CN109932817B - 一种自适应光学模拟动态波前校正装置及其校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应光学模拟动态波前校正装置，包括接收天线，接收天线沿光路依次设置有准直镜、扩束系统和分光棱镜，分光棱镜沿反射光路设置有波前校正器，分光棱镜沿折射光路依次设置有缩束系统和波前传感器，波前校正器连接有计算机，本发明一种自适应光学模拟动态波前校正装置的校正方法，具有适用实用性高的特点。

Description

一种自适应光学模拟动态波前校正装置及其校正方法

技术领域

本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种自适应光学模拟动态波前校正装置，本发明还涉及采用上述装置的一种自适应光学模拟动态波前的校正方法。

背景技术

自适应光学是通过对动态波前误差的实时探测，控制和校正，使光学系统能够自动克服外界扰动，保持系统良好性能，自适应光学系统主要由波前传感器、波前控制器和波前校正器构成，其中，自适应光学系统中控制算法的优劣对系统性能有很大影响。

针对波前测量的自适应光学系统，常用的控制方法为PI控制方法，该控制器具有对阶跃响应稳态无静差的优点，可以满足跟踪的要求，具体参数根据实验的实际情况进行修改；除此之外还有纯积分控制算法，史密斯(Smith)控制算法等，但这些算法仿真需建立精准的数学模型，实际应用中控制参数的设计和调整相对复杂，同时需要兼顾大气湍流强度，探测器噪声大小等工作环境的改变，对外界环境不具有自适应性；因此，随后又提出了自适应控制算法，雅可比迭代算法等多种算法进行波前校正，由于这些算法的复杂性，实时计算量大，对实验器件和系统有较高要求，因此实用性差，在实际系统中未能大范围使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应光学模拟动态波前校正装置，具有实用性高的特点。

本发明的另一个发明目的是提供上述一种自适应光学模拟动态波前的校正方法。

本发明所采用的技术方案是，一种自适应光学模拟动态波前校正装置，其特征在于，包括接收天线，接收天线沿光路依次设置有准直镜、扩束系统和分光棱镜，分光棱镜沿反射光路设置有波前校正器，分光棱镜沿折射光路依次设置有缩束系统和波前传感器，波前校正器连接有计算机。

本发明的特点还在于：

扩束系统包括平凸透镜L1和凸平透镜L2，所平凸述透镜L1和凸平透镜L2同轴设置，平凸透镜L1的直径尺寸小于凸平透镜L2，平凸透镜L1位于靠近接受天线处。

缩束系统包括平凸透镜L3和凸平透镜L4，平凸透镜L3和凸平透镜L4同轴设置，平凸透镜L3的直径尺寸大于凸平透镜L4，平凸透镜L3位于靠近分光棱镜处。

波前校正器由变形镜和变形镜控制箱组成。

本发明所采用另一种的技术方案是，一种自适应光学模拟动态波前的校正方法，基于上的一种自适应光学模拟动态波前校正装置进行校正，具体按照以下步骤实施：

步骤1、接收天线接收动态畸变波前后，输出动态畸变波前，接收天线输出的动态畸变波前依次穿过准直镜、扩束系统和分光棱镜后，分光棱镜反射动态畸变波穿过前波前校正器输入至计算机中；分光棱镜折射的动态畸变波穿过缩束系统传至波前传感器；

步骤2、通过计算机采用ACE软件进行波前传感器和波前校正器的标定，利用波前传感器采集的数据，建立控制电压和测量波前泽尼克(Zernike)系数的影响函数矩阵；

随机设定波前的一组参考Zernike系数值，指定优化参数值以及波前校正器的初始电压值；

步骤3、利用步骤2得到的控制电压和测量波前泽尼克(Zernike)系数的影响函数矩阵、参考Zernike系数值、优化参数值、波前校正器的初始电压值和当前波前传感器采集的数据，通过迭代算法更新波前校正器的控制电压；

步骤4、将更新后的控制电压信号加载到变形镜的各个驱动上；

步骤5、将更新后的控制电压作为初始电压，重复步骤3至步骤4，观察计算机ACE软件的波前峰谷值和波前均方根值，进行动态模拟波前的实时校正，直至被测波面相对与参考波面偏差的峰值与谷值之差小于1.02λ，被测波面相对与参考波面的各点偏差的均方根值小于0.28λ时，停止操作，完成动态模拟波前的实时校正。

步骤2中建立控制电压和测量波前泽尼克(Zernike)系数的影响函数矩阵的具体步骤如下：

步骤2.1，指定推拉总次数m，采集次数n以及有效驱动电压大小，驱动器序列数初始为1；

步骤2.2，针对第一个驱动器发送正单位有效驱动电压，其余驱动器均发送0单位的驱动电压；

步骤2.3，通过波前传感器采集n组此时的Zernike系数值，求和再取平均，获得第一个驱动器一次正推拉所对应的Zernike系数值；

步骤2.4，针对第一个驱动器发送负单位有效驱动电压，其余驱动器均发送0单位的驱动电压；

步骤2.5，通过波前传感器采集n组此时的Zernike系数值，求和再取平均，获得第一个驱动器一次负推拉所对应的Zernike系数值；

步骤2.6，根据步骤2.3、2.5所获的Zernike系数值进行做差，再除以2倍的有效驱动电压值，即可获得第一个驱动器与Zernike系数值之间的影响函数；

步骤2.7，将第一个驱动器的Zernike影响函数存入Zernike影响函数矩阵的对应列当中；

步骤2.8，按照驱动器排序，依次替换步骤3.2和步骤3.4当中的第一个驱动器，每更换一次驱动器，重复步骤3.2至步骤3.7获得该驱动器与Zernike系数值之间的影响函数；

步骤2.9，将各个驱动器与Zernike系数值之间的影响函数按照对应顺序排列，构成Zernike影响函数矩阵。

步骤3的具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，设定参考Zernike系数值，并指定初始驱动电压值为0；

步骤3.2，指定优化参数α，β的大小，将α和β代入公式计算参数Q和L，其中Q＝(M^TM+αI+βI)^-1(M^TM+βI)，L＝(M^TM+βI)^-1M^T，M为zernike影响函数矩阵，I为单位矩阵；

步骤3.3，通过波前传感器采集当前波前Zernike系数值；

步骤3.4，通过将参考Zernike系数值和通过波前传感器采集到的当前波前Zernike系数值做差获得Zernike系数误差e_k；

步骤3.5，将步骤2当中测得的Zernike影响函数矩阵以及步骤3.1，步骤3.3，步骤3.4当中所获值代入迭代公式，计算需要施加到驱动器上的控制电压U_k+1＝Q(U_k+Le_k)，U_K为此时刻电压值；

步骤3.6，记录此时的控制电压，作为下一次驱动电压计算时的上一次电压值电压值U_k＝U_k+1。

本发明的有益效果是，本发明一种自适应光学模拟动态波前校正装置，通过波前校正器与计算机的连接，利用计算机，不断根据实际情况调整波前校正器的控制电压，从而对畸变波前进行实时校正，具有实用性高、结构简单的特点；本发明一种自适应光学模拟动态波前的校正方法通过迭代算法，不断根据实际情况改变波前校正器的控制电压，对利用波前传感器测量的畸变波前进行实时校正，修正波前相位，以提高光束质量，具有计算量小、实用性高的特点。

附图说明

图1是本发明一种自适应光学模拟动态波前校正装置的结构示意图；

图2是本发明一种自适应光学模拟动态波前校正方法的控制电压和测量波前泽尼克系数的影响函数矩阵标定过程流程图；

图3是本发明一种自适应光学模拟动态波前校正方法的迭代算法流程图。

图中，1.电机，2.发射天线，3.接收天线，4.准直镜，5.扩束系统，6.分光棱镜，7.波前校正器，8.缩束系统，9.波前传感器，10.光源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种自适应光学模拟动态波前校正装置，如图1所示，接收天线3，接收天线3沿光路依次设置有准直镜4、扩束系统5和分光棱镜6，分光棱镜6沿反射光路设置有波前校正器7，波前校正器7由变形镜和变形镜控制箱组成，分光棱镜6沿折射光路依次设置有缩束系统8和波前传感器9，波前校正器7连接有计算机，扩束系统5包括平凸透镜L1和凸平透镜L2，所平凸述透镜L1和凸平透镜L2同轴设置，平凸透镜L1的直径尺寸小于凸平透镜L2，平凸透镜L1位于靠近接受天线3处，缩束系统8包括平凸透镜L3和凸平透镜L4，平凸透镜L3和凸平透镜L4同轴设置，平凸透镜L3的直径尺寸大于凸平透镜L4，平凸透镜L3位于靠近分光棱镜6处。

具体的，电机1上固接有发射天线2，所述发射天线2的接收端光纤连接有光源10，发射天线2的输出端延光路设置有接收天线3。

具体的，将发射天线固定于电机上方，其中发射天线采用卡塞格林式天线，电机采用二维伺服电机，发射天线可进行俯仰及方位的调节，在电机上方平台处通过螺丝将过渡件与电机连接，天线置于过渡件凹槽中，使用螺丝固定，完成发射天线和电机的组装，将待校正的畸变波前经准直镜、4F扩束系统、分光棱镜入射至波前校正器(变形镜)，再进行反射，依次经过分光棱镜，4F缩束系统，入射至波前传感器表面，接收天线接收畸变波前。首先经过准直镜进行光路准直校正，其次经过由透镜L1，L2构成的4F扩束系统以及分光棱镜，使得畸变波前的光束直径与变形镜镜面尺寸吻合，以便进行校正。经变形镜反射的光依次经过分光棱镜、4F缩束系统入射至波前传感器表面，在使得光束直径尺寸与波前传感器表面尺寸吻合的同时进行畸变波前的探测。

一种自适应光学模拟动态波前校正装置的校正方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、打开光源10、电机1和发射天线2，输出动态畸变波前，接收天线3接收动态畸变波前后，输出动态畸变波前，接收天线输出的动态畸变波前依次穿过准直镜4、扩束系统5和分光棱镜6后，分光棱镜6反射动态畸变波穿过前波前校正器7输入至计算机中；分光棱镜6折射的动态畸变波穿过缩束系统8传至波前传感器9；

其中，步骤1的一种实施步骤如下：

步骤1.1，指定随机数产生的范围区间，并人为规定在此区间内每个数对应的方向；

步骤1.2，产生一组在对应范围内的随机数，个数为偶数个；

步骤1.3，将步骤1.2当中的随机数组以2个为一小组进行划分，其中第一个数指定随机运动的维度，第二个数指定随机运动的时间；

步骤1.4，以小组为单位，利用计算机通过随机运动程序向电机发送运动指令，使电机产生随机时长的随机方向运动；

步骤1.5，随机运动的电机带动发射天线，输出动态畸变波前；

步骤2、如图2所示，通过计算机采用ACE(AlpaoCoreEngine)软件进行波前传感器和波前校正器的标定，利用波前传感器9采集的数据，建立控制电压和测量波前泽尼克(Zernike)系数的影响函数矩阵；

Zernike圆域多项式的各项具有线性无关和相互正交性,能够唯一地、无量纲地描述系统圆形孔径的镜面面形，采用Noll定义的Zernike多项式，其各项Zernike多项式在单位圆内的均方根值都为1，因此，畸变波前可以分解为一组定义在归一化圆域上的Zernike多项式的组合。

建立波前传感器和波前校正器之间的关系并以此作为基准，进行波前控制，交互矩阵的测量采用推拉法进行，为了提高精确度，采取多次推拉，每次推拉过程中多次采集求取平均值的方式进行。

随机设定波前的一组参考Zernike系数值，指定优化参数值以及波前校正器的初始电压值；

建立控制电压和测量波前泽尼克(Zernike)系数的影响函数矩阵的具体步骤如下：

步骤2.1，指定推拉总次数m，采集次数n以及有效驱动电压大小，驱动器序列数初始为1；

步骤2.2，针对第一个驱动器发送正单位有效驱动电压，其余驱动器均发送0单位的驱动电压；

步骤2.3，通过波前传感器采集n组此时的Zernike系数值，求和再取平均，获得第一个驱动器一次正推拉所对应的Zernike系数值；

步骤2.4，针对第一个驱动器发送负单位有效驱动电压，其余驱动器均发送0单位的驱动电压；

步骤2.5，通过波前传感器采集n组此时的Zernike系数值，求和再取平均，获得第一个驱动器一次负推拉所对应的Zernike系数值；

步骤2.6，根据步骤2.3、2.5所获的Zernike系数值进行做差，再除以2倍的有效驱动电压值，即可获得第一个驱动器与Zernike系数值之间的影响函数；

步骤2.7，将第一个驱动器的Zernike影响函数存入Zernike影响函数矩阵的对应列当中；

步骤2.8，按照驱动器排序，依次替换步骤3.2和步骤3.4当中的第一个驱动器，每更换一次驱动器，重复步骤3.2至步骤3.7获得该驱动器与Zernike系数值之间的影响函数；

步骤2.9，将各个驱动器与Zernike系数值之间的影响函数按照对应顺序排列，构成Zernike影响函数矩阵。

步骤3、如图3所示，得到的控制电压和测量波前泽尼克(Zernike)系数的影响函数矩阵、参考Zernike系数值、优化参数值、波前校正器(7)的初始电压值和当前波前传感器(9)采集的数据，通过迭代算法更新波前校正器的控制电压；其中，步骤3的具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，设定参考Zernike系数值，并指定初始驱动电压值为0；

步骤3.3，指定优化参数α，β的大小，将α和β代入公式计算参数Q和L，其中Q＝(M^TM+αI+βI)^-1(M^TM+βI)，L＝(M^TM+βI)^-1M^T,M为zernike影响函数矩阵，I为单位矩阵；

步骤3.2，通过波前传感器采集当前波前Zernike系数值；

步骤3.4，通过将参考Zernike系数值和通过波前传感器采集到的当前波前Zernike系数值做差获得Zernike系数误差e_k；

步骤3.5，将步骤2当中测得的Zernike影响函数矩阵以及步骤3.1，步骤3.3，步骤3.4当中所获值代入迭代公式，计算需要施加到驱动器上的控制电压U_k+1＝Q(U_k+Le_k)，U_K为此时刻电压值。

步骤3.6，记录此时的控制电压，作为下一次驱动电压计算时的上一次电压值U_k＝U_k+1。

步骤4、将获得的控制电压信号加载到变形镜的各个驱动上；

步骤5、将更新后的控制电压作为初始电压，重复步骤3至步骤4，观察ACE软件的波前峰谷值和波前均方根值，进行动态模拟波前的实时校正。直至被测波面相对与参考波面偏差的峰值与谷值之差小于1.02λ，被测波面相对与参考波面的各点偏差的均方根值小于0.28λ时，停止操作，完成动态模拟波前的实时校正。

本发明一种自适应光学模拟动态波前校正装置及其校正方法，采用电机进行无规则运动带动发生天线输出模拟动态畸变波前，通过迭代算法，不断根据实际情况改变波前校正器的控制电压，对利用波前传感器测量的畸变波前进行实时校正，修正波前相位，以提高光束质量，具有适用实用性高，且实时计算量小，对实验器件和系统要求有较小的特点。

Claims (2)

1.一种自适应光学模拟动态波前的校正方法，其特征在于，基于一种自适应光学模拟动态波前校正装置进行校正，其特征在于，包括接收天线(3)，所述接收天线(3)沿光路依次设置有准直镜(4)、扩束系统(5)和分光棱镜(6)，所述分光棱镜(6)沿反射光路设置有波前校正器(7)，所述分光棱镜(6)沿折射光路依次设置有缩束系统(8)和波前传感器(9)，所述波前校正器(7)连接有计算机；

所述扩束系统(5)包括平凸透镜L1和凸平透镜L2，所述 平凸述透镜L1和凸平透镜L2同轴设置，所述平凸透镜L1的直径尺寸小于凸平透镜L2，所述平凸透镜L1位于靠近接受天线(3)处；

所述缩束系统(8)包括平凸透镜L3和凸平透镜L4，所述平凸透镜L3和凸平透镜L4同轴设置，所述平凸透镜L3的直径尺寸大于凸平透镜L4，所述平凸透镜L3位于靠近分光棱镜(6)处；

所述波前校正器(7)由变形镜和变形镜控制箱组成；

具体按照以下步骤实施：

步骤1、接收天线(3)接收动态畸变波前后，输出动态畸变波前，接收天线输出的动态畸变波前依次穿过准直镜(4)、扩束系统(5)和分光棱镜(6)后，分光棱镜(6)反射动态畸变波穿过前波前校正器(7)输入至计算机中；分光棱镜(6)折射的动态畸变波穿过缩束系统(8)传至波前传感器(9)；

步骤2、通过计算机采用ACE软件进行波前传感器和波前校正器的标定，利用波前传感器(9)采集的数据，建立控制电压和测量波前泽尼克(Zernike)系数的影响函数矩阵；

随机设定波前的一组参考Zernike系数值，指定优化参数值以及波前校正器(7)的初始电压值；

步骤3、利用步骤2得到的控制电压和测量波前泽尼克(Zernike)系数的影响函数矩阵、参考Zernike系数值、优化参数值、波前校正器(7)的初始电压值和当前波前传感器(9)采集的数据，通过迭代算法更新波前校正器的控制电压；

步骤4、将更新后的控制电压信号加载到变形镜的各个驱动上；

步骤5、将更新后的控制电压作为初始电压，重复步骤3至步骤4，观察计算机ACE软件的波前峰谷值和波前均方根值，进行动态模拟波前的实时校正，直至被测波面相对与参考波面偏差的峰值与谷值之差小于1.02λ，被测波面相对与参考波面的各点偏差的均方根值小于0.28λ时，停止操作，完成动态模拟波前的实时校正；

所述步骤3的具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，设定参考Zernike系数值，并指定初始驱动电压值为0；

步骤3.2，指定优化参数α，β的大小，将α和β代入公式计算参数Q和L，其中Q＝(M^TM+αI+βI)^-1(M^TM+βI)，L＝(M^TM+βI)^-1M^T，M为zernike影响函数矩阵，I为单位矩阵；

步骤3.3，通过波前传感器采集当前波前Zernike系数值；

步骤3.4，通过将参考Zernike系数值和通过波前传感器采集到的当前波前Zernike系数值做差获得Zernike系数误差e_k；

步骤3.5，将步骤2当中测得的Zernike影响函数矩阵以及步骤3.1，步骤3.3，步骤3.4当中所获值代入迭代公式，计算需要施加到驱动器上的控制电压U_k+1＝Q(U_k+Le_k)，U_K为此时刻电压值；

步骤3.6，记录此时的控制电压，作为下一次驱动电压计算时的上一次电压值U_k＝U_k+1。

2.根据权利要求1所述的一种自适应光学模拟动态波前的 校正方法，其特征在于，所述步骤2中建立控制电压和测量波前泽尼克(Zernike)系数的影响函数矩阵的具体步骤如下：

步骤2.1，指定推拉总次数m，采集次数n以及有效驱动电压大小，驱动器序列数初始为1；

步骤2.2，针对第一个驱动器发送正单位有效驱动电压，其余驱动器均发送0单位的驱动电压；

步骤2.3，通过波前传感器采集n组此时的Zernike系数值，求和再取平均，获得第一个驱动器一次正推拉所对应的Zernike系数值；

步骤2.4，针对第一个驱动器发送负单位有效驱动电压，其余驱动器均发送0单位的驱动电压；

步骤2.5，通过波前传感器采集n组此时的Zernike系数值，求和再取平均，获得第一个驱动器一次负推拉所对应的Zernike系数值；

步骤2.6，根据步骤2.3、2.5所获的Zernike系数值进行做差，再除以2倍的有效驱动电压值，即可获得第一个驱动器与Zernike系数值之间的影响函数；

步骤2.7，将第一个驱动器的Zernike影响函数存入Zernike影响函数矩阵的对应列当中；

步骤2.8，按照驱动器排序，依次替换步骤3.2和步骤3.4当中的第一个驱动器，每更换一次驱动器，重复步骤3.2至步骤3.7获得该驱动器与Zernike系数值之间的影响函数；

步骤2.9，将各个驱动器与Zernike系数值之间的影响函数按照对应顺序排列，构成Zernike影响函数矩阵。

Images