一种基于反射镜阵列的自适应光学补偿装置和补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于反射镜的光学补偿装置和补偿方法，特别是一种基于反射镜阵列的自适应光学补偿装置和补偿方法，属于自适应光学领域。
【背景技术】
[0002]在相干激光通信和激光雷达等采用相干探测方式的系统中，接收端需要将发射的激光进行聚焦用于光学相干。但由于激光在传输过程中出现了相位的畸变，导致激光聚焦之后出现光斑的发散，以及到达时间的分散。一方面降低了接收光的能量，一方面降低了激光的相干性。特别是在相干激光通信和激光雷达时，信息装载于激光的相位中，如果相位出现抖动，会直接导致激光通信的终止和探测信号的无法识别。
[0003]目前常用的相位补偿方式是，先利用接收望远光路进行聚焦，再利用夏克-哈特曼传感器和透射式变形镜、基于光学透镜阵列、采用自适应反馈控制的方式，补偿相位畸变。这种方式得到了实际应用，但是由于采用的是变形透镜阵列，价格昂贵，因此目前难以推广，极大限制了其应用范围。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种基于反射镜阵列的自适应光学补偿装置和补偿方法，包括分光镜、参考镜、第一 CCD、自适应反馈控制电路、阵列反射式补偿镜和第二 CCD，分光镜将接收到的信号光反射分出一部分用于波前检测，其余部分透射进入探测光路；参考镜将接收到的畸变信号聚焦到第一 CCD后发送给自适应反馈控制电路；自适应反馈控制电路据此反演波前畸变并控制阵列反射式补偿镜的动作，补偿接收信号的波前畸变；同时将第二 CCD测量的补偿后的焦斑图像与参考焦斑进行比较，实现自适应光学补偿，采用反射镜阵列取代变形透镜阵列，利用CCD进行波前畸变检测和监测，实现了自适应的光学补偿，成本大幅下降，易于推广，大幅扩展了自适应光学的应用范围。
[0005]本发明的技术解决方案是:一种基于反射镜阵列的自适应光学补偿装置，包括分光镜、参考镜、第一 CCD、自适应反馈控制电路、阵列反射式补偿镜和第二 CCD ;
[0006]所述分光镜位于接收望远镜中继光路前端，信号光的一部分经分光镜反射进入参考光路用于波前检测，信号光的剩余部分经分光镜透射进入探测光路，所述参考光路包括参考镜和第一 CCD，所述探测光路包括阵列反射式补偿镜和第二 CCD ;
[0007]所述参考镜将接收到的信号光聚焦到第一 CCD上，第一 CCD对接收到的信号光波前进行记录，并将记录得到的图像信号发送给自适应反馈控制电路；
[0008]所述自适应反馈控制电路根据第一 CCD记录的图像信号，将图像信号中的光斑图像形状与标准理想参考图像进行比对，反演信号光波前畸变，并根据信号光波前畸变产生控制阵列反射式补偿镜动作的指令；
[0009]所述阵列反射式补偿镜根据自适应反馈控制电路的控制指令进行动作，从而补偿接收信号光的波前畸变，并将补偿后的信号光汇聚后注入到第二CCD中；所述第二CCD对补偿后的信号光形成的焦斑图像进行测量，并将测量结果送入自适应反馈控制电路中与标准理想参考图像进行比对，并根据对比结果对控制指令进行调整，使得第二 CCD测量到的焦斑图像逼近标准理想参考图像，从而实现自适应光学补偿。
[0010]所述参考镜为焦距为100mm的聚焦透镜。
[0011]所述第一 (XD为电荷转移器件，位于参考镜的焦面位置。
[0012]所述第二 (XD位于阵列反射式补偿镜构成的透镜的焦面位置。
[0013]所述阵列反射式补偿镜包括多个阵列排布的面元，各个面元之间相互独立，单独进行三轴指向控制和位置控制。
[0014]所述各个面元均与3个压电陶瓷柱相连，利用3个压电陶瓷柱，采用三点推拉方式控制面元的角度和距离。
[0015]所述将图像信号中的光斑图像形状与标准理想参考图像进行比对，反演信号光波前畸变，并根据信号光波前畸变控制阵列反射式补偿镜动作；具体为:
[0016]米用栅格化方式反演信号光的波前畸变情况，依据每个栅格对应的X轴、Y轴和Z轴的畸变量控制对应阵列反射式补偿镜的俯仰、偏转、翻滚和平移动作，通过控制单个补偿镜的动作，使得信号光波前畸变最小化。
[0017]所述根据对比结果对控制指令进行调整，采用PID控制算法实现。
[0018]—种自适应光学补偿方法，步骤如下:
[0019](1)接收望远镜接收到的信号光的一部分经分光镜反射，并经参考镜聚焦后进入第一 (XD，第一 (XD以成像的方式记录各像元的信息；
[0020](2)自适应反馈控制电路接收第一 (XD的成像像素信息，依据光斑图像形状，将其与标准理想参考焦斑图像进行比对，反演信号光的波前畸变信息；
[0021](3)自适应反馈控制电路根据步骤(2)中反演的波前畸变信息，产生控制阵列反射式补偿镜进行俯仰、偏转、翻滚和平移动作的控制信息；
[0022](4)阵列反射式补偿镜根据自适应反馈控制电路的控制信息，对相应的反射镜进行控制，控制角度和前后距离的变化，实现光学补偿；
[0023](5)第二 CCD对补偿后的焦斑图像进行测量，获取监控焦斑图像，并将监控焦斑图像送入自适应反馈控制电路，自适应反馈控制电路利用监控焦斑图像与标准理想参考焦斑图像的偏差对控制信息进行调整；
[0024](6)重复步骤(1)?步骤(5)，最终实现监控焦斑图像与标准理想参考焦斑图像的逼近，完成自适应补偿，保持探测光路的相干性。
[0025]所述步骤(2)中反演信号光的波前畸变信息；具体为:采用栅格化方式，体现每个栅格上X轴、Y轴和Z轴的畸变，提取出特征差异，反演每个栅格的波前畸变信息。
[0026]本发明与现有技术相比的有益效果是:
[0027](1)本发明采用反射镜阵列技术手段，实现了自适应光学补偿，可以取代现有的变形镜阵列，简化了控制方式和降低了研制难度；
[0028](2)本发明中的装置采用反射镜阵列，相比于变形镜阵列，具有成本低、生产研制容易、性价比高的特点，解决了自适应光学价格昂贵的难题，可广泛应用于相干探测系统，尤其是激光通信和激光雷达系统，可满足低成本系统构建的需要；
[0029](3)本发明利用两个CCD分别对参考光路和探测光路波前进行监测，可以通过第一 CCD成像情况实现波前畸变情况的快速监测，第二 CCD成像情况实现自适应补偿效果的实时监测；通过双CCD光路监测可以实现波前实时补偿和反馈，相对于昂贵精密的波前传感器实现成本很低。
【附图说明】
[0030]图1为本发明中自适应光学补偿装置示意图；
[0031]图2为本发明自适应光学补偿装置中的反射镜阵列结构图；
[0032]图3为本发明自适应光学补偿装置中单个反射镜的结构示意图；
[0033]图4为本发明自适应光学补偿方法中的自适应阵列反射式聚焦相位补偿的光路示意图，其中(a)为理想情况下无波前畸变的光路情形，(b)为存在波前畸变时的光路情形，(c)为采用相位补偿时的光路情形，(d)为在相位补偿的基础上进一步采用位移补偿实现波前畸变消除时的光路情形；
[0034]图5为本发明自适应光学补偿方法的工作流程图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行进一步的详细描述。
[0036]如图1所示为本发明中自适应光学补偿装置示意图，从图1可知，本发明中的光学补偿装置包括分光镜、参考镜、第一 CCD、自适应反馈控制电路、阵列反射式补偿镜和第二CCD ;
[0037]所述分光镜位于接收望远镜中继光路前端，