CN102980743A - 基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法，该校正系统包括高能激光器、波前校正器、分光镜、光束质量评价系统、内光路哈特曼传感器、第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器、数据融合组件和高压放大器；该校正方法基于上述校正系统，它利用两台哈特曼传感器同时测量分光镜的反射和透射像差，并采用不依赖于响应矩阵的数据融合方法将分光镜像差传递给内光路哈特曼传感器，从而控制波前校正器实现全光路像差校正。本发明具有原理简单、实现简便等优点，能够解决现有技术受器件构造工艺制约的问题，可提高多传感器之间的数据融合效率，可有效提升高能激光系统出口光束质量。

Description

基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法

技术领域

本发明主要涉及到全光路像差校正系统及数据融合领域，特指一种基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法。

背景技术

在高能激光系统中，分光镜是用来连接强光光路和弱光测量系统的重要光学器件，系统依据分光镜透射出来的弱光来感知强光光路中高功率激光的波前像差，并采用自适应光学技术实施校正使系统出口光束质量达到最佳。在采用常规自适应光学技术的高能激光系统中，分光镜像差，包括自身静态像差和在高功率激光辐照下产生的动态像差，处于系统波前传感器的探测“盲区”，是影响系统出口光束质量的重要因素之一。

目前，扫除分光镜像差探测盲区，实现全光路像差校正的途径之一是采用共光路/共模块(CP/CM)自适应光学技术。1999年，Kenneth W.Billman首次发表CP/CM技术原理文章[Kenneth W.Billman，“Airborne laser system common path/common mode design approach”，SPIE3706，196-203(1999)]。后续资料表明，CP/CM技术减小了分光镜像差影响，对提高机载激光武器(ABL)系统的集成性和可靠性都发挥了重要作用。但由于保密原因，公开文献资料比较少。中科院光电技术研究所和国防科学技术大学联合开展了CP/CM技术研究，在国内首次实现了基于CP/CM技术的自适应光学全系统像差校正。CP/CM技术在原理上较为成熟，但是实际工作效能受器件质量影响较大，系统中关键器件——角反射器的构造误差是阻碍该技术广泛应用的主要因素。角反射器的二面角误差、面形精度等都会使出射波的保真度下降，而CP/CM系统对角反射器自身构造缺陷引入的像差是无法探测的，这使得自适应系统的波前探测数据可信度变差，波前校正盲目性增加。特别在中红外激光波段，构造保真度高、衍射效应小的角反射器件是国内仍未攻破的技术难题。

在自适应光学系统中，当波前校正器的控制信号来自两台或多台波前传感器时，传感器之间的数据融合方式就尤为重要。但是，传统的数据融合方法都需要用到波前传感器与校正器之间的响应矩阵，对于结构布局不同的哈特曼来说，就需要分别测量多个响应矩阵并在此基础之上进行转换运算。这种融合方式数据处理过程较为复杂，且融合精度受到响应矩阵测量精度的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、实现简便、能够解决现有技术受器件构造工艺制约的问题、可提高多传感器之间的数据融合效率、可有效提升高能激光系统出口光束质量的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，它包括高能激光器、波前校正器、分光镜、光束质量评价系统、内光路哈特曼传感器、第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器、数据融合组件和高压放大器；所述波前校正器包括倾斜镜和变形镜，所述高能激光器发出的高功率激光依次先后入射至倾斜镜和变形镜，再以一定角度入射至分光镜的前表面，其中一部分能量被分光镜反射至光束质量评价系统中，另一部分能量透射光被内光路哈特曼传感器接收并用于探测高能激光器的内部像差；所述第一哈特曼传感器和第二哈特曼传感器置于分光镜的前、后两侧并用于协同探测分光镜的透射和反射像差，探测数据实时传送给数据融合组件，所述数据融合组件完成数据预处理后与内光路哈特曼传感器的测量数据融合进而计算控制电压输出给高压放大器，从而驱动波前校正器完成全光路像差校正。

作为本发明系统的进一步改进：

所述数据融合组件包括第一计算机和第二计算机，所述第一哈特曼传感器和第二哈特曼传感器探测的数据传送给第一计算机，所述第一计算机完成数据预处理并将数据传递给第二计算机，所述第二计算机用于将预处理数据与内光路哈特曼测量数据融合。

所述第一哈特曼传感器与第二哈特曼传感器的工作波长相同。

所述第一哈特曼传感器位于分光镜的前方，采用自准直工作模式；所述第二哈特曼传感器位于分光镜后方，采用接收外来信号光工作模式。

本发明进一步公开了一种采用上述校正系统的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，步骤为：

(1)、测量第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器相对内光路哈特曼传感器的子孔径光斑偏移量比例因子；

(2)、打开高能激光器可见导引光源，调整光路，使导引光穿过主光路后被光束质量评价系统接收，使两台哈特曼传感器分别位于分光镜的前后两侧；

(3)、标定内光路哈特曼传感器、第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器；

(4)、测量内光路哈特曼传感器与波前校正器之间的响应矩阵，计算波前重构矩阵R；

(5)、打开高能激光器以及光束质量评价系统，所述第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器测量分光镜像差并传递给数据融合组件，所述数据融合组件完成数据预处理后与内光路哈特曼传感器的测量数据融合进而计算控制电压输出给高压放大器；

(6)所述高压放大器驱动波前校正器完成闭环校正；

(7)所述光束质量评价系统对系统终端光束质量进行评价。

作为本发明方法的进一步改进：

所述步骤(1)中子孔径光斑偏移量比例因子的测量步骤为：

(1.1)内光路哈特曼传感器采用自准直方式测量倾斜镜，在倾斜镜不加载电压的条件下进行标定；

(1.2)向倾斜镜加载X方向控制电压Vx；

(1.3)内光路哈特曼传感器测量倾斜镜面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在X方向的平均偏移量dx，并取100帧平均得到X方向的多帧平均偏移量

(1.4)清除X向电压Vx，向倾斜镜加载Y方向控制电压Vy；

(1.5)内光路哈特曼传感器测量倾斜镜面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在Y方向的平均偏移量dy，并取100帧平均得到Y方向的多帧平均偏移量

(1.6)分别更换内光路哈特曼传感器为第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器，重复步骤(1.1)到(1.5)，分别记录光点偏移量

(1.7)计算第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器相对内光路哈特曼传感器的X向和Y向偏移量比例因子： $\mathrm{\β}{x}_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dx}}_1}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dx}},$ $\mathrm{\β}{y}_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dy}}_1}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dy}},$ $\mathrm{\β}{x}_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dx}}_2}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dx}},$ $\mathrm{\β}{y}_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dy}}_2}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dy}}.$

所述步骤(3)的具体流程为：

(3.1)第一哈特曼传感器采用自准直工作模式，发出与接收系统共光路的探测光束，通过自准直测量标准平面镜的方式标定子孔径光斑零点位置；

(3.2)第一哈特曼传感器发出的探测光束垂直入射至分光镜的前表面，经分光镜分光后的透射光束被第二哈特曼传感器接收，第二哈特曼传感器采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并标定子孔径光斑零点位置；

(3.3)打开高能激光器内部的导引光源，使其以角度θ入射至分光镜的前表面；经分光镜分光后的透射光束被内光路哈特曼传感器接收，所述内光路哈特曼传感器采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并进行标定。

所述步骤(5)中的预处理过程为：

(5.1)第一哈特曼传感器和第二哈特曼传感器采集原始点阵数据，根据步骤(3)中确定的子孔径光斑零点位置，计算原始点阵在X和Y方向的相对偏移量矩阵Δx和Δy；

(5.2)设高能激光器出口为半径为r₁的圆形，则高能激光以角度θ入射至分光镜表面产生的投影为一个短轴为r₁、长轴为r₂的椭圆，其中r₂＝r₁/cosθ，在Δx和Δy中截取椭圆区域内数据Δx′和Δy′，设矩阵规模为N×M(M≥N)；

(5.3)设内光路哈特曼传感器在半径为r₁的圆内有N×N个子孔径，将上述Δx′和Δy′矩阵进行仿射变换和尺度缩放，得到规模为N×N的新矩阵Δx″和Δy″。

所述步骤(5.3)中的仿射变换和尺度缩放步骤如下：

(5.3.1)设(x，y)为N×N新矩阵Δx″中的任意一点P，P点从圆域投影到椭圆域后坐标变为(x/cosθ，y)，并“落在”N×M矩阵Δx′中以ABCD四点为角点的方格内；

(5.3.2)设四个角点的坐标分别为(i，j)、(i+1，j)、(i，j+1)和(i+1，j+1)，对应有效数据分别记为f(A)、f(B)、f(C)和f(D)，设P(x/cosθ，y)点在AB线段和CD线段上的投影点为E和F；

(5.3.3)采用双线性插值算法进行仿射变换，方法如下：首先根据下列公式计算E和F两点的有效数据值f(E)和f(F)：

f(E)＝(x-i)[f(B)-f(A)]+f(A)

f(F)＝(x-i)[f(D)-f(C)]+f(C)

然后得出P(x，y)点的有效数据值应为：

f(x，y)＝(y-j)[f(F)-f(E)]+f(E)；

(5.3.4)按照(5.3.1)至(5.3.3)步骤，可计算得到新矩阵Δx″中所有点数值，Δy″的计算过程同理。

所述步骤(5)中的数据融合方法和电压信号计算方法为：

(5.4)设得到的第一哈特曼传感器和第二哈特曼传感器预处理数据为Δx″₁，Δy″₁和Δx″₂，Δy″₂，内光路哈特曼传感器自身测得信号为Δx″₀，Δy″₀，根据光路传输布局，计算X和Y方向各子孔径光斑的有效偏移量分别为ΔX和ΔY：

ΔX＝Δx″₀+(Δx″₁·βx₁-Δx″₂·βx₂)·cosθ

ΔY＝Δy″₀+(Δy″₁·βy₁-Δy″₂·βy₂)·cosθ

(5.5)将ΔX和ΔY的矩阵规模从N×N变换为N²×1，变换后：

$\mathrm{\ΔX}=(\mathrm{\Δ}{x}_1,\mathrm{\Δ}{x}_2,...,\mathrm{\Δ}{x}_{N^2})$

$\mathrm{\ΔY}=(\mathrm{\Δ}{y}_1,\mathrm{\Δ}{y}_2,...,\mathrm{\Δ}{y}_{N^2})$

将上两式进一步合并为向量 $\mathrm{\ΔXY}={(\mathrm{\Δ}{x}_1,\mathrm{\Δ}{y}_1,\mathrm{\Δ}{x}_2,\mathrm{\Δ}{y}_2,...,\mathrm{\Δ}{x}_{N^2},\mathrm{\Δ}{y}_{N^2})}^{\′},$ 其中N₂为内光路哈特曼子孔径数目；

(5.6)倾斜镜在X和Y方向的控制电压计算方法如下：

$V_{\mathrm{Tx}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔX}}/(\stackrel{\‾}{\mathrm{dx}}/\mathrm{Vx}),$ $V_{\mathrm{Ty}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔY}}/(\stackrel{\‾}{\mathrm{dy}}/\mathrm{Vy})$

其中，

和

分别为向量ΔX和ΔY各元素的平均值；

(5.7)根据直接斜率控制算法，利用奇异值分解法求出波前重构矩阵R的广义逆R⁺，就可以得到电压向量V_L在最小二乘意义下的最小范数解：

V_L＝R⁺·ΔXY·k

其中，L为变形镜的驱动器个数，k为光斑偏移量到子孔径斜率之间的转换系数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用应用较为成熟的哈特曼传感器替代角反射器阵列，解决了现有技术受器件构造工艺限制的问题，测量精度高衍射效应影响小，减小了探测环节本身引入的误差。

2、本发明采用两台哈特曼传感器协同测量分光镜像差，探测光路独立于系统主光路，探测波长的选择不受高能激光器主波长的影响。对于中红外波段高能激光系统而言，这种方法大大拓宽了传感器的选择范围，优势尤其明显。

3、本发明采用标定偏移量比例因子和空间坐标仿射变换的方法，实现了不同结构布局哈特曼之间的数据转换，突破了现有技术对哈特曼类型的限制。该方法取消了现有技术中响应矩阵的测量和计算环节，提高了数据转换效率。

附图说明

图1是本发明中全光路像差校正系统的结构示意图。

图2是本发明中哈特曼传感器的标定流程示意图。

图3是本发明中分光镜表面激光辐照区域与探测区域空间对应关系示意图。

图4是本发明中双线性插值过程数据点之间的对应关系示意图。

图5是本发明校正方法的工作流程示意图。

图6是本发明系统中通过第一哈特曼传感器测量得到的分光镜反射像差的示意图。

图7是图6中的分光镜反射像差峰谷值随激光辐照时间的变化曲线示意图。

图8是本发明系统中通过第二哈特曼传感器测量得到的分光镜透射像差的示意图。

图9是图8中的分光镜透射像差峰谷值随激光辐照时间的变化曲线示意图。

图10是本发明校正系统中第一哈特曼传感器和第二哈特曼传感器处于开环状态下，光束质量评价系统测得的远场光斑示意图。

图11是本发明校正系统中所有哈特曼传感器处于闭环状态下，光束质量评价系统测得的远场光斑的示意图。

图例说明：

1、高能激光器；2、倾斜镜；3、变形镜；4、分光镜；5、光束质量评价系统；6、内光路哈特曼传感器；7、第一哈特曼传感器；8、第二哈特曼传感器；9、第一计算机；10、第二计算机；11、高压放大器。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明为一种基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，它包括高能激光器1、波前校正器、分光镜4、光束质量评价系统5、内光路哈特曼传感器6、第一哈特曼传感器7、第二哈特曼传感器8、数据融合组件和高压放大器11；波前校正器包括倾斜镜2和变形镜3，数据融合组件包括第一计算机9和第二计算机10，高能激光器1发出的高功率激光以小角度依次先后入射至倾斜镜2和变形镜3，然后再以一定角度入射至分光镜4的前表面；其中，一部分能量(绝大部分)被分光镜4反射至光束质量评价系统5中，另一部分能量(极少部分)透射光被内光路哈特曼传感器6接收，用于探测高能激光器1的内部像差。第一哈特曼传感器7和第二哈特曼传感器8呈对称状放于分光镜4的前、后两侧，协同探测分光镜4的透/反像差，并将探测数据实时传送给第一计算机9，第一计算机9完成数据预处理并将数据传递给第二计算机10，第二计算机10将预处理数据与内光路哈特曼传感器6的测量数据融合，进而计算控制电压输出给高压放大器11，从而驱动波前校正器完成全光路像差校正。

本发明采用两台哈特曼传感器同时测量分光镜的反射和透射像差，并采用不依赖于响应矩阵的数据融合方法将分光镜4像差传递给内光路哈特曼传感器6，从而控制波前校正器实现全光路像差校正。这种采用两台哈特曼传感器协同测量分光镜像差的方法，探测光路独立于系统主光路，探测波长的选择不受高能激光器主波长的影响。对于中红外波段高能激光系统而言，这种结构和方法大大拓宽了传感器的选择范围，优势尤其明显。

本发明的全光路像差校正系统在第一哈特曼传感器7、第二哈特曼传感器8不工作的条件下，可通过内光路哈特曼传感器6控制波前校正器实现自适应闭环校正，校正结果受分光镜像差的影响。哈特曼传感器结构布局均不受限制，第一哈特曼传感器7与第二哈特曼传感器8的工作波长相同，但可以不同于高能激光器1的主激光波长和导引光波长。

在具体实施例中，高能激光器1可以采用Corelase公司的O-lase高能激光器，倾斜镜2可以采用中科院光电技术研究所研制的型号TM-200803的倾斜镜，变形镜3可以采用中科院光电技术研究所研制的型号DM-PZT-200903的变形镜，光束质量评价系统5可以采用德国APM公司的Cassegrain D200聚焦系统，成像相机可以采用瑞士的photonfocusMV1-D1312-240，内光路哈特曼传感器6可以采用中科院光电技术研究所研制的型号HS-BS-200803的传感器。第一哈特曼传感器7和第二哈特曼传感器8可以采用中科院光电技术研究所研制的型号HS-KD-200201，HS-KD-200202的传感器。在其他实施例中，第一计算机9和第二计算机10也可以根据实际需要只采用一套，用来完成数据融合作业。

本发明的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，为采用上述校正系统后的校正方法。它按下列步骤进行：

(1)测量第一哈特曼传感器7、第二哈特曼传感器8相对内光路哈特曼传感器6的子孔径光斑偏移量比例因子；

(2)打开高能激光器1可见导引光源，调整光路，使导引光穿过主光路后被光束质量评价系统接收，使两台哈特曼传感器分别位于分光镜4的前后两侧；

(3)标定内光路哈特曼传感器6、第一哈特曼传感器7、第二哈特曼传感器8；

(4)测量内光路哈特曼传感器6与波前校正器之间的响应矩阵，计算波前重构矩阵R；

(5)打开高能激光器1以及光束质量评价系统5，第一哈特曼传感器7、第二哈特曼传感器8测量分光镜像差并传递给第一计算机9，第一计算机9将数据进行预处理后传递给第二计算机10；

(6)内光路哈特曼传感器6测量主光路像差并将数据传递给第二计算机10，第二计算机10将该数据与第一计算机9传递的数据融合，根据步骤(3)中得到的波前重构矩阵计算控制电压信号并输出给高压放大器11；

(7)高压放大器11驱动波前校正器(变形镜3和倾斜镜2)完成闭环校正；

(8)光束质量评价系统5对系统终端光束质量进行评价。

如图5所示，在具体实施例中，上述方法的具体步骤可以具体分为以下三个大步骤：

第一步：标定环节。

在本发明中，采用标定偏移量比例因子的方式来确定不同结构布局哈特曼之间光斑偏移量的对应关系。方法如下：内光路哈特曼传感器6采用自准直方式测量倾斜镜2，在倾斜镜2不加载电压的条件下进行标定，向倾斜镜2加载X方向控制电压Vx。内光路哈特曼传感器6测量倾斜镜2的面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在X方向的平均偏移量dx，并取100帧平均得到

清除X向电压，向倾斜镜2加载Y方向控制电压Vy。内光路哈特曼传感器6测量倾斜镜2的面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在Y方向的平均偏移量dy，并取100帧平均得到

分别更换内光路哈特曼传感器6为第一哈特曼传感器7、第二哈特曼传感器8，重复上述步骤，分别记录光点偏移量

计算第一哈特曼传感器7、第二哈特曼传感器8相对内光路哈特曼传感器6的X向和Y向偏移量比例因子： $\mathrm{\β}{x}_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dx}}_1}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dx}},$ $\mathrm{\β}{y}_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dy}}_1}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dy}},$ $\mathrm{\β}{x}_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dx}}_2}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dx}},$ $\mathrm{\β}{y}_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dy}}_2}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dy}}.$

在本发明中，为了精确测量分光镜4的像差对光束质量的影响，各哈特曼的标定方式和顺序都有所不同，在具体实施例中，可以采用如图2所示的流程。先按照图1所示的系统结构框图完成整个光路的调整，确定好光路中各个光学器件的相对位置。再将分光镜4替换成标准平面反射镜(如果二者的外形尺寸基本相当，最好保持镜架固定不动，只更换镜片)，第一哈特曼传感器7采用自准直工作模式，发出与接收系统共光路的探测光束，通过自准直测量标准平面镜的方式标定子孔径光斑零点位置。然后，将标准平面反射镜还原为分光镜4，使第一哈特曼传感器7发出的探测光束垂直入射至分光镜4的前表面，经分光镜4分光后的透射光束被第二哈特曼传感器8接收，第二哈特曼传感器8采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并进行标定；打开高能激光器1内部导引光源，以角度θ入射至分光镜4前表面(θ∈[10°，80°])，经分光镜4分光后的透射光束被内光路哈特曼传感器6接收，内光路哈特曼传感器6采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并标定零点位置。需要注意的是，由于哈特曼的测量精度与标定精度关系很大，在每一次标定之前都要调整探测光强度和传感器内部的可调节中性滤光片，使哈特曼各子孔径内光斑均可见且曝光适度，以确保光斑质心能够被有效提取。

本发明中系统光路调整的关键在于：确定高能激光光束和哈特曼探测光束在分光镜4前表面上的光斑相对位置，如图3所示。当高能激光器1的激光输出窗口为圆形时(区域I所示)，主激光在分光镜4前表面的辐照区域为椭圆形(区域II所示)。该椭圆短轴长度为r1，长轴长度为r2，该椭圆的外接圆如区域III所标识，区域IV代表分光镜的外缘，半径为r3。这样第一哈特曼传感器7发出的圆形探测光束半径需∈[r2，r3]，才能保证热畸变测量范围完整。

在标定结束后，测量哈特曼传感器与波前校正器之间的响应矩阵，计算波前重构矩阵R。

第二步：数据融合。

在图1所示的光路系统中，内光路哈特曼传感器6仅能探测到分光镜4的动态透射畸变。打开高能激光器1以及光束质量评价系统5，第一哈特曼传感器7和第二哈特曼传感器8测量分光镜像差并传递给第一计算机9，并在第一计算机9中完成预处理，方法如下：

(1)第一哈特曼传感器7和第二哈特曼传感器8采集原始点阵数据，根据子孔径光斑零点位置，计算原始点阵在X和Y方向的相对偏移量矩阵Δx和Δy；

(2)在Δx和Δy中截取椭圆区域内数据Δx′和Δy′，设矩阵规模为N×M(M≥N)；

(3)设内光路哈特曼传感器6在半径为r₁的圆内有N×N个子孔径，将上述Δx′和Δy′矩阵进行仿射变换和尺度缩放，得到规模为N×N的新矩阵Δx″和Δy″。

其中，仿射变换和尺度缩放步骤如下：

(3.1)设(x，y)为N×N新矩阵Δx″中的任意一点P，P点从圆域投影到椭圆域后坐标变为(x/cosθ，y)，并“落在”N×M矩阵Δx′中以ABCD四点为角点的方格内，如图4所示；

(3.2)设四个角点的坐标分别为(i，j)、(i+1，j)、(i，j+1)和(i+1，j+1)，对应有效数据分别记为f(A)、f(B)、f(C)和f(D)，设P(x/cosθ，y)点在AB线段和CD线段上的投影点为E和F；

(3.3)采用双线性插值算法进行仿射变换，方法如下：首先根据下列公式计算E和F两点的有效数据值f(E)和f(F)：

f(E)＝(x-i)[f(B)-f(A)]+f(A)

f(F)＝(x-i)[f(D)-f(C)]+f(C)

然后得出P(x，y)点的有效数据值应为：

f(x，y)＝(y-j)[f(F)-f(E)]+f(E)

(3.4)按照(3.1)至(3.3)的步骤，可计算得到新矩阵Δx″中所有点数值，Δy″的计算过程同理。

然后，第一计算机9将预处理数据传递给第二计算机10，并在第二计算机10中与传感器测量数据进行融合，方法如下：

假设第一哈特曼传感器7和第二哈特曼传感器8预处理数据为Δx″₁，Δy″₁和Δx″₂，Δy″₂，内光路哈特曼传感器6自身测得信号为Δx″₀，Δy″₀，根据图1所示的光路传输布局，计算X和Y方向各子孔径光斑的有效偏移量分别为：

ΔX＝Δx″₀+(Δx″₁·βx₁-Δx″₂·βx₂)·cosθ

ΔY＝Δy″₀+(Δy″₁·βy₁-Δy″₂·βy₂)·cosθ

将ΔX和ΔY的矩阵规模从N×N变换为N²×1，变换后：

$\mathrm{\ΔX}=(\mathrm{\Δ}{x}_1,\mathrm{\Δ}{x}_2,...,\mathrm{\Δ}{x}_{N^2})$

$\mathrm{\ΔY}=(\mathrm{\Δ}{y}_1,\mathrm{\Δ}{y}_2,...,\mathrm{\Δ}{y}_{N^2})$

将上两式进一步合并为向量 $\mathrm{\ΔXY}={(\mathrm{\Δ}{x}_1,\mathrm{\Δ}{y}_1,\mathrm{\Δ}{x}_2,\mathrm{\Δ}{y}_2,...,\mathrm{\Δ}{x}_{N^2},\mathrm{\Δ}{y}_{N^2})}^{\′},$ 其中N²为内光路哈特曼传感器6中子孔径数目；

倾斜镜2在X和Y方向的控制电压计算方法如下：

$V_{\mathrm{Tx}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔX}}/(\stackrel{\‾}{\mathrm{dx}}/\mathrm{Vx}),$ $V_{\mathrm{Ty}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔY}}/(\stackrel{\‾}{\mathrm{dy}}/\mathrm{Vy})$

其中，和

分别为向量ΔX和ΔY各元素的平均值。

根据直接斜率控制算法，利用奇异值分解法求出波前重构矩阵R的广义逆R⁺，就可以得到变形镜3电压向量V_L在最小二乘意义下的最小范数解：

V_L＝R⁺·ΔXY·k

其中，L为变形镜3的驱动器个数，k为光斑偏移量到子孔径斜率之间的转换系数。关于直接斜率控制算法具体说明如下：

通常自适应光学系统中并不需要知道波前相位的具体值，只需要得到波前校正器各个驱动器需要的控制电压。当哈特曼传感器与变形镜3、处理机等一起构成自适应光学实时波前补偿系统时，需要从哈特曼的子孔径斜率快速、准确地计算出变形镜3需要的控制电压。

直接斜率波前控制算法是以各个驱动器的控制电压作为波前复原的计算目标，可以根据各个驱动器施加单位电压时对各个子孔径斜率的影响，建立驱动器电压与子孔径斜率之间的关系矩阵，用这个矩阵的逆矩阵就可以直接从斜率测量值求出控制电压，计算量少，准确度高。

设输入信号V_j是加在第j个驱动器上的控制电压，由此产生哈特曼传感器子孔径内的平均波前斜率量为：

$G_x\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j\frac{\underset{S_i}{\∫\∫}\frac{\∂R_j(x,y)}{\∂x}\mathrm{dxdy}}{S_i}=\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j{R}_{\mathrm{xj}}\left(i\right)$ i＝1，2，3，...，N²

$G_y\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j\frac{\underset{S_i}{\∫\∫}\frac{\∂R_j(x,y)}{\∂y}\mathrm{dxdy}}{S_i}=\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{V}_j{R}_{\mathrm{yj}}\left(i\right)$

其中R_j(x，y)为变形镜3第j个驱动器的影响函数，L为驱动器个数，N²为子孔径个数，S_i为子孔径i的归一化面积。控制电压在合适的范围内时，变形镜3的相位校正量与驱动器电压近似线性，并满足迭加原理，子孔径斜率量也与驱动器电压成线性关系，且满足迭加原理。上式写成矩阵表示为：

G＝RV

其中R为变形镜3到哈特曼传感器的斜率响应矩阵，可以通过理论计算求得，但实验测得的斜率响应矩阵更能准确反映系统的真实情况，因此在本发明的具体实施方案中采用实测方法获取响应矩阵R。

设G是需要校正的波前像差斜率测量值，用广义逆可得使斜率余量最小且控制能量也最小的控制电压为：

V＝R⁺G

第三步：自适应闭环校正。

第二计算机10将控制电压信号输出给高压放大器11，高压放大器11分别控制倾斜镜2和变形镜3实施波前畸变闭环补偿，校正效果采用光束质量评价系统5进行评估。光束质量评价系统5通常包括反射热畸变较小的分光镜、反射式聚焦系统和远场光斑传感器构成；通过计算远场光斑在特定范围内的能量百分比分布，评价全光路像差校正效果。

如图6所示，为本发明系统中通过第一哈特曼传感器7测量得到的分光镜反射像差。该像差在整个镜面区域内呈现缓变凸起特征。如图7所示，为该分光镜反射像差峰谷值随激光辐照时间的变化曲线。可以看到，在被高能激光辐照的4秒(第7秒到第11秒)时间内，分光镜反射像差幅值不断上升，随着时间增加上升趋势有所变缓，在第11秒时变形量达到最大1.7μm。在第11秒高能激光器1关闭以后，分光镜像差在与周围环境的热交换过程中逐步减小，经过一段时间后会恢复到平衡状态。

如图8所示，为本发明系统中第二哈特曼传感器8测量得到的分光镜透射像差，该像差的形态与图6中面形呈互补的凹形，主要也是由离焦项构成(系数为负)。如图9所示，为该透射像差峰谷值随激光辐照时间的变化曲线。可以看到，透射像差在激光辐照的4秒时间内也呈明显上升趋势，且曲线的斜率在整个出光过程中没有减小，也就是说透射像差随着激光辐照时间呈线性增长特性。

图10为本发明的校正系统第一哈特曼传感器7和第二哈特曼传感器8开环(不工作)，即系统闭环校正不考虑分光镜4像差影响的情况下，光束质量评价系统5测得的远场光斑。图11为本发明的校正系统所有哈特曼传感器闭环工作，即第一哈特曼传感器7和第二哈特曼传感器8探测分光镜4像差，并通过数据融合将该像差传递至内光路哈特曼传感器6，从而控制校正器实施全光路像差闭环校正情况下，光束质量评价系统5测得的远场光斑。从两组光斑的对比可以看出，分光镜像差对系统输出光束质量影响较大，当对分光镜像差进行实时测量并校正的情况下，系统输出激光光束质量得到明显提升，光强最大值从2000提高到8000。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，其特征在于：它包括高能激光器(1)、波前校正器、分光镜(4)、光束质量评价系统(5)、内光路哈特曼传感器(6)、第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)、数据融合组件和高压放大器(11)；所述波前校正器包括倾斜镜(2)和变形镜(3)，所述高能激光器(1)发出的高功率激光依次先后入射至倾斜镜(2)和变形镜(3)，再以一定角度入射至分光镜(4)的前表面，其中一部分能量被分光镜(4)反射至光束质量评价系统(5)中，另一部分能量透射光被内光路哈特曼传感器(6)接收并用于探测高能激光器(1)的内部像差；所述第一哈特曼传感器(7)和第二哈特曼传感器(8)置于分光镜(4)的前、后两侧并用于协同探测分光镜(4)的透射和反射像差，探测数据实时传送给数据融合组件，所述数据融合组件完成数据预处理后与内光路哈特曼传感器(6)的测量数据融合进而计算控制电压输出给高压放大器(11)，从而驱动波前校正器完成全光路像差校正。

2.根据权利要求1所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，其特征在于：所述数据融合组件包括第一计算机(9)和第二计算机(10)，所述第一哈特曼传感器(7)和第二哈特曼传感器(8)探测的数据传送给第一计算机(9)，所述第一计算机(9)完成数据预处理并将数据传递给第二计算机(10)，所述第二计算机(10)用于将预处理数据与内光路哈特曼测量数据融合。

3.根据权利要求1所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，其特征在于：所述第一哈特曼传感器(7)与第二哈特曼传感器(8)的工作波长相同。

4.根据权利要求1所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，其特征在于：所述第一哈特曼传感器(7)位于分光镜(4)的前方，采用自准直工作模式；所述第二哈特曼传感器(8)位于分光镜(4)后方，采用接收外来信号光工作模式。

5.一种采用权利要求1～4中任意一项所述校正系统的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，步骤为：

(1)、测量第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)相对内光路哈特曼传感器(6)的子孔径光斑偏移量比例因子；

(2)、打开高能激光器(1)可见导引光源，调整光路，使导引光穿过主光路后被光束质量评价系统接收，使两台哈特曼传感器分别位于分光镜(4)的前后两侧；

(3)、标定内光路哈特曼传感器(6)、第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)；

(4)、测量内光路哈特曼传感器(6)与波前校正器之间的响应矩阵，计算波前重构矩阵R；

(5)、打开高能激光器(1)以及光束质量评价系统(5)，所述第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)测量分光镜像差并传递给数据融合组件，所述数据融合组件完成数据预处理后与内光路哈特曼传感器(6)的测量数据融合进而计算控制电压输出给高压放大器(11)；

(6)所述高压放大器(11)驱动波前校正器完成闭环校正；

(7)所述光束质量评价系统(5)对系统终端光束质量进行评价。

6.根据权利要求5所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，所述步骤(1)中子孔径光斑偏移量比例因子的测量步骤为：

(1.1)内光路哈特曼传感器(6)采用自准直方式测量倾斜镜，在倾斜镜(2)不加载电压的条件下进行标定；

(1.2)向倾斜镜(2)加载X方向控制电压Vx；

(1.3)内光路哈特曼传感器(6)测量倾斜镜面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在X方向的平均偏移量dx，并取100帧平均得到X方向的多帧平均偏移量

(1.4)清除X向电压Vx，向倾斜镜加载Y方向控制电压Vy；

(1.5)内光路哈特曼传感器(6)测量倾斜镜面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在Y方向的平均偏移量dy，并取100帧平均得到Y方向的多帧平均偏移量

(1.6)分别更换内光路哈特曼传感器(6)为第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)，重复步骤(1.1)到(1.5)，分别记录光点偏移量

(1.7)计算第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)相对内光路哈特曼传感器(6)的X向和Y向偏移量比例因子： $\mathrm{\β}{x}_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dx}}_1}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dx}},$ $\mathrm{\β}{y}_1=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dy}}_1}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dy}},$ $\mathrm{\β}{x}_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dx}}_2}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dx}},$ $\mathrm{\β}{y}_2=\stackrel{\‾}{{\mathrm{dy}}_2}/\stackrel{\‾}{\mathrm{dy}}.$

7.根据权利要求5所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体流程为：

(3.1)第一哈特曼传感器(7)采用自准直工作模式，发出与接收系统共光路的探测光束，通过自准直测量标准平面镜的方式标定子孔径光斑零点位置；

(3.2)第一哈特曼传感器(7)发出的探测光束垂直入射至分光镜(4)的前表面，经分光镜(4)分光后的透射光束被第二哈特曼传感器(8)接收，第二哈特曼传感器(8)采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并标定子孔径光斑零点位置；

(3.3)打开高能激光器(1)内部的导引光源，使其以角度θ入射至分光镜(4)的前表面；经分光镜(4)分光后的透射光束被内光路哈特曼传感器(6)接收，所述内光路哈特曼传感器(6)采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并进行标定。

8.根据权利要求5所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，所述步骤(5)中的预处理过程为：

(5.1)第一哈特曼传感器(7)和第二哈特曼传感器(8)采集原始点阵数据，根据步骤(3)中确定的子孔径光斑零点位置，计算原始点阵在X和Y方向的相对偏移量矩阵Δx和Δy；

(5.2)设高能激光器(1)出口为半径为r₁的圆形，则高能激光以角度θ入射至分光镜(4)表面产生的投影为一个短轴为r₁、长轴为r₂的椭圆，其中r₂＝r₁/cosθ，在Δx和Δy中截取椭圆区域内数据Δx′和Δy′，设矩阵规模为N×M(M≥N)；

(5.3)设内光路哈特曼传感器(6)在半径为r₁的圆内有N×N个子孔径，将上述Δx′和Δy′矩阵进行仿射变换和尺度缩放，得到规模为N×N的新矩阵Δx″和Δy″。

9.根据权利要求8所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，所述步骤(5.3)中的仿射变换和尺度缩放步骤如下：

(5.3.1)设(x，y)为N×N新矩阵Δx″中的任意一点P，P点从圆域投影到椭圆域后坐标变为(x/cosθ，y)，并“落在”N×M矩阵Δx′中以ABCD四点为角点的方格内；

(5.3.2)设四个角点的坐标分别为(i，j)、(i+1，j)、(i，j+1)和(i+1，j+1)，对应有效数据分别记为f(A)、f(B)、f(C)和f(D)，设P(x/cosθ，y)点在AB线段和CD线段上的投影点为E和F；

(5.3.3)采用双线性插值算法进行仿射变换，方法如下：首先根据下列公式计算E和F两点的有效数据值f(E)和f(F)：

f(E)＝(x-i)[f(B)-f(A)]+f(A)

f(F)＝(x-i)[f(D)-f(C)]+f(C)

然后得出P(x，y)点的有效数据值应为：

f(x，y)＝(y-j)[f(F)-f(E)]+f(E)；

(5.3.4)按照(5.3.1)至(5.3.3)步骤，可计算得到新矩阵Δx″中所有点数值，Δy″的计算过程同理。

10.根据权利要求5所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，所述步骤(5)中的数据融合方法和电压信号计算方法为：

(5.4)设得到的第一哈特曼传感器(7)和第二哈特曼传感器(8)预处理数据为Δx″₁，Δy″₁和Δx″₂，Δy″₂，内光路哈特曼传感器(6)自身测得信号为Δx″₀，Δy″₀，根据光路传输布局，计算X和Y方向各子孔径光斑的有效偏移量分别为ΔX和ΔY：

ΔX＝Δx″₀(Δx″₁·βx₁-Δx″₂·βx₂)·cosθ

ΔY＝Δy″₀+(Δy″₁·βy₁-Δy″₂·βy₂)·cosθ

(5.5)将ΔX和ΔY的矩阵规模从N×N变换为N²×1，变换后：

$\mathrm{\ΔX}=(\mathrm{\Δ}{x}_1,\mathrm{\Δ}{x}_2,...,\mathrm{\Δ}{x}_{N^2})$

$\mathrm{\ΔY}=(\mathrm{\Δ}{y}_1,\mathrm{\Δ}{y}_2,...,\mathrm{\Δ}{y}_{N^2})$

将上两式进一步合并为向量 $\mathrm{\ΔXY}={(\mathrm{\Δ}{x}_1,\mathrm{\Δ}{y}_1,\mathrm{\Δ}{x}_2,\mathrm{\Δ}{y}_2,...,\mathrm{\Δ}{x}_{N^2},\mathrm{\Δ}{y}_{N^2})}^{\′},$ 其中N₂为内光路哈特曼子孔径数目；

(5.6)倾斜镜(2)在X和Y方向的控制电压计算方法如下：

$V_{\mathrm{Tx}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔX}}/(\stackrel{\‾}{\mathrm{dx}}/\mathrm{Vx}),V_{\mathrm{Ty}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔY}}/(\stackrel{\‾}{\mathrm{dy}}/\mathrm{Vy})$

其中，

和

分别为向量ΔX和ΔY各元素的平均值；

(5.7)根据直接斜率控制算法，利用奇异值分解法求出波前重构矩阵R的广义逆R⁺，就可以得到电压向量V_L在最小二乘意义下的最小范数解：

V_L＝R⁺·ΔXY·k

其中，L为变形镜(3)的驱动器个数，k为光斑偏移量到子孔径斜率之间的转换系数。

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