CN111796416A - 一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法和系统，所述方法包括以下步骤：波前探测器探测波前信息；波前控制器根据波前信息计算得到波前校正器驱动控制量的第一数字信号；数模转换板将所述第一数字信号转换为第一模拟信号，并通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号；模数转换芯片将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号传输至波前校正器；波前校正器根据所述第二数字信号进行波前校正。上述方案能够使得自适应光学系统在不增加系统处理延时的前提下，对相邻促动器之间的校正量进行保护。

Description

一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法和系统
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法和系统。
背景技术
传统的自适应光学系统闭环校正输出量的保护问题一直是一个两难的问题，若增加保护功能则需对每个促动器的输出与其相邻促动器进行比较计算，导致处理延时增加，降低系统闭环控制带宽；若不开启保护功能，则会在外界扰动变化剧烈的情况下，使得波前校正器(变形镜)相邻促动器之间的电压差值过大，降低波前校正器的使用寿命。同时相邻促动器之间输出相差很大时，也会使得整个自适应光学系统校正失效(跑飞)。
由于空气中大气折射率分布的明显不均匀性，导致光束在大气传输过程中波前将发生变化，从而导致光束的漂移、光强的起伏以及光束的扩展。这三个主要效应是自适应光学系统的补偿对象。来自目标的光，被光学系统所捕获，其中部分被波前探测器采集，波前控制器(一般由专用的具有计算功能的高速处理单元构成)计算必要的光程变化并将信号发送至波前校正器进行光程修正。基于变形镜的自适应光学系统的核心部件波前校正器是一块薄反射镜面下按照特定的空间排布安装一定数目的压电陶瓷促动器，调节驱动器的控制电压产生不同的形变，从而带动反射镜面面形发生变化，实现对入射光束的相位补偿。
若在快速(校正频率上千赫兹)校正过程中，相邻促动器之间的压差过大，就会产生变形镜镜面局部变形较大，使得镜面受力不均。经过相邻促动器之间的快速较大力差的反复推拉操作，就很容易产生促动器脱胶等现象，从而影响变形镜寿命。同时由于相邻促动器之间较大变形量的存在，使得波前相位产生较大的改变，从而影响波前探测器的测量的精度。反馈给波前校正器的输出产生错误的形变，从而使得系统校正失效，降低系统的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护技术方案，用以解决由于相邻促动器之间较大变形量的存在，影响波前探测器的测量的精度的问题。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明第一方面提供了一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，所述系统包括波前探测器、波前控制器、数模转换板、模数转换芯片和波前校正器；
所述波前探测器包括若干阵列排布的促动器，所述模数转换板上设置有若干压差比较器；
所述波前探测器用于探测波前信息；
所述波前控制器用于根据波前信息计算得到波前校正器驱动控制量的第一数字信号；
所述数模转换板用于将所述第一数字信号转换为第一模拟信号，并通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号；
所述模数转换芯片用于将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号传输至波前校正器；
所述波前校正器用于根据所述第二数字信号进行波前校正。
作为一种可选的实施例，“通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号”包括：
压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行比较；
若两者的差值在预设误差范围之内，则将当前促动器对应的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号；
否则对当前促动器对应的第一模拟信号进行调整，以使得调整后的当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号在预设误差范围内，并将调整后的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号。
作为一种可选的实施例，“通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较”包括：
将当前促动器对应的第一模拟信号与当前促动器相邻的第一促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到第一比较中间值；
将所述第一比较中间值与当前促动器相邻的第二促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到第二比较中间值；
将所述第二比较中间值与当前促动器相邻的第三促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到第三比较中间值；
将所述第三比较中间值与当前促动器相邻的第四促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号。
作为一种可选的实施例，所述第一促动器、第二促动器、第三促动器、第四促动器依次为位于当前促动器所在位置的上方、下方、左侧、右侧的促动器。
作为一种可选的实施例，所述预设误差范围是指两者的差值小于100V。
作为一种可选的实施例，所述压差比较器的数量为多个。
作为一种可选的实施例，所述压差比较器的数量与波前探测器所包含的促动器的数量相同，每一压差比较器用于接收待进行比较的两个促动器的标识地址以及对应的电压值。
作为一种可选的实施例，所述系统还包括高压放大器；
所述高压放大器用于对第二数字信号进行高压放大处理，并将高压放大处理后的第二数字信号发送至波前校正器进行校正。
本发明第二方面提供了一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法，所述方法应用于如前文所述的系统；所述方法包括以下步骤：
波前探测器探测波前信息；
波前控制器根据波前信息计算得到波前校正器驱动控制量的第一数字信号；
数模转换板将所述第一数字信号转换为第一模拟信号，并通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号；
模数转换芯片将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号传输至波前校正器；
波前校正器根据所述第二数字信号进行波前校正。
作为一种可选的实施例，“通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号”包括：
压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行比较；
若两者的差值在预设误差范围之内，则将当前促动器对应的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号；
否则对当前促动器对应的第一模拟信号进行调整，以使得调整后的当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号在预设误差范围内，并将调整后的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号。
区别于现有技术，本发明提供了一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法和系统，所述系统包括波前探测器、波前控制器、数模转换板、模数转换芯片和波前校正器；所述波前探测器包括若干阵列排布的促动器，所述模数转换板上设置有若干压差比较器。所述方法包括以下步骤：波前探测器探测波前信息；波前控制器根据波前信息计算得到波前校正器驱动控制量的第一数字信号；数模转换板将所述第一数字信号转换为第一模拟信号，并通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号；模数转换芯片将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号传输至波前校正器；波前校正器根据所述第二数字信号进行波前校正。上述方案能够使得整个自适应光学系统在不增加系统处理延时的前提下，对相邻促动器之间的校正量进行保护，在保护了变形镜的同时也提高了系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明涉及的一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统的结构示意图；
图2是本发明涉及的一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法的流程图；
图3为本发明涉及的促动器位置的示意图；
图4为本发明涉及如何得到当前促动器对应的第二模拟信号的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
本发明提供了一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，所述系统包括波前探测器101、波前控制器102、数模转换板103、模数转换芯片104和波前校正器106；
所述波前探测器包括若干阵列排布的促动器，所述模数转换板上设置有若干压差比较器；
所述波前探测器101用于探测波前信息。光经过大气后，波前都会发生改变，由原来的平面波变为一个带有多种像差的波前。波前信息可以被波前探测器探测和捕获。
所述波前控制器102用于根据波前信息计算得到波前校正器驱动控制量的第一数字信号。所述驱动控制量指的是经过波前控制器计算所得的驱动控制波前校正器校正的电压量。
所述数模转换板103用于将所述第一数字信号转换为第一模拟信号，并通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号；
所述模数转换芯片104用于将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号传输至波前校正器；
所述波前校正器106用于根据所述第二数字信号进行波前校正。
通过上述方案，能够使得整个自适应光学系统在不增加系统处理延时的前提下，对相邻促动器之间的校正量进行保护，在保护了变形镜的同时也提高了系统的稳定性。
在某些实施例中，“通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号”包括：压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行比较；若两者的差值在预设误差范围之内，则将当前促动器对应的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号；否则对当前促动器对应的第一模拟信号进行调整，以使得调整后的当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号在预设误差范围内，并将调整后的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号。
优选的，“通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较”包括：将当前促动器对应的第一模拟信号与当前促动器相邻的第一促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到第一比较中间值；将所述第一比较中间值与当前促动器相邻的第二促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到第二比较中间值；将所述第二比较中间值与当前促动器相邻的第三促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到第三比较中间值；将所述第三比较中间值与当前促动器相邻的第四促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号。
优选的，所述第一促动器、第二促动器、第三促动器、第四促动器依次为位于当前促动器所在位置的上方、下方、左侧、右侧的促动器。所述预设误差范围是指两者的差值小于100V。
优选的，所述系统还包括高压放大器；所述高压放大器用于对第二数字信号进行高压放大处理，并将高压放大处理后的第二数字信号发送至波前校正器进行校正。
如图4所示，本发明的主要技术手段是限制如图3中所示的Base促动器的电压值与其相邻的Top促动器、Left促动器、Right以及Down的之间的压差不超过某个特定的阈值，进而维护系统整体的稳定性。对每个促动器都进行上述促动器压差比较，若相邻促动器输出的电压差在阈值范围内，则保持原电压值输出，若电压差超出设定的阈值范围，则将Base促动器电压值拉回到阈值范围内输出，再经过高压放大器放大后驱动波前校正器进行实时闭环校正，从而起到保护变形镜的目的。
以图4的流程为例，首先进行Base通道与Top通道的电压值比较，若两个通道的电压差在预设阈值范围(假设为100V)内，则维持Base通道的原电压值，若两者电压差超出设定的阈值范围，则将Base促动器电压值拉回到阈值范围内作为新的Base通道电压值(即选定一个与Top通道的电压值差值在100V以内的某一电压值作为新的Base通道电压值)。采用上述方法再依次将Base通道的电压值与Right通道、Left通道以及Down通道的电压值进行比较，最终获得新的Base通道的电压值(即第二模拟信号)。而后新的Base通道的电压值将输出到数字模拟转换芯片中，进行数模的转换以及后续的高压放大，最终驱动变形镜进行波前校正。
在某些实施例中，所述压差比较器的数量为多个。所述压差比较器的数量与波前探测器所包含的促动器的数量相同，每一压差比较器用于接收待进行比较的两个促动器的标识地址以及对应的电压值。
经过波前控制器计算得到波前探测器中每个促动器的电压值，同时为每个促动器都标识了唯一的地址值(即标识地址)。每个促动器的电压值以及其地址值在使能信号的控制下同时输出至数字/模拟转换板的FPGA中，在FPGA中并行的设计了n个(n为波前校正器促动器数)，每个压差比较容器的输入信号如下：1、要比较的通道(Base)的地址值以及其电压值；2、要比较的通道的相邻的上(Top)、下(Down)、左(Left)以及右(Right)通道的地址值和电压值；经过波前控制器计算输出的所有促动器通道根据相应的地址选通不同的压差比较容器。
设置n个压差比较容器的目的是为了最大限度的实现并行处理，降低延时。因为前一步计算出来的n个通道的电压值是同时的，所以设计n个能最好的实现并行，设置多了容易造成硬件浪费，设置少了将不能实现最大程度并行处理，加大处理延时。
如图2所示，本发明还提供了一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法，所述方法应用于如前文所述的系统；所述方法包括以下步骤：
首先进入步骤S201波前探测器探测波前信息；
而后进入步骤S202波前控制器根据波前信息计算得到波前校正器驱动控制量的第一数字信号；
而后进入步骤S203数模转换板将所述第一数字信号转换为第一模拟信号，并通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号；
而后进入步骤S204模数转换芯片将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号传输至波前校正器；
而后进入步骤S205波前校正器根据所述第二数字信号进行波前校正。
优选的，“通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号”包括：
压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行比较；
若两者的差值在预设误差范围之内，则将当前促动器对应的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号；
否则对当前促动器对应的第一模拟信号进行调整，以使得调整后的当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号在预设误差范围内，并将调整后的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号。
本发明提供了一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法和系统，所述系统包括波前探测器、波前控制器、数模转换板、模数转换芯片和波前校正器；所述波前探测器包括若干阵列排布的促动器，所述模数转换板上设置有若干压差比较器。所述方法包括以下步骤：波前探测器探测波前信息；波前控制器根据波前信息计算得到波前校正器驱动控制量的第一数字信号；数模转换板将所述第一数字信号转换为第一模拟信号，并通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号；模数转换芯片将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号传输至波前校正器；波前校正器根据所述第二数字信号进行波前校正。上述方案能够使得整个自适应光学系统在不增加系统处理延时的前提下，对相邻促动器之间的校正量进行保护，在保护了变形镜的同时也提高了系统的稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，其特征在于，所述系统包括波前探测器、波前控制器、数模转换板、模数转换芯片和波前校正器；所述波前探测器包括若干阵列排布的促动器，所述模数转换板上设置有若干压差比较器；
所述波前探测器用于探测波前信息；
所述波前控制器用于根据波前信息计算得到波前校正器驱动控制量的第一数字信号；
所述数模转换板用于将所述第一数字信号转换为第一模拟信号，并通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号；
所述模数转换芯片用于将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号传输至波前校正器；
所述波前校正器用于根据所述第二数字信号进行波前校正。
2.如权利要求1所述的自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，其特征在于，“通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号”包括：
压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行比较；
若两者的差值在预设误差范围之内，则将当前促动器对应的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号；
否则对当前促动器对应的第一模拟信号进行调整，以使得调整后的当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号在预设误差范围内，并将调整后的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号。
3.如权利要求2所述的自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，其特征在于，“通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较”包括：
将当前促动器对应的第一模拟信号与当前促动器相邻的第一促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到第一比较中间值；
将所述第一比较中间值与当前促动器相邻的第二促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到第二比较中间值；
将所述第二比较中间值与当前促动器相邻的第三促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到第三比较中间值；
将所述第三比较中间值与当前促动器相邻的第四促动器的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号。
4.如权利要求3所述的自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，其特征在于，所述第一促动器、第二促动器、第三促动器、第四促动器依次为位于当前促动器所在位置的上方、下方、左侧、右侧的促动器。
5.如权利要求2所述的自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，其特征在于，所述预设误差范围是指两者的差值小于100V。
6.如权利要求1所述的自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，其特征在于，所述压差比较器的数量为多个。
7.如权利要求6所述的自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，其特征在于，所述压差比较器的数量与波前探测器所包含的促动器的数量相同，每一压差比较器用于接收待进行比较的两个促动器的标识地址以及对应的电压值。
8.如权利要求6所述的自适应光学系统闭环校正输出量的保护系统，其特征在于，所述系统还包括高压放大器；
所述高压放大器用于对第二数字信号进行高压放大处理，并将高压放大处理后的第二数字信号发送至波前校正器进行校正。
9.一种自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1至8任一项所述的系统；所述方法包括以下步骤：
波前探测器探测波前信息；
波前控制器根据波前信息计算得到波前校正器驱动控制量的第一数字信号；
数模转换板将所述第一数字信号转换为第一模拟信号，并通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号；
模数转换芯片将所述第二模拟信号转换为第二数字信号，并将所述第二数字信号传输至波前校正器；
波前校正器根据所述第二数字信号进行波前校正。
10.如权利要求9所述的自适应光学系统闭环校正输出量的保护方法，其特征在于，“通过压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行压差比较，得到当前促动器对应的第二模拟信号”包括：
压差比较器将当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号进行比较；
若两者的差值在预设误差范围之内，则将当前促动器对应的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号；
否则对当前促动器对应的第一模拟信号进行调整，以使得调整后的当前促动器对应的第一模拟信号与相邻的促动器对应的第一模拟信号在预设误差范围内，并将调整后的第一模拟信号作为当前促动器对应的第二模拟信号。
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张铁成等: ""用可编程ASIC实现的波前校正器过压保护网络"", 《光电工程》 *

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