CN110598679A - 一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法 - Google Patents

一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法，根据哈特曼波前传感器各个子孔径中特定的信息分布，给每个子孔径设定不同的波前控制信号计算权重，进而根据子孔径权重改变自适应光学闭环控制的残差斜率分布，实现闭环控制状态的改变，具有提升自适应光学闭环控制效果的可能性。本发明打破常规方法中对各个子孔径斜率作无差别控制的处理方式，通过对控制残差斜率的重新分布，即可实现闭环效果的改善，无需改动硬件，因而具有实现简单、通用性强等特点，为自适应光学闭环控制效果的进一步提升提供了一种切实有效的方法，可应用于目前各类光束净化系统中。

Description

一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学 闭环控制方法
技术领域
本发明属于光学自动反馈控制领域，尤其涉及一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法。
背景技术
自适应光学技术能够实时校正动态波前畸变，消除光学系统、成像信号、激光光束的光学像差，已被广泛的应用于天文观测、医学成像、激光通信、激光光束净化等领域。常见的自适应光学系统主要包含波前传感器、波前处理机和波前校正器三个组成部分，其基本工作原理为：波前传感器探测待校正波前畸变，波前处理机根据波前畸变信息计算波前信号，控制波前校正器实现像差补偿。因此，自适应光学可以视为光学中的反馈闭环控制技术。自适应光学闭环控制过程会涉及从波前传感器的波前畸变数据到波前校正器控制信号的数学解算方法，它关系到自适应光学系统对波前畸变的补偿方式。比如，针对相同的波前相位畸变，不同的波前信号解算方法会使自适应光学系统补偿波前畸变过程不同，甚至最终的闭环控制效果也存在差异。
目前，各种自适应光学系统中波前校正信号解算方法主要有模式法(参见“Wave-front reconstruction using a Shack-Hartmann sensor”，R.G.Lane and M.Tallon.[J].Appl.Opt.31(32),6902-6908,1992)和直接斜率法(参见“Hartmann Shack wavefrontsensing and wavefront control algorithm”，Wenhan Jiang and Huagui Li.Proc.SPIE1271,1990)。两种方法都是根据波前传感器(以哈特曼波前传感器为主)中各子孔径内的波前斜率数据，利用最小二乘原理直接或间接计算当前波前校正器的控制信号，从而实现对波前斜率(即相位畸变)的整体控制。从数学原理上，波前传感器的每个子孔径对算法来说都是等价的，算法对每个子孔径中斜率的处理优先级是一致的，各子孔径之间并无优先级高低之分。这种方式一直被各种波前控制信号解算方法所采用。然而在自适应光学系统实际应用场景中，波前传感器的子孔径有边缘子孔径与中心子孔径之分；在光束强度分布不均匀时各个子孔径承载的光能量存在显著差异；在光束波前相位畸变分布较为复杂时各个子孔径内波前斜率梯度值区别很大。以诸如此类的实际情况可知，波前传感器各个子孔径在不同特征上存在明显差别。无视子孔径之间的差别，对波前相位畸变进行整体约束，其闭环校正效果在特定场景下难以达到最优。换言之，随着自适应光学系统的性能不断提升，随着自适应光学应用场景不断拓展和操控对象复杂度的日益增大，为实现更优的校正能力，有必要突破传统最小二乘算法的限制，采样不同方法对系统控制残差分布实施再优化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，突破传统算法将哈特曼波前传感器各子孔径内的波前斜率以等价处理的技术现状，在不改变硬件结构的条件下，通过提供一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法，根据各子孔径的特征参数对子孔径中斜率校正分配不同的权重，改造自适应光学系统信号重构矩阵以及信号反馈闭环控制算法，实现对特定子孔径内像差的优先校正，最终充分提升系统对复杂输入条件的适应性和稳定性，提高系统的像差校正能力，使自适应光学系统校正后光束质量获得进一步优化。
本发明的技术解决方案是：一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法，通过以下步骤实现不同子孔径斜率权重分配以及自适应光学闭环控制信号解算：
步骤1：根据实际系统中，自适应光学系统校正的光束对象的特性，选取合适的光束特征参数，作为自适应光学系统中波前传感器各个子孔径斜率权重设置的特征信息；
步骤2：提取待校正光束对象映射至波前传感器各个子孔径中的斜率权重设置的特征参数；
步骤3：根据步骤2中提取的各个子孔径中的斜率权重设置的特征参数，对波前传感器中不同的子孔径斜率设定不同的闭环控制权重因子；
步骤4：根据步骤3设定的波前传感器子孔径权重因子，改造自适应光学系统闭环控制复原矩阵；
步骤5：自适应光学闭环控制系统利用改造的复原矩阵计算校正信号，将权重因子设定高的子孔径内斜率优先控制，权重因子低的子孔径内斜率设为低优先级，暂缓控制甚至不作控制；
步骤6：通过自适应光学系统实时迭代反馈控制，将高权重因子光束区域的波前斜率(像差)充分校正，低权重因子光束区域的波前斜率(像差)部分校正甚至不校正，从而避免出现低权重斜率校正影响高权重斜率校正的结果，最终进而形成特有的具有高光束质量的闭环控制波前像差校正残差分布。
所述步骤1中的光束特征参数可以是光束强度强弱分布、光束波前斜率大小分布信息，也可以是波前探测器子孔径离光束边缘的距离与位置。
本发明与现有技术相比有如下优点：本发明所述方法不改变自适应光学系统的光机结构，只需改进波前校正信号解算的数学过程，植入与实现简便；同时，本发明通过对光束主要区域的优先校正实现了闭环控制波前残差分布的优化，进一步释放了自适应光学系统的校正能力，可使得校正后的光束质量进一步获得提升；此外，由于本发明使得自适应光学系统能够根据校正对象的实际特征有针对性的优化控制过程，从而充分提升了自适应光学系统对校正复杂对象的适应能力，确保系统能够稳定地实施高光束质量的像差校正，对于自适应光学系统在各应用领域的校正性能获得本质提升具有明显应用价值。
附图说明
图1为本发明的方法实现原理流程图；
图2为本发明实施例一中给出的典型分布不均激光光束在哈特曼波前传感器上的光斑阵列图像；
图3为本发明实施例一中波前斜率变化曲线，其中，图3(a)、图3(b)分别是两个方向波前斜率变化曲线。；
图4为本发明实施例一中远场光斑峰值变化曲线；
图5为本发明实施例一中远场光斑对比图，其中，图5(a)为常规方法获得的结果，图5(b)为本发明方法获得的结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所述一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法原理流程图，实施例以固体激光光束净化系统为平台，采用波前传感器子孔径内斜率绝对值大小作为权重分配因子，并通过以下步骤实现不同子孔径斜率权重分配以及自适应光学闭环控制信号解算：
步骤1：根据实际固体激光系统中激光光束的特性，如图2所示，通常边缘子孔径所在区域光强较弱且波前斜率值较大，而中间子孔径所在区域光强较强且波前斜率值一般在系统校正能力之内，因此综合选取激光波前相位梯度(斜率)，作为自适应光学系统中波前传感器各个子孔径斜率权重分配的特征信息；
步骤2：统计当前波前传感器各个子孔径中斜率大小，掌握当前激光波前畸变梯度的空间分布；
步骤3：根据步骤2得到的波前畸变梯度分布，明晰激光光束波前畸变的可充分校正区(小斜率区域)，设置高权重因子(取值为1)，对于波前畸变的部分校正区(小斜率区域)，设置低权重因子(取值为0.2)；
步骤4：根据步骤3设定的波前传感器各子孔径权重因子，改造自适应光学系统闭环控制复原矩阵；
步骤5：自适应光学闭环控制系统利用改造的复原矩阵解算校正电压，将权重因子设定高的子孔径内斜率优先控制，权重因子低的子孔径内斜率设为低优先级，不作充分控制；
步骤6：自适应光学系统实时反馈控制，将高权重因子光束区域的斜率充分控制，低权重因子光束区域的斜率稍作控制甚至适当放大，如图3所示。图3(a)、图3(b)分别是两个方向波前斜率变化曲线。前段为自适应光学系统不工作时斜率曲线，中间段为常规控制信号解算方法工作后斜率曲线，整体斜率明显收拢减小，而后段为本发明方法工作后斜率曲线，小斜率部分更为收敛，整体斜率分布发生明显改变。图4和图5分别给出了闭环后远场光斑能量峰值变化曲线与光斑形态图像。采用本发明方法闭环后，远场光斑的峰值(图4后段)较常规方法(图4中端)提升明显，而远场光斑的形态也充分显示了本发明方法(图5(b))较常规方法(图5(a))获得了更接近理想形态的结果，具有更好的能量集中度。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (3)

1.一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法，其特征在于：通过以下步骤实现斜率权重匹配与自适应光学闭环控制：
步骤1：根据实际系统中，自适应光学系统校正的光束对象的特性，选取合适的光束特征参数，作为自适应光学系统中波前传感器各个子孔径斜率权重设置的特征信息；
步骤2：提取待校正光束对象映射至波前传感器各个子孔径中的斜率权重设置的特征参数；
步骤3：根据步骤2中提取的各个子孔径中的斜率权重设置的特征参数，对波前传感器中不同的子孔径斜率设定不同的闭环控制权重因子；
步骤4：根据步骤3设定的波前传感器子孔径权重因子，改造自适应光学系统闭环控制复原矩阵；
步骤5：自适应光学闭环控制系统利用改造的复原矩阵计算校正信号，将权重因子设定高的子孔径内斜率优先控制，权重因子低的子孔径内斜率设为低优先级，暂缓控制甚至不作控制；
步骤6：通过自适应光学系统实时迭代反馈控制，将高权重因子光束区域的波前斜率(像差)充分校正，低权重因子光束区域的波前斜率(像差)部分校正甚至不校正，从而避免出现低权重斜率校正影响高权重斜率校正的结果，最终进而形成特有的具有高光束质量的闭环控制波前像差校正残差分布。
2.根据权利要求1所述的一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法，其特征在于：所述步骤1中的光束特征参数可以是光束强度强弱分布，也可以是光束波前斜率大小分布信息。
3.根据权利要求1所述的一种根据光束多种特征融合引导斜率权重分配的自适应光学闭环控制方法，其特征在于：所述步骤1中的光束特征参数可以是光束强度强弱分布，也可以是光束波前斜率大小分布信息，也可以是波前探测器子孔径离光束边缘的距离与位置。
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