CN115452327A - 一种空间展开式望远镜矫正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间展开式望远镜矫正方法及装置。该方法及装置首先在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；再基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。本发明针对大口径望远镜集成检测过程，研究不同工况下大口径拼接望远镜内部组件间的相互作用方式，解析大口径拼接镜组件单元相互作用的运动学与力学机制，从系统多模态调控相互作用、功能协同、系统综合的角度解析大口镜拼接望远镜精度传递网络建立、维持、动态变化及其调控机制。

Description

一种空间展开式望远镜矫正方法及装置

技术领域

本发明涉及一种空间展开式望远镜矫正方法及装置。

背景技术

空间望远镜具有观测窗口宽、不受大气湍流影响的优点，也称地基望远镜，可获得更加深远以及精细的宇宙观测。未来大口径空间望远镜可达10到15米量级，如此巨大的望远镜已无法实现直接发射。受到运载工具限制，下一代空间大口径望远镜均采用在轨展开或在轨制造的技术路线，在轨展开望远镜与一体式发射空间望远镜相比，其系统的光学元件相对位置精度不再由传统的机械结构保证，而由可调可控的主动光学环节将系统转化为可调控的机电系统，最终实现高精度的对准。

为实现系统的高精度、快速定位与校准，则需要构建一系列的装调方式，从大范围的精度到小范围、高精度、逐层次，通过迭代实现系统的对准，最终在10到15米跨度上实现纳米级的装调精度。目前最为先进的在轨展开装置为詹姆斯韦伯望远镜，其展开完全由最终的相机进行引导。但是詹姆斯韦伯展开过程仅存在一个自由度，即属于两翼的主镜单元，但是随着未来望远镜口径的增大，其展开自由度也逐渐增多。为保证如此多自由度的精确控制与原件对准，需要发展新的测量体质与装置，最终保证多块子镜的有效对准。

哈勃空间望远镜预留了空间望远镜主动调节功能，为以后的诸多技术打下了基础。同时，欧洲天文台的盖亚望远镜通过两块1.5米的长条形子镜进行高精度对准，利用哈特曼传感器对此孔径进行分割校准，实现了高精度的系统共交。该方法对于双筒系统的效果较好，但是下一代拼接望远镜其子径单元常常达到上百个，因此，急需研发一套可进行大规模集成的高通量系统对准方式。下一代空间大口径望远镜威尔，其大尺度的系统校准由激光测距来完成，但是对于其多个子镜的对准与调节方式尚未展开深入研究。大口径拼接望远镜系统子镜单元与科学终端将不同功能区域化和功能模块化，以实现精细天文观测与大规模数字巡天。

发明内容

本发明实施例提供了一种空间展开式望远镜矫正方法及装置，以至少解决现有无大规模集成的高通量系统对准方式的技术问题。

根据本发明的一实施例，提供了一种空间展开式望远镜矫正方法，包括以下步骤：

在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；

基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。

进一步地，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈包括：

利用并行梯度下降算法对波前斜率进行结算，并对播前进行复原，对望远镜系统进行反馈测试；

采用模式法由斜率信息获取拨弦信息，通过获得波前所有采样点的斜率，基于泽尼克多项式的分解，最终重建出整体的波前，并由该拨弦获得对应子孔径的倾斜情况。

进一步地，基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正包括：

在同面处设立光子互连扫描机构，通过建立波前整体斜率与泽尼克多项式的对应关系，实现波前斜率的复原以及倾角的矫正。

进一步地，方法具体包括：

选择望远镜系统合适的图面插入全光子扫描器件，选择不影响望远镜系统顺利运行的位置进行光头扫描；

将连接光纤的耦合器与特定的子径单元进行对应，保证耦合器所接收的光线均来自单一的子径单元；

在光纤的出射端收集光纤所引出的能量与模式信息，并记录该信息；

将耦合器移动到下一个子径单元所对应区域，重复以上步骤，直至所有的子径单元均完成扫描。

进一步地，当望远镜对光束进行收集时，在其同面部分设置光纤互联网棱镜系统，对各片首先进行逐个的光点追踪，在获得各光点位置后，通过调节各光点位置，将其调节至共同焦点。

进一步地，采用光纤互染的方式对分段的边界进行感知，在现有光路中插入边界稳定性的探测光路，并对最终的探测结果进行反馈；

采用高通量的密排方式，用单次曝光的方式对系统的边界稳定性进行感知，并在此基础上对系统的主镜进行指向调节。

进一步地，利用单模光纤实现对波前倾斜的探测与矫正，对其沿光轴方向的离焦进行定位；通过拟合的方式获取条纹的相位信息，利用光纤空间滤波特性实现子孔径内的波前信息获取。

进一步地，利用非相干合成理论，得到非窄带情况下的合成复光场分布模型，通过对合成后光强与相位的解析式表达，获取理论分析工具。

进一步地，利用结构函数进行分析，得到不同的离焦值，将离焦值与结构函数进行一一对应，来确定系统的粗共向过程。

根据本发明的另一实施例，提供了一种空间展开式望远镜矫正装置，包括：

监控与反馈单元，用于在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；

矫正单元，用于基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。

一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的空间展开式望远镜矫正方法。

一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的空间展开式望远镜矫正方法。

本发明实施例中的空间展开式望远镜矫正方法及装置，首先在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；再基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。本发明针对大口径望远镜集成检测过程，研究不同工况下大口径拼接望远镜内部组件间的相互作用方式，解析大口径拼接镜组件单元相互作用的运动学与力学机制，从系统多模态调控相互作用、功能协同、系统综合的角度解析大口镜拼接望远镜精度传递网络建立、维持、动态变化及其调控机制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明空间展开式望远镜矫正方法的流程图；

图2为本发明的系统架构图；

图3为本发明中对系统波前进行重建的结果图Ⅰ；

图4为本发明中对系统波前进行重建的结果图Ⅱ；

图5为本发明中对系统波前进行重建的结果图Ⅲ；

图6为本发明中单模光纤进行模场耦合的过程图Ⅳ；

图7为本发明中单模光纤进行模场耦合的过程图；

图8为本发明中搭建的实验平台图；

图9为本发明中利用单元变形镜对播前进行模拟后输出的结果图Ⅰ；

图10为本发明中利用单元变形镜对播前进行模拟后输出的结果图Ⅱ；

图11为本发明中利用单元变形镜对播前进行模拟后输出的结果图Ⅲ；

图12为本发明中利用单元变形镜对播前进行模拟后输出的结果图Ⅳ；

图13为本发明中系统进行光干涉的示意图；

图14为本发明中系统进行光干涉的干涉条纹图；

图15为本发明中用功率谱对干涉条纹进行分析的结果图；

图16为本发明空间展开式望远镜矫正装置的模块图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明一实施例，提供了一种空间展开式望远镜矫正方法，参见图1，包括以下步骤：

S100:在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；

S200:基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。

本发明实施例中的空间展开式望远镜矫正方法，首先在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；再基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。本发明针对大口径望远镜集成检测过程，研究不同工况下大口径拼接望远镜内部组件间的相互作用方式，解析大口径拼接镜组件单元相互作用的运动学与力学机制，从系统多模态调控相互作用、功能协同、系统综合的角度解析大口镜拼接望远镜精度传递网络建立、维持、动态变化及其调控机制。

其中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈包括：

利用并行梯度下降算法对波前斜率进行结算，并对播前进行复原，对望远镜系统进行反馈测试；

采用模式法由斜率信息获取拨弦信息，通过获得波前所有采样点的斜率，基于泽尼克多项式的分解，最终重建出整体的波前，并由该拨弦获得对应子孔径的倾斜情况。

其中，基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正包括：

在同面处设立光子互连扫描机构，通过建立波前整体斜率与泽尼克多项式的对应关系，实现波前斜率的复原以及倾角的矫正。

其中，方法具体包括：

选择望远镜系统合适的图面插入全光子扫描器件，选择不影响望远镜系统顺利运行的位置进行光头扫描；

将连接光纤的耦合器与特定的子径单元进行对应，保证耦合器所接收的光线均来自单一的子径单元；

在光纤的出射端收集光纤所引出的能量与模式信息，并记录该信息；

将耦合器移动到下一个子径单元所对应区域，重复以上步骤，直至所有的子径单元均完成扫描。

其中，当望远镜对光束进行收集时，在其同面部分设置光纤互联网棱镜系统，对各片首先进行逐个的光点追踪，在获得各光点位置后，通过调节各光点位置，将其调节至共同焦点。

其中，采用光纤互染的方式对分段的边界进行感知，在现有光路中插入边界稳定性的探测光路，并对最终的探测结果进行反馈；

采用高通量的密排方式，用单次曝光的方式对系统的边界稳定性进行感知，并在此基础上对系统的主镜进行指向调节。

其中，利用单模光纤实现对波前倾斜的探测与矫正，对其沿光轴方向的离焦进行定位；通过拟合的方式获取条纹的相位信息，利用光纤空间滤波特性实现子孔径内的波前信息获取。

其中，利用非相干合成理论，得到非窄带情况下的合成复光场分布模型，通过对合成后光强与相位的解析式表达，获取理论分析工具。

其中，利用结构函数进行分析，得到不同的离焦值，将离焦值与结构函数进行一一对应，来确定系统的粗共向过程。

下面以具体实施例，对本发明的空间展开式望远镜矫正方法进行详细说明：

本发明针对空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程，利用后端光纤互联系统对望远镜的对准情况进行监控与反馈，并基于并行梯度下降算法对其对准情况进行矫正。

本发明利用模场耦合理论，当光束发生倾斜，其耦合进入光纤的效率就会发生变化。由于输入光强，可认为保持不变，因此，最终光强的变化规律即可反应铁律的变化。同时，考虑到非单模光纤扫描情况，系统的模厂信息也会对最终的结果产生影响。具体包括：

步骤一：选择系统合适的图面插入全光子扫描器件。由于光纤互联所带来的灵活性，因此可根据系统的实际需求，选择不影响系统实际顺利运行的位置进行光头扫描。

步骤二：将连接光纤的耦合器与特定的子径单元进行对应，保证耦合器所接收的光线均来自单一的子径单元。

步骤三：在光纤的出射端收集光纤所引出的能量与模式信息，并记录该信息。

步骤四：将耦合器移动到下一个子径单元所对应区域，重复以上步骤，直至所有的子径单元均完成扫描。

利用本发明所提出的算法对波前的斜率进行结算，以及对播前进行复原，并以此对系统进行反馈测试。由斜率信息获取拨弦信息，本发明采用模式法，即通过获得波前所有采样点的斜率，基于泽尼克多项式的分解，最终重建出整体的波前，并由该拨弦获得对应子孔径的倾斜情况。

大口径拼接望远镜对光子的收集与调控，本质上讲是其成像链路上诸多元件在精细分工，在时空上相互协同调控的结果。传统的研究多集中在端到端(光学传递函数)以及外部输入对系统的影响等方面，在执行调控的过程中，各组件之间的能量交换与精度传递形式、功能和机制尚未明晰。本发明针对大口径望远镜集成检测过程，研究不同工况下大口径拼接望远镜内部组件间的相互作用方式，解析大口径拼接镜组件单元相互作用的运动学与力学机制，从系统多模态调控相互作用、功能协同、系统综合的角度解析大口镜拼接望远镜精度传递网络建立、维持、动态变化及其调控机制。

针对拼接，本发明系统将在同面处设立光子互连扫描机构，通过建立波前整体斜率与泽尼克多项式的对应关系，可实现波前斜率的复原以及倾角的矫正。本发明对波前输入情况及其模态进行准确模拟，采用变形镜进行子孔径模拟。

本发明的基本算法：

并行梯度下降算法每次寻优的方向都是随机的，虽然在统计意义上，算法的收敛性可以保证，但是在实时性要求比较高的情况下，其收敛速度偏慢的缺点就显得十分突出。设自适应光学系统性能指标为β，通过增加扰动电压之后得到的性能指标变化量为Δβ，由于在实际的工程应用与科研实践中，不会出现能量激变的情况，故假设系统性能指标β可导，通过泰勒展开可以得到：

其中，o(c²)为展开式中的剩余项。

为了得到性能指标下降的梯度，左右两边同时乘以δu_i，取期望可得：

假设{δu_i}中的各个元素独立同分布，可以得到：

其中σ²为{δu_i}的方差，利用(3)式，可以通过统计规律得到评价指标的下降梯度无偏估计；

通过以上可以得到:

cⁿ⁺¹＝cⁿ+δβδc (4)

(4)式为该算法的核心公式，选取合理的扰动电压可以得到更好的收敛特性。另一方面，由(4)式可得，平行梯度下降算法是一个依赖数理统计得到估计来近似梯度的方法，同样地，利用无偏估计可以得到最佳步长的估计。

具体来说，当空间展开望远镜到达指定位置后，其各个镜片进行展开，当望远镜可对光束进行收集时，在其同面部分设置光纤互联网棱镜系统，针对各片首先进行逐个的光点追踪，在获得各光点位置后，通过调节各光点位置，将其调节至共同焦点。

大口径空间可展开望远镜在其在轨展开过程中，面临着探测动态范围与精度难以兼顾的难题。本发明采用光纤互联架构，通过光波导进行光子的收集与传输，克服了大空间跨度光入对空间的占用大、重量大等缺点。同时基于光波导系统重量轻、抗辐射的特点，可相应的减轻发射载荷以及电磁兼容性包袱，进一步提升系统的运载能力，可有效增加未来有效载荷的极限。不仅如此，利用光纤等光波导进行探测，可不使用面阵或线阵探测器，通过集成于光波导出口的点强度探测器，可对系统的对准情况与成像进行检测与预测，有效的提升了探测效率与闭环带宽。

对于干涉成像以及系统对准过程，其探测结果在平面上的数据具有稀疏性，因此传统上采用的探测器，其利用率较低，不仅严重影响了系统的总重，同时也限制了系统的读输速度。本发明采用点探测器，仅通过对单点的能量采集，即可通过算法模型获得系统的对准与成像结果。

另对实现空间可展开分段式望远镜的稳定运行，需要在运行过程中，针对分段的边界进行感知，因此采用光纤互染的方式，可在现有光路中插入边界稳定性，探测光路，并对最终的探测结果进行反馈。可采用高通量的密排方式，降低采样时间所带来的延迟。可用单次曝光的方式对系统的边界稳定性进行感知，并在此基础上对系统的主镜进行指向调节，最终实现系统最佳的成像效果与成像稳定性。在此，基于光波导模式耦合基本原理，当输入模厂与模厂本身的特征函数相似率最高的时候，即可获得最高的耦合效率。以单模光纤为例，当入射的光斑与高斯函数接近率最高时，可获得最高的耦合效率。对于少模光纤及入射模式，光纤增多，但由于模式之间的正交性，可根据不同模式进行独立的分别结算。具体来说，扫描五棱镜，针对镜面上的每一个点，获取其倾角与波前信息，并根据该信息对播前进行重建。假设大口径空间拼接望远镜的每片为绝对刚体，因此，仅需一次采样即可获得拨弦的倾斜信息，并根据倾斜信息进行波前的重建。

根据同面的切割理论，可针对同一片棱镜集合多种类型的光纤。以单模光纤为例，其解散主要为拨前的倾斜，对于少模光纤可获得拨弦的切高度差信息，对于多模光纤，可获得系统的亮度信息以及提交信息。针对空间拼接望远镜，采用大通量密排光波的形式，可将不同模态的光进行分别收取，以最终实现对系统对准状态的感知，以及对边界异变的提取与抑制。

图2为本发明的系统架构图，其细节处展示了不同类型光波导的集合以及与系统前端子镜的对应关系。基于所测的斜率，对系统波前进行重建的结果，如图3-6所示，其中，利用结构函数来表征系统不同尺度下的复原精度。单模光纤进行模场耦合的过程如图7所示。

在此，基于光波导模式耦合基本原理，当输入模与波导本身的特征函数相似率最高的时候，即可获得最高的耦合效率。以单模光纤为例，当入射的光斑与高斯函数接近率最高时，可获得最高的耦合效率。对于少模光纤及入射模式，较单模光纤增多，但由于模式之间的正交性，可根据不同模式进行独立的分别结算。

具体来说，利用单模光纤实现对波前倾斜的探测与矫正，利用多模光纤对离焦更为敏感的特性，对其沿光轴方向的大范围离焦进行定位。通过拟合的方式获取条纹的相位信息，利用光纤空间滤波特性可实现子孔径内的波前信息获取。

光纤是由两个或多个介电材料层组成的圆柱形波导。麦克斯韦方程以及边界条件描述了通过光纤传播的不同模式。单模光纤只有基模F01。它的轮廓是核心中的贝塞尔函数和包层中的汉克尔函数。在某些条件下，此轮廓可以用高斯近似：

其中，

针对单模光纤：

其中，

·代表标量积，||||代表取模。

搭建的实验平台如图8所示，其中利用单元变形镜对播前进行模拟，最终的模厂图片如图9-12所示，利用结构函数对其进行分析，可得通过不同的离焦值，可与结构函数进行一一对应，以此来确定系统的粗共向过程。

基于傅里叶光学的基本原理，可利用复光场针对单一波长的光波的干涉过程进行解析表达。在此基础上，利用非相干合成理论，得到非窄带情况下的合成复光场分布模型，通过对合成后光强与相位的解析式表达，为后续的研究提供理论分析工具，具体来说:系统进行光干涉的示意图如图13所示，其所获得的干涉条纹如图14所示。如图13-14可知，利用光纤进行合成干涉，可获得两路之间的相位差。

利用复光场理论，单一波长的波前W(u)可表达为：

其中，λ为波长，A为单一相位空间频率分量幅值，u为光瞳内空间坐标，f为空间频域坐标，E为口径函数，

为初始相位。

假设W1与W2分别为两束异构子孔径所获得波前，复光场光束合成的过程可用下式表示：

W_s(u)＝W₁(u)+W₂(u) (8)

干涉条纹强度可通过复光场模的平方获得，如下式所示：

I＝|W(u)|² (9)

在获得单一波长的表达后，可通过获得不同波长干涉强度I(λ,x)，其中P(λ)为矩阵其行对应于探测器的光谱响应函数：

λ为波长，滤波函数包括通带的形状与探测器的频率响应，基于此，可获得非窄带下的两路干涉所得条纹的定量描述。在此基础上，反复利用(8)式，可建立异构子孔径下的宽带条纹追踪理论模型。利用功率谱对其干涉条纹进行分析，参见图15，可得由于干涉所形成的特征频率非常明显，可由此提取干涉所携带的各类信息。

实施例2

根据本发明的另一实施例，提供了一种空间展开式望远镜矫正装置，参见图16，包括：

监控与反馈单元201，用于在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；

矫正单元202，用于基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。

本发明实施例中的空间展开式望远镜矫正装置，首先在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；再基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。本发明针对大口径望远镜集成检测过程，研究不同工况下大口径拼接望远镜内部组件间的相互作用方式，解析大口径拼接镜组件单元相互作用的运动学与力学机制，从系统多模态调控相互作用、功能协同、系统综合的角度解析大口镜拼接望远镜精度传递网络建立、维持、动态变化及其调控机制。

下面以具体实施例，对本发明的空间展开式望远镜矫正装置进行详细说明：

本发明针对空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程，利用后端光纤互联系统对望远镜的对准情况进行监控与反馈，并基于并行梯度下降算法对其对准情况进行矫正。

本发明利用模场耦合理论，当光束发生倾斜，其耦合进入光纤的效率就会发生变化。由于输入光强，可认为保持不变，因此，最终光强的变化规律即可反应铁律的变化。同时，考虑到非单模光纤扫描情况，系统的模厂信息也会对最终的结果产生影响。具体包括：

步骤一：选择系统合适的图面插入全光子扫描器件。由于光纤互联所带来的灵活性，因此可根据系统的实际需求，选择不影响系统实际顺利运行的位置进行光头扫描。

步骤二：将连接光纤的耦合器与特定的子径单元进行对应，保证耦合器所接收的光线均来自单一的子径单元。

步骤三：在光纤的出射端收集光纤所引出的能量与模式信息，并记录该信息。

步骤四：将耦合器移动到下一个子径单元所对应区域，重复以上步骤，直至所有的子径单元均完成扫描。

利用本发明所提出的算法对波前的斜率进行结算，以及对播前进行复原，并以此对系统进行反馈测试。由斜率信息获取拨弦信息，本发明采用模式法，即通过获得波前所有采样点的斜率，基于泽尼克多项式的分解，最终重建出整体的波前，并由该拨弦获得对应子孔径的倾斜情况。

大口径拼接望远镜对光子的收集与调控，本质上讲是其成像链路上诸多元件在精细分工，在时空上相互协同调控的结果。传统的研究多集中在端到端(光学传递函数)以及外部输入对系统的影响等方面，在执行调控的过程中，各组件之间的能量交换与精度传递形式、功能和机制尚未明晰。本发明针对大口径望远镜集成检测过程，研究不同工况下大口径拼接望远镜内部组件间的相互作用方式，解析大口径拼接镜组件单元相互作用的运动学与力学机制，从系统多模态调控相互作用、功能协同、系统综合的角度解析大口镜拼接望远镜精度传递网络建立、维持、动态变化及其调控机制。

针对拼接，本发明系统将在同面处设立光子互连扫描机构，通过建立波前整体斜率与泽尼克多项式的对应关系，可实现波前斜率的复原以及倾角的矫正。本发明对波前输入情况及其模态进行准确模拟，采用变形镜进行子孔径模拟。

本发明的基本算法：

并行梯度下降算法每次寻优的方向都是随机的，虽然在统计意义上，算法的收敛性可以保证，但是在实时性要求比较高的情况下，其收敛速度偏慢的缺点就显得十分突出。设自适应光学系统性能指标为β，通过增加扰动电压之后得到的性能指标变化量为Δβ，由于在实际的工程应用与科研实践中，不会出现能量激变的情况，故假设系统性能指标β可导，通过泰勒展开可以得到：

其中，o(c²)为展开式中的剩余项。

为了得到性能指标下降的梯度，左右两边同时乘以δu_i，取期望可得：

假设{δu_i}中的各个元素独立同分布，可以得到：

其中σ²为{δu_i}的方差，利用(3)式，可以通过统计规律得到评价指标的下降梯度无偏估计；

通过以上可以得到:

cⁿ⁺¹＝cⁿ+δβδc (4)

(4)式为该算法的核心公式，选取合理的扰动电压可以得到更好的收敛特性。另一方面，由(4)式可得，平行梯度下降算法是一个依赖数理统计得到估计来近似梯度的方法，同样地，利用无偏估计可以得到最佳步长的估计。

具体来说，当空间展开望远镜到达指定位置后，其各个镜片进行展开，当望远镜可对光束进行收集时，在其同面部分设置光纤互联网棱镜系统，针对各片首先进行逐个的光点追踪，在获得各光点位置后，通过调节各光点位置，将其调节至共同焦点。

大口径空间可展开望远镜在其在轨展开过程中，面临着探测动态范围与精度难以兼顾的难题。本发明采用光纤互联架构，通过光波导进行光子的收集与传输，克服了大空间跨度光入对空间的占用大、重量大等缺点。同时基于光波导系统重量轻、抗辐射的特点，可相应的减轻发射载荷以及电磁兼容性包袱，进一步提升系统的运载能力，可有效增加未来有效载荷的极限。不仅如此，利用光纤等光波导进行探测，可不使用面阵或线阵探测器，通过集成于光波导出口的点强度探测器，可对系统的对准情况与成像进行检测与预测，有效的提升了探测效率与闭环带宽。

对于干涉成像以及系统对准过程，其探测结果在平面上的数据具有稀疏性，因此传统上采用的探测器，其利用率较低，不仅严重影响了系统的总重，同时也限制了系统的读输速度。本发明采用点探测器，仅通过对单点的能量采集，即可通过算法模型获得系统的对准与成像结果。

另对实现空间可展开分段式望远镜的稳定运行，需要在运行过程中，针对分段的边界进行感知，因此采用光纤互染的方式，可在现有光路中插入边界稳定性，探测光路，并对最终的探测结果进行反馈。可采用高通量的密排方式，降低采样时间所带来的延迟。可用单次曝光的方式对系统的边界稳定性进行感知，并在此基础上对系统的主镜进行指向调节，最终实现系统最佳的成像效果与成像稳定性。在此，基于光波导模式耦合基本原理，当输入模厂与模厂本身的特征函数相似率最高的时候，即可获得最高的耦合效率。以单模光纤为例，当入射的光斑与高斯函数接近率最高时，可获得最高的耦合效率。对于少模光纤及入射模式，光纤增多，但由于模式之间的正交性，可根据不同模式进行独立的分别结算。具体来说，扫描五棱镜，针对镜面上的每一个点，获取其倾角与波前信息，并根据该信息对播前进行重建。假设大口径空间拼接望远镜的每片为绝对刚体，因此，仅需一次采样即可获得拨弦的倾斜信息，并根据倾斜信息进行波前的重建。

根据同面的切割理论，可针对同一片棱镜集合多种类型的光纤。以单模光纤为例，其解散主要为拨前的倾斜，对于少模光纤可获得拨弦的切高度差信息，对于多模光纤，可获得系统的亮度信息以及提交信息。针对空间拼接望远镜，采用大通量密排光波的形式，可将不同模态的光进行分别收取，以最终实现对系统对准状态的感知，以及对边界异变的提取与抑制。

图2为本发明的系统架构图，其细节处展示了不同类型光波导的集合以及与系统前端子镜的对应关系。基于所测的斜率，对系统波前进行重建的结果，如图3-6所示，其中，利用结构函数来表征系统不同尺度下的复原精度。单模光纤进行模场耦合的过程如图7所示。

在此，基于光波导模式耦合基本原理，当输入模与波导本身的特征函数相似率最高的时候，即可获得最高的耦合效率。以单模光纤为例，当入射的光斑与高斯函数接近率最高时，可获得最高的耦合效率。对于少模光纤及入射模式，较单模光纤增多，但由于模式之间的正交性，可根据不同模式进行独立的分别结算。

具体来说，利用单模光纤实现对波前倾斜的探测与矫正，利用多模光纤对离焦更为敏感的特性，对其沿光轴方向的大范围离焦进行定位。通过拟合的方式获取条纹的相位信息，利用光纤空间滤波特性可实现子孔径内的波前信息获取。

光纤是由两个或多个介电材料层组成的圆柱形波导。麦克斯韦方程以及边界条件描述了通过光纤传播的不同模式。单模光纤只有基模F01。它的轮廓是核心中的贝塞尔函数和包层中的汉克尔函数。在某些条件下，此轮廓可以用高斯近似：

其中，

针对单模光纤：

其中，

·代表标量积，||||代表取模。

搭建的实验平台如图8所示，其中利用单元变形镜对播前进行模拟，最终的模厂图片如图9-12所示，利用结构函数对其进行分析，可得通过不同的离焦值，可与结构函数进行一一对应，以此来确定系统的粗共向过程。

基于傅里叶光学的基本原理，可利用复光场针对单一波长的光波的干涉过程进行解析表达。在此基础上，利用非相干合成理论，得到非窄带情况下的合成复光场分布模型，通过对合成后光强与相位的解析式表达，为后续的研究提供理论分析工具，具体来说:系统进行光干涉的示意图如图13所示，其所获得的干涉条纹如图14所示。如图13-14可知，利用光纤进行合成干涉，可获得两路之间的相位差。

利用复光场理论，单一波长的波前W(u)可表达为：

其中，λ为波长，A为单一相位空间频率分量幅值，u为光瞳内空间坐标，f为空间频域坐标，E为口径函数，

为初始相位。

假设W1与W2分别为两束异构子孔径所获得波前，复光场光束合成的过程可用下式表示：

W_s(u)＝W₁(u)+W₂(u) (8)

干涉条纹强度可通过复光场模的平方获得，如下式所示：

I＝|W(u)|² (9)

在获得单一波长的表达后，可通过获得不同波长干涉强度I(λ,x)，其中P(λ)为矩阵其行对应于探测器的光谱响应函数：

λ为波长，滤波函数包括通带的形状与探测器的频率响应，基于此，可获得非窄带下的两路干涉所得条纹的定量描述。在此基础上，反复利用(8)式，可建立异构子孔径下的宽带条纹追踪理论模型。利用功率谱对其干涉条纹进行分析，参见图15，可得由于干涉所形成的特征频率非常明显，可由此提取干涉所携带的各类信息。

实施例3

一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项空间展开式望远镜矫正方法的程序文件。

实施例4

一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的空间展开式望远镜矫正方法。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空间展开式望远镜矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：

在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；

基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。

2.根据权利要求1所述的空间展开式望远镜矫正方法，其特征在于，所述利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈包括：

利用并行梯度下降算法对波前斜率进行结算，并对播前进行复原，对望远镜系统进行反馈测试；

采用模式法由斜率信息获取拨弦信息，通过获得波前所有采样点的斜率，基于泽尼克多项式的分解，最终重建出整体的波前，并由该拨弦获得对应子孔径的倾斜情况。

3.根据权利要求2所述的空间展开式望远镜矫正方法，其特征在于，所述基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正包括：

在同面处设立光子互连扫描机构，通过建立波前整体斜率与泽尼克多项式的对应关系，实现波前斜率的复原以及倾角的矫正。

4.根据权利要求3所述的空间展开式望远镜矫正方法，其特征在于，所述方法具体包括：

选择望远镜系统合适的图面插入全光子扫描器件，选择不影响望远镜系统顺利运行的位置进行光头扫描；

将连接光纤的耦合器与特定的子径单元进行对应，保证耦合器所接收的光线均来自单一的子径单元；

在光纤的出射端收集光纤所引出的能量与模式信息，并记录该信息；

将耦合器移动到下一个子径单元所对应区域，重复以上步骤，直至所有的子径单元均完成扫描。

5.根据权利要求4所述的空间展开式望远镜矫正方法，其特征在于，当望远镜对光束进行收集时，在其同面部分设置光纤互联网棱镜系统，对各片首先进行逐个的光点追踪，在获得各光点位置后，通过调节各光点位置，将其调节至共同焦点。

6.根据权利要求5所述的空间展开式望远镜矫正方法，其特征在于，采用光纤互染的方式对分段的边界进行感知，在现有光路中插入边界稳定性的探测光路，并对最终的探测结果进行反馈；

采用高通量的密排方式，用单次曝光的方式对系统的边界稳定性进行感知，并在此基础上对系统的主镜进行指向调节。

7.根据权利要求6所述的空间展开式望远镜矫正方法，其特征在于，利用单模光纤实现对波前倾斜的探测与矫正，对其沿光轴方向的离焦进行定位；通过拟合的方式获取条纹的相位信息，利用光纤空间滤波特性实现子孔径内的波前信息获取。

8.根据权利要求7所述的空间展开式望远镜矫正方法，其特征在于，利用非相干合成理论，得到非窄带情况下的合成复光场分布模型，通过对合成后光强与相位的解析式表达，获取理论分析工具。

9.根据权利要求8所述的空间展开式望远镜矫正方法，其特征在于，利用结构函数进行分析，得到不同的离焦值，将离焦值与结构函数进行一一对应，来确定系统的粗共向过程。

10.一种空间展开式望远镜矫正装置，其特征在于，包括：

监控与反馈单元，用于在空间展开式望远镜进入轨道后的展开过程中，利用后端光纤互联系统对空间展开式望远镜的对准情况进行监控与反馈；

矫正单元，用于基于并行梯度下降算法对空间展开式望远镜的对准情况进行矫正。

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