基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题,采用了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布(Projected Pupil Plane Pattern,PPPP),并通过实验室实验验证了该技术的可行性。PPPP基于TIE光强传输公式,根据不同传输距离下光强分布的变化反解出大气湍流引起的波前畸变。由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射,其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致,因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。实验模拟了1 m口径的地基望远镜作为上行激光发射装置和后向散射光斑成像设备,通过等效高度分别为10 km和17 km的上行激光后向散射光斑图像来实现对10 km以下大气湍流的波前探测。实验采用的波前畸变模拟装置包括空间光调制器和透明塑料片,实验结果表明,对不同的波前畸变PPPP和通用的夏克-哈特曼波前探测器可以实现相似的波前重构,两者重构相位的残差约为初始相位的30%。

基于P-U-net的角锥波前探测器的波前校正方法

自适应光学技术被广泛应用于像差的校正,但在实际应用中,闭环校正需要较长的时间,并且由于变形镜的非线性响应,传统的开环校正方法的校正精度会受到影响。本文提出一种基于P-U-net网络的角锥波前探测器波前校正方法。P-U-net通过数据训练建立了整个自适应光学系统的模型,在角锥波前探测器的光瞳图像与变形镜的控制电压之间构建了直接的非线性映射关系。可以通过角锥波前探测器的光瞳图像直接计算变形镜的控制电压。通过使用仿真自适应系统理论验证了该方法的可行性,可以在50 ms内完成像差校正,校正精度达到0.1μm。与传统的闭环自适应校正算法相比,本文方法可以在更短的时间内完成像差校正,达到更高的精度,具有很好的应用前景。

北京三号B卫星相机光学系统波前探测技术

介绍了一种波前探测技术在北京三号B卫星相机光学系统地面高精度测试中的应用,通过计算传感器接收到的相位差异信息进行波前反演,可以获得稳定且精度较高的波前信息。相位差异(PD)法是其中一种波前探测技术,在北京三号B卫星项目中进行了初步尝试,文章对其进行了介绍、分析和评估,该方法具有较好的稳定性和可靠性,并有潜在的应用前景。研究结果解决了现有国外商业测量软件对复杂结构的相机光学系统波前测量计算不足的问题,具有较高的工程应用价值。

基于深度神经网络的大气湍流压缩波前探测

压缩感知技术用于光学波前测量时,常规的斜率恢复方法精度较低,难以测量大气湍流引起的复杂波前,本文利用深度神经网络进行斜率恢复,提高斜率恢复精度,从而提高压缩波前探测方法测量大气湍流波前的精度。传统的压缩波前探测方法在稀疏化过程中忽略相对较小的斜率值,导致波前测量误差的增加。为了快速测量大气湍流引起的复杂波前,本文提出了一种深度神经网络,可以高精度地恢复斜率,从而提高了波前重构的精度。在压缩比为0.1~0.9情况下,基于深度神经网络的压缩波前探测算法(DNNCWS)的波前重构误差PV优于0.014μm,算法的运行时间为4.4 ms。在暗弱星等情况下,残差波前的峰谷值(PV)优于0.011μm。模拟结果表明,DNNCWS具有良好的抗噪声性能。深度神经网络DNNCWS提高了压缩波前的探测精度,可以用于测量大气湍流引起的复杂像差,还可用于其他自适应光学应用,如激光通信和视网膜成像。

微透镜阵列对Hartmann-Shack波前探测器探测精度的影响

微透镜阵列是Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前探测器的核心元件之一。本文从理论上分析了微透镜阵列的性能对Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前探测器的波前探测精度的影响，并根据理论分析进行了一系列实验，得到了有益的结果。理论分析和实验结果表明：在微透镜阵列的焦距和孔径大小一定时，提高微透镜阵列的能量利用率和成象质量，可以提高Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前探测器的波前探测精度。

利用多通道相位差异波前探测法检测自适应光学系统非共光路像差

针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的若干实际问题,设计了基于多通道相位差异法的波前探测器,用于在不对光路进行任何改变的前提下定量测量自适应光学系统的第一像面到成像相机之间的像差。与前人的双通道相位差异波前探测器相比,该方法对波前具有更强的约束力,从而能够对目标光源的形状容忍力更强,理论上对波前求解的精度更高。将该方法应用于1.23m口径自适应光学系统的非共光路的静态像差测量,取得了良好的效果,为光路装调带来了极大的方便。将测得的像差直接用于变形镜的初始偏置,大大提高了成像质量。

基于液晶空间光调制器的相位差波前探测技术定量研究

为了定量研究相位差波前探测技术(phase diversity technique,PD)对波前探测和图像重建的精度,本文分别进行了数值模拟以及相关实验。数值模拟中采用了均方根(root-mean-square,RMS)分别为0.1λ~0.5λ的五组随机畸变波前,获得其退化的焦面图像和相应的离焦图像信息,利用PD技术对其进行波前探测和图像重建,波前探测的残余误差RMS值均达到了10^(-5)λ水平,重建图像在分辨率和对比度上有明显提升。搭建了基于液晶空间光调制器的实验系统,利用液晶空间光调制器来定量施加随机的波前像差,可以有效解决湍流屏数据难以量化的问题。同样将PD技术应用于本实验所采集到的退化焦面图像和相应离焦图像,对于RMS值为0.306λ的随机波前像差,探测波前的残余误差为0.091λ,图像重建结果与模拟结果高度一致,本文列举并分析了可能造成实验误差的多种因素,同时为该技术应用于液晶系统积累了技术基础。

基于变形镜本征模的模型式无波前探测自适应光学系统

模型式无波前探测自适应光学系统以其收敛速度快、校正效果好在波前无法探测的环境中具有巨大的应用潜力。基函数的产生方法及阶数多少决定了模型式无波前探测自适应光学系统的校正效果和收敛速度,文中提出以变形镜本征模作为基函数。分别以32、88及127单元变形镜作为波前校正元件建立无波前探测自适应光学系统仿真模型,利用变形镜本征模作为正交基函数对波前畸变进行校正,分析其校正效果和收敛速度。结果表明,以变形镜本征模作为基函数时,由于基函数的阶数等于变形镜的单元数,无需另外确定阶数多少,且无波前探测自适应光学系统可以获得接近理想校正时的校正效果,系统收敛所需测量的光斑强度的次数仅取决于变形镜的单元数。

信标光强度影响下的Hartmann波前探测

报道了Ｈａｒｔｍａｎｎ波前探测与信标光强度关系的实验研究。给出了在信标光强度变化时的波前探测相对误差以及波前探测误差对自适应光学系统闭环控制的影响。

基于相关波前探测算法校正热晕的数值模拟

建立了采用相关波前探测算法(Correlation wave-front sensing algorithm,COR)的自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统的数值模型,对准直光束大气传输自适应光学校正进行了数值模拟,分析了不同热晕强度条件下光子噪声和读出噪声对系统校正效果的影响,并与质心(Center of Gravity,COG)算法和阈值质心(Threshold Center of Gravity,TCOG)算法进行了对比。数值模拟结果表明,COR算法对噪声和热晕强度的变化具有更好的鲁棒性,可以提高夏克-哈特曼波前探测器(ShackHartmann Wave-front Sensor,SH-WFS)在低信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)条件下的波前探测精度,同时还可以较好地抑制噪声诱发的相位补偿不稳定性(Phase Compensation Instability,PCI),改善低信噪比条件下大气热晕校正的稳定性。

光子计数型Shack－Hartmann波前探测器研究

波前探测器是自适应光学系统的一个关键部分，用来探测由于大气湍流引起的入射光波前畸变。本文通过分析和比较，选用ＩＣＣＤ形式的Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ波前探测器，作为人造信标自适应光学系统的波前探测器。理论分析与实验结果表明：探测器的动态范围与微透镜口径、焦距及探测器工作波长有关；影响探测器波前探测精度的因素有光量子起伏噪声、探测器读出噪声和探测器中光学系统成像质量。

瑞利导星和钠导星共用的多层波前探测技术

目的提出一种对分层大气湍流所引起的波面畸变进行有效探测的技术．方法假设大气湍流主要集中在两薄层中，用同一束发射激光通过时间选通既产生钠导星，又产生瑞利导星．前者可探测两层湍流引起的光波波前总畸变，后者则用于探测低层湍流单独引起的波面相差．建立这些畸变量之间的耦合方程，并进行求解．结果得到高层湍流单独引起的波前畸变．结论用这种方法可以方便地探测两层大气湍流所引起的波面畸变。

剪切干涉仪光子计数法动态波前探测

实时动态波前探测技术是自适应光学系统最重要的单元技术之一。本文报导了在弱光条件下,利用动态剪切干涉仪和光子计数法进行弱光波前误差探测的实验。叙述了波前探测装置的原理,讨论了相位测量的主要误差源。实验结果表明,在每一探测周期内,仅有几十到一百个光电子脉冲的情况下,可获得波前信息。

阵列菲涅耳波带片波前探测性能研究

在高功率激光系统中,激光束小尺度畸变波前探测是实现激光束中频段波前补偿与控制的重要前提.采用阵列菲涅耳波带片作为激光束波前传感的子孔径分割器,研究其聚焦性能,讨论了波带片的结构如阵列数目和阵列尺寸对波前探测精度的影响。仿真结果表明,选取合适的波带片结构参数可以使小尺度畸变波前的重构误差小于十分之一个波长。为了检测阵列菲涅耳波带片作为波前传感器检测波前畸变的性能,实现小尺度波前畸变检测的目的,构建了激光波前畸变检测光路系统。实验结果表明了阵列菲涅耳波带片检测波前畸变的可行性和准确性。

提高波前探测精度的双立方插值方法

哈特曼-夏克波前传感器通常采用CCD相机作为探测器件,CCD像元之间的离散性,导致连续灰度图像被抽样成离散图像.文章提出用多项式插值对光斑图进行插值处理来降低图像灰度的离散度,可以平滑光斑图噪声,提高光斑阵列的探测精度,从而提高波前探测精度.仿真和实验结果证明,双立方插值方法很大程度上提高了波前探测的精度,选取合适的插值密度可以减小计算机处理时间.光斑图插值处理的研究为在实验中提高波前探测精度提供了有益的参考。

H－S法波前探测的高速图象采集系统

自适应光学系统中有两种方法用于测定波前的局部斜率：剪切干涉测量法和哈特曼法（以下简称Ｈ－Ｓ法）。由于Ｈ－Ｓ法运用较简单的光学系统，无需任何活动组件，具有较高的光效率，并能很好地用于探测器阵列，因此它更普遍地用于自适应光学系统中。本文介绍了一种应用于Ｈ－Ｓ法波前探测的高速图象采集系统，提出了应用本图象采集系统解决高帧频探测器阵列与数据处理机之间的同步协调的方法。

相位差波前探测与图像重建

相位差技术可以直接利用两幅或多幅图像的强度信息,重构出波前相位信息和目标清晰图像,具有光路简单、成本较低、适用于扩展目标等优点,在望远镜的系统像差检测和目标图像重建方面得到了大量应用。相位差波前探测的关键在于求解非线性代价函数的最优化问题,需要避免陷入局部极值并降低计算时间,才能满足动态变化波前实时探测的需求。同时在重建目标清晰图像时,通常需要做正则化和去噪处理,来提高重建图像的质量。本文主要介绍相位差技术的基本原理,以及近年来的研究进展,并对该技术未来的发展进行了展望。

基于阵列激光导星的自适应光学波前探测数值仿真

为克服当前波前探测技术存在的固有问题,提出了一种基于阵列激光导星(Laser Guide Star,LGS)的自适应光学系统。该系统可以有效消除聚焦非等晕效应的影响从而提高系统的波前探测精度,由此大幅度增大激光导星自适应光学系统的大气湍流探测范围,从而降低自适应光学系统对导星亮度的要求。阐释了该系统的闭环工作过程,并依据其工作过程建立仿真模型,数值仿真了该系统基于阵列激光导星的波前探测过程。最后对重构波前精度进行评估,分析了仿真存在的误差。数值仿真结果显示:该系统的波前重构精度较好,校正残差为11%,初步验证了利用阵列激光导星进行波前探测的可行性。

哈特曼波前探测器波面重构精度研究

活体人眼波前像差的精确探测一直是人眼自适应成像系统波前探测和波前校正的难点。以Shark-Hartman波前探测器(S-H)和液晶空间光调制器(LCOS)搭建了一套活体人眼像差探测及眼底自适应成像系统。对Shark-Hartman波前探测器(S-H)波面探测精度的影响进行研究。在液晶空间光调制器LCOS施加同阶等大小的波前畸变,探测不同情况下的哈特曼波前探测器上的波面重构值并且加以分析,并对当前波前探测精度的自适应像差校正及成像结果进行对比分析。利用优化参数的哈特曼波前探测器进行自适应校正成像实验。实验证明,人眼动态像差的精确探测是自适应系统像差校正的基础。哈特曼波前传感器的波前探测及重构精度是获得人眼眼底视网膜的衍射极限分辨的根本,哈特曼波前传感器的子孔径数选择及子孔径大小对眼底自适应成像系统起到关键作用。

空间光学相机波前探测子孔径数量研究

根据空间相机误差源分类,确定波前探测畸变面形为前15阶Zernike多项式组成的面形函数。为实现较少子孔径数量下的精确波前探测,文章建立了基于夏克-哈特曼传感器的波前探测模型,分析了波前复原矩阵的秩与子孔径数量之间的数学关系,针对前15阶Zernike多项式构成的畸变面形与多种子孔径数量波前探测过程进行了仿真计算。研究结果表明,空间光学相机精确波前探测可采用的最少子孔径数量等于使波前复原矩阵达到列满秩条件的最小数量,通过仿真计算验证了该结论。最后针对前15阶Zernike多项式组成的面形函数给出了子孔径数量选取范围以及对应的波前探测结果。