CN106199939B - 一种基于视场分光的自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视场分光的自适应光学系统，包括中心挖方孔的挖孔镜、两级倾斜反射镜、变形反射镜、多个分光镜、精跟踪传感器、夏克－哈特曼传感器、成像系统和实时控制系统组成，挖孔镜放置在自适应光学系统像面处，当探测目标位置误差大于挖孔镜的中心孔视场时，目标光全部反射进入精跟踪探测器进行跟踪误差探测，由第一级倾斜镜校正倾斜误差，当目标跟踪误差小于孔视场时，目标光全部透过进入夏克－哈特曼传感器和成像系统，用于高阶波前误差探测和成像探测，此时由两级倾斜反射镜并联校正目标的倾斜误差，变形反射镜校正目标光的高阶误差。本发明根据不同的目标跟踪误差采用了不同的分光手段，提高了自适应光学系统对暗弱目标的校正能力。

Description

一种基于视场分光的自适应光学系统

技术领域

本发明涉及自适应光学系统的技术领域，具体涉及一种基于视场分光的自适应光学系统。

背景技术

大型地基天文望远镜通常配备自适应光学系统，以解决大气湍流对波前的扰动使得天体成像质量恶化等问题。为了得到接近衍射极限的分辨率图像，自适应光学系统的校正单元数必须和望远镜的口径相匹配，对于1.8米口径的望远镜，自适应光学系统的校正单元数必须在100单元以上，随着望远镜口径的增加，自适应光学系统的校正单元数也随之剧增。对于采用于夏克－哈特曼传感器进行波前误差探测的自适应光学系统，夏克－哈特曼传感器中子孔径数量通常与校正单元数基本相当，夏克－哈特曼传感器将视场内的目标光均匀分配到各子孔径中，子孔径中目标光与噪声的信噪比必须满足一定的要求才能实现对波前误差的准确探测，因此夏克－哈特曼传感器视场所分配的目标光能量直接决定自适应光学系统的校正能力。

大气波前误差中倾斜分量的比例大约为90％，因此大多数自适应光学系统采用两级跟踪校正系统实现对倾斜误差的大动态高精度校正，传统自适应光学系统采用具有固定分光比的分光镜将目标光分到精跟踪传感器和夏克－哈特曼传感器，精跟踪传感器视场较大，用于对目标的低阶大动态范围倾斜误差进行探测，并控制精跟踪倾斜镜校正这部分误差，夏克－哈特曼传感器视场较小，用于对目标的高阶小动态范围倾斜误差进行探测，并控制高精跟踪倾斜镜校正这部分误差。自适应光学系统将一部分目标光分配给精跟踪传感器，必然减小进入夏克－哈特曼传感器的目标光能量，降低了自适应光学系统的探测能力。中国专利“一种基于双四象限探测器的光学精密跟踪探测器”，专利号CN101672641B，采用中心开孔的全反射镜将大动态范围波面倾斜探测单元和高精度波面倾斜探测单元结合在一起，只需要一路光输入就能实现大动态范围和高精度地探测目标波前，提高了信噪比，简化了系统结构，但是该系统的两个四象限探测器只用于探测目标倾斜误差，仍然没有解决精跟踪传感器和夏克－哈特曼波前传感器需要分光探测的问题。

本发明正是在上述背景下产生的，发明了一种基于视场分光的自适应光学系统，当目标跟踪误差在夏克－哈特曼传感器视场内时，将所有目标光分配给哈特曼视场和成像视场，提高了自适应光学系统的探测能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服常规自适应光学系统对暗弱目标探测能力不足的问题，提供一种基于视场分光的自适应光学系统。本发明通过在系统的望远镜像面处加入一块挖孔镜，有效解决了当目标进入夏克－哈特曼传感器视场后，由于传统固定分光镜技术导致的夏克－哈特曼传感器探测能力降低的难题，通过本发明可以有效提高夏克－哈特曼传感器对暗弱目标的探测能力。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于视场分光的自适应光学系统，包括中心挖方孔的挖孔镜、第一级倾斜反射镜、第二级倾斜反射镜、变形反射镜、分光镜、精跟踪传感器、夏克－哈特曼波前传感器、成像传感器和实时控制系统，挖孔镜放置在自适应光学系统像面处，目标光经过第一级反射镜反射后，进入挖孔镜，当目标在挖孔镜的方孔外时，目标全部反射进入精跟踪传感器，当目标在方孔内时，目标光从挖孔镜的方孔内穿过，进入第二级倾斜镜进行校正，第二级倾斜镜校正后第目标光全部反射进入变形反射镜进行校正，变形反射镜校正的目标光全部反射进入分光镜，目标光经过分光镜后一部分光进入夏克－哈特曼波前传感器，另一部分光进入成像传感器，实时控制系统实时接收精跟踪传感器，夏克－哈特曼传感器，成像传感器输出的图像信号，经过一系列信号处理后，产生控制电压驱动第一级倾斜反射镜，第二级倾斜反射镜，变形反射镜工作，实现目标波前误差校正。

其中，挖孔镜放置在自适应光学系统像面处，对所有波段的光进行全反射，方孔视场与成像视场基本相当，大于或等于夏克－哈特曼波前传感器的视场，当目标光在挖孔镜的方孔视场外时，精跟踪传感器目标分光为100％，成像传感器和夏克－哈特曼波前传感器目标分光为0，当目标光在挖孔镜的方孔视场内时，精跟踪传感器视场内目标分光为0，夏克－哈特曼波前传感器和成像传感器按照探测波段进行分光。

其中，实时控制系统由10个功能模块组成，各模块的功能如下所示：

1)包含精跟踪传感器目标识别模块、成像传感器器目标识别模块和夏克－哈特曼传感器目标识别模块，分别对精跟踪传感器、成像传感器和夏克－哈特曼波前传感器三个传感器视场内的目标识别，并输出目标是否有效信号到目标视场判断模块；

2)包含一个目标视场判断模块对精跟踪传感器目标识别模块、成像传感器目标识别模块和夏克－哈特曼传感器目标识别模块输入的目标是否有效信号进行判断，当夏克－哈特曼传感器目标识别模块输出的值为1时，设置目标位置标志为3，当且仅当成像传感器目标识别模块输出的值为1时，设置目标位置标志为3，当且仅当精跟踪目标识别模块输出的值为1时，设置目标位置标志为1，其他情况下，设置目标位置标志为0,并输出目标位置标志到第一级倾斜镜PID控制模块；

3)包含两个位置误差计算模块分别计算精跟踪传感器和成像传感器视场内的目标位置误差，并输出跟踪位置误差、跟踪目标中心位置、成像位置误差和成像目标中心位置；

4)包含一个波前斜率计算计算夏克－哈特曼传感器的波前斜率；

5)包含一个波前复原计算模块计算波前相位误差；

6)包含一个波前控制计算模块计算变形反射镜控制电压；

7)包含一个整体倾斜分量模块根据波前斜率计算模块计算出的波前斜率向量提取目标在行和列方向的整体倾斜误差；

8)包含一个高低频分频器将整体倾斜误差分离为高频分量和低频分量，高频分量发送到第二级倾斜镜PID控制模块，低频分量发送到第一级倾斜镜PID控制模块；

9)包含一个第一级倾斜镜PID控制模块，控制模块对目标位置标志进行判断，等于1时，采用跟踪位置误差作为误差分量，利用PID控制算法计算第一级倾斜反射镜的控制电压，等于2时，采用成像位置误差作为误差分量与光学系统预设的比例系数相乘后作为第一级倾斜反射镜的控制电压，等于3时，采用低频分量作为误差分量，利用PID控制算法计算第一级倾斜反射镜的控制电压，等于0时，第一级倾斜反射镜的控制电压为0电压；

10)包含一个第二级倾斜镜PID控制模块，控制模块利用高频分量计算第二级倾斜反射镜的控制电压。

其中，实时控制系统中的跟踪传感器目标识别模块和成像传感器器目标识别模块可采用但不局限于目标能量法，边缘梯度法，最低信噪比法进行目标识别；夏克－哈特曼传感器目标识别模块逐次对传感器内所有子孔径图像进行子光斑识别，在进行子光斑识别时可采用但不局限于目标能量法，边缘梯度法，最低信噪比法进行目标识别，如果子光斑存在，则光斑有效计数器加1，如果子光斑不存在，则光斑计数器加0，夏克－哈特曼传感器的所有子孔径遍历完后，判断光斑有效计数器的值，当计数器的值大于系统预先设置的有效数量阈值，则设置夏克－哈特曼传感器视场内目标有效，输出1；当计数器的值小于系统预先设置的有效数量阈值，则设置夏克－哈特曼传感器视场内目标无效，输出0。

本发明的原理：当目标进入夏克－哈特曼波前传感器视场后，此时目标倾斜误差的动态范围较小，主要是高频误差分量起作用，采用挖孔镜的视场分光技术，系统在目标进入夏克－哈特曼视场后，系统只在夏克－哈特曼波前传感器和成像传感器间进行光能分配，从而提高了夏克－哈特曼波前传感器的入射光能，增加了夏克－哈特曼波前传感器对暗弱目标的探测能力。

本发明相对于于现有技术具有如下优点：本发明将常规自适应光学系统放置在望远镜像面处的反射镜替换为挖孔反射镜后，增加了夏克－哈特曼波前传感器的入射光能，提高了整个自适应光学系统对暗弱目标的探测能力。

附图说明

图1为本发明的自适应光学系统原理示意图；

图2为本发明的各传感器视场大小示意图；

图3为本明的实时控制系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示：本发明包括中心挖方孔的挖孔镜①、第一级倾斜反射镜②、第二级倾斜反射镜③、变形反射镜④、分光镜⑤、精跟踪传感器⑥、夏克－哈特曼波前传感器⑦、成像传感器⑧和实时控制系统⑨，挖孔镜①放置在自适应光学系统像面处，目标光经过第一级反射镜②反射后，进入挖孔镜①，当目标在挖孔镜的方孔外时，目标全部反射进入精跟踪传感器⑥，当目标在方孔内时，目标光从挖孔镜的方孔内穿过，进入第二级倾斜镜③进行校正，第二级倾斜镜校正后第目标光全部反射进入变形反射镜④进行校正，变形反射镜校正的目标光全部反射进入分光镜⑤，目标光经过分光镜后一部分光进入夏克－哈特曼波前传感器⑦，另一部分光进入成像传感器⑧，实时控制系统实时接收精跟踪传感器，夏克－哈特曼传感器，成像传感器输出的图像信号，经过一系列信号处理后，产生控制电压驱动第一级倾斜反射镜，第二级倾斜反射镜，变形反射镜工作，实现目标波前误差校正。

图2所示为挖孔镜放置在自适应光学系统像面处后，整个自适应光学系统的视场分布图。精跟踪传感器⑥视场覆盖挖孔镜内虚线方框外的所有视场，当目标光在精跟踪传感器⑥视场内时，精跟踪传感器目标分光为100％，成像传感器和夏克－哈特曼波前传感器目标分光为0；虚线方框内的视场为成像传感器⑧视场，中间最小的方框为夏克－哈特曼波前传感器⑦视场，虚线方框与中心最小方框间的视场只属于成像视场，又叫过渡视场，过渡视场的大小与夏克－哈特曼波前传感器⑦视场相关，当夏克－哈特曼波前传感器⑦视场足够大时，过渡视场将会消失。当目标光在虚线方框内时，精跟踪传感器视场内目标分光为0，夏克－哈特曼波前传感器和成像传感器按照探测波段进行分光。

图3所示是实时控制系统的结构框图，实时控制系统由10个功能模块组成，各模块的功能如下所示：

1)包含精跟踪传感器目标识别模块、成像传感器器目标识别模块和夏克－哈特曼传感器目标识别模块，分别对精跟踪传感器、成像传感器和夏克－哈特曼波前传感器三个传感器视场内的目标识别，并输出目标是否有效信号到目标视场判断模块。

2)包含一个目标视场判断模块对精跟踪传感器目标识别模块、成像传感器目标识别模块和夏克－哈特曼传感器目标识别模块输入的目标是否有效信号进行判断，当夏克－哈特曼传感器目标识别模块输出的值为1时，设置目标位置标志为3，当且仅当成像传感器目标识别模块输出的值为1时，设置目标位置标志为3，当且仅当精跟踪目标识别模块输出的值为1时，设置目标位置标志为1，其他情况下，设置目标位置标志为0,并输出目标位置标志到第一级倾斜镜PID控制模块；

3)包含两个位置误差计算模块分别计算精跟踪传感器和成像传感器视场内的目标位置误差，并输出跟踪位置误差、跟踪目标中心位置、成像位置误差和成像目标中心位置；

4)包含一个波前斜率计算计算夏克－哈特曼传感器的波前斜率；

5)包含一个波前复原计算模块计算波前相位误差；

6)包含一个波前控制计算模块计算变形反射镜控制电压；

7)包含一个整体倾斜分量模块根据波前斜率计算模块计算出的波前斜率向量提取目标在行和列方向的整体倾斜误差；

8)包含一个高低频分频器将整体倾斜误差分离为高频分量和低频分量，高频分量发送到第二级倾斜镜PID控制模块，低频分量发送到第一级倾斜镜PID控制模块；

9)包含一个第一级倾斜镜PID控制模块，控制模块对目标位置标志进行判断，等于1时，采用跟踪位置误差作为误差分量，利用PID控制算法计算第一级倾斜反射镜的控制电压，等于2时，采用成像位置误差作为误差分量与光学系统预设的比例系数相乘后作为第一级倾斜反射镜的控制电压，等于3时，采用低频分量作为误差分量，利用PID控制算法计算第一级倾斜反射镜的控制电压，等于0时，第一级倾斜反射镜的控制电压为0电压；

10)包含一个第二级倾斜镜PID控制模块，控制模块利用高频分量计算第二级倾斜反射镜的控制电压。

实时控制系统的跟踪传感器目标识别模块和成像传感器器目标识别模块可采用但不局限于目标能量法，边缘梯度法，最低信噪比法进行目标识别。本实施例采用目标能量法进行目标识别，即判断整个传感器视场内的目标能量总和：当能量总和大于系统预先设置的能量阈值，则设置视场内目标有效，输出1；当能量总和小于系统预先设置的能量阈值，则设置视场内目标无效，输出0；夏克－哈特曼传感器目标识别模块逐次对传感器内所有子孔径图像进行子光斑识别，在进行子光斑识别时可采用但不局限于目标能量法，边缘梯度法，最低信噪比法进行目标识别，本实施例采用能量法进行子光斑识别，目标识别模块顺序对视场内各子孔径内光斑能量和进行判断，当光斑能量和大于系统预先设置的能量阈值，光斑有效计数器加1；当光斑能量和小于系统预先设置的能量阈值，则设置视场内目标无效，光斑有效计数器加0；夏克－哈特曼传感器的所有子孔径遍历完后，判断光斑有效计数器的值，当计数器的值大于系统预先设置的有效数量阈值，则设置夏克－哈特曼传感器视场内目标有效，输出1；当计数器的值小于系统预先设置的有效数量阈值，则设置夏克－哈特曼传感器视场内目标无效，输出0。

Claims (4)

1.一种基于视场分光的自适应光学系统，其特征在于：包括中心挖方孔的挖孔镜(①)、第一级倾斜反射镜(②)、第二级倾斜反射镜(③)、变形反射镜(④)、分光镜(⑤)、精跟踪传感器(⑥)、夏克－哈特曼波前传感器(⑦)、成像传感器(⑧)和实时控制系统(⑨)，挖孔镜(①)放置在自适应光学系统像面处，目标光经过第一级倾斜反射镜(②)反射后，进入挖孔镜(①)，当目标在挖孔镜的方孔外时，目标全部反射进入精跟踪传感器(⑥)，当目标在方孔内时，目标光从挖孔镜的方孔内穿过，进入第二级倾斜反射镜(③)进行校正，第二级倾斜反射镜校正后第目标光全部反射进入变形反射镜(④)进行校正，变形反射镜校正的目标光全部反射进入分光镜(⑤)进行分束，目标光经过分光镜分束后一部分光进入夏克－哈特曼波前传感器(⑦)，另一部分光进入成像传感器(⑧)，实时控制系统实时接收精跟踪传感器，夏克－哈特曼传感器，成像传感器输出的图像信号，经过一系列信号处理后，产生控制电压驱动第一级倾斜反射镜，第二级倾斜反射镜，变形反射镜工作，实现对目标的波前误差校正。

2.根据权利要求1所述的基于视场分光的自适应光学系统，其特征在于：挖孔镜(①)放置在自适应光学系统像面处，对所有波段的光进行全反射，方孔视场与成像视场基本相当，大于或等于夏克－哈特曼波前传感器(⑦)的视场；当目标光在挖孔镜(①)的方孔视场外时，精跟踪传感器(⑥)目标分光为100％，成像传感器(⑧)和夏克－哈特曼波前传感器(⑦)目标分光为0，当目标光在挖孔镜(①)的方孔视场内时，精跟踪传感器(⑥)视场内目标分光为0，夏克－哈特曼波前传感器(⑦)和成像传感器(⑧)按照探测波段进行分光。

3.根据权利要求1所述的基于视场分光的自适应光学系统，其特征在于：实时控制系统由以下功能模块组成，各模块的功能如下所示：

1)包含精跟踪传感器目标识别模块、成像传感器目标识别模块和夏克－哈特曼传感器目标识别模块，分别对精跟踪传感器(⑥)、成像传感器(⑧)和夏克－哈特曼波前传感器(⑦)三个传感器视场内的目标识别，并输出目标是否有效信号到目标视场判断模块；

2)包含一个目标视场判断模块对精跟踪传感器目标识别模块、成像传感器目标识别模块和夏克－哈特曼传感器目标识别模块输入的目标是否有效信号进行判断，当夏克－哈特曼传感器目标识别模块输出的值为1时，设置目标位置标志为3，当且仅当成像传感器目标识别模块输出的值为1时，设置目标位置标志为2，当且仅当精跟踪目标识别模块输出的值为1时，设置目标位置标志为1，其他情况下，设置目标位置标志为0，并输出目标位置标志到第一级倾斜镜PID控制模块；

3)包含两个位置误差计算模块分别计算精跟踪传感器(⑥)和成像传感器(⑧)视场内的目标位置误差，并输出跟踪位置误差、跟踪目标中心位置、成像位置误差和成像目标中心位置；

4)包含一个波前斜率计算模块计算夏克－哈特曼传感器的波前斜率；

5)包含一个波前复原计算模块计算波前相位误差；

6)包含一个波前控制计算模块计算变形反射镜控制电压；

7)包含一个整体倾斜分量模块根据波前斜率计算模块计算出的波前斜率向量提取目标在行和列方向的整体倾斜误差；

8)包含一个高低频分频器将整体倾斜误差分离为高频分量和低频分量，高频分量发送到第二级倾斜镜PID控制模块，低频分量发送到第一级倾斜镜PID控制模块；

9)包含一个第一级倾斜镜PID控制模块，控制模块对目标位置标志进行判断，等于1时，采用跟踪位置误差作为误差分量，利用PID控制算法计算第一级倾斜反射镜的控制电压，等于2时，采用成像位置误差作为误差分量与光学系统预设的比例系数相乘后作为第一级倾斜反射镜的控制电压，等于3时，采用低频分量作为误差分量，利用PID控制算法计算第一级倾斜反射镜的控制电压，等于0时，第一级倾斜反射镜的控制电压为0电压；

10)包含一个第二级倾斜镜PID控制模块，控制模块利用高频分量计算第二级倾斜反射镜的控制电压。

4.根据权利要求3所述的基于视场分光的自适应光学系统，其特征在于：精跟踪传感器目标识别模块和成像传感器目标识别模块可采用但不局限于目标能量法，边缘梯度法，最低信噪比法进行目标识别；夏克－哈特曼传感器目标识别模块逐次对传感器内所有子孔径图像进行子光斑识别，在进行子光斑识别时可采用但不局限于目标能量法，边缘梯度法，最低信噪比法进行目标识别，如果子光斑存在，则光斑有效计数器加1，如果子光斑不存在，则光斑计数器加0，夏克－哈特曼传感器的所有子孔径遍历完后，判断光斑有效计数器的值，当计数器的值大于系统预先设置的有效数量阈值，则设置夏克－哈特曼传感器视场内目标有效，输出1；当计数器的值小于系统预先设置的有效数量阈值，则设置夏克－哈特曼传感器视场内目标无效，输出0。