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共形光学动态像差校正机理研究

梁殿明  
【摘要】:随着时代与科技的进步,目前的飞行器需要更高的速度。飞行器在飞行时,传统整流罩的半球形结构所受到的空气阻力很强,难以满足高速飞行器气动力学的需求,极大的限制了飞行器的速度。因此需要将整流罩设计为流线型的,这样共形光学技术应运而生。共形光学技术采用具有流线型外表面的共形整流罩来代替传统的半球形整流罩,可以减少空气阻力并提升飞行器速度。然而这种整流罩会产生大量跟随扫描视场角变动的动态像差,校正这类像差成为高速飞行器光电成像系统发展的关键问题。本文基于上述问题进行了共形光学系统中像差校正的研究。首先对共形光学系统的整流罩形状进行研究,确定了本文共形光学系统整流罩的形状为椭球形。对椭球形整流罩的几何形状进行计算,确定整流罩参数。在光学设计软件中建立整流罩模型,利用Zernike像差理论分析整流罩所带来的像差种类和大小,以便后续可以有针对性的进行像差的校正。本文采用的共形光学系统像差校正的方法为静态校正板校正和无波前探测器的自适应光学技术相结合的大扫描视场像差校正方法。分别对共形光学系统的静态固定校正板和动态像差校正器进行分析,根据分析结果进行系统的结构设计。设计了扫描视场为±60°的共形光学系统,工作波段为中波红外,F数等于1.5,入瞳直径为30mm。进行初始结构的设计时,以减少系统像差种类为导向,消除五阶Zernike像差,从而可以使后续自适应优化的变量数由Zernike多项式系数的前十六项减小为前九项。后续进行了基于Zernike模型系数最小化的变形镜优化算法的构建。首先对本文所用的算法流程与算法原理进行简介。再确定算法的各项参数,以斯特列尔比作为算法的适应度函数,斯特列尔比等于0.7时作为算法的停止条件,算法的优化变量为变形镜驱动器电压。为了利用前九项Zernike多项式系数做为算法的优化变量,构建了Zernike多项式系数与变形镜驱动器电压间的转换矩阵,将优化变量由140个驱动器电压减少至前9项Zernike多项式系数。最后进行了仿真实验,验证本文共形光学系统像差校正方法的优越性和可行性。利用基于Zernike模型的遗传算法对变形镜面形进行控制,校正共形光学系统的残余像差。仿真结果表明,系统各典型扫描视场点的优化速度提升95%以上,且光学像质接近衍射极限。并进行实验验证,利用空间光调制器调制波前引入波前像差,模拟系统的残余像差,利用基于Zernike模型的算法优化变形镜面形以校正像差。实验结果表明,该优化方法可以成功消除引入的波前像差。因此本文设计的基于Zernike多项式系数的共形光学系统像差校正的方法是可行的。


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