CN106996833B - 一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统 - Google Patents

一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多探测器时序拼接的高帧频探测系统，由接受望远镜，波前探测器和转镜装置组成；通过转镜装置，将信标光先后导入两个或多个波前探测器，当一个波前探测器曝光完成后，正在进行数据读出时，下一个波前探测器开始曝光信标光，实现两个或多个波前探测器对信标光连续拼接曝光和读出；该系统最终达到提升波前探测器采样频率的目的；本发明提出的多探测器时序拼接高帧频探测系统，实现了对信标光连续曝光，减少了自适应光学系统在光子探测时的时间延迟。

Description

一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统
技术领域
本发明为一种自适应光学波前探测装置，特别涉及一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统，适合对系统采样频率要求较高的自适应光学系统中。
背景技术
自适应光学(Adaptive Optics,AO)技术能够实时测量并且校正收到大气湍流扰动的光学相位波前，从而在天文观测、激光传输等领域得到广泛应用。在描述大气湍流的所有参数中，与自适应光学系统设计和性能直接相关的参数主要是大气相干长度、大气湍流相干时间和大气等晕角。其中：大气湍流相干时间决定了自适应光学系统进行有效校正所需的时间带宽。
自适应光学系统对大气湍流波前扰动的时域补偿效果与湍流功率谱转折频率、系统时间延迟和系统闭环带宽有关，在系统时间延迟和系统闭环带宽相同的情况下，湍流功率谱转折频率越小，系统补偿效果越好。这是由于湍流功率谱转折频率与风速和系统观测口径有关，对于一定的观测系统口径，风速越小，湍流功率谱转折频率就越小，为了达到相同的校正效果系统所需要的时间带宽也越小的缘故；而风速与大气湍流相干时间相关，站址条件越好，大气湍流相干时间越长；我国最优秀的站址通常相干时间也只有国外典型站址大气相干时间的1/2左右，因而对系统时间延迟有更高的要求。
在湍流功率谱转折频率，系统闭环带宽相同的情况下，系统时间延迟越小，补偿效果越好。这是因为在相同的闭环带宽情况下，时间延迟越小，系统对大气湍流波前扰动的有效校正带宽越宽，所以系统对大气湍流波前扰动的抑制越强，系统补偿效果越好；目前国内外的探测器大多使用高帧频的帧转移CCD，CCD一帧正在读出时，已经进行下一帧的曝光，但是具有传输拖尾现象。
发明内容
本发明的技术解决问题是：自适应光学系统的波前探测器对连续的信标光进行采样时，由于受探测器CCD的限制，曝光的频率有限，同时CCD曝光后读出数据时存在连续信标光能量浪费的问题。本发明解决的是利用低采样频率的两个或者多个CCD探测器组合，而实现对大气湍流的高频率采样(>2000Hz)，高效的利用信标光能量，避免由于离散采样造成的光能损失。针对上述问题，发明一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统，利用转镜装置使多个波前探测器对信标光进行连续采样，从而提高系统的采样频率。
本发明的技术解决方案是：一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统，包括接受望远镜，望远镜次镜、变形反射镜，反射镜转动装置，波前探测系统，波前控制系统，其特征在于：信标光束经接收望远镜，通过变形反射镜，然后由反射镜转动装置反射进入其中一个波前探测系统，波前探测系统中的CCD探测器完成对信标光曝光时，反射镜转动装置立即转动一个特定的角度，将信标光束反射进入另外一个波前探测系统，在前一个CCD探测器将曝光积累的电荷进行转移和数据读出时，后一个波前探测系统中的CCD探测器对信标光进行曝光，CCD探测器和CCD探测器曝光读出的信号先后送入波前控制器，并控制变形反射镜补偿波前像差，使得对大气湍流的采样频率提升2倍，从而有效的降低大气湍流时间误差的影响；
更进一步的，一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统，其特征在于：系统中的反射镜转动装置可以是摆镜或者是高速多面旋转棱镜(如m面镜)，对应的波前探测系统可以是两个，也可以是n个波前探测系统(n≤m可以等于任意自然数)，从而实现对大气湍流的采样频率提升n倍。
更进一步的，系统中的反射镜转动装置可以是摆镜或者是高速多面旋转棱镜；反射镜转动装置首先经过开环控制转动特定的角度，转动前后的光束都准确的进入安置好的波前探测系统和波前探测系统，使光斑在CCD探测器和CCD探测器的正中心；由于波前探测系统和波前探测系统具有探测和计算波前倾斜的能力，同时通过波前探测系统和波前探测系统的反馈，闭环控制反射镜转动装置的电机速度和摆镜角度，实现反射镜转动装置对光路稳定、快速的切换；
更进一步的，以双CCD时序拼接为例，两个CCD探测器的曝光时间为a，电荷转移和读出时间为b，一般情况曝光时间小于读出时间，即a<b，当其中一个CCD探测器曝光a时间后，触发反射镜转动装置迅速转动一个角度(时间可忽略不计)，使光束进入另外一个CCD探测器，在前一个CCD探测器将曝光积累的电荷进行转移和数据读出的时间b内，这一个CCD探测器对信标光进行曝光，时间为a，实现整个波前探测系统的采样帧频为1/a，而使用一个波前探测器的采样频率1/(a+b)。
更进一步的，波前探测系统可以是哈特曼波前传感器、棱锥波前传感器、曲率波前传感器、剪切干涉波前传感器。
本发明与现有技术相比的优点是：
(1)减少系统时间延迟；
(2)提高系统对大气湍流波前扰动的有效校正带宽；
(3)系统结构紧凑，适用范围广，容易实现。
综上所述，本发明通过反射镜转换装置，实现两个或者多个探测器时序拼接，实现对受大气湍流扰动波前高帧频探测，减少系统时间延迟，提高系统对大气湍流波前扰动的有效校正带宽；并且系统结构紧凑，使用多个传统CCD进行时序拼接，可以有效抑制帧转移CCD传输拖尾现象。
附图说明
图1为本发明装置的组成及原理示意图；
图2为双CCD探测器曝光和读出时序图；
图3为针对具体实例，双CCD探测器曝光和读出时序图；
图4为多波前探测器装置的组成及原理示意图；
图5为多波前探测器曝光和读出时序图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明包括接受望远镜1，望远镜次镜2、变形反射镜3，反射镜转动装置4，第一波前探测系统5、第二波前探测系统9，波前控制系统8，信标光束经接收望远镜1，通过变形反射镜3，然后由反射镜转动装置4反射进入其中第一个波前探测系统5，第一波前探测系统5中的CCD探测器6完成对信标光曝光时，反射镜转动装置4立即转动一个特定的角度，将信标光束反射进入另外第二个波前探测系统9，在前一个CCD探测器6将曝光积累的电荷进行转移和数据读出时，第二个波前探测系统9中的CCD探测器7对信标光进行曝光，CCD探测器6和CCD探测器7曝光读出的信号先后送入波前控制器8，并控制变形反射镜3补偿波前像差，使得对大气湍流的采样频率提升2倍，从而有效的降低大气湍流时间误差的影响。
双CCD探测器曝光和读出时序如图2所示：以双CCD时序拼接为例，两个CCD探测器的曝光时间为a，电荷转移和读出时间为b，保证一个CCD读出后曝光时有光束进入，即a<b，当其中一个CCD探测器6曝光a时间后，触发反射镜转动装置迅速转动一个角度时间可忽略不计，使光束进入第二个CCD7，在第一个CCD探测器6将曝光积累的电荷进行转移和数据读出的时间b内，对信标光进行曝光，时间为a，实现整个波前探测系统的采样帧频为1/a，而使用一个波前探测器的采样频率1/a+b。
假设CCD曝光和读出时间都为500us，反射镜转动装置转到的时间忽略不计，双CCD曝光的时序如图3所示：当其中一个CCD探测器6曝光500us时间后，触发反射镜转动装置迅速转动一个角度时间可忽略不计，使光束进入另外一个CCD7，在前一个CCD探测器6将曝光积累的电荷进行转移和数据读出的时间500us内，对信标光进行曝光，时间为500us，实现波前探测系统的采样帧频为2000Hz，而使用一个波前探测系统的采样帧频为1000Hz。
多CCD探测器装置的组成及原理示意图如图4所示，信标光经过接受望远镜，由转镜装置4反射进入其中第一波前探测系统5，第一波前探测系统5对信标光曝光时，反射镜立即转动一个角度，将信标光束反射进入第二波前探测系统9，在第一波前探测系统5将曝光积累的电荷进行转移和读出时，波前探测系统9对信标光进行曝光；当第一波前探测系统5和第二波前探测器9正在进行曝光或者数据读出时，转镜装置4再转动的使信标光反射进入第三波前探测系统10，并且第三波前探测系统10对信标光进行曝光；实现多个波前探测器对信标光进行连续曝光和读出。
多波前探测器曝光和读出时序如图5所示：以三个波前探测器时序拼接位列，三个波前探测器的曝光时间为a，电荷转移和读出时间为b，曝光时间小于读出时间，即a<b，当其中第一波前探测器5曝光a时间后，触发反射镜转动装置4迅速转动一个角度时间可忽略不计，使光束进入第二波前探测器9，第一波前探测器5将曝光积累的电荷进行转移和数据读出的时间b内，第二波前探测器9对信标光进行曝光，时间为a；第二波前探测9完成对信标光曝光，同时第一波前探测器5正在信号读出时，反射镜转动装置4将信标光反射进入第三波前探测器10；实现多个波前探测对信标光的连续曝光和读出，整个波前探测系统的采样频率为1/a。
上述是二个，三个探测器，更多的原理与上述相同。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统，其特征在于：包括接受望远镜(1)、望远镜次镜(2)、用于校正波前畸变的变形反射镜(3)、具有能快速和稳定切换光路功能的反射镜转动装置(4)、波前控制系统(8)、第一波前探测系统(5)和第二波前探测系统(9)；信标光束经接收望远镜(1)，通过变形反射镜(3)，然后由反射镜转动装置(4)反射进入第一波前探测系统(5)，第一波前探测系统(5)中的第一CCD探测器(6)完成对信标光曝光时，反射镜转动装置(4)立即转动45°，将信标光束反射进入第二波前探测系统(9)，在第一波前探测系统(5)中的第一CCD探测器(6)将曝光积累的电荷进行转移和数据读出时，第二波前探测系统(9)中的第二CCD探测器(7)对信标光进行曝光，第一CCD探测器(6)和第二CCD探测器(7)曝光读出的信号先后送入波前控制器(8)，波前控制器(8)并控制变形反射镜(3)补偿波前像差，实现2个波前探测器对信标光进行连续曝光和读出；第一波前探测系统(5)和第二波前探测系统(9)总的采样时间变为一波前探测系统采样时间的一半，使得对大气湍流的采样频率提升2倍，从而有效降低大气湍流时间误差的影响。
2.根据权利要求1所述的一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统，其特征在于：包括n个波前探测系统，其中n为大于等于2的自然数，使得对大气湍流的采样频率提升n倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统，其特征在于：所述反射镜转动装置(4)是摆镜或者是m面旋转棱镜，m为大于等于2的自然数，对应的波前探测系统为n个，2≤n≤m可以等于任意自然数，从而实现对大气湍流的采样频率提升n倍。
4.根据权利要求1所述的一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统，其特征在于：所述反射镜转动装置(4)首先经过开环控制转动45°，转动前后的光束都准确的进入安置好的第一波前探测系统(5)和第二波前探测系统(9)，使光斑在第一CCD探测器(6)和第二CCD探测器(7)的正中心；由于第一波前探测系统(5)和第二波前探测系统(9)具有探测和计算波前倾斜的能力，同时通过第一波前探测系统(5)和第二波前探测系统(9)的反馈，闭环控制反射镜转动装置(4)的电机速度和摆镜角度，实现反射镜转动装置对光路稳定、快速的切换。
5.根据权利要求1所述的一种基于多探测器时序拼接的高频探测系统，其特征在于：所述第一波前探测系统(5)和第二波前探测系统(9)为哈特曼波前传感器、棱锥波前传感器、曲率波前传感器或剪切干涉波前传感器。
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