CN111929891A - 一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法 - Google Patents

一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法，该装置包括倾斜镜、中继光学系统、变形镜、波前倾斜探测器、工控计算机、倾斜镜高压放大器和变形镜高压放大器等，其特征在于：使用倾斜镜和变形镜组合校正波前倾斜。在自适应光学系统中，通常倾斜镜的驱动器行程大但响应速度慢；变形镜的驱动器行程小但响应速度快。常规自适应光学系统通常只使用倾斜镜进行波前倾斜校正，而变形镜只用于离焦、像散等高阶像差的校正。本发明提出使用倾斜镜和变形镜组合校正波前倾斜，通过时间频率域解耦控制方法来解决倾斜镜和变形镜之间容易耦合而导致系统闭环不稳定的问题。本发明具备大行程和快速响应的特点，有利于提高波前倾斜的校正精度。

Description

一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法
技术领域
本发明涉及自适应光学系统的波前倾斜校正装置及控制方法，特别涉及一种基于倾斜镜与变形镜组合的自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法。
背景技术
自适应光学系统通常包括两类波前校正器：倾斜镜和变形镜。其中，倾斜镜通常用于校正波前倾斜；变形镜通常用于校正倾斜之上的离焦、像散等高阶像差。在自适应光学系统闭环工作时，一般要求倾斜镜和变形镜在校正时进行严格的像差分离，即变形镜在校正高阶像差时不能产生倾斜像差输出，否则容易导致倾斜镜和变形镜之间的耦合现象(陈善球，刘文劲，董理治等，“闭环控制自适应光学系统变形镜约束技术研究”，光学学报，35(12)，2015)。如果出现严重的耦合，变形镜和倾斜镜在闭环过程中容易积累出相互抵消的静态像差输出，这将极大消耗变形镜的驱动器行程，导致其用于高阶像差校正的行程受到很大限制。因此，自适应光学系统通常只使用倾斜镜校正倾斜像差，变形镜虽具备校正倾斜像差的能力，但通常会禁止将其用于倾斜像差的校正。
如果只使用倾斜镜作倾斜像差的校正，虽然能够实现自适应光学系统的稳定控制以及保证变形镜对高阶像差的校正能力，但跟踪装置的控制带宽容易受到倾斜镜机械谐振的影响(张小军，凌宁等，“高速压电倾斜镜动态特性分析”，强激光与粒子束，15(10)，2003)。虽然可以使用双二阶网络滤波等方法抑制机械谐振的影响，改善倾斜镜控制的稳定性和控制带宽(李新阳，“自适应光学系统中高速倾斜反射镜的稳定控制”，强激光与粒子束，11(1)，1999)，但是该类方法需要首先建立倾斜镜的传递函数模型，补偿方法复杂。此外，由于倾斜镜的传递函数模型不仅与其本身特性有关还和其装调情况有关，因此实际自适应光学系统中，机械谐振的抑制算法应用并不是很广，自适应光学系统中倾斜镜的控制带宽也通常低于变形镜。加拿大学者Correia曾在Gemini行星成像仪中将变形镜放在倾斜台上用于联合校正波前倾斜(C.Correia,J.-P.Veran,L.Poyneer,“Gemini Planet Imagerminimum-variance tip-tilt controllers”)，但是该方法倾斜台在偏转时需要负载整个变形镜，控制难度很大，动态特性也难以保证。如何进一步提升自适应光学系统的跟踪带宽，而又不对自适应光学系统的结构组成作重大改变是自适应光学技术研究者关注的问题。
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，提供一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置及控制方法，使用倾斜镜和变形镜组合校正波前倾斜，通过时间频率域解耦控制方法来解决倾斜镜和变形镜之间容易耦合而导致系统闭环不稳定的问题。本发明提出的波前倾斜复合校正装置兼具大行程和快速响应的特点，有利于提高波前倾斜的校正精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置，该装置包括倾斜镜1、第一中继光学系统2、变形镜3、第二中继光学系统4、波前倾斜探测器5、工控计算机6、倾斜镜高压放大器7和变形镜高压放大器8；其中，
入射光首先经过倾斜镜1反射，进入第一中继光学系统2，再经过变形镜3反射，进入第二中继光学系统4，最后进入波前倾斜探测器5；
工控计算机6根据波前倾斜探测器5采集的图像计算波前倾斜，再根据波前倾斜计算倾斜镜1和变形镜3的控制电压，并将其分别发送给倾斜镜高压放大器7和变形镜高压放大器8，用于分别控制倾斜镜1和变形镜3组合校正波前倾斜。
进一步地，所述的第一中继光学系统2通过缩束或者扩束使倾斜镜1和变形镜3的通光口径匹配。
进一步地，所述的第二中继光学系统4通过缩束或者扩束使变形镜3的通光口径和波前倾斜探测器5的入射口径匹配。
进一步地，所述的波前倾斜探测器5可以是跟踪相机、四象限探测器、棱锥波前传感器、夏克-哈特曼波前传感器等不同技术手段制成的具备波前倾斜测量能力的探测器。
一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置的控制方法，利用上述的一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置，该控制方法包括：所述的倾斜镜1和变形镜3的控制信号按时间频域进行划分，其中倾斜镜1主要用于校正波前倾斜的时间域低频部分，变形镜3主要用于校正波前倾斜的时间域高频部分。
进一步地，所述的波前倾斜的时间域低频部分可使用工控计算机6对波前倾斜探测器5测得的波前倾斜信号进行低通滤波或者时间域平均来获取。
进一步地，所述的波前倾斜的时间域高频部分可使用工控计算机6对波前倾斜探测器5测得的波前倾斜信号进行高通滤波或者将所述的时间域低频部分减去来获取。
本发明与现有技术相比有如下优点：
本发明使用倾斜镜与变形镜组合校正波前倾斜，由此带来如下好处：
(1)变形镜的谐振频率高、响应速度快，校正时间域高频部分可以提高波前倾斜校正装置的控制带宽，降低对倾斜镜谐振频率的要求。
(2)倾斜镜的行程大，校正时间域低频部分可以降低单独使用变形镜作倾斜校正时对变形镜驱动器的行程要求。
(3)常规自适应光学系统通常都配备倾斜镜和变形镜，本发明不需要对自适应光学系统的结构作重大调整。
附图说明
图1为一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置的示意图。其中，1为倾斜镜，2为第一中继光学系统，3为变形镜，4为第二中继光学系统，5为倾斜探测器，6为工控计算机，7为倾斜镜高压放大器，8为变形镜高压放大器。
图2为实施例中倾斜镜和变形镜的频率响应曲线图(其中虚线为倾斜镜，实线为变形镜)。
图3为实施例中倾斜镜和变形镜的开环控制频率响应曲线图(其中虚线为倾斜镜，实线为变形镜)。
图4为实施例中复合校正装置的开环控制频率响应曲线图。
图5为波前倾斜误差曲线图(其中上图对应输入波前倾斜误差，中图对应倾斜镜单独校正时的闭环波前倾斜误差，下图对应复合校正装置校正时的闭环波前倾斜误差)。
图6为倾斜镜和变形镜的倾斜角度输出(其中虚线对应倾斜镜的倾斜角度输出、实线对应变形镜的倾斜角度输出)。
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。
本实施例的示意如图1所示，一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置，包括倾斜镜1、第一中继光学系统2、变形镜3、第二中继光学系统4、波前倾斜探测器5、工控计算机6、倾斜镜高压放大器7和变形镜高压放大器8；其中，
入射光首先经过倾斜镜1反射，进入第一中继光学系统2，再经过变形镜3反射，进入第二中继光学系统4，最后进入波前倾斜探测器5；
倾斜镜1和变形镜3的频率响应曲线如图2所示。其中，倾斜镜1的一级谐振频率为300Hz，阻尼系数为0.1；变形镜3的一级谐振频率为2000Hz，阻尼系数为0.5。波前倾斜探测器5的工作频率为2000Hz。
工控计算机6根据波前倾斜探测器5采集的图像计算波前倾斜，再根据波前倾斜计算倾斜镜1和变形镜3的控制电压，并将其分别发送给倾斜镜高压放大器7和变形镜高压放大器8，用于分别控制倾斜镜1和变形镜3组合校正波前倾斜。
倾斜镜1和变形镜3的控制信号按时间频域进行划分，其中倾斜镜1主要用于校正10Hz以下的倾斜误差，变形镜3主要用于校正10Hz以上的倾斜误差。
倾斜镜1的控制器为一阶低通滤波加积分控制，其偏转角度θTM的计算方法为：
θTM(k+1)＝1.91θTM(k)-0.91θTM(k-1)+0.0046e(k)+0.0044e(k-1)。
其中，θTM(k+1)、θTM(k)和θTM(k-1)分别为倾斜镜1在k+1、k和k-1时刻的偏转角输出；e(k)和e(k-1)分别为波前倾斜探测器5在k和k-1时刻测得的波前倾斜误差。
变形镜3的控制器为一阶高通滤波加积分控制，其偏转角度θDM的计算方法为：
θDM(k+1)＝1.91θDM(k)-0.91θDM(k-1)+0.2863e(k)-0.2863e(k-1)。
其中，θDM(k+1)、θDM(k)和θDM(k-1)分别为变形镜3在k+1、k和k-1时刻的偏转角输出；e(k)和e(k-1)分别为波前倾斜探测器5在k和k-1时刻测得的波前倾斜误差。
施加滤波器与积分控制器后的倾斜镜和变形镜的开环频率响应特性曲线如图3所示，其中虚线为倾斜镜的开环频率响应曲线；实线为变形镜的开环频率响应曲线。倾斜镜校正回路的开环带宽约为25Hz；变形镜校正回路的开环带宽约为91Hz。
由倾斜镜和变形镜组成的复合校正装置的开环频率响应特性曲线如图4所示，其开环带宽约为94Hz。
针对如图5上图所示的波前倾斜信号，其均方根误差约等于0.076角秒；传统方法使用倾斜镜单独校正的波前倾斜闭环误差曲线如图5中图所示，其均方根误差约等于0.04角秒；本发明提供的一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置的波前倾斜闭环误差曲线如图5下图所示，其均方根误差约等于0.021角秒。可以看出，本发明所提出方法的波前倾斜校正精度明显优于传统只使用倾斜镜的校正方法。
在复合校正装置中，倾斜镜和变形镜的输出角度分别如图6中的虚线和实线所示。可以看出倾斜镜主要用于校正输入波前倾斜误差中的大幅度、低频信号；变形镜主要用于校正输入波前倾斜误差中的小幅度、高频信号。
第一中继光学系统1和第二中继光学系统2都可通过一对离轴反射镜组合来实现，第一中继光学系统1使倾斜镜1和变形镜3的通光口径匹配；第二中继光学系统2使变形镜3和波前倾斜探测器5的通光口径匹配。
波前倾斜探测器5可以是跟踪相机、四象限探测器、棱锥波前传感器、夏克-哈特曼波前传感器等不同技术手段制成的具备波前倾斜像差测量能力的探测器。

Claims (7)

1.一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置，其特征在于：该装置包括倾斜镜(1)、第一中继光学系统(2)、变形镜(3)、第二中继光学系统(4)、波前倾斜探测器(5)、工控计算机(6)、倾斜镜高压放大器(7)和变形镜高压放大器(8)；其中，
入射光首先经过倾斜镜(1)反射，进入第一中继光学系统(2)，再经过变形镜(3)反射，进入第二中继光学系统(4)，最后进入波前倾斜探测器(5)；
工控计算机(6)根据波前倾斜探测器(5)采集的图像计算波前倾斜，再根据波前倾斜计算倾斜镜(1)和变形镜(3)的控制电压，并将其分别发送给倾斜镜高压放大器(7)和变形镜高压放大器(8)，用于分别控制倾斜镜(1)和变形镜(3)组合校正波前倾斜。
2.根据权利要求1所述的一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置，其特征在于：所述的第一中继光学系统(2)通过缩束或者扩束使倾斜镜(1)和变形镜(3)的通光口径匹配。
3.根据权利要求1所述的一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置，其特征在于：所述的第二中继光学系统(4)通过缩束或者扩束使变形镜(3)的通光口径和波前倾斜探测器(5)的入射口径匹配。
4.根据权利要求1所述的一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置，其特征在于：所述的波前倾斜探测器(5)可以是跟踪相机、四象限探测器、棱锥波前传感器、夏克-哈特曼波前传感器等不同技术手段制成的具备波前倾斜测量能力的探测器。
5.一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置的控制方法，利用权利要求1所述的一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置，其特征在于：该控制方法包括：所述的倾斜镜(1)和变形镜(3)的控制信号按时间频域进行划分，其中倾斜镜(1)主要用于校正波前倾斜的时间域低频部分，变形镜(3)主要用于校正波前倾斜的时间域高频部分。
6.根据权利要求5所述的一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置的控制方法，其特征在于：所述的波前倾斜的时间域低频部分可使用工控计算机(6)对波前倾斜探测器(5)测得的波前倾斜信号进行低通滤波或者时间域平均来获取。
7.根据权利要求5所述的一种自适应光学系统波前倾斜复合校正装置的控制方法，其特征在于：所述的波前倾斜的时间域高频部分可使用工控计算机(6)对波前倾斜探测器(5)测得的波前倾斜信号进行高通滤波或者将权利要求6所述的时间域低频部分减去来获取。
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