一种基于光纤互联的光学系统装调方法及装置与流程

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种基于光纤互联的光学系统装调方法及装置。

背景技术：

为了获得更高的空间分辨率和极限探测能力，实现对宇宙更深、更详细的探索，天文观测以及空间态势感知所使用的望远镜口径越来越大，未来的地基望远镜为30～40米量级，而空间望远镜的口径也由六米级向十米级发展。这些大口径望远镜的建设，不仅将人类对宇宙的认识范围扩展到宇宙初始的黑暗时期，即实现对“首光”的观测，同时，大口径与自适应光学的结合，使望远镜观测到的宇宙结构更加精细，对实现黑洞、暗物质暗能量、类地行星等天文学重要课题具有十分重要的意义。不仅如此，除天文学应用外，不论是对于占领太空高低，还是检测小行星对人类问题的威胁，大口径望远镜均有不可替代的作用。

望远镜在整体装调以及系统整体波前质量检测的过程中，均需要对其波前进行检测，一般分为两个技术流派：即平面镜自准直与平行光管发射平面波前。由于下一代大口径望远镜需要对准的部件与科学终端较多，使用平面镜自准直在没有中间像面的光路中无法实现，不仅如此，由于自准直方法光线在系统中往返传播两次，会降低检测的动态范围的同时，增加失调状态检测的非线性程度；因此，使用平行光管对大口径望远镜进行系统整体检测是目前最佳的选择。

但是，随着望远镜口径的增大，建造与之匹配的大口径平行光管越来也困难。目前，大口径的平行光管口径普遍在400～500mm，而更大口径的平行光管不论是在成本还是技术风险上都随着口径的增加而迅速提高。

因此，如何对大口径望远镜进行系统整体波前质量检测，并装调至所需状态，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光纤互联的光学系统装调方法及装置，可以使波前接近与整体理想波前的取样，以较低成本实现光学系统的装调，减少对大口径平行光管的依赖。其具体方案如下：

一种基于光纤互联的光学系统装调方法，包括：

由激光器所发出的光束通过第一光纤耦合器分为等能量的n路光束；其中n为分离子孔径数；

将分成的每一路光束分别传输至各第二光纤耦合器；

通过各所述第二光纤耦合器将每一路光束分出90％能量的光传输至待检测望远镜前方设置的n个分离式小口径平行光管，以及分出10％能量的光传输至条纹追踪器进行条纹追踪；

根据条纹追踪结果，控制系统出射波前均方根降低至0.05个波长之内；

移动各所述分离式小口径平行光管，对整个孔径频域面进行覆盖，并进行空域的重建；

分别改变各所述分离式小口径平行光管的指向，对所述待检测望远镜的不同视场进行检测，控制出射波前综合波像差值调整至0.1个波长之内。

优选地，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，所有光束均在保偏光纤中进行传输。

优选地，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，所述对所述待检测望远镜的不同视场进行检测，包括：

建立灵敏度矩阵；

对建立的所述灵敏度矩阵进行奇异值分解，建立zemax模型；

利用matlab将所述待检测望远镜的某一光学元件移动设定量；

在所述待检测望远镜的不同视场下，通过建立的所述zemax模型提取对应的出射波前综合波像差值。

优选地，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，所述将分成的每一路光束分别传输至各第二光纤耦合器，包括：

将分成的每一路光束分别通过光纤延迟器传输至各第二光纤耦合器。

优选地，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，所述进行条纹追踪，包括：

通过所述条纹追踪器探测得到干涉条纹图像；

对得到的所述干涉条纹图像的四点进行取样，解算系统相位延迟，得到条纹追踪结果。

优选地，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，所述根据条纹追踪结果，控制系统出射波前均方根降低至0.05个波长之内，包括：

根据条纹追踪结果，通过驱动所述光纤延迟器以调整所述等能量的n路光束之间的光程差，控制系统出射波前均方根降低至0.05个波长之内。

优选地，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，还包括：

通过调制传递函数对所述分离式小口径平行光管的排布方式进行确定。

优选地，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，还包括：

建立bp神经网络；

将所述条纹追踪器探测得到的所述干涉条纹图像输入至所述bp神经网络；

利用误差反向传播，结合遗传算法优化所述bp神经网络的权值和尺度因子、平移因子、节点之间的权重值与阈值，使所述bp神经网络输出与系统相位延迟的二次误差最小。

本发明实施例还提供了一种基于光纤互联的光学系统装调装置，包括：激光器、第一光纤耦合器、n个第二光纤耦合器、在待检测望远镜前方设置的n个分离式小口径平行光管、条纹追踪器和控制器；其中n为分离子孔径数；

所述激光器，用于发射光束；

所述第一光纤耦合器，用于将所述激光器所发出的光束分为等能量的n路，并将分成的每一路光束分别传输至各所述第二光纤耦合器；

所述第二光纤耦合器，用于将每一路光束分出90％能量的光传输至所述分离式小口径平行光管，以及分出10％能量的光传输至所述条纹追踪器；

所述条纹追踪器，用于进行条纹追踪；

所述控制器，用于根据条纹追踪结果，控制系统出射波前均方根降低至0.05个波长之内；还用于移动各所述分离式小口径平行光管，对整个孔径频域面进行覆盖，并进行空域的重建，以及分别改变各所述分离式小口径平行光管的指向，对所述待检测望远镜的不同视场进行检测，控制出射波前综合波像差值调整至0.1个波长之内。

优选地，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调装置中，还包括：n个分别位于所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器之间的光纤延迟器；

所述光纤延迟器，用于调整所述等能量的n路光束之间的光程差。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种基于光纤互联的光学系统装调方法及装置，包括：由激光器所发出的光束通过第一光纤耦合器分为等能量的n路光束；其中n为分离子孔径数；将分成的每一路光束分别传输至各第二光纤耦合器；通过各第二光纤耦合器将每一路光束分出90％能量的光传输至待检测望远镜前方设置的n个分离式小口径平行光管，以及分出10％能量的光传输至条纹追踪器进行条纹追踪；根据条纹追踪结果，控制系统出射波前均方根降低至0.05个波长之内；移动各分离式小口径平行光管，对整个孔径频域面进行覆盖，并进行空域的重建；分别改变各分离式小口径平行光管的指向，对待检测望远镜的不同视场进行检测，控制出射波前综合波像差值调整至0.1个波长之内。

本发明使用分离式小口径平行光管构成光学综合口径系统，利用光纤互联保证波前合成的相干性，使波前接近与一个整体理想波前的取样，出射波前综合波像差pv值优于0.1λ(λ为工作波长)，rms值优于0.05λ，这样利用分离式小口径平行光管实现大口径平行光管的功能，可以以较低成本实现大口径望远镜光学系统的检测装调，减少对大口径平行光管的依赖，并且分离式小口径平行光管受大气影响较小，可以提高成像质量，在待检测望远镜的靶面上所成图像后，使用图像恢复功能提高成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于光纤互联的光学系统装调方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的各分离式小口径平行光管对整个孔径频域面进行覆盖，并进行空域的重建过程的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的基于光纤互联的光学系统装调装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于光纤互联的光学系统装调方法，如图1所示，包括以下步骤：

s101、由激光器所发出的光束通过第一光纤耦合器分为等能量的n路光束；其中n为分离子孔径数；

s102、将分成的每一路光束分别传输至各第二光纤耦合器；

s103、通过各第二光纤耦合器将每一路光束分出90％能量的光传输至待检测望远镜前方设置的n个分离式小口径平行光管，以及分出10％能量的光传输至条纹追踪器进行条纹追踪；

在实际应用中，目前针对离散口径检测设备的研究多集中于利用机械基准与几何光学对多光轴的平行度进行检测，而对于波长精度(如十分之一工作波长)的检测研究还未进一步深入。传统的光学元件所搭建的相干系统最具有代表性的为光学综合孔径系统，又称为部分填充孔径系统(partiallyfilledaperture)，主要分为迈克尔逊型与斐索型两种基本形式；其光学综合孔径阵无论何种形式，都只是部分地填充了成像系统理想镜面。本发明正是利用离散式小口径平行光管(也可为分离式小口径发射望远镜)，构成光学综合孔径系统，实现对波前的部分填充；需要说明的是，现有技术中大口径望远镜的口径一般在400～500mm，n个离散式小口径平行光管的口径之和大致可以在400～500mm范围内；

s104、根据条纹追踪结果，控制系统出射波前均方根(rms)降低至0.05个波长之内；

s105、移动各分离式小口径平行光管，对整个孔径频域面进行覆盖，并进行空域的重建；

s106、分别改变各分离式小口径平行光管的指向，对待检测望远镜的不同视场进行检测，控制出射波前综合波像差值调整至0.1个波长之内；

在实际应用中，针对不同视场的检测，可以分别转动各个分离式小口径平行光管；各个分离式小口径平行光管之间采用光纤进行软连接，可以实现变阵，提供更好的空间频率覆盖率。

在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，使用分离式小口径平行光管构成光学综合口径系统，利用光纤互联保证波前合成的相干性，使波前接近与一个整体理想波前的取样，出射波前综合波像差pv值优于0.1λ(λ为工作波长)，rms值优于0.05λ，这样利用分离式小口径平行光管实现大口径平行光管的功能，可以以较低成本实现大口径望远镜光学系统的检测装调，减少对大口径平行光管的依赖，并且分离式小口径平行光管受大气影响较小，可以提高成像质量，在待检测望远镜的靶面上所成图像后，使用图像恢复功能提高成像质量。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，所有光束均在保偏光纤中进行传输。这样利用保偏光纤可以很好地保证系统出射光纤的偏振态，并可以对光学系统的偏振传递函数进行测量，具体来说采用两个垂直方向的偏振光分别进行检测，并对结果进行分析。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，步骤s106对待检测望远镜的不同视场进行检测，具体可以包括：首先建立灵敏度矩阵；然后对建立的灵敏度矩阵进行奇异值分解，建立zemax模型；之后利用matlab将待检测望远镜的某一光学元件移动设定量；最后在待检测望远镜的不同视场下，通过建立的zemax模型提取对应的出射波前综合波像差值。

具体地，检测所获得的像差与系统各个元件之间的失调情况可以通过灵敏度矩阵建立关系。由于大口径大视场望远镜光学系统复杂，其调整变量较多，调整变量之间容易出现相关性，导致矩阵病态。若系数矩阵中列向量线性关联度大，法矩阵呈现病态，法矩阵求逆出现不稳定，考虑到观测噪声的影响，采用最小二乘法得到的估计值将明显偏离真值。为了解决最小二乘法这一缺点，对结果进行阻尼最小二乘估计。本发明利用灵敏度矩阵进行光学调整的原理如下式所示：

(a^ta+εi)δd＝a^tδz

其中：

为灵敏度矩阵，为执行元件运动为zernike多项式系数变化，ε为阻尼因子i为单位矩阵。

δd＝(a^ta+εi)^-1a^tδz

对a进行奇异值分解a＝uσv^t，其中，σ＝diag(λ1,λ2,l,λl)为a的奇异值。

建立zemax模型后，利用matlab将望远镜的某一光学元件移动一个小量，然后在某个视场中，提取所对应的波前像差。之后在另一个相邻视场重复这一过程，指导建立其灵敏度矩阵。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，步骤s102将分成的每一路光束分别传输至各第二光纤耦合器，包括：将分成的每一路光束分别通过光纤延迟器传输至各第二光纤耦合器。需要说明的是，干涉阵列需要系统调干涉臂之间的误差小于十分之一个工作波长，由于温度变化、大气扰动、偏振，光强起伏、振动、光学系统像差等，造成了干涉条纹模糊，即可见度下降，因此，需要对光程进行调制，即引入光纤延迟器这一激光通讯中较为常见的器件，为了与器件实现匹配，可采用的波长可以为1310nm或1550nm。该光纤延迟器可以调整补偿每一路光束之间的光程差，具体可以选择空气行程补偿器，用以补偿大行程的系统误差。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，步骤s103进行条纹追踪，可以包括：通过条纹追踪器探测得到干涉条纹图像；对得到的干涉条纹图像的四点进行取样，解算系统相位延迟，得到条纹追踪结果。

具体地，条纹追踪器中包括条纹传感器(fringesensor)，主要有拟合群包络曲线计算包络延迟、色散光谱通道计算群延迟、abcd法计算相位延迟等获得实时相位偏置(real-timeoffset)的方法；本发明采用abcd法，即通过对干涉条纹的四点取样，解算系统相位延迟，克服口径数量增加所引起的敏感度降低，实现条纹追踪。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，步骤s104根据条纹追踪结果，控制系统出射波前均方根降低至0.05个波长之内，包括：根据条纹追踪结果，通过驱动光纤延迟器以调整等能量的n路光束之间的光程差，控制系统出射波前均方根降低至0.05个波长之内。

在实际应用中，各个子孔径之间虽然通过单模光纤进行空间滤波，但是存在着光程差，会让出射的波前存在活塞误差，因此，需要采用光纤延迟器保证出射波前会有理想的平面波和子孔径组合，保持系统共相状态。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，还可以包括：通过调制传递函数(modulationtransferfunction，mtf)对分离式小口径平行光管的排布方式进行确定。

在此，使用mtf对分离式小口径光管的排布方式进行确定，常见的子孔径排列方式有环形，三臂、golay型以及复合型。根据傅里叶光学理论，不同形式的子孔径采样形式，会对应不同的mtf。为了精确覆盖所关心的空间频率范围，需要对子孔径尺寸、数量与排列方式进行综合考虑。因此需要研究一种根据目标频段设计对应的mtf准则以及对应的子孔径排列方式优化方法。基于此，在执行步骤s105时，如图2所示，选定zernike多项式阶数以及子孔径排布，在光瞳内进行正交化，然后进行波前数据拟合，之后根据mtf覆盖目标，当满足要求时，输出目标频段面形；若不满足要求，则频段覆盖能力不足，需调节孔径排布与拟合阶数。其中，每一项zernike多项式，都在频域上有对应的表达，带入功率谱的计算公式中可以得出每一项所对应的特征峰值，据此结合需要覆盖的目标频段，确定所需要的基底数量。利用先验的统计学信息结合功率谱的方法得出子孔径内气流扰动的功率谱，并将湍流扰动通过频域滤波方式进行解耦。

需要说明的是，通过mtf设计分离式小口径平行光管的位置与口径，可以实现对波前的部分填充，保证覆盖系统最终装调阶段所需要覆盖的频率成分，使得分离式小口径平行光管构成光学综合口径系统的mtf与待检测大口径望远镜的mtf匹配。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，还可以包括：建立bp神经网络；将条纹追踪器探测得到的干涉条纹图像输入至bp神经网络；利用误差反向传播，结合遗传算法优化bp神经网络的权值和尺度因子、平移因子、节点之间的权重值与阈值，使bp神经网络输出与系统相位延迟的二次误差最小。

可以理解的是，使用误差模型修正仪器误差的方法具有周期短、成本低，见效快的特点，由于大口径大视场望远镜属于定制化产品，同样无法使用一些商业器件直接利用的标校手册，需要使用更为复杂的建模手段，但常用的建模方法无法同时兼顾低频漂移与高频扰动之间的关系。以目前使用较多的滑动自回归模型为例，阶数较低的情况下，对高频误差的覆盖能力有限，但是，使用较高的阶数，对温度，重力等因素造成的低时间、空间频率误差无法很好的表征。利用小波分析的方法可依实现时域与空域的分辨率调整，但是分解阶数的选择会严重影响模型表征能力。因此，本发明采用bp神经网络进行数据建模，通过调节连接不同节点之间的权重，非线性的激励函数以及拟合结残差的反向传播，模拟人类大脑处理信息的过程，具有非线性拟合效果好，泛化能力强的特点。针对误差反向传播修正连接权值的问题，在此结合遗传算法等外部优化算法获得性能更具有针对性的网络。以条纹追踪单元中所探测得到的图像为输入，利用误差反向传播，结合遗传算法优化网络的权值和尺度因子、平移因子、节点之间的权重值与阈值，使神经网络输出与系统实际的相位延迟的二次误差最小。这样可以降低技术风险小口径平行光管的各项误差，其加工和制造误差所引入的光程差由后续算法补偿，在运动过程中的误差变化通过开环校正，由于其体积重量较小，其补偿精度可以保证。

另外，大口径望远镜系统性能评价和误差分配是一个复杂的系统工程，从频域获得面形评价指标是系统工程中一条十分重要的技术路线。在具体实施时，在完成检测之后，利用标准化点源敏感性(normalizedpointsourcesensitivity，pssn)与波前以及光学传递函数之间的关系，可以建立其离散式小口径平行光管检测前提下系统pssn的估计。

具体来说，根据pssn的定义可得：

其中：

f为空间频率单位为(circle/rad)，λ为波长。otf为波前光场的卷积，因此，对于长曝光系统，其光学传递函数为光瞳函数的自相关函数，表征了理想的衍射系统成像。另一项代表的是具体的系统对于成像的影响，表示系统因为自身特征而丢失的成像质量。

其中，为波前结构函数，f为空间频率单位为(circle/rad)，λ为波长。

采用合理的误差评价准则可以降低对成像影响较小分量的权重，从而更好地提取所需要的信息。本发明建立了一种以pssn为指标的误差模型，实现系统误差的敏感性和实际加工、生产能力以及成本等因素的综合考虑，实现面形获得过程的误差建模，包括离面与非离面误差对面形的影响。该系统不仅可以对单镜大口径光学系统进行自准直测试，同时，对拼接镜面形式的大口径望远镜，不仅可以获得整体波前信息，也可以进行布局的子镜刚体位移调整。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种基于光纤互联的光学系统装调装置，由于该基于光纤互联的光学系统装调装置解决问题的原理与前述一种基于光纤互联的光学系统装调方法相似，因此该基于光纤互联的光学系统装调装置的实施可以参见基于光纤互联的光学系统装调方法的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的基于光纤互联的光学系统装调装置，如图2所示，具体可以包括：激光器1、第一光纤耦合器2、n个第二光纤耦合器3、在待检测望远镜4前方设置的n个分离式小口径平行光管5、条纹追踪器6和控制器(图中未示出)；其中n为分离子孔径数；

激光器1，用于发射光束；

第一光纤耦合器2，用于将激光器1所发出的光束分为等能量的n路，并将分成的每一路光束分别传输至各第二光纤耦合器3；

第二光纤耦合器3，用于将每一路光束分出90％能量的光传输至分离式小口径平行光管5，以及分出10％能量的光传输至条纹追踪器6；

条纹追踪器6，用于进行条纹追踪；

控制器(controller)，可以采用kalman控制器，用于根据条纹追踪结果，控制系统出射波前均方根降低至0.05个波长之内；还用于移动各分离式小口径平行光管5(可通过图2中的移动机构7实现对各分离式小口径平行光管5的移动)，对整个孔径频域面进行覆盖，并进行空域的重建，以及分别改变各分离式小口径平行光管5的指向，对待检测望远镜4的不同视场进行检测，控制出射波前综合波像差值调整至0.1个波长之内。

在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调装置中，可以通过激光器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、分离式小口径平行光管、条纹追踪器和控制器的相互作用，保证波前合成的相干性，使波前接近与一个整体理想波前的取样，出射波前综合波像差pv值优于0.1λ(λ为工作波长)，rms值优于0.05λ，以较低成本实现大口径望远镜光学系统的检测装调，减少对大口径平行光管的依赖。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述基于光纤互联的光学系统装调方法中，还包括：n个分别位于第一光纤耦合器2和第二光纤耦合器3之间的光纤延迟器8；

光纤延迟器8，用于调整等能量的n路光束之间的光程差。

关于上述各个部件更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

综上，本发明实施例提供的一种基于光纤互联的光学系统装调方法及装置，包括：由激光器所发出的光束通过第一光纤耦合器分为等能量的n路光束；其中n为分离子孔径数；将分成的每一路光束分别传输至各第二光纤耦合器；通过各第二光纤耦合器将每一路光束分出90％能量的光传输至待检测望远镜前方设置的n个分离式小口径平行光管，以及分出10％能量的光传输至条纹追踪器进行条纹追踪；根据条纹追踪结果，控制系统出射波前均方根降低至0.05个波长之内；移动各分离式小口径平行光管，对整个孔径频域面进行覆盖，并进行空域的重建；分别改变各分离式小口径平行光管的指向，对待检测望远镜的不同视场进行检测，控制出射波前综合波像差值调整至0.1个波长之内。这样使用分离式小口径平行光管构成光学综合口径系统实现大口径平行光管的功能，利用光纤互联保证波前合成的相干性，使波前接近与一个整体理想波前的取样，出射波前综合波像差pv值优于0.1λ(λ为工作波长)，rms值优于0.05λ，可以以较低成本实现大口径望远镜光学系统的检测装调，减少对大口径平行光管的依赖，并且分离式小口径平行光管受大气影响较小，可以提高成像质量。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的基于光纤互联的光学系统装调方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。