一种波前倾斜的连续探测与校正的闭环控制方法
【专利摘要】本发明属于大气自适应光学技术领域，是针对波前倾斜连续探测与自适应校正的闭环控制中出现倾斜镜的偏摆动作叠加在探测信号中的问题，通过如图1所示的过程控制：t1为波前探测器的曝光环节、t2为探测信号读出环节、t3为信号处理环节、t4为倾斜镜偏摆动作环节、tx为纯等待时间，使得探测器曝光时间内包含完整叠加的倾斜镜驱动响应环节，从而能够设计出测量倾斜镜偏摆叠加量的方法；利用测得的倾斜镜偏摆响应函数，不仅从探测信号中扣除了倾斜镜的偏摆叠加量，还扣除了在探测信号读出、处理等延迟环节中前一周期并行发生的倾斜镜偏摆量，准确计算出驱动倾斜镜之前的波前倾斜残差，同时使用PI控制器，使波前倾斜闭环校正精度显著提高。
【专利说明】
一种波前倾斜的连续探测与校正的闭环控制方法
技术领域
[0001 ]本发明属于大气自适应光学技术领域，是一种针对弱目标的波前倾斜连续探测与自适应校正的闭环控制方法。该方法涉及波前探测器的曝光时间长于探测信号读出与处理时间、出现光波前倾斜校正器即倾斜镜的偏摆动作叠加在探测信号中的问题，通过过程控制测量出倾斜镜的偏摆叠加量并从探测信号中扣除，具体地说是一种使得弱目标波前倾斜的闭环校正精度显著提高的方法。
【背景技术】
[0002]望远镜对高空中目标做成像观测时，大气湍流会干扰目标光波前，造成动态波前畸变，使图像的分辨率大幅降低。大气自适应光学系统的功能是对连续入射望远镜的目标光畸变波前进行实时补偿校正，以恢复理想的高分辨率成像。
[0003]通常与望远镜对接的自适应光学系统是基于粗校和精校的两个校正器来完成波前畸变校正的，其中做粗校的振动反射镜也称倾斜镜只校正入射光波前的倾斜，而倾斜校正后的高阶畸变由波前校正器来完成校正。一般波前倾斜占整个畸变量的80%以上，造成相机中的图像抖动，使图像的分辨率大幅降低，因此波前倾斜的校正精度非常重要，是自适应光学高分辨率成像的基础。
[0004]入射光波前倾斜畸变的自适应校正是由倾斜镜(TTM)、哈特曼波前探测器(WFS)组成的闭环回路完成。WFS探测入射光波前倾斜畸变和倾斜镜偏摆量之间的残差信号e，利用比例积分(PI)控制算法由e计算出TTM的校正电压u，并将电压u施加给TTM，使得TTM相应的偏摆量为y，从而使得入射光波前倾斜残差信号e大幅减小。
[0005]从探测到校正完成作为一个周期，通常包含4个环节:WFS曝光环节用tl时间段表示，探测信号读出环节用t2时间段表示，波前倾斜信号处理环节用t3时间段表示，TTM的偏摆响应环节用t4时间段表示。通常为了提高校正频率，采用WFS连续曝光采样的工作模式如图1所示:
[0006]第一个周期中，4个环节顺序进行，WFS在tl时间段中获得的波前倾斜信号完整地传递到倾斜镜的偏摆动作的t4环节中；但第二个周期起始于第一个周期tl的结束处，且通常tl>(t2+t3)，故在第二个周期的WFS曝光时间tl中含有第一周期TTM的部分动作，也就是说对外界波前探测的信号中引入了 TTM的倾斜干扰，使得在第二个周期施加在TTM的倾斜校正量有很大误差；由于这种误差在后面的周期中几乎都会发生，必须采用PI控制器进行控制校正，但平衡后的残留误差仍较大。
[0007]Smith针对一个连续探测的闭环控制系统，提出:首先测量被控制器件的响应函数;依据测得的响应函数在探测信号中将被控制器件的干扰动作扣除，可以得到更精确的控制效果【傅信.过程计算机控制系统.西安:西北工业大学出版社，1995】。
[0008]但是直接将Smith的控制方法应用到波前倾斜校正系统时存在一个问题:在各个周期中WFS曝光时间11内所包含的TTM动作时间是不一致的，如上面的工作时序图所示，因此在探测信号中将TTM的干扰动作扣除很困难。因此本发明给出一种方法，能够从探测信号中较准确扣除TTM的干扰偏摆量，使探测到的波前残差信号e的准确度提高，达到自适应校正平衡后的残留误差减小的目的。残留误差减小的定量表示为误差抑制_3dB带宽提高【李新阳.自适应光学系统的有效带宽分析.光学学报，1997】，误差抑制_3dB带宽越高，校正效果越好。
[0009]误差抑制-3dB带宽的具体测量方法为:对应一系列频率的波前倾斜信号，依次测量自适应校正前后的波前倾斜信号幅值;计算自适应校正后的信号幅值与自适应校正前信号幅值的比，然后取其对数再乘以20得出以分贝为单位的误差抑制比；再分别用误差抑制比相对输入的波前倾斜信号频率作曲线，即为误差抑制比的频响曲线;截取曲线_3dB处所对应的波前倾斜信号频率，该频率值表明该控制系统的误差抑制-3dB带宽。
【发明内容】
[0010]本发明针对弱目标的光波前倾斜连续探测与自适应校正的闭环系统中，波前探测器(WFS)的曝光时间长于探测信号读出与处理时间、出现倾斜镜(TTM)的偏摆动作叠加在探测信号中的问题，提出一种通过过程控制测量出TTM的偏摆叠加量并从探测信号中扣除的方法，目的是提高弱目标的波前倾斜自适应校正精度，即增大误差抑制_3dB带宽。
[0011]本发明的基本思想是:将通常4个环节的波前倾斜自适应校正程序修正为5个，使得WFS曝光的tl时间内包含一个完整叠加的TTM驱动响应环节t4，以根据TTM的驱动响应函数从探测信号中较准确扣除TTM的叠加偏摆量。为实现这个条件修正控制过程如图2，即在完成探测信号处理的第三个环节t3后，并不立即给TTM施加驱动电压，而是加一个等待环节tx，以保证tl = t2+t3+tx和tl = t4，同时还要满足tl彡t2+t3的条件。在图2所示的条件下，再利用TTM的驱动响应函数就能将其在t4时间内的偏摆量从WFS探测信号中较准确地计算出来并扣除；利用修正后的波前探测信号，按照图2所示的控制过程、加载PI控制器进行自适应控制校正。
[0012]本发明还需限定tx，因为加入等待时间tx，使得对外界湍流信号的校正延迟加大，校正延迟加大到一定程度会抵消探测信号中准确扣除TTM干扰的效果。
[0013]通常情况下大气湍流波前倾斜变化频率成分主要集中在30Hz以下，30Hz以上的部分所占比重很小，可以不予考虑【TyIer.Bandwidth considerat1n for trackingthrough turbulence.J.0pt.Soc.Am.1994】。因此考虑频率f = 30Hz的正弦变化的波前倾斜信号y = s in ()在延迟时间tx内的变化，如图3所示，其振幅归一化，最大变化的波前倾斜值约为图3中所示yo，需限定yo小于传统PI控制校正平衡后波前倾斜残差的1/5。
[0014]对于与望远镜对接的自适应波前校正系统，通常WFS采样频率为IkHz?2kHz，采用传统PI控制方法，波前倾斜的自适应校正残差一般不小于原始波前倾斜的I %?3%，则可以限定延迟时间tx内的波前倾斜变化最大值yo<0.2%，为达到可以忽略的程度，再从上面的正弦信号表达式中可求出对应的tx<0.6ms。
[0015]对于WFS 米样频率为 I kHz ?2kHz，即0.5ms^；tl<lms，而如前所述，tl = t2+t3+tx，可以进一步限定tx<0.5ms，且满足tl = t2+t3+tx即可。
[0016]本发明的关键步骤是测量TTM在连续驱动电压下t4环节中的偏摆量在WFS上反映的波前倾斜量之间的响应关系，其方法为:
[0017]a.搭建波前倾斜自适应校正光路系统
[0018]原理如图4，由点光源1、第一透镜2、第一倾斜镜3、第二透镜4、第三透镜5、第二倾斜镜6、第四透镜7、第五透镜8、哈特曼波前探测器9、控制计算机10组成；
[0019]光路中第一倾斜镜3用来产生一系列频率的正弦型波前倾斜信号，以模拟输入自适应校正系统的动态波前倾斜信号，也可以固定作为一个普通反射镜;第二倾斜镜6作为自适应校正系统的波前倾斜校正器，也是响应函数的被测量对象;哈特曼波前探测器9为波前倾斜探测器;点光源I位于第一透镜2的前焦点上，使得点光源I发出的球面波通过第一透镜2后变为平行光，第一倾斜镜3在此处作为一个普通反射镜与通过第一透镜2之后的平行光光轴成45°角，从而使光束在第一倾斜镜3处折轴90°，第二透镜4和第三透镜5组成第一个4f光路、使第一倾斜镜3和第二倾斜镜6的位置共轭;第四透镜7和第五透镜8组成第二个4f光路、使哈特曼波前探测器9和第二倾斜镜6位置共轭;通过第二倾斜镜6连接的第一和第二个4f光路，使第一倾斜镜3、第二倾斜镜6和哈特曼波前探测器9三者处于互为共轭的位置上；第二倾斜镜6与通过第三透镜5之后的平行光光轴成45°角，从而使光束在第二倾斜镜6处折轴90°;控制计算机10分别与第一倾斜镜3、第二倾斜镜6和哈特曼波前探测器9相连，控制计算机10中存有第二倾斜镜6的响应测量程序、本发明提出的波前倾斜自适应校正控制程序、传统PI控制的波前倾斜自适应校正程序、给第一倾斜镜3依次发送一系列频率的正弦型波前倾斜信号的程序；
[0020]b.倾斜镜的响应测量程序
[0021]测量的控制过程如图5，每个周期中包含的各环节时间段均与图2中的相同，但环节进行的顺序发生了改变，基于所搭建的波前倾斜自适应校正光路系统进行说明:设置第二倾斜镜6的偏摆环节t4与哈特曼波前探测器9的曝光环节tl并行开始，tl之后串行进行探测信号读出环节t2、探测信号处理环节t3和等待环节tx，而且与t2、t3、tx这三个环节并行开始了下一周期的t4与tl环节，使得t4与tl均不间断地进行；
[0022]由于大气通常只产生对应倾斜镜上4.5V?5.5V的波前倾斜变化量，故在4V?6V之间给第二倾斜镜6施加一系列随机电压u(k)，k代表周期序号，为正整数，k=l，2，3，……M，M在8000?12000之间；
[0023]c.测量倾斜镜的响应函数
[0024]利用所搭建的波前倾斜自适应校正光路系统，将第一倾斜镜3作为普通反射镜使用，开启第二倾斜镜6的响应测量程序，哈特曼波前探测器9采集相应驱动电压u(k)下的波前倾斜量y(k);测得的M组u(k)_y(k)数据即时存储到计算机10中；
[0025]根据文献【B.Sedghia，M.M ullera and et al.Field stabilizat1n (tip/tiltcontrol)of E-ELT.Proc.SPIE 7733,2010.】给出的倾斜镜二阶惯性运动特性，在倾斜镜连续驱动条件下，哈特曼波前探测器中探测到的倾斜量和驱动电压之间的关系用差分方程式(i)表示:
[0026]y(k)-bl.y(k~l)-b2.y(k_2)=al.u(k)+a2.u(k_l)+a3.u(k_2) (i)
[0027]其中bl、b2、al、a2、a3均为常量系数，k= 4，5，6，……M,Me [8000,12000]；
[0028]将计算机10中存储的1-4组丫(10、7(1^-1)、7(1^-2)、11(10、11(1^-1)、11(1^-2)数据代入(i)式，利用矩阵的最小二乘法求得(i)式中各常量系数值，即得到连续驱动第二倾斜镜6的条件下哈特曼波前探测器9探测到的波前倾斜量y(k)相对近两周期的u、y的响应关系式；
[0029]在波前倾斜的自适应校正控制中，其周期序号用j表示，哈特曼波前探测器9探测到的波前残差信号e(j)中包含j_2周期中第二倾斜镜6的偏摆信号y( j-2)，须将响应关系
(i)式改写为y(j_2)的表达式，
[0030]y( j-2)=bl.y( j-3)+b2.y( j-4)+al.u(j_2)+a2.u(j_3)+a3.u(j_4) (ii)
[0031]其中j= 5，6，7，……k-2，……N，N是有限正整数；(ii)式即为连续驱动第二倾斜镜6的条件下哈特曼波前探测器9探测到的波前倾斜量y(k)相对近两周期的u、y的响应关系式，将其输入本发明的波前倾斜自适应校正程序的函数库中；
[0032]下一步，说明探测信号处理环节t3的程序:
[0033]调出(ii)式，利用(ii)式按照自适应校正周期j的序号从小到大依次解出y(j-2)，并从哈特曼波前探测器9中读出的波前残差探测信号e(j)中扣除y(j_2)，即为e(j)+y(j_2);另外，从图2所示的控制过程还可以看到，在给第二倾斜镜6施加第j周期的电压信号u(j)之前第二倾斜镜6又发生了 j-Ι周期中的偏摆转动，故须利用递推的方法从(ii)式中计算出y(j-l)，在e(j)+y(j-2)中再进行扣除，得出施加第j周期电压信号u(j)之前的波前倾斜残差信号e’(j):
[0034]e7 (j) = e( j)+y( j-2)-y( j-1) (iii)基于e’(j)，再利用PI 控制器计算须施加在第二倾斜镜6的电压u(j):
[0035]u(j)=u( j_l)+kp.(e, (j)-e, (j_l))+ki.e, (j) (iv)其中的kp和ki为PI控制器的比例系数和积分系数。
[0036]总之，本发明的波前倾斜自适应校正控制方法为:
[0037]基于图2所示的控制环节，利用测得的倾斜镜响应函数(ii)式、波前倾斜残差信号e’(j)的函数(iii)式和电压u(j)的函数(iv)式处理第j周期探测到的波前倾斜信号，将求出的u(j)施加到倾斜镜上，完成第j周期的控制；后继周期的控制与第j周期的控制方法相同，一直到第N周期的波前倾斜自适应校正完成。
[0038]使用上述的本发明控制方法可使波前倾斜自适应校正效果相对传统PI控制方法提高，即误差抑制_3dB带宽提高。
【附图说明】
[0039]图1是通常包含4个环节的控制环节图。
[0040]图2是本发明的控制环节图，每周期包含5个串行环节，其中tl时间段表示哈特曼波前探测器的曝光环节，t2时间段表示探测信号读出环节，t3时间段表示波前倾斜信号处理环节，t4时间段表示倾斜镜偏摆动作环节，tx时间段是纯等待时间，11 = t2+t3+tx = t4，竖直方向的删节号表示大量周期递推进行，且从第三周期开始，哈特曼波前探测器的曝光环节tl总是与前两周期的倾斜镜偏摆动作环节t4并行发生与结束、t2+t3+tx三个环节总是与前一周期的倾斜镜偏摆动作环节t4并行发生与结束。
[0041]图3是模拟波前倾斜信号的正弦型曲线，其中纵轴是幅值归一化的倾斜幅度、横轴是时间轴，虚线信号相对实线信号延迟tx时间，yo是tx延迟时间处波前倾斜幅度发生变化的最大值。
[0042]图4是波前倾斜自适应校正光路的原理图，其中I是点光源，2是第一透镜，3是第一倾斜镜作为波前倾斜信号的发生源，4是第二透镜4，5是第三透镜，6是第二倾斜镜作为波前倾斜的实时校正器，7是第四透镜，8是第五透镜，9是哈特曼波前探测器，10是控制计算机，控制计算机10与第一倾斜镜3、第二倾斜镜6、哈特曼波前探测器9相连。
[0043]图5是测量倾斜镜驱动电压u和哈特曼波前探测器上波前倾斜量y之间响应关系的控制环节图，其中tl时间段表示哈特曼波前探测器的曝光环节，t2时间段表示探测信号读出环节，t3时间段表示波前倾斜信号处理环节，tx时间段是纯等待时间，t4时间段表示倾斜镜偏摆动作环节，每周期包含5个环节44环节与1:1环节并行进行、而1:132、13、11串行进行，且有1:1 =丨2+丨3+丨1 =丨4，竖直方向的删节号表示大量周期递推进行。
[0044]图6是波前倾斜自适应校正前后的误差抑制比的频率响应曲线图，其中纵轴是以dB(分贝)为单位的误差抑制比值、横轴是以Hz(赫兹)为单位的输入的正弦型波前倾斜信号频率，“X”构成的B曲线为传统PI控制方法的误差抑制比频率响应曲线，“〇”构成的A曲线为本发明控制方法的误差抑制比频率响应曲线，水平虚线为误差抑制比_3dB截取线，对应传统PI控制方法的误差抑制_3dB带宽为58Hz、对应本发明控制方法的误差抑制-3dB带宽为69Hzo
【具体实施方式】
[0045]I)搭建图4所示的波前倾斜自适应校正光路，光路中各元件的技术参数:
[0046]点光源I为大恒公司的GC1-型直流调压光纤光源，是一种白光光源，光纤口径为10um；
[0047]第一透镜2、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜7、第五透镜8均为双胶合透镜，焦距分别为200mm、250mm、100mm、100mm、73mm;
[0048]第一倾斜镜3和第二倾斜镜6均为德国PI公司的压电陶瓷倾斜镜，型号分别为S330和S334，第一倾斜镜3的谐振频率为2.4kHz、开环最大偏摆范围为2mrad，第二倾斜镜6的谐振频率为1.7kHz、开环最大偏摆范围为20mrad，两者口径均为25mm、均有互为垂直的A、B两个偏摆控制轴、输入电压范围都是O到10V、经高压放大器放大为O到100V，输入电压连续可调，初始位置时A、B两个轴上均施加5.0OV电压；
[0049]哈特曼波前探测器9是基于120X 120像素的EM CXD相机和20 X 20微透镜阵列板构成的器件，最短读出时间0.37ms;
[0050]控制计算机10为DELL T5500工作站，windows XP操作系统，双核CPU X9650，主频分别为3.0OGHz和2.99GHz，内存为3.00GB;控制计算机10分别与第一倾斜镜3、第二倾斜镜6和哈特曼波前探测器9相连;控制计算机10中存有第二倾斜镜6的响应测量程序、本发明提出的波前倾斜自适应校正控制程序、传统PI控制的波前倾斜自适应校正程序、给第一倾斜镜3依次发送一系列频率的正弦型波前倾斜信号的程序。
[0051 ] 2)各控制环节的时间段11、t2、t3、tx、t4分别为0.6ms、0.37ms、0.05ms、0.18ms、
0.6mso
[0052]3)利用上述光路，按照图5所示的控制环节测量第二倾斜镜6的驱动电压u与哈特曼波前探测器9给出的波前倾斜量y的响应数据:
[0053]固定第一倾斜镜3，使其作为一个普通的反射镜;给第二倾斜镜6施加一系列4V?6V之间随机变化的电压u(k)，k代表周期序号，k = 1,2,3,……10000;哈特曼波前探测器9采集相应驱动电压u(k)下的有效光斑阵列、计算以哈特曼波前探测器9的像素为单位的所有有效光斑的质心、平均后得出波前倾斜量y(k)，k=l，2，3，……10000;将10000组u(k)-y(k)数据存储于计算机10中；
[0054]将10000组u(k)_y(k)数据依次代入(i)式，利用矩阵的最小二乘法求得(i)式中各常量系数值:bl=0.707，b2 = -0.018，al = 1.05，a2 = -0.051，a3 = -0.462。
[0055]4)将得到的bl、b2、al、a2、a3的数值代入(ii)式，得到第二倾斜镜6的驱动电压u与哈特曼波前探测器9给出的波前倾斜量y的响应关系式(ii/:
[0056]y( j-2)=0.707y( j-3)-0.0178y( j-4) + 1.05u( j-2)-0.051u( j-3)-0.46u( j-4)
(ii)7
[0057]将(ii)'式输入本发明波前倾斜自适应校正程序的函数库中。
[0058]5)求取传统PI控制器的参数:采用经典的Ziegler-Nichols方法【Ziegler J G,Nichols N B.0ptimum settings for automatic controller.Transact1n of ASME,1942】，求出传统PI控制器的比例系数kp和积分系数ki的数值，kpO = 0.065，k1 = 0.12，将这两个参数输入传统PI控制的波前倾斜自适应校正程序中。
[0059]6)将kp0 = 0.065，ki0 = 0.12作为本发明PI控制器的比例系数和积分系数的初值，在matlab中仿真“I)”中所述的波前倾斜自适应校正系统在本发明的初值PI控制程序下、干扰信号频率从2Hz变化到320Hz的误差抑制比频率响应曲线;观察调整kp和ki的数值对频响曲线峰值的影响，直至调整到频响曲线峰值在6dB?1dB范围内；此时得到kp = 0.10,ki =
0.19，作为本发明的PI控制器参数，将这两个参数输入本发明的波前倾斜自适应校正程序中。
[0060]本发明的kp、ki均为传统PI控制器参数的1.5倍，已经能够看出本发明的校正精度要优于传统PI控制方法的校正精度。
[0061]7)仍使用图4所示光路，测量本发明的误差抑制比频率响应曲线:
[0062]a.令第一倾斜镜3模拟输入2Hz频率的波前倾斜正弦信号，即给第一倾斜镜3施加以5V为平衡位置、幅值0.5V、频率为2Hz的正弦信号；
[0063]b.开启存储于控制计算机10中的本发明波前倾斜自适应校正程序；
[0064]c.自适应校正前后从哈特曼波前探测器9中各读出5000个波前残差e (j)，数据即时存储于计算机10的内存中；给第一倾斜镜3和第二倾斜镜6都施加5V平衡电压停歇10ms，同时将内存中的10000组数据输出到硬盘文件中；
[0065]d.令第一倾斜镜3模拟输入的波前倾斜正弦信号频率按2Hz步长不断增加直至320Hz，每次频率改变后都重复b到c的步骤；
[0066]e.针对每个频率信号下从哈特曼波前探测器9中读出的自适应校正前后的2组、每组各5000个波前残差e(j)数据，统计平均校正前后的振幅比，取对数并乘以20，相对正弦信号频率做曲线，得出本发明控制方法的误差抑制比频率响应曲线，见图6中的A线。
[0067]8)仍使用图4所示光路，测量传统PI控制方法对应的误差抑制比的频响曲线:
[0068]按照“7)”中所述方法，只是将步骤“b”中的“开启存储于控制计算机10中的本发明波前倾斜自适应校正程序”改为“开启存储于控制计算机10中的传统PI控制的波前倾斜自适应校正程序”；
[0069 ]得出传统？〗控制方法的误差抑制比频率响应曲线，见图6中的B线。
[0070]图6中的水平虚线是_3dB线，其与曲线B和曲线A分别相交于58Hz和69Hz，说明传统PI控制和本发明的误差抑制-3dB带宽分别为58Hz和69Hz，本发明的误差抑制-3dB带宽相对传统PI控制方法提高了19%。
【主权项】
1.一种波前倾斜的连续探测与校正的闭环控制方法，其特征是:针对弱目标的光波前倾斜连续探测与自适应校正的闭环系统中，波前探测器的曝光时间长于探测信号读出与处理时间、出现倾斜镜的偏摆动作叠加在探测信号中的问题，提出一种通过过程控制测量出倾斜镜的偏摆叠加量并从探测信号中扣除的方法； 将通常4个环节的波前倾斜自适应校正程序修正为5个，使得波前探测器曝光时间的tl环节内包含一个完整叠加的倾斜镜驱动响应环节t4，即在相继完成探测信号读出环节t2、探测信号处理环节t3后，并不立即给倾斜镜施加驱动电压，而是加一个等待环节tx，以保证tl = t2+t3+tx 和 tl = t4，同时还要满足 tx<0.5ms、tl ^t2+t3 的条件； 测量倾斜镜在连续驱动电压下t4环节中的偏摆量在波前探测器上反映的波前倾斜量之间的响应关系: a.搭建波前倾斜自适应校正光路系统 系统由点光源(I)、第一透镜(2)、第一倾斜镜(3)、第二透镜(4)、第三透镜(5)、第二倾斜镜(6)、第四透镜(7)、第五透镜(8)、哈特曼波前探测器(9)、控制计算机(10)组成;其中点光源(I)位于第一透镜(2)的前焦点上，使得点光源(I)发出的球面波通过第一透镜(2)后变为平行光，第一倾斜镜(3)与通过第一透镜(2)之后的平行光光轴成45°角，从而使光束在第一倾斜镜(3)处折轴90°，第二透镜(4)和第三透镜(5)组成第一个4f光路、使第一倾斜镜(3)和第二倾斜镜(6)的位置共轭;第四透镜(7)和第五透镜(8)组成第二个4f光路、使哈特曼波前探测器(9)和第二倾斜镜(6)位置共轭;通过第二倾斜镜(6)连接的第一和第二个4f光路，使第一倾斜镜(3)、第二倾斜镜(6)和哈特曼波前探测器(9)三者处于互为共轭的位置上;第二倾斜镜(6)与通过第三透镜(5)之后的平行光光轴成45°角，从而使光束在第二倾斜镜(6)处折轴90°;控制计算机(10)分别与第一倾斜镜(3)、第二倾斜镜(6)和哈特曼波前探测器(9)相连，控制计算机(10)中存有第二倾斜镜(6)的响应测量程序、波前倾斜自适应校正程序; b.倾斜镜的响应测量程序 基于所搭建的波前倾斜自适应校正光路系统，令第二倾斜镜(6)的偏摆环节t4与哈特曼波前探测器(9)的曝光环节tl并行，且t4与tl均不间断地进行，tl之后串行进行探测信号读出环节t2、探测信号处理环节t3和等待环节tx，各环节的时间段均与自适应校正控制过程的相同；在每个t4环节给第二倾斜镜(6)施加4V?6V之间的随机电压u(k)，k代表周期序号，为正整数，k= 1,2,3,……M，M在8000?12000之间； c.测量倾斜镜的响应函数 利用所搭建的波前倾斜自适应校正光路系统，将第一倾斜镜(3)作为普通反射镜使用，开启第二倾斜镜(6)的响应测量程序，哈特曼波前探测器(9)采集相应驱动电压u(k)下的波前倾斜量y(k);测得的M组u(k)-y(k)数据即时存储到计算机(10)中；将计算机(10)中存储的1-4组丫(10、7(1^-1)、7(1^-2)、11(10、11(1^-1)、11(1^-2)数据代入(；0式， y(k)-bl.y(k_l)_b2.y(k_2)=al.u(k)+a2.u(k_l)+a3.u(k_2) (i) 其中131士2、31、&2、33均为常量系数沽=4，5，6，……M,Me [8000，12000];利用矩阵的最小二乘法求得(i)式中各常量系数值； 在波前倾斜的自适应校正控制中，其周期序号用j表示，哈特曼波前探测器(9)探测到的波前残差信号e(j)中包含j_2周期中第二倾斜镜(6)的偏摆信号y(j_2)，须将响应关系(i)式改写为y(j-2)的表达式， y(j-2)=bl.y(j_3)+b2.y(j_4)+al.u(j_2)+a2.u(j_3)+a3.u(j_4) (ii) 其中j = 5，6，7，……k-2，……N，N是有限正整数；(i i)式即为连续驱动第二倾斜镜(6)的条件下哈特曼波前探测器(9)探测到的波前倾斜量y(k)相对近两周期的u、y的响应关系式； 将上述方法测量到的倾斜镜的响应函数输入波前倾斜自适应校正程序的函数库中； 探测信号处理环节t3的程序: 调出(ii)式;利用(ii)式按照自适应校正周期j的序号从小到大依次解出y(j_2)，并从每周期的波前残差探测信号e(j)中扣除y(j_2)，成为e(j)+y(j-2);另外，在给第二倾斜镜(6)施加第j周期的电压信号u(j)之前第二倾斜镜(6)又发生了 j-Ι周期中的偏摆转动，故须利用求解y(j_2)的方法递推算出y(j-l)，在e(j)+y(j_2)中再进行扣除，得出施加电压信号u(j)之前的波前倾斜残差信号e ’( j): e, (j) = e( j)+y( j-2)-y( j-1)(iii) 基于e ’( j)，再利用PI控制器计算须施加在第二倾斜镜(6)的电压u(j): u( j)=u( j-l)+kp.(e/ (j)-e7 (j_l))+ki.e7 (j).(iv) 其中的kp和ki为PI控制器的比例系数和积分系数； 基于前述的5个环节的控制，利用测得的倾斜镜响应函数(ii)式、波前倾斜残差信号e’(j)的函数(iii)式和电压u(j)的函数(iv)式处理第j周期探测到的波前倾斜信号，将求出的u(j)施加到倾斜镜上，完成第j周期的控制；后继周期的控制与第j周期的控制方法相同，一直到第N周期的波前倾斜自适应校正完成。2.根据权利要求1所述的一种波前倾斜的连续探测与校正的闭环控制方法，其特征是所述的倾斜镜在连续驱动电压下的偏摆量与波前探测器上探测的波前倾斜量关系的测量方法，是基于权利要求1所述的波前倾斜自适应校正光路系统，其中第二倾斜镜(6)的谐振频率为1.7kHz、开环最大偏摆范围为20mrad，口径为25mm、具有互为垂直的A、B两个偏摆控制轴、输入电压范围是O到10V、经高压放大器放大为O到100V，输入电压连续可调，哈特曼波前探测器(9)是基于120X120像素的EM CXD相机和20 X 20微透镜阵列板构成的器件，各控制环节的时间段1:1、七2、七3、七1、七4分别为0.61118、0.371118、0.051118、0.18ms、0.6ms;开启第二倾斜镜(6)的响应测量程序，给第二倾斜镜(6)施加一系列4V?6V之间随机变化的电压u(k)，k代表周期序号，k=l，2，3，……10000;哈特曼波前探测器(9)采集相应驱动电压u(k)下的有效光斑阵列、计算以哈特曼波前探测器(9)的像素为单位的所有有效光斑的质心、平均后得出波前倾斜量7(10汰=1，2，3，……10000;将10000组u(k)-y(k)数据依次代入权利要求1所述的(1)式，利用矩阵的最小二乘法求得(1)式中各常量系数值41 = 0.707，&2 = -0.018，&1=1.05，32 = -0.051，33 = -0.462;再将得到的131士2、31、32、33的数值代入权利要求1所述的(ii)式，得到第二倾斜镜(6)的驱动电压u与哈特曼波前探测器(9)给出的波前倾斜量y的响应关系式(iiZ: y(j-2)=0.707y(j-3)-0.0178y(j-4)+l.05u(j-2)-0.051u(j-3)-0.46u(j-4)(ii),。3.根据权利要求1所述的一种波前倾斜的连续探测与校正的闭环控制方法，其特征是求取PI控制器参数的方法:基于权利要求2所述的波前倾斜自适应校正光路系统和第二倾斜镜(6)的响应关系式(ii/，采用经典的Ziegler-Nichols方法求出比例系数kpO和积分系数ki O作为PI参数的初值;在mat Iab中仿真权利要求2所述的波前倾斜自适应校正系统在权利要求I所述的初值PI控制程序下、干扰信号频率从2Hz变化到320Hz的误差抑制比频率响应曲线;观察调整kp和ki的数值对频响曲线峰值的影响，直至调整到频响曲线峰值在6dB?10(^范围内，此时得到1^) = 0.10，1^ = 0.19;系统误差抑制-3(^带宽为69取，相对传统？1控制方法提高19 %。
【文档编号】G05B13/02GK106019931SQ201510205257
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年4月28日
【发明人】宣丽, 胡立发, 王玉坤, 李大禹, 曹召良, 穆全全, 杨程亮, 徐焕宇, 彭增辉, 刘永刚, 姚丽双, 王少鑫, 王冲冲
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所