湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差II

 分别采用Zernike和Karhunen-Loeve两种模式波前复原法,分析了在子孔径斜率测量噪声影响下,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与模式复原阶数等的关系。发现最优模式复原阶数主要与哈特曼传感器的子孔径斜率探测信噪比有关。分析了一个哈特曼传感器对实际大气湍流畸变波前的测量结果,给出了确定传感器测量噪声的方法。     

大气湍流三维波前探测模式层析算法分析

大气湍流三维波前探测是实现多层共轭自适应光学技术的关键和前提. 对湍流三维波前探测中最常用的模式法层析技术进行理论研究与分析, 提出该算法存在原理性限制, 并基于此对模式法层析技术产生误差的原因展开分析, 最后针对不同类型的模式层析重构误差给出数值仿真实验结果.分析表明, 模式层析重构中使用了Zernike分解基的一部分作为新的分解基进行波面拟合, 从而引入模式混淆和模式耦合两个方面的误差; 部分Zernike分解基不相关是避免模式混淆误差的必要条件, 模式耦合误差则无法避免. 最后结合仿真结果提出大视场探测、小区域重构的方法, 很好地抑制了模式耦合误差. 关键词： 三维波前探测 大气层析 模式法 误差分析     

哈特曼夏克传感器的泽尼克模式波前复原误差

利用哈特曼－夏克传感器测量圆孔径内波像差时，通常使用泽尼模式复原算法。推导了一般情况下哈特曼－夏克传感器泽尼克模式波前复原误差的计算公式。用哈特曼－夏克传感器测量一个像差板的随机静态像差，通过与ZYGO干涉仪的测量结果比较，得到不同泽尼克模式复原阶数下的波前复原误差的实验结果，并与理论计算结果进行了对比。     

人造钠信标角度非等晕性的实验研究

为实际验证较大角度偏移(θ≈50μrad)条件下人造钠信标探测光路与科学目标光路之间经历大气湍流波前畸变的相关特性及其影响,开展了基于时序同步探测的人造钠信标角度非等晕性实验测量研究,利用单哈特曼波前传感器实现了对自然星回光点阵以及50μrad角度偏移钠信标共振回光点阵的同步测量,获得了时序同帧钠信标与自然星回光的波前序列,并从两者波前二维分布及Zernike模式的统计相关性、非等晕误差的Zernike模式统计分布特性及其对目标成像影响等方面对实验结果进行了较全面的分析.结果表明,50μrad的角度偏离导致两者波前仅低阶模式之间保持着一定相关性(如第3—9阶),而非同轴钠信标偏离望远镜接收口径的大气湍流误采样带来其探测波前与自然星波前之间部分高阶模式相关性的严重退化,致使目标成像点扩散函数Strehl比(0.31—0.22)、光学质量β(2.70—3.35)的下降,该影响不容忽视.最后,依据实验大气条件完成非等晕误差测量结果与理论计算结果的对比分析,获得了理论与实验相符的结果.     

直接斜率法波前拟合和复原误差的仿真分析

报道了利用数值仿真方法对自适应光学系统补偿激光传输湍流效应中的波前拟合和复原误差的计算分析。计算结果表明，在利用波前斜率进行波前复原的实际自适应光学系统中，波前复原误差是利用波前最小方差法计算的波前拟合误差的１．２４倍。     

液晶大气湍流模拟器

提出平行取向液晶器件作为大气湍流模拟器(ATS)的应用,研制出平行排列TFT型二维阵列液晶湍流模拟器(LC ATS)．基于Zernike多项式模拟大气湍流的理论,在Zygo干涉仪上,利用此湍流模拟器产生Zernike模式面形,能够很好的产生Zernike多项式的前2~8项模式面形．并且选取前231项Zernike模式,进行湍流的计算模拟与液晶湍流模拟器的实验模拟,计算模拟与实验模拟的湍流结果比较接近,说明此类型液晶湍流模拟器可以模拟大气湍流.     

Hartmann－Shack传感器结构参量的自基准标定

提出一种标定Hartmann Shack波前传感器结构参量的新方法,通过基于Zernike多项式的模式复原算法推导出公式,结合实验手段获得相应数据,处理后得到微透镜阵列到CCD之间的距离.该方法有效改善了以微透镜焦距代替实际参量计算斜率引入较大误差的状况,在降低传感器装配准确度要求的同时,提高了Hartmann Shack波前传感器的探测准确度.经实验验证该方法在一般实验条件下即可获得满意效果.     

哈特曼波前探测及波前校正的仿真与误差分析

报道了以３７单元自适应光学系统为原型的波前校正计算机仿真模型，讨论了系统波前哈特曼探测误差，拟合误差以及变形镜波前复原误差，提出了自适应光学系统在校正大气湍流引直怕波前位相畸变时存在最佳有效孔径的设想。     

自适应光学系统的实时模式复原算法

 分析了自适应光学系统中实时模式复原算法的基本原理，建立了一种新型的传感器本征模复原算法。与常用的直接斜率法相比，这种模式复原算法可以有效减小探测噪声对复原计算过程的影响，提高系统的闭环稳定性和校正效果。在61单元自适应光学系统上实现了这种模式复原算法，并在实际大气湍流中对传感器本征模复原算法和直接斜率法进行了实验对比研究。     

模式偏置波前传感器理论模拟及实验验证

将模式偏置法与全息多重存储法波前传感器原理联系起来,通过研究模式偏置波前传感器的输出响应特性,间接得到全息模式波前传感器的运行规律.对模式偏置波前传感器进行理论分析与总结,并建立简化模型,针对若干阶Zernike像差,通过数值模拟对理论结果进行验证.模拟结果显示:传感器输出信号与各种类型待测像差系数有不同的变化关系,这...     

波荡器位相误差对自由电子激光

对波荡器位相误差对自由电子激光小信号增益的影响进行了分析讨论。对低增益情况解析地给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。结果表明:与自发辐射类似增益的降低与位相误差的方差成简单的指数关系，位相误差的线性变化部分引起最大增益的位移，还表明波荡器位相误差存在时Madey定理仍然成立。对高增益情况也给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。     

基于模型选择的模式波前重构算法研究

基于Zernike模式的波前重构算法通常忽略实际波前像差构成的差异, 而用一定数量的低阶Zernike模式进行波前重构, 导致模式混淆或耦合等问题, 进而影响波前重构的精度. 根据信息论中的最小描述长度准则对重构模型的阶数进行了选择, 在此基础上应用非线性优化算法计算重构系数, 并最终实现波前重构; 对不同信噪比条件下振幅均匀分布入射光束的波前进行了重构. 结果表明: 该算法不但能够实现相对于现有算法相对较高的波前重构精度, 并且具有优良的噪声适应性, 体现了模型选择在模式法波前重构算法中的意义.     

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明：Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求; Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。     

由重构矩阵存储精度引起的波前重构误差的研究

 采用Southwell区域法波前重构模型对泽尼克多项式的前几项进行了波前重构的数值模拟, 研究了由重构矩阵存储精度原因而引起的波前重构误差。结果表明,对于前六项,以8Bit的数据精度来存储重构矩阵就能保证波前重构误差不超过1.0%,而对于具有更高阶的泽尼克多项式,比8Bit更高的数据精度不会使误差减小。对一个测量所得的波前进行了研究,所得结果和上述结论相符合。     

环扇形分块主镜的波面拟合及重构方法研究

用有限元分析获得了环扇形分块主镜的镜面热变形数据,分别用圆域Zernike多项式和环扇域Zernike多项式对其进行了波面拟合,比较了用两种多项式的拟合精度。基于哈特曼-夏克波前传感器对由环扇形镜面热变形引起的畸变波前进行了模式法重构,分析了用上述两种多项式重构时矩阵条件数和测量误差对重构精度的影响。     

基于解耦差分泽尼克待定系数法的二维横向剪切波面重建算法

横向剪切干涉术是一种自参考干涉计量技术,其原理是被检测波前与其自身被剪开的波前之间在重叠范围内相干涉,由干涉图得到两相互剪切波前的波前差,通过波面重建算法得到待测波面.在波面重建算法中,泽尼克待定系数法是其中的一种.分析了横向剪切干涉技术的测量原理;提出了一种新的基于解耦差分泽尼克待定系数法的二维横向剪切波面重建算法....     

Modal Description of Wavefront Aberration in Non-circle Apertures

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｗｅｏｆｔｅｎｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｓｔａｔｉｃｏｒｄｙｎａｍｉｃｗａｖｅｆｒｏｎｔａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓａｓｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｄｅｓ,ｓｕｃｈａｓｐｉｓｔｏｎ ,ｔｉｌｔ,ｄｅｆｏｃｕｓ,ｃｏｍａ,ｓｐｈｅｒａｌａｎｄｓｏｏｎ .ＴｈｅｓｅｍｏｄｅｓａｒｅｓｉｍｉｌａｒａｓｓｏｍｅｌｏｗｅｒｏｒｄｅｒｓｏｆＺｅｒｎｉｋｅｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｓ.ＴｈｅＺｅｒｎｉｋｅ ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌｓａｒｅｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｉｎｃｉｒ…