【莫斯科大学】用 Domecam 量化望远镜圆顶湍流

大型望远镜的成像质量不仅受自由大气湍流影响，也会被望远镜圆顶内部的局地湍流拖累。Victor G. Kornilov 等人的研究面向这一问题，构建了 Domecam 仪器，在 Lomonosov Moscow State University Sternberg Astronomical Institute 的 Caucasian Mountain Observatory 2.5 m 望远镜上，利用恒星在望远镜瞳面附近形成的闪烁图样，测量圆顶内部光学湍流强度，并评估其对 delivered image quality（DIQ）的影响。

为什么要单独测圆顶湍流

论文指出，自由大气湍流主要由环境决定，除选址外可干预空间有限；但圆顶湍流来自望远镜封闭结构内部，与圆顶设计、热平衡和运行状态有关，理论上可以通过热管理和结构优化加以控制。要做到这一点，首先需要把圆顶湍流从自由大气湍流中分离出来，并给出可量化的强度指标。

现有声学方法需要把声速变化转换为折射率起伏，容易引入系统偏差；光学方法更贴近望远镜成像，但难点在于区分圆顶内外贡献。Domecam 的思路接近 single-star SCIDAR：观测亮星强度起伏，并把探测平面光学共轭到望远镜入口瞳下方  的虚拟平面，使圆顶内的相位扰动发展为可探测的振幅起伏。

仪器如何工作

Domecam 安装在 2.5 m 望远镜 Nasmyth 焦站 N2。望远镜的  会聚光束进入仪器后，二向色镜反射  的光，光束经过 KS-19 滤光片，在直径  的视场光阑处形成恒星像，该直径对应天空中的 。Fabry 透镜将光束准直为直径 ，随后在 CCD 上形成出瞳。

探测器为 Prosilica GC650 CCD，感光区为  像素，像元尺寸 。CCD 可沿光轴移动，位于出瞳后  的平面对应入口瞳下方 。仪器采用  binning，合并像素投影到入口瞳后约为 ；在 、传播  条件下，第一 Fresnel 区半径为 ，因此圆顶湍流产生的衍射图样可以被采样。典型曝光时间为 2 到 ，帧率 ，每组序列持续 。

观测时需要指向亮星，论文中使用的恒星亮于 。单次测量包含望远镜指向和调焦在内约需 。研究累计了 88 次测量，覆盖 2022 至 2025 年的不同季节和环境条件；摘要中强调了 2022 至 2024 年的测量结果分析。

用时间延迟自协方差分离湍流

Domecam 的关键数据产品是闪烁数据立方和平均偏置帧。作者先扣除 CCD 偏置，估计瞳面掩膜，再对每帧做通量归一化，以降低大气消光变化带来的影响。随后根据 Wiener-Khinchin 定理计算相对通量起伏的二维自协方差，并使用 0、10、20、40、80 ms 的时间延迟。

在自协方差图中，高空湍流层会随时间延迟产生位移；而圆顶湍流表现为位于  高度、近似零风速的窄峰。论文进一步使用  的数字滤波器，从虚拟瞳的延迟自协方差中估计圆顶湍流功率 。由于滤波器冲激响应在  后可忽略，它在延迟自协方差上能自动排除一部分大气湍流贡献。

温差是最显著因素

研究发现，每次测量可得到 10、20、40、80 ms 四个延迟下的圆顶湍流估计值。按 Taylor 冻结流假设，它们本应相近，但实际数据随时间延迟衰减，并且 88 次测量中有 71 次可用指数衰减很好描述。指数半衰期在不同测量中约为 0.01 到 0.1 s；结论部分给出的典型去相关时间  为 30 到 70 ms。这说明圆顶湍流的时间演化不能简单看作具有正态风速分布的冻结湍流层叠加。

环境因素中，主镜 M1 与圆顶空气的温差  最关键。当  时，最低圆顶湍流强度约为 。当主镜温度高于圆顶空气且  后， 随温差显著上升；在  时达到 ，约为最低值的 10 到 15 倍。论文还观察到外部风速与圆顶湍流强度没有清晰相关性，但湍流时间尺度会随风速增大而缩短。

对成像质量的影响

为了把 Domecam 测得的湍流功率转换为成像质量，作者利用 speckle polarimeter（SPP）同步观测的 DIQ 数据约束圆顶湍流外尺度。通过 Bayesian inference 和 Markov Chain Monte Carlo 采样，得到 ，额外 seeing 测量散布 。这一较小外尺度提示，2.5 m 望远镜的圆顶湍流可能集中在主镜上方较薄的对流层中。

论文还用 2021 年 7 月 18 日到 2024 年 4 月 21 日期间圆顶打开时的 4050 h 温差数据，结合 MASS-DIMM 自由大气湍流测量，估算圆顶湍流对 DIQ 分布的影响。结果显示，在 、天顶方向条件下，考虑圆顶湍流时 DIQ 中位数为 ；若不考虑圆顶湍流，则为 。

研究意义

这项工作给出了一套可在大望远镜实际运行中使用的圆顶湍流测量流程。Domecam 与 MASS-DIMM 的同步比较显示，Domecam 合成的闪烁指标与 MASS-DIMM 直接测得指标具有 0.95 到 0.99 的相关系数；同时，Domecam 测得的  与 MASS-DIMM 的近地层湍流功率没有相关性，说明其结果不只是近地层湍流的重复测量。对望远镜运行而言，论文最直接的提示是：主镜与圆顶空气温差达到  左右时，圆顶湍流已经开始明显上升，热平衡管理需要以可测量的湍流指标来闭环评估。

参考文献

Victor G. Kornilov, MaTWey V. Kornilov, Boris S. Safonov, Anton S. Mironov, Dmitry V. Cheryasov, Igor A. Gorbunov, and Ivan A. Strakhov, “Measurement of dome turbulence intensity from scintillation pattern in the pupil of the telescope,” Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 11(3), 034006 (2025). DOI: https://doi.org/10.1117/1.JATIS.11.3.034006