形天线的（A），有盘状天线的（B）。知道对手的动作是反侦察的重要一步

这个时候，美国国防高级研究计划局（DARPA）发现，之前有一位名叫巴布科克（Babcock）的天文学家，提出过关于一种仪器的构想，这种仪器能够消除大气抖动对天文成像的影响。于是他们开始对这种仪器展开秘密的研制工作。最终，在上世纪70年代末，美国军方利用该仪器实现了，对低轨道间谍卫星的高分辨成像监测。而这项技术就是我们现在所说的自适应光学技术。后来，在美国军方对此技术解密之后，这项技术才逐渐在天文领域发展和应用起来。

图2：美国星火靶场观测到的间谍卫星。A：没有使用自适应光学；B：使用自适应光学；C：使用自适应光学+后期图像处理

这项听上去非常神秘的自适应光学技术，是怎样解决前面提到的大气抖动的问题的呢？让我们从光开始讲起。

我们知道，光其实就是电磁波。如果望远镜接收到的电磁波是平面波，就会得到最好最锐利的成像效果。那些距离我们特别遥远的天体，看上去近似一个点。以这个点为中心，电磁波以球面向外传播。等到这些电磁波到达地球的时候，这个球体已经非常巨大，而接触到地球的、相对很小的这部分电磁波，是可以被近似为平面波的。

然而，尽管到达地球上方的电磁波是平面波，在它们到达地面之前，还要穿过厚厚的大气，就会在穿过的路途中受到大气湍流，也就是大气的抖动的影响。平面波会被大气影响而变成复杂的曲面，通过望远镜得到的图像就不再锐利，而会变得模糊。

因此，想要让地面上的望远镜得到仍然锐利的图像，就需要消除或者改正大气湍流对图像产生的扭曲。如果我们可以通过某种途径，探测到观测时的大气湍流的形态，并且在成像系统的光路上施以相对应的矫正，就可以使进入到望远镜的、被扭曲的曲面波，变回平面波，因而得到锐利的、原本的图像形态。这就好像给望远镜系统多戴了一副复杂的眼镜。

然而，大气湍流的变化是非常随机而且迅速的，因此这副眼镜的镜片本身，需要能够随着大气的变化而实时变换。在实际观测中，我们可以对大气实时形态进行探测，并且即刻做出矫正。

在对一个天体的成像曝光期间，如果这样的实时矫正过程可以持续不断地进行，那么在理想情况下，最终的成像效果就会被矫正到和没有大气湍流影响的情况下一样。这就是自适应光学系统的大致想法。

图3：自适应光学系统大致原理图。来自天体的平面波前被大气影响发生畸变。自适应光学系统探测，校正畸变，还原天体本身的样貌

因为这套矫正用的光学系统，可以自动不断地适应大气变化而进行调整，所以被称为自适应光学系统，也就是可以自动适应的光学系统。

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