CN105203213B - 一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，当选择高阶波前传感器与波前校正器组成高阶自适应光学系统时，使用直接斜率波前复原矩阵R0乘以高阶波前传感器测得的波前斜率s0得到复原电压v；当选择低阶波前传感器与波前校正器组成低阶自适应光学系统时，计算复原电压v有以下步骤：(1)利用低阶自适应光学系统的模式重构矩阵W1乘以低阶波前传感器测得的波前斜率误差s1得到波前误差系数a1；(2)利用高阶自适应光学系统的模式响应矩阵M0乘以a1得到高阶波前传感器在模式系数为a1的像差下对应的波前斜率s2；(3)利用直接斜率波前复原矩阵R0乘以波前斜率s2得到复原电压v。本发明可以有效防止波前校正器产生低阶波前传感器无法探测的高阶像差，提升系统的稳定性和闭环精度。
Description
技术领域
本发明涉及自适应光学技术领域，特别是一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法。
背景技术
自适应光学系统的波前校正能力受到波前传感器测量误差的影响。由于大气湍流波前畸变在空间频率域分布广泛，波前传感器的空间采样率越高，重构出的波前畸变越接近实际。然而，在对扩展目标进行观测时，受到信标(比如黑子或米粒)对比度的影响，空间采样率越高，则子孔径越小，子孔径内图像的对比度越低，波前斜率测量误差越大；在对点源目标进行观测时，空间采样率越高，则子孔径内的信号光越弱，波前斜率的测量噪声越大。因此，根据大气湍流强弱和信标的对比度与亮度选择合适的空间采样率可以有效减小自适应光学系统的测量误差，提升自适应光学系统的波前校正能力。
针对太阳观测中自适应光学系统空间采样率受限的问题，饶长辉等提出一种基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统(饶长辉等，基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，中国发明专利，2015)。该波前传感器拥有两套微透镜阵列，能够根据不同强度的大气湍流和不同的探测信标，选择相应子孔径数的微透镜阵列进行波前探测与校正；当大气湍流较弱时，使用太阳米粒组织作为探测信标，选择子孔径较少的微透镜阵列像进行波前探测，当大气湍流较强时，使用太阳黑子作为探测信标，此时选择子孔径数较多的微透镜阵列像进行波前探测。在基于四棱锥波前传感器的自适应光学系统中，可以根据观测目标的亮度，对传感器相机的像素进行合并与拆分，从而增加或降低子孔径的数目：当湍流较弱或观测目标较暗时，可以对传感器相机像素进行合并，降低传感器的空间采样率，提升传感器的信噪比；当湍流较强或观测目标较亮时，可以将合并的像素进行拆分，提高传感器的空间采样率。
在复合波前传感自适应光学系统中，使用了高空间采样频率传感器(这里称之为高阶传感器)与低空间采样频率传感器(这里称之为低阶传感器)两套传感器，一套与高阶传感器空间采样率匹配的波前校正器。一般而言，波前校正器的驱动器单元数目na与高阶传感器的子孔径数目nh相当，而高阶传感器的子孔径斜率数目2nh大于na，因此在高阶传感器与波前校正器搭配工作时，通过2nh数目的子孔径斜率计算自适应光学系统复原电压的方程存在最小二乘解(Jiang Wenhan,Li Huagui,Hartmann-Shack wavefront sensingand wavefront control algorithm,SPIE,1990,1271:8293)。但是在低阶传感器与波前校正器搭配工作时，通常波前校正器的驱动器单元数目na不仅大于低阶传感器的子孔径数目nl，甚至还大于低阶传感器的子孔径斜率数目2nl。这就导致计算复原电压的方程存在欠定问题，即存在多解的情况。如果随意地选择一个解，则可能导致波前校正器在校正低阶像差时产生低阶传感器无法探测的高阶波前。这个高阶波前在闭环过程中会逐渐积累，导致闭环波前残差变大，甚至不稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出了一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，可以克服复合波前传感自适应光学系统中低阶传感器子孔径数目与变形镜驱动器数目不匹配导致的校正电压欠定的问题，有效防止波前校正器产生低阶波前传感器无法探测的高阶像差，提升系统的稳定性和闭环精度。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，当选择高阶波前传感器与波前校正器组成高阶自适应光学系统时，使用直接斜率波前复原矩阵R0乘以高阶波前传感器测得的波前斜率s0得到复原电压v；当选择低阶波前传感器与波前校正器组成低阶自适应光学系统时，计算复原电压v有以下步骤：
步骤(1)、利用低阶自适应光学系统的模式重构矩阵W1乘以低阶波前传感器测得的波前斜率误差s1得到波前误差系数a1；
步骤(2)、利用高阶自适应光学系统的模式响应矩阵M0乘以a1得到高阶波前传感器在模式系数为a1的像差下对应的波前斜率s2；
步骤(3)、利用直接斜率波前复原矩阵R0乘以波前斜率s2得到复原电压v。
其中，所述的复合波前传感自适应光学系统包括光源1、准直透镜2、波前校正器3、反射镜4、光学匹配镜5、复合型夏克-哈特曼波前传感器6以及波前控制器7；其中，准直透镜2将光源1过来的光准直成合适的口径；准直后的光经波前校正器3校正波前后，再经反射镜4导入光学匹配镜5；光学匹配镜5将入射光束缩束成符合后端光学系统要求的口径；缩束后的光束进入复合型夏克-哈特曼波前传感器6；波前控制器7根据复合型夏克-哈特曼波前传感器6获得的波前信息进行处理，控制波前校正器3对波前像差进行实时校正。
其中，所述的复合型波前传感器同时拥有空间采样率低的低阶波前传感器8与空间采样率高的高阶波前传感器9，可以根据不同强度的大气湍流和不同的探测信标，选择相应的传感器进行波前探测与校正；当大气湍流弱、探测目标暗或对比度低时，选择子孔径较少的低阶波前传感器8进行波前探测；当大气湍流强、探测目标亮或对比度高时，选择子孔径较多的高阶波前传感器9进行波前探测。
其中，所述的模式响应矩阵中的每列数据可以通过计算各阶模式像差在波前传感器各子孔径中的平均波前斜率响应获取。
其中，所述的模式重构矩阵可以根据模式响应矩阵求广义逆矩阵获取。
本发明与现有技术相比有如下优点：
本发明可以克服复合波前传感自适应光学系统中低阶传感器子孔径数目与变形镜驱动器数目不匹配导致的校正电压欠定的问题，有效防止波前校正器产生低阶波前传感器无法探测的高阶像差，提升系统的稳定性和闭环精度。
附图说明
图1为基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统示意图。
图2为复合型夏克-哈特曼波前传感器示意图。
图3为102单元高阶波前传感器子孔径与127单元变形镜驱动器布局图。
图4为30单元低阶波前传感器与子孔径127单元变形镜驱动器布局图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，当选择高阶波前传感器与波前校正器组成高阶自适应光学系统时，使用直接斜率波前复原矩阵R0乘以高阶波前传感器测得的波前斜率s0得到复原电压v；当选择低阶波前传感器与波前校正器组成低阶自适应光学系统时，计算复原电压v有以下步骤：
步骤(1)、利用低阶自适应光学系统的模式重构矩阵W1乘以低阶波前传感器测得的波前斜率误差s1得到波前误差系数a1；
步骤(2)、利用高阶自适应光学系统的模式响应矩阵M0乘以a1得到高阶波前传感器在模式系数为a1的像差下对应的波前斜率s2；
步骤(3)、利用直接斜率波前复原矩阵R0乘以波前斜率s2得到复原电压v。
所述的一种复合传感器自适应光学系统的一种具体实施方式如图1所示：一种基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，包括光源1、准直透镜2、波前校正器3、反射镜4、光学匹配镜5、复合型夏克-哈特曼波前传感器6以及波前控制器7；其中，准直透镜2将光源1过来的光准直成合适的口径；准直后的光经波前校正器3校正波前后，再经反射镜4导入光学匹配镜5；光学匹配镜5将入射光束缩束成符合后端光学系统要求的口径；缩束后的光束进入复合型夏克-哈特曼波前传感器6；波前控制器7复合型夏克-哈特曼波前传感器6获得的波前信息进行处理，并控制波前校正器3对波前像差进行实时校正。
所述的一种复合型夏克-哈特曼波前传感器如图2所示，包括分光镜8、反射镜9、第一微透镜阵列10、第二微透镜阵列11、第一匹配系统12、第二匹配系统13和探测相机14；其中，入射光由分光镜8分为两束，其中一束进入第一微透镜阵列10，经第一匹配系统12后成像在探测相机14上；另一束光经反射镜9导入第二微透镜阵列11，经第二匹配系统13后成像在探测相机14上。
所述的高阶波前传感器由第一微透镜阵列10、第一匹配系统12和探测相机14组成；高阶波前传感器的102单元子孔径排布与波前校正器3的127单元驱动器间的布局关系如图3所示；所述的低阶波前传感器由第二微透镜阵列11、第二匹配系统13和探测相机14组成；低阶波前传感器30单元子孔径排布与波前校正器3的127单元驱动器间的布局关系如图4所示。在实际观测时，可以根据不同强度的大气湍流和不同的探测信标，选择相应的波前传感器进行波前探测与校正；例如当大气湍流弱、探测目标暗或对比度低时，选择30单元波前传感器进行波前探测；当大气湍流强、探测目标亮或对比度高时，选择102单元波前传感器进行波前探测。
所述的模式响应矩阵中的每列数据可以通过计算各阶模式像差在波前传感器各子孔径中的平均波前斜率响应获取。
所述的模式重构矩阵可以根据模式响应矩阵求广义逆矩阵获取。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (5)
1.一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，其特征在于：当选择高阶波前传感器与波前校正器组成高阶自适应光学系统时，使用直接斜率波前复原矩阵R0乘以高阶波前传感器测得的波前斜率s0得到复原电压v；当选择低阶波前传感器与波前校正器组成低阶自适应光学系统时，计算复原电压v有以下步骤：
步骤(1)、利用低阶自适应光学系统的模式重构矩阵W1乘以低阶波前传感器测得的波前斜率误差s1得到波前误差系数a1；
步骤(2)、利用高阶自适应光学系统的模式响应矩阵M0乘以a1得到高阶波前传感器在模式系数为a1的像差下对应的波前斜率s2，
步骤(3)、利用直接斜率波前复原矩阵R0乘以波前斜率s2得到复原电压v。
2.根据权利要求1所述的一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，其特征在于：所述的复合波前传感自适应光学系统包括光源(1)、准直透镜(2)、波前校正器(3)、反射镜(4)、光学匹配镜(5)、复合型波前传感器(6)以及波前控制器(7)；其中，准直透镜(2)将光源(1)过来的光准直成合适的口径；准直后的光经波前校正器(3)校正波前后，再经反射镜(4)导入光学匹配镜(5)；光学匹配镜(5)将入射光束缩束成符合后端光学系统要求的口径；缩束后的光束进入复合型波前传感器(6)；波前控制器(7)根据复合型波前传感器(6)获得的波前信息进行处理，控制波前校正器(3)对波前像差进行实时校正。
3.根据权利要求2所述的一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，其特征在于：所述的复合型波前传感器同时拥有空间采样率低的低阶波前传感器与空间采样率高的高阶波前传感器，可以根据不同强度的大气湍流和不同的探测信标，选择相应的传感器进行波前探测与校正；当大气湍流弱、探测目标暗或对比度低时，选择子孔径较少的低阶波前传感器进行波前探测；当大气湍流强、探测目标亮或对比度高时，选择子孔径较多的高阶波前传感器进行波前探测。
4.根据权利要求1所述的一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，其特征在于：所述的模式响应矩阵中的每列数据可以通过计算各阶模式像差在波前传感器各子孔径中的平均波前斜率响应获取。
5.根据权利要求4所述的一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，其特征在于：所述的模式重构矩阵可以根据所述的模式响应矩阵求广义逆矩阵获取。
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