一种基于模式分解的自适应光学控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自适应光学控制方法，特别是一种基于模式分解的自适应光学控 制方法。
【背景技术】
[0002] 自适应光学控制方法是自适应光学实现高精度波前控制的关键，对自适应光学控 制方法的研宄一直以来都是一个热门的话题。目前对自适应光学控制方法的研宄上主要集 中在：常规的直接斜率法，模式控制方法，预测控制方法等，每一种控制方法对应着一种控 制场景，本发明专注在部分子孔径缺光条件下，以及波前传感器无法探测的外围驱动器的 自适应光学控制。
[0003] 在自适应光学系统缺光模式下的控制，一般考虑的是模式控制方法，因为这种控 制方法可以容忍部分子孔径缺光，但是，带来的问题是校正能力的损失。
[0004] 国内外同行针对上述矛盾的解决方法是：采用局部平均的方法，即对于因缺光而 无法控制的驱动器，采样临近驱动器电压求和取平均的方法进行替换，或者是将其置零；
[0005] 这些做法虽然在一定程度上能够解决缺光问题，但是，可以肯定的是闭环控制效 果必然下降，这是因为：一方面，采用局部平均的方法仅参考了周围驱动器电压，而缺光的 原因必然导致周围驱动器也误差较大，由此计算获得的平均电压误差也是较大的；另一方 面，对于周围驱动器电压均无法参考的情况不能进一步解决。电压置零其误差将更大。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决问题是：针对上述问题困难和矛盾，提供一种高精度的自适应 光学控制方法。本方法利用模式方法对部分驱动器电压进行控制，既能保持其他驱动器高 精度的闭环，同时能够获得模式闭环的稳定性和精度。
[0007] 基于模式分解的自适应光学控制方法，由模式分解模块1和驱动器电压替换模块 2组成。该方法的工作原理是：模式分解模块1对从自适应光学波前传感器输出的波前分 布数据进行模式分解，分解过程采用最小二乘求解法，求取各阶模式的系数A i, i = 1~N， N为模式阶数，N为大于0的正整数；然后，变形镜驱动器电压匕.=之為* j=l~M，M ? = 1 为驱动器总数，M为大于0的正整数，k为采用模式的阶数，Fk为第k阶模式对应的电压分 布，'为第j个驱动器电压输出。驱动器电压替换模块2判断每个驱动器控制电压^在常 规控制方法下的电压输出是否需要替换，判断标准为：阈值法（即计算周围临近驱动器电 压平均值，如果该驱动器电压绝对值大于平均值的3倍，则认为该驱动器需要进行替换）， 或，预先指定（人工指定该驱动器必须进行替换处理），而后对选中的电压数据进行模式电 压替换。
[0008] 所述的模式分解方法是Zernike模式分解或变形镜本征模式。
[0009] 所述的各阶模式电压分布，采用理想变形镜影响函数或实测影响函数，通过最小 二乘的方法求取，具体求取过程可以描述如下：？」〇1)=(正8"*11，」_ = 1~111 = 1~]\1 其中，h(n)为第j阶模式的电压分布，η为变形镜驱动器标号，IFs为变形镜M个影响函数 图像分布组成的矩阵（即将大小为K*L的图像变成一维，长度为K*L的数据，再将M个一维 的影响函数图像组成一个大矩阵，行为M，列为K*L)，（Γ 1为矩阵的广义逆，为第j模式的 一维图像分布（即将大小为K*L的图像变成行长度为K*L的一维数据）。
[0010] 所述的常规控制方法下的电压输出是指利用直接斜率法获得的电压。
[0011] 本发明的原理是：
[0012] a、在获得波前传感器波前分布后，自适应光学可以通过模式控制方法进行闭环校 正，但是闭环校正效果较直接斜率法差；
[0013] b、针对同一个输入波前数据，在模式法的模式阶数足够条件下，模式法与其他控 制方法（如直接斜率法）应具有一致的求解结果，当模式阶数较小时，模式法将损失对高阶 像差的校正能力，但是获得更好的稳定性和控制波面的连续性；
[0014] c、利用模式法的控制特点，对于缺光区域驱动器的控制采用模式法，其他区域采 用直接斜率法等高精度控制方法，确保对整个输入波前的完整校正，从而获得高精度的波 前控制效果。
[0015] 本发明与现有技术相比有如下优点：
[0016] (1)本发明采用模式法对缺光区域驱动器进行控制，是一种全局求解局部驱动器 电压的控制方法，能够减少传统局部求解局部驱动器电压所带来误差，同时提高稳定性；
[0017] (2)本发明求解缺光区域驱动器电压过程和直接斜率法等求解电压过程是相互独 立的，可以利用多核DSP或者CPU进行并行处理，因此不会造成额外的时间开销；
[0018] (3)本发明可以对外围驱动器或中心孔径驱动器进行控制，通常情况下，这些驱动 器可能会因输入光束口径和中心遮拦而无法获得控制信息，增加对上述驱动器的控制可以 进一步提高自适应光学的校正效果。
【附图说明】
[0019] 图1为基于模式分解的自适应光学控制方法；
[0020] 图2为基于模式分解的自适应光学控制方法闭环控制效果；
[0021] 图3为对无光区域变形镜驱动器采取置零控制效果；
[0022] 图4本发明的方法流程框图。
【具体实施方式】
[0023] 如图1所示，以一套265单元自适应光学系统为例，并采用21阶的模式分解方法。 模式分解模块2对从自适应光学波前传感器1输出的波前分布数据进行模式分解，求取各 阶模式的系数A i, i = 1~21 ;然后通过下式获得变形镜驱动器在模式输出条件下的电压 6 j+265, Fi为第i阶模式对应的电压分布，V」为第j个驱动器电压 y=i 输出，同时利用直接斜率法获得变形镜控制电压Vzj，j = 1~265。驱动器电压替换模块2 计算周围临近驱动器电压平均值，并判断每个驱动器控制电压 '电压绝对值是否大于平均 值绝对值的3倍，如果是则利用模式电压 '替换利用直接斜率法计算获得的电压V #最后， 将修正后的电压发送到高压放大器4,控制波前校正器5校正输入波前误差。图4给出了本 发明的方法流程框图。
[0024] 图2和图3分别给出了是否采用基于模式分解的自适应光学控制方法的闭环效 果，可以看到，采用了模式控制方法后，远场闭环光斑较没有采用的能量更集中。
【主权项】
1. 一种基于模式分解的自适应光学控制方法，包括模式分解模块（1)和驱动器电压替 换模块（2)，其特征在于： 先由模式分解模块（1)对从自适应光学波前传感器输出的波前分布数据进行模式分 解，分解过程采用最小二乘求解法，求取各阶模式的系数化，i= 1~N，N为模式阶数，N为 大于0的正整数；然后，变形镜驱动器电压
，j= 1~M，M为驱动器总数， M为大于0的正整数，匕为第i阶模式下对应的电压分布，为第j个驱动器电压输出； 然后驱动器电压替换模块（2)判断每个驱动器控制电压'在常规控制方法下的电压 输出是否需要替换，判断标准为：阈值法，即计算周围临近驱动器电压平均值，如果该驱动 器电压绝对值大于平均值绝对值的3倍，则认为该驱动器需要进行替换，或，预先指定该驱 动器必须进行替换处理，而后对选中的电压数据进行模式电压替换。
2. 根据权利要求1所述的一种基于模式分解的自适应光学控制方法，其特征在于：所 述的模式分解的方法是Zernike模式分解或变形镜本征模式。
3. 根据权利要求1所述的一种基于模式分解的自适应光学控制方法，其特征在于：所 述的各阶模式电压分布，采用理想变形镜影响函数或实测影响函数，通过最小二乘的方法 求取，具体求取过程可以描述如下：Fj(n) = (IFs"5!^，j= 1~N，n= 1~M其中，Fj(n) 为第j阶模式的电压分布，n为变形镜驱动器标号，IFs为M个变形镜影响函数图像数据组 成的矩阵，即将大小为K*L的一个影响函数图像数据变成一维，长度为K*L的数据，再将M 个上述转换后的一维影响函数数据组成一个大矩阵，这个矩阵的行为m，列为k*l; (r1为矩 阵的广义逆运算符号，W；%第j模式的一维图像分布，即将大小为K*L的图像变成行长度为 K*L的一维数据。
4. 根据权利要求1所述的一种基于模式分解的自适应光学控制方法，其特征在于：常 规控制方法下的电压输出是指利用直接斜率法获得的电压。
【专利摘要】本发明公开了一种基于模式分解的自适应光学控制方法，其中包括模式分解模块，驱动器电压替换模块。模式分解模块将自适应光学波前传感器获得的波前进行模式分解并生成相应的电压数据，驱动器电压替换模块对输出异常的电压数据进行替换，并输出最终的电压数据。该控制方法在驱动器电压保护和自适应光学波前传感器部分子孔径缺光条件下具有较好的控制效果。
【IPC分类】G02B26-06
【公开号】CN104777607
【申请号】CN201510202918
【发明人】黄林海, 凡木文
【申请人】中国科学院光电技术研究所
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月27日