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自适应光学波前校正优化方法研究

张家如  
【摘要】: 自适应光学系统是一种实时测量和校正光波波前差的系统,在天文学、激光大气传输、惯性约束聚变、医疗光学和通讯等领域都有它的应用空间。本文致力于自适应光学波前校正优化方法研究,主要包括以下几部分内容: (1)自适应光学波前校正的基本理论 介绍了目前较普遍使用的Hartmann-Shack(H-S)波前传感器的基本原理;在波前重构方面,比较了几种区域波前重构方法,介绍了满足不同约束条件的波前重构解,同时分析了波前的模式分解以及模式法波前重构的方法。 本部分对自适应光学波前校正的基本工作过程作了描述。以下几部分就是针对这个过程作一些优化方法研究。 (2)H-S波前传感器的动态范围和测量精度 提出了H-S波前传感器动态范围的选择准则以及在弱光下提高其测量精度的一些方法。 H-S波前传感器的动态范围是由其自身的结构参数决定的。因为变形镜在校正其他波前扰动之前应该能够先校正自身的形变,所以要求波前传感器的动态范围应该和变形镜的性能相匹配。 H-S波前传感器的测量精度和子孔径光斑的大小、子孔径内的象素数、光强、CCD输出信号的A/D精度等有密切的关系。子孔径内的光斑尺寸应该大于CCD象素的尺寸。在光强比较大的情况下,不需要子孔径内有很多象素就可以获得较高的测量精度,在弱光测量中,可以适当增加子孔径内的象素数来提高测量精度。增加CCD前置信号放大倍数以及在电子噪声较小的情况下提高CCD输出信号的A/D精度均可以有效地提高对弱光的测量精度。 (3)波前重构矩阵存储精度研究 本部分研究自适应光学波前校正过程中数据精度的优化选择问题。 波前重构是实现光波波前校正的极为重要且比较复杂的环节。由波前重构矩阵存储精度的降低而引起的误差是一种舍入误差。对这种误差进行了研究,采用绍契威尔区域法波前重构模型对泽尼克多项式的前几项进行了波前重构的数值模拟,研究了由重构矩阵存储精度原因而引起的波前重构误差。结果表明,对于前六项,以8Bit的数据精度来存储重构矩阵就能保证波前重构误差不超过1.0%,而对于具有更高阶的泽尼克多项式,比8Bit更高的数据精度不会使误差缩 小。对一个测量所得的波前进行了研究,所得结论和上述结论相符合。 (4)子孔径划分对波前重构矩阵病态程度的影响研究 自适应光学中,子孔径和变形镜驱动器的匹配问题是一个一直以来被研究 的问题,对于一定结构的变形镜,如何适当选择最优化的子孔径划分方式是本部 分的主要研究内容。开展了计算机模拟研究,用直接斜率法进行波前重构,采用 最小二乘解,并用波前重构矩阵的条件数作为其病态程度的判据。模拟结果表明, 子孔径数目的选择对波前重构矩阵的病态程度起决定性的作用;适当的子孔径划 分方式可以使波前重构矩阵病态程度大大降低;适当选择于孔径数目以后,于孔 径的大小在适当的范围内变化对波前校正矩阵病态程度的影响不大:选择了适当 的子孔径数目及其大小以后,由于光路调准等因素造成的光路偏移和旋转不会使 波前校正矩阵病态程度明显提高。 (5)一个基于微机的自适应光学系统初步闭环校正实验研究 研制了一个基于微机的52单元自适应光学系统,该系统的处理控制功能块 及运行状态监视功能块以一个个人计算机为基础,通过一个高帧频数据采集卡采 集来自波前传感器的数据,通过一个数字量了O端口把经运算处理所得的波前控 制量送给地址选通多路D/A转换器,经D/A转换后的模拟量再经放大后驱动变 形镜文现系统的闭环校上。用该系统进行了系统自寻0实验,取得了良好的校止 效果。该系统的研制过程参考了前面的研究结果。用SBit数据精度存储波前重 构矩阵。采用了比较合理的子孔径划分方式。实验研究的中间现象表明,不合理 的于孔径划分方式将使自适应光学系统不能正常工作。


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