CN116047748A - 基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，包括反射主镜，变形次镜，能动变形次镜支撑架，分光棱镜，微透镜阵列，波前探测器，微调平移台，空间分辨率调整平移台，成像探测器，控制计算机和驱动器。通过结合变形次镜和空间分辨率可变波前探测器，极大的简化了原有自适应光学望远镜系统架构，大幅度提升系统对弱目标的探测能力，同时，系统具备更高的适应性，适用于各种不同扩展度目标的跟踪成像探测能力。
Description
技术领域
本发明涉及自适应光学系统，特别涉及一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置。
背景技术
自适应光学技术是一种解决因时间、空间波前畸变导致成像质量下降的有效措施。常规的自适应光学系统需要经过多个光学中转系统，实现光学口径的匹配，结构复杂，光能利用率低；同时，常规的自适应光学系统自适应能力有限，只能在设计范围内有效工作，限制了自适应光学系统的拓展使用。
为此，国内外同行在波前校正器和波前探测器开展了大量的研究工作，基于变形次镜的自适应光学系统大幅度简化了系统结构，然而，由于系统仍然采用传统的传感器哈特曼传感器，系统光能利用率仍然没能最大限度提升，同时自适应光学系统的适用范围仍然有限；采用无波前传感器的自适应光学系统虽然在结构上和光能利用率方面是最为简洁的，然而，波前探测器与波前校正器之间的复杂耦合光系大幅度限制了自适应光学波前控制实时性效果。
直至最近，我们提出了空间分辨率可变哈特曼传感器，其在探测灵活性和探测能量利用率两方面得到很好的保留和发挥，但是前面的工作仅限于波前探测范畴。
上述的方法在不同程度上解决了波前探测需要变分辨率的要求，但也明显看到了上述方法使用时存在的问题，如光能利用率不高，适用范围不大等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述问题困难和矛盾，提供一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，其为基于变形次镜和空间分辨率可变哈特曼传感器的新型自适应光学系统。该装置利用变形次镜和空间分辨率可变哈特曼传感器组合成一套闭环控制系统，实现对时间和空间波前畸变的有效探测与控制。变形次镜和空间分辨率可变哈特曼传感器的组合使用使得新的自适应光学系统兼备了最简的光路结构和更强的适应性，最大化提升了光能利用率。
本发明之所以可以实现更为紧凑和简洁的光路结构，却保留了传统自适应光学原有的工作性能，其关键在于变形次镜和空间分辨率可变哈特曼传感器，即两种工作于球面波的器件的结合。无论是传统自适应光学系统或是基于变形次镜的自适应光学系统，其或采用平面式反射镜结构，或采用工作于平行光入射的哈特曼，波前校正器和波前探测器之间需要满足口径匹配关系，因此，光路结构必然较本发明的复杂。本发明在球面哈特曼基础上，引入空间分辨率可变结构，使得哈特曼的空间分辨率和视场大小可调，系统的适应性进一步提升，适用于对不同扩展度目标和视场目标的实时波前控制。
本发明采用的技术方案为：一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，包括反射主镜，变形次镜，能动变形次镜支撑架，分光棱镜，视场光阑，微透镜阵列，波前探测器，微调平移台，空间分辨率调整平移台，成像探测器，控制计算机和驱动器，装置光路的工作流程如下：来自望远镜视场范围内的入射光线经反射主镜反射后到达变形次镜，经变形次镜的波前信息调控后，透射光经分光棱镜和视场光阑后进入可变分辨率哈特曼传感器，反射光则进入成像探测器。其中，可变分辨率哈特曼传感器由微透镜阵列，波前探测器，微调平移台和空间分辨率调整平台组成，可变分辨率哈特曼传感器根据入射光束的强度和波前畸变程度控制微调平移台和空间分辨率调整平台，以波前探测器获取的强度信息为指标，通过前后移动空间分辨率调整平台增加或者减少波前探测器的空间分辨率，在保证波前探测器光斑信噪比大于指定目标N情况下，最大程度提升波前探测器空间分辨率，N为大于1的实数；能动变形次镜支撑架用于对变形次镜的支撑，实现变形次镜整体的角度，平移和前后位置调整；驱动器实现对变形次镜和能动变形次镜支撑架能动部件的驱动；控制计算机根据可变分辨率哈特曼传感器测量获得的波前分布信息和成像探测器的成像信息实现对变形次镜和能动变形次镜支撑架的反馈控制。
进一步地，所述的一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，变形次镜采用压电或者磁致伸缩材料或者音圈电机驱动镜面变形，变形次镜镜面可以是凸面或者凹面镜。
进一步地，所述的一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，能动变形次镜支撑架采用六轴并联平台或压电惯性六轴定位平台。
进一步地，所述的一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，分光棱镜采用强度分光、光谱分光或者偏振分光器件实现。
进一步地，所述的一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，波前探测器和成像探测器采用电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器。
进一步地，所述的一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，控制计算机可以是高性能台式计算机或者嵌入式计算平台。
进一步地，所述的一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，反馈控制过程采用比例-积分控制方法，波前到变形次镜压电驱动器电压的计算方法采用模式或者直接斜率复原算法。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)与传统自适应光学系统和变形次镜自适应光学系统相比，本发明专利结构更简单，使用更少的光学反射镜面，具有更高的光能利用率；
(2)本发明采用变空间分辨率的波前探测器，具备更强的适应性，可以适应不同扩展度目标，不同亮度目标和不同大气湍流等复杂条件，实现对波前像差的实时波前探测与校正。
(3)相比于传统“光学望远镜”+“自适应光学”设计模式，本发明光学结构简单，光路较短，极大减少环境杂散光进入光学探测器的概率和功率，同时提升目标反射光透过率，显著提升综合探测信噪比。
附图说明
图1是本发明基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提出的基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，包括反射主镜1，变形次镜2，能动变形次镜支撑架3，分光棱镜4，视场光阑5，微透镜阵列6，波前探测器7，微调平移台8，空间分辨率调整平移台9，成像探测器10，控制计算机11和驱动器12，装置光路的工作流程如下：来自望远镜视场范围内的入射光线经反射主镜1反射后到达变形次镜2，经变形次镜2的波前信息调控后，透射的光经分光棱镜4和视场光阑5后进入可变分辨率哈特曼传感器，反射的光则进入成像探测器10；其中，可变分辨率哈特曼传感器由微透镜阵列6，波前探测器7，微调平移台8和空间分辨率调整平台9组成，可变分辨率哈特曼传感器根据入射光束的强度和波前畸变程度控制微调平移台8和空间分辨率调整平台9，以波前探测器7获取的强度信息为指标，通过前后移动空间分辨率调整平台9增加或者减少波前探测器7的空间分辨率，在保证波前探测器7光斑信噪比大于指定目标N情况下，最大程度提升波前探测器7空间分辨率，N为大于1的实数；能动变形次镜支撑架3用于对变形次镜2的支撑，实现变形次镜2整体的角度，平移和前后位置调整；驱动器12实现对变形次镜2和能动变形次镜支撑架3能动部件的驱动；控制计算机11根据可变分辨率哈特曼传感器测量获得的波前分布信息和成像探测器10的成像信息实现对变形次镜2和能动变形次镜支撑架3的反馈控制。
变形次镜2采用压电或者磁致伸缩材料或者音圈电机驱动镜面变形，变形次镜2镜面可以采用凸面镜或者凹面镜。
能动变形次镜支撑架3采用六轴并联平台或压电惯性六轴定位平台。
分光棱镜4采用强度分光、光谱分光或者偏振分光器件实现。
波前探测器7和成像探测器10采用电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器。
控制计算机11可以是高性能台式计算机或者嵌入式计算平台。
反馈控制过程采用比例-积分控制方法，波前到变形次镜压电驱动器电压的计算方法采用模式或者直接斜率复原算法。
本发明基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置工作过程分三步进行，首先是系统状态调整，即通过能动变形次镜支撑架3位置调整实现最小化系统成像相差，为下一步实现实时波前相差控制做准备；
第二步，最优控制状态调整，根据波前传感器7探测的光能量分布，控制空间分辨率调整平台9，使得波前传感器7探测的光斑具备足够的信噪比，达到最优化波前探测与控制的效果；
最后，实时闭环控制，根据波前传感器7探测波前相差实时控制变形次镜2进行波前控制，并通过控制计算机11控制成像探测器10，获得清晰稳定的目标图像序列。
系统状态调整：如图1所示，选择亮度较高的星体或者人造目标，视场范围内的光线经反射主镜1汇聚到变形次镜2，经变形次镜2和分光棱镜4后，依次经视场光阑5和微透镜阵列6进入波前探测器7。波前探测器7获得光斑阵列图像，并利用质心算法求得单个子孔径光斑较理想光斑位置的偏移量，利用所有阵列光斑的偏移量，并根据模式波前复原算法计算出当前入射相差的波前分布。根据测量获得的相差分布调整随机能动变形次镜支撑架3，保留波前分布下降的调整方向，直至波前分布无明显改善为止。
最优控制状态调整：将望远镜指向观测目标，同系统状态调整过程，获得目标对象在波前探测器7上的光斑分布，根据探测器7上的光斑分布强度，如果光斑较弱则改变空间分辨率调整平台9使得光斑阵列变少，提高光斑强度，使得光斑信噪比(信号峰值比噪声方差)达到3以上；反之则增加光斑阵列数，使波前探测分辨率最大化。
实时闭环控制：继续保持望远镜指向观测目标，通过变分辨波前探测器实时获取大气与系统的波前信息，并根据直接斜率闭环控制算法解算出变形次镜2所有驱动器所需电压，利用比例积分反馈控制算法实现对波前的实时控制，同时，控制成像探测器记录目标对象的成像效果。
该实施案例针对被测入射波前为平行波前的情况，对于被测波前为球面波前的情况，则在测量过程中省去光束发散系统1即可，其他步骤与该实施案例一致。
Claims (7)
1.一种基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，其特征在于：包括反射主镜(1)，变形次镜(2)，能动变形次镜支撑架(3)，分光棱镜(4)，视场光阑(5)，微透镜阵列(6)，波前探测器(7)，微调平移台(8)，空间分辨率调整平移台(9)，成像探测器(10)，控制计算机(11)和驱动器(12)，装置光路的工作流程如下：来自望远镜视场范围内的入射光线经反射主镜(1)反射后到达变形次镜(2)，经变形次镜(2)的波前信息调控后，透射的光经分光棱镜(4)和视场光阑(5)后进入可变分辨率哈特曼传感器，反射的光则进入成像探测器(10)；其中，可变分辨率哈特曼传感器由微透镜阵列(6)，波前探测器(7)，微调平移台(8)和空间分辨率调整平台(9)组成，可变分辨率哈特曼传感器根据入射光束的强度和波前畸变程度控制微调平移台(8)和空间分辨率调整平台(9)，以波前探测器(7)获取的强度信息为指标，通过前后移动空间分辨率调整平台(9)增加或者减少波前探测器(7)的空间分辨率，在保证波前探测器(7)光斑信噪比大于指定目标N情况下，最大程度提升波前探测器(7)空间分辨率，N为大于1的实数；能动变形次镜支撑架(3)用于对变形次镜(2)的支撑，实现变形次镜(2)整体的角度，平移和前后位置调整；驱动器(12)实现对变形次镜(2)和能动变形次镜支撑架(3)能动部件的驱动；控制计算机(11)根据可变分辨率哈特曼传感器测量获得的波前分布信息和成像探测器(10)的成像信息实现对变形次镜(2)和能动变形次镜支撑架(3)的反馈控制。
2.根据权利要求1所述的基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，其特征在于：变形次镜(2)采用压电或者磁致伸缩材料或者音圈电机驱动镜面变形，变形次镜(2)镜面可以是凸面或者凹面镜。
3.根据权利要求1所述的基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，其特征在于：能动变形次镜支撑架(3)采用六轴并联平台或压电惯性六轴定位平台。
4.根据权利要求1所述的基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，其特征在于：分光棱镜(4)采用强度分光、光谱分光或者偏振分光器件实现。
5.根据权利要求1所述的基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，其特征在于：波前探测器(7)和成像探测器(10)采用电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器。
6.根据权利要求1所述的基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，其特征在于：控制计算机(11)可以是高性能台式计算机或者嵌入式计算平台。
7.根据权利要求1所述的基于可变分辨率哈特曼的自适应光学望远镜波前控制装置，其特征在于：反馈控制过程采用比例-积分控制方法，波前到变形次镜压电驱动器电压的计算方法采用模式或者直接斜率复原算法。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117783002A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-03-29 | 苏州吉天星舟空间技术有限公司 | 一种多光谱星载主动光学系统及其波前探测方法 |
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2023
- 2023-02-09 CN CN202310090109.8A patent/CN116047748A/zh active Pending
Cited By (2)
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