自适应光学测试与系统优化研究

发布时间：2019-02-23 12:44

【摘要】：自适应光学(Adaptive Optics,AO)是一种实时探测并补偿波前畸变的技术,在天文成像、激光光束控制、自由空间激光通信、视网膜成像、显微成像、空间光学等领域具有广泛的应用。尽管自适应光学在很多领域已经取得了很大的成功,然而自适应光学在控制方法、非共光路像差校正等方面仍然存在着可以进一步提高的地方。开展自适应光学测试与系统优化的研究,对测量、分析和提高自适应光学系统的性能具有重要意义。自适应光学测试与系统优化涵盖的内容很多,本文结合工程应用中的实际需求,选择波前处理器测试方法、自适应光学系统性能测试方法、利用波前处理器校正非共光路像差的方法,以及评价与改善区域重构方法的闭环控制稳定性等四项内容进行研究,开展了以下研究工作:1、介绍了自适应光学原理和自适应光学系统的组成;总结并分析了自适应光学的重构算法;阐明了自适应光学系统中的误差来源和抑制误差的方法;推导并实现了一种基于离散傅里叶变换的Zernike多项式快速算法。2、对于基于FPGA的波前处理器硬件调试过程中的中间计算结果不易监测、调试比较困难的问题,设计并实现了一种利用上位机软件实现波前处理器测试的方案。这种方法能够分步测试波前处理器的中间计算结果,也能够避免硬件调试中的不当输出对精密的波前校正器带来损害。首先,对波前处理器的功能、组成和工作流程进行了分析,确定了波前处理器的测试步骤。然后,通过判断波前处理器的上传数据来测试波前处理器的工作模式、系统参数是否正确设置;通过比较软件计算值和波前处理器上传值来测试波前处理器的波前斜率计算过程、波前重构过程和波前控制过程。最后,将测试方法应用于97单元自适应光学波前处理器的测试,结果表明,波前处理器的硬件调试效率得到较大提高。经过测试后的波前处理器能够在自适应光学实验系统中正常工作,进行连续校正后系统的残余波前像差的rms和pv分别为0.034波长和0.392波长。3、对于基于fpga的波前处理器不易校正非共光路像差的问题,提出了一种适合波前处理器的非共光路像差校正方法。首先,讨论了非共光路像差的产生原因和运用相位差异技术检测非共光路像差的方法。然后,根据波前处理器的工作流程,推导了将非共光路像差折算到shack-hartmann波前探测器(sh-wfs)参考点偏移量的算法,编写了实现算法的主控计算机软件模块。最后,在望远镜光路中利用光源为目标开展实验,采用这种方法进行非共光路像差校正后,目标能量集中度提高了17.6%,证明了这种方法的可行性。4、为了满足自适应光学系统性能测试的需求,采用校正后的白光光纤光源的图像计算strehlratio(sr)并将sr作为性能测试的评价指标,设计并实现了在一种实验室内对自适应光学系统进行性能测试的方法。该方法采用光学传递函数积分法计算sr,避免了sr计算公式中测量目标与理想目标能量不一致的问题;为了模拟影响自适应光学系统校正效果的实际因素,该方法通过改变光源的亮度模拟不同的sh-wfs图像信噪比,分别通过改变湍流模拟器的位置和转速模拟不同的fried大气相干长度和greenwood频率。最后,将本文设计的性能测试方法用于97单元自适应光学实验系统性能测试。性能测试结果表明,对于中等的sh-wfs图像信噪比,自适应光学实验系统可以在fried大气相干长度大于5cm而且greenwood频率低于60hz的条件下较好地进行闭环校正。5、对于区域重构法的闭环控制稳定性劣于模式重构法的问题,采用lyapunov稳定性理论对稳定性的评价与改善开展了研究。基于lyapunov稳定性理论的误差传播因子能够涵盖积分增益和响应矩阵两方面对稳定性的影响,因此,采用误差传播因子作为闭环控制稳定性的评价判据。采用southwell对应方法确定sh-wfs子孔径和变形镜促动器之间的位置对应关系来避免fried对应方法可能引起的waffle模式,提高稳定性。同时,采用响应矩阵的奇异值滤波方法来提高稳定性,并提出采用误差传播因子评价响应矩阵的奇异值滤波对稳定性的影响。通过计算误差传播因子,分析了不同的积分增益和滤除响应矩阵不同个数的奇异值对闭环控制稳定性的影响。分析结果证明响应矩阵的奇异值滤波可以改善闭环控制的稳定性,分析结果也说明当积分增益很高时可以通过适当多滤除一些响应矩阵的奇异值来保持稳定性。最后,通过实验测量了滤除响应矩阵的13个最小的奇异值之后的系统性能,测量结果表明自适应光学系统的波前校正能力仍然能够比较好地发挥出来,滤除响应矩阵的小部分奇异值对系统性能影响不大。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O439

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