一种嵌套双自适应光学系统的制作方法

一种嵌套双自适应光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种嵌套双自适应光学系统，包括望远镜，缩束系统，信标光源，分光镜，两个波前探测器，两个波前校正器，两个波前控制器和成像系统等。其特征在于主要包括内，外两个通道自适应光学系统，采用内通道自适应光学系统校正由内部气流运动和地基震动等因素引起的内部动态像差扰动，用外通道自适应光学系统校正大气湍流，并对内通道自适应光学系统校正的残余信号进行二次校正。本发明具有比用常规自适应光学系统同时校正内部动态像差扰动和大气湍流更小的残余信号方差。
【专利说明】一种嵌套双自适应光学系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自适应光学系统，特别是能够克服常规自适应光学系统同时受到 外部大气湍流扰动以及动态大幅度的内部像差扰动影响时校正能力不足的缺点，提高系统 性能的一种嵌套双自适应光学系统，属于自适应光学【技术领域】。

【背景技术】
[0002] 自适应光学是一门用于实时探测和校正光学系统中的波前像差的卓越技术。其基 本原理是采用波前传感器测量波前像差，通过一定的控制算法计算波前校正器的控制信号 以调整其面形，从而补偿像差。天文观测是一个自适应光学技术最早被成功运用的领域，其 目的是消除由大气湍流引起的波前畸变。随着这门技术的不断发展，它也常被用于激光光 束调整，自由空间光通信以及人眼视力改善等方面。除了大气湍流以外，系统常受到由于内 部气流运动以及地基震动等因素引起的动态像差（内扰动）的影响。与大气湍流相比，前 者通常具有扰动频率低，幅度大等特性。
[0003] 常规自适应光学系统主要由一个波前传感器，一个波前控制器和一个波前校正 器组成。目前，一般采用常规自适应光学系统同时校正内扰动和大气湍流，但当内扰动强 度大，频率较高时，会导致由于系统对内扰动的抑制能力不足使得校正效果不能满足要 求。新型自适应光学系统常具有多个波前校正器，例如，为了满足天文观测中对大视场的 要求，Dicke最早在1988年提出多层共轭自适应光学系统，（R.Dicke, "Phase-contrast detection of telescope seeing errorsand their correction, ^Astrophys. J. 198, 605 - 615 (1975).)它利用位于不同海拔高度的波前探测器探测对应高度层的大气 湍流，并用多个与各层共轭的波前校正器进行补偿校正。此外，为了克服波前校正器的大行 程和空间高分辨率两者间的矛盾导致校正不足的问题，中国科学院光电技术研究所的胡诗 杰等人提出了名称为"一种双波前校正器自适应光学系统"（申请号200510011422. X)的发 明专利，将大的低阶像差和相对较小的高阶像差分别交给一个具有大行程，低空间频率的 波前校正器的和一个具有小行程，高空间频率的波前校正器进行校正。然而，较之与常规AO 系统，这两类多个波前校正器结构系统复杂性的增加主要是为了用具有不同校正能力的波 前校正器去对付具有不同特性大气湍流引起的波前像差，对内扰动的影响缺乏有针对性的 设计。


【发明内容】

[0004] 本发明要解决的技术问题是：克服常规自适应光学系统当存在大幅度内部动态像 差扰动时，校正能力不足等问题，采用一种嵌套双自适应光学系统协同工作以消除内扰动 和大气湍流的影响。该系统由一套独立的专门校正内部像差扰动内通道自适应光学系统和 一套校正大气湍流像差扰动，同时对内通道自适应光学系统校正残余信号进行二次校正的 外通道自适应光学系统组成。
[0005] 本发明解决上述的技术问题采用的技术方案是：一种嵌套双自适应光学系统，主 要包括望远镜，信标光源，分光镜，两个波前探测器，两个波前校正器，两个波前控制器，成 像系统；其特点在于所述信标光源，第一波前校正器、第一波前探测器和第一波前控制器组 成内通道自适应光学系统，其工作波长为A1;所述第二波前校正器、第二波前探测器和第 二波前控制器组成外通道自适应光学系统，其工作波长为A2;信标光受到系统内部像差扰 动的影响，经过第一波前校正器校正后的残余波前信号到达第二分光镜，一部分能量经过 反射后进入外通道自适应光学系统，另一部分能量经过透射后进入第一波前探测器，第一 波前探测器探测到的信息输入到第一波前控制器，经过控制计算后得到第一波前校正器的 控制电压信号，从而完成内通道自适应光学系统对内扰动的闭环校正；望远镜接收受到大 气湍流影响的目标光，经过缩束系统后，由第一分光镜反射后进入外通道自适应光学系统， 其与内通道自适应光学系统校正残余波前相叠加后到达波第二前校正器，经过校正后残余 波前信号到达第三分光镜，一部分能量经过反射后进入成像系统，另一部分能量经过透射 后进入第二波前探测器，第二波前探测器所探测到的信息输入到第二波前控制器，同样经 过控制计算后，得到第二波前校正器的控制电压信号，从而外通道自适应光学系统对大气 湍流的闭环校正以及对内扰动的二次校正；所述两个通道自适应光学系统可以独立工作， 若没有内通道自适应光学系统，内部像差扰动将由外通道自适应光学系统一并校正；若两 个通道同时工作，内通道自适应光学系统校正后的残余波前同大气湍流像差扰动一起进入 外通道自适应光学系统进行进一步地校正，形成嵌套结构。
[0006] 进一步的，所述控制计算的实现步骤如下：
[0007] 步骤（1)、通过机理分析或者系统辨识方法确立系统各个部件传递函数模型；假 设波前探测器，波前控制器，波前校正器的传递函数分别为W(S)，C(Z)，D(S);实际系统为 离散时间采样系统，数字式波前控制器的控制信号需经过零阶保持器转换为连续信号，同 时可以用零阶保持器模拟波前控制器的形变动作；
[0008] 步骤（2)、设置内外通道自适应光学系统各自的采样频率；
[0009] 步骤（3)、根据一种嵌套双自适应光学系统的工作原理，建立系统的控制结构模 型，并推导出系统最终的校正残余信号的表达式；
[0010] 步骤（4)、根据波前探测器的探测信息，计算大气湍流以及内扰动的功率谱，并估 算内、外通道自适应光学系统中的信噪比；
[0011] 步骤（5)、计算波前控制器的最优控制参数，使得系统在稳定工作的前提下，得残 余号方差最小。
[0012] 进一步的，所述内、外通道自适应光学系统的工作采样频率可以不相同。
[0013] 进一步的，所述波前探测器包括曲率传感器，哈特曼夏克型传感器。
[0014] 进一步的，所述波前校正器包括压电陶瓷连续变形反射镜，或液晶空间调制器，或 微机电薄膜变形反射镜，或Bimorph变形反射镜。
[0015] 本发明与现有技术相比有如下优点：
[0016] (1)、本发明中内通道自适应光学系统专门校正低频大幅度内部像差扰动，外通道 自适应光学系统校正前者的残余波前与大气湍流像差波前的叠加，克服了当存在大幅度动 态内部像差时，常规自适应光学系统对其抑制能力不足造成校正效果不能满足要求的缺 点。
[0017] (2)、本发明中内外两个通道自适应光学系统独立工作，可根据实际工作环境的条 件选择是否使用内通道自适应光学系统，这使得在不改变原有系统的基础上，可以灵活调 整系统结构以适应外部环境的变化。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1为本发明中一种嵌套双自适应光学系统原理不意图；
[0019] 图2为本发明中一种嵌套自适应光学系统的控制系统框图；
[0020] 图3为简化的控制系统框图；
[0021] 图4为内部动态像差扰动；
[0022] 图5为外部大气湍流像差扰动；
[0023] 图6为常规自适应光学系统校正残余信号；
[0024] 图7为本发明的校正残余信号。

【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图以及具体实施例进一步的说明本发明。
[0026] 如图1所不，一种嵌套双自适应光学系统，包括望远镜1，缩束系统2,信标光源3， 第一分光镜4、第二分光镜6和第三分光镜10,第一波前校正器5,第二波前校正器9,第一 波前探测器7和第二波前探测器11，第一波前控制器8和第二波前控制器12,成像系统13 等，其特点在于所述信标光源3,第一波前校正器5、第一波前探测器7和第一波前控制器 8组成内通道自适应光学系统，其工作波长为A i ;所述第二波前校正器9、第二波前探测器 11和第二波前控制器12组成外通道自适应光学系统，其工作波长为A2。信标光受到系 统内部像差扰动的影响，经过第一波前校正器5校正后的残余波前信号到达第二分光镜6， 一部分能量经过反射后进入外通道自适应光学系统，另一部分能量经过透射后进入第一波 前探测器7,第一波前探测器7探测到的信息输入到第一波前控制器8,经过控制计算后得 到第一波前校正器5的控制电压信号，从而完成内通道自适应光学系统对内扰动的闭环校 正。望远镜1接收受到大气湍流影响的目标光，经过缩束系统2后，由第一分光镜4反射后 进入外通道自适应光学系统，其与内通道自适应光学系统校正残余波前相叠加后到达波第 二前校正器9,经过校正后残余波前信号到达第三分光镜10, 一部分能量经过反射后进入 成像系统13,另一部分能量经过透射后进入第二波前探测器11，第二波前探测器11所探测 到的信息输入到第二波前控制器12,同样经过波控制计算后，得到第二波前校正器的控制 电压信号，从而外通道自适应光学系统对大气湍流的闭环校正以及对内扰动的二次校正。 两个通道独立工作，若没有内通道自适应光学系统，内部像差扰动将由外通道自适应光学 系统一并校正；若两个通道同时工作，内通道自适应光学系统校正后的残余波前同大气湍 流像差扰动一起进入外通道自适应光学系统进行进一步地校正，形成嵌套结构。所述波前 校正器的控制电压计算需要综合考虑系统信噪比、工作采样频率以及控制器参数等条件， 只有在合适的工作条件下，一种嵌套双自适应光学系统才能获得比常规自适应光学系统更 好的校正效果。下面结合【专利附图】

【附图说明】选择合适的工作条件的原理和方法。
[0027] 图2给出了一种嵌套自适应光学系统的控制框图。内部虚线框中的各部件组成内 通道自适应光学系统，主要校正内部像差扰动rin其余外部虚线框中的部件组成外通道自 适应光学系统，主要校正外部大气湍流扰动ratm和ei的叠加值。为清楚说明两个通道的嵌 套关系，图3给出了简要控制框图。n分别为第一波前传感器7和第二波前传感器11的测 量噪声，y为系统的补偿量，e为系统最终校正后的残余信号。第一、第二波前传感器的传 递函数分别为W1 (s)和W(S)。Delay模块和Delayl模块分别表示外、内两个通道自适应光 学系统中由于数据读出以及控制电压计算等引起的时间延迟，其传递函数分别为L(S)和 L1(S)，s为拉普拉斯算子。控制器为离散形式，第一波前控制器8和第二波前控制器12的 传递函数分别为C (z)和C1 (z)，z为Z变换算子。零阶保持器ZOH模拟DM的形变动作并将 离散信号转换为连续信号。
[0028] 系统各组件的传递函数分别为：

【权利要求】
1. 一种嵌套双自适应光学系统，主要包括望远镜，缩束系统，信标光源，分光镜，两个波 前探测器，两个波前校正器，两个波前控制器和成像系统；其特征在于：所述信标光源（3)， 第一波前校正器（5)、第一波前探测器（7)和第一波前控制器（8)组成内通道自适应光学系 统，其工作波长为A i ;所述望远镜（1)，缩束系统（2)，第二波前校正器（9)、第二波前探测 器（11)和第二波前控制器（12)组成外通道自适应光学系统，其工作波长为A 2 ;信标光受 到系统内部像差扰动的影响，经过第一波前校正器（5)校正后，由第一波前探测器（7)探测 到残余波前信号，第一波前控制器（8)根据此探测信息经过控制计算得到第一波前校正器 的（5)控制信号，从而完成内通道自适应光学系统对内扰动的闭环校正；望远镜（1)接收到 大气湍流影响的目标光，经过缩束系统（2)后，与内通道自适应光学系统校正残余波前相 叠加后到达波第二前校正器（9)，由第二波前探测器（11)探测经过校正后残余波前信号， 第二波前控制器（12)根据此探测信息同样经过控制计算后，得到第二波前校正器（9)的控 制电压信号，从而完成外通道自适应光学系统对大气湍流的闭环校正以及对内扰动的二次 校正；所述两个通道自适应光学系统可以独立工作，若没有内通道自适应光学系统，内部像 差扰动将由外通道自适应光学系统一并校正；若两个通道同时工作，内通道自适应光学系 统校正后的残余波前同大气湍流像差扰动一起进入外通道自适应光学系统进行进一步地 校正，形成嵌套结构。
2. 根据权利要求1所述的一种嵌套双自适应光学系统，其特征在于：所述控制计算的 实现步骤如下： 步骤（1)、通过机理分析或者系统辨识方法确立系统各个部件传递函数模型； 步骤（2)、设置内外通道自适应光学系统各自的采样频率； 步骤（3)、根据所述的一种嵌套双自适应光学系统的工作原理，建立系统的控制结构模 型，并推导出系统最终的校正残余信号的表达式； 步骤（4)、根据波前探测器的探测信息，计算大气湍流以及内扰动的功率谱，并估算内、 外通道自适应光学系统中的信噪比； 步骤（5)、根据内部扰动和大气湍流的特性，以及内、外两通道自适应光学系统的信噪 比特性，结合步骤（3)中的结果，计算波前控制器的最优控制参数，使得系统在稳定工作的 前提下，得残余信号方差最小。
3. 根据权利要求1所述的一种嵌套双自适应光学系统，其特征在于：所述波前探测器 包括曲率传感器，哈特曼夏克型传感器。
4. 根据权利要求1所述的一种嵌套双自适应光学系统，其特征在于：所述波前校正器 包括压电陶瓷连续变形反射镜，Bimorph变形反射镜。
【文档编号】G02B26/06GK104360478SQ201410723037
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年12月3日 优先权日:2014年12月3日
【发明者】李新阳, 罗奇 申请人:中国科学院光电技术研究所