基于变形镜本征模式法校正大气热晕的数值模拟

由于相位补偿不稳定性的存在,大气热晕效应的相位校正一直是研究人员十分关心的问题。对变形镜驱动器影响函数耦合矩阵进行正交化获得了按照空间频率划分的变形镜本征模式,建立了采用变形镜本征模式进行波前重构的数值模型,对基于该波前重构方法的自适应光学系统校正大气热晕进行了数值模拟。数值模拟结果表明,与直接斜率法相比,变形镜本征模式法可以通过本征模式的选择,改变校正相位的空间频率成分,消除空间高频成分对热晕校正的影响,从而抑制相位补偿不稳定性的发生,提高自适应光学系统闭环控制的稳定性和对大气热晕的校正效果。     

稳态热晕非等晕效应的数值分析

运用高斯光束展开的方法,分析圆对称平顶光束在大气传输中的热晕及其非等晕效应。通过对热晕及非等晕效应引起的波前畸变作泽尼克多项式展开,得到了各阶泽尼克系数,进而求得热晕校正残差,数值计算得到的热晕拟合校正残差与现有理论公式得到的结果基本一致。对非等晕效应的数值模拟结果表明:在热畸变参数较小,且给定口径尺寸的情况下,热晕角度非等晕校正残差与非等晕角θ的平方成正比,热晕聚焦非等晕校正残差与信标高度的1.71次幂成反比。     

低阶模式校正自适应光学系统的非等晕限制

分析了非科尔莫戈罗夫湍流情况下,自适应光学系统低阶模式校正时的非等晕误差、泽尼克系数角相关函数、残余相位结构函数以及长曝光光学传递函数,并定义了一个新变量－－模式校正因子,用来有效评价目标非等晕误差对低阶模式校正自适应光学系统补偿效果的影响。此外还给出了光波水平大气传输时模式校正因子以及低阶模式校正系统长曝光光学传递函数的数值计算结果。     

直接斜率波前控制算法的模式校正效果分析

建立了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶泽尼克模式间的动态关系,通过对比系统对大气湍流畸变波前各阶泽尼克模式的功率谱抑制函数,揭示了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶模式校正效果间的差异,并初步分析了造成这种差异的原因。用在61单元自适应光学系统上取得的实验结果验证了理论分析结果。     

纯相位液晶空间光调制器拟合泽尼克像差性能分析

纯相位液晶空间光调制器作为波前校正器构成的高分辨率、低能耗、价格低廉、易于控制的自适应光学系统受到越来越多的关注.作为一种新型波前校正器件,它对波前像差的校正能力是反映其在自适应光学系统中应用的一个重要的指标,因此有必要仔细地研究它对各种像差的校正能力,以确定其可能的应用范围.波前校正器对各阶泽尼克像差的拟合效果有效地反映了该器件对不同像差的校正能力.利用256×256像素的纯相位液晶空间光调制器(LC-SLM)产生不同系数的前36项泽尼克像差分析LC-SLM对不同像差的校正能力.讨论了填充因子、离散像素 关键词： 液晶空间光调制器 相位调制 自适应光学 泽尼克多项式     

基于远场信息和卷积神经网络的波前重构方法

探测波前相位信息是实现自适应光学波前补偿的关键,使用卷积神经网络（CNN）代替波前传感器进行波前重构,系统简单易于实现,同时重构过程不依赖迭代运算,快速实时。为准确提取远场中的波前特征,CNN需要事先使用大量样本进行训练。研究中根据4～30阶大气湍流泽尼克像差系数与其远场强度的对应关系,仿真制作样本数据集,训练CNN从输入的一帧远场图像中预测出畸变波前的泽尼克像差系数,重构原始波前。验证结果表明,该方法能快速实时地还原出波前相位信息,重构波前较原始波前具有极高的波面吻合度和较小的残差剩余量,有望实现实际自适应光学系统中的闭环校正。     

高能激光准直传输远场斯特雷尔比与数值验证

利用扩展惠更斯-菲涅耳原理对高能激光在大气中的传输进行了分析,获得了高能激光准直传输轴上及峰值斯特雷尔比的积分表达式,并使用激光大气传输四维仿真程序对该表达式的适用范围进行了分析及数值模拟验证。结果表明,积分表达式可以很好地适用于无自适应光学系统补偿时的高能激光湍流热晕传输问题,可以用于自适应光学系统补偿时弱热晕条件下的湍流热晕角非等晕问题和弱热晕及中等热晕条件下的湍流热晕聚焦非等晕问题。     

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。     

纯相位液晶空间光调制器拟合泽尼克像差性能分析

纯相位液晶空间光调制器作为波前校正器构成的高分辨率、低能耗、价格低廉、易于控制的自适应光学系统受到越来越多的关注.作为一种新型波前校正器件，它对波前像差的校正能力是反映其在自适应光学系统中应用的一个重要的指标，因此有必要仔细地研究它对各种像差的校正能力，以确定其可能的应用范围.波前校正器对各阶泽尼克像差的拟合效果有效地反映了该器件对不同像差的校正能力.利用256×256像素的纯相位液晶空间光调制器(LC-SLM)产生不同系数的前36项泽尼克像差分析LC-SLM对不同像差的校正能力.讨论了填充因子、离散像素     

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。     

CW稳态热晕的数值模拟

运用本文推导的ＡＢＣＤ复杂光学系统的热晕积分方程，计算机数值模拟了ＣＷ稳态热晕，并对所得结果进行了讨论。     

模式耦合对倾斜校正自适应光学系统的非等晕限制

分析了当入射信标波前与观测目标不在同一方向且考虑模式之间的耦合时,倾斜校正自适应光学系统的波前残余误差。并引入模式耦合因子变量,分析了模式耦合对倾斜校正自适应光学系统波前校正残余误差的影响。此外还给出了光波水平大气传输时的数值计算结果。     

模式耦合对倾斜校正自适应光学系统的非等晕限制

 分析了当入射信标波前与观测目标不在同一方向且考虑模式之间的耦合时,倾斜校正自适应光学系统的波前残余误差。并引入模式耦合因子变量,分析了模式耦合对倾斜校正自适应光学系统波前校正残余误差的影响。此外还给出了光波水平大气传输时的数值计算结果。     

曲率型自适应光学系统对低阶Zernike像差校正能力

数值模拟了37单元曲率型自适应光学系统的波前校正过程,分析了该系统对低阶Zernike像差的校正效果,结果表明:低阶Zernike像差均能够得到较好的校正。分别对曲率为零和不为零的Zernike像差校正效果进行了对比分析,结果发现:曲率为零的Zernike像差同样可以被曲率型自适应光学系统校正,而且效果好于曲率不为零的Zernike像差校正。     

基于像清晰化函数最优化的高速机载相机动态像质补偿技术

为满足高速飞行器对目标快速识别和打击的需求,针对大观测场高速机载光电探测系统像质退化严重、像质补偿元件机构复杂、像差校正实时性较差的问题,提出采用可变形反射镜作为动态像质补偿器对传统高速动态成像光学系统像质进行补偿和改进.利用基于像清晰化函数最优化的自适应光学动态像质补偿技术的优化算法对系统动态像差进行闭环实时校正,通过仿真对所提出的方法进行可行性分析和验证.仿真结果表明:与校正前相比,该校正方法使光学系统在60°大角度观测场内泽尼克动态像差变化量的峰谷值最大下降17.5%,点列图弥散斑均方根半径降低至10.61%,校正后的系统残余像差小,在整个观测场内,像质均接近光学衍射极限.     

一种线性相位反演波前测量方法的原理和性能初步分析

对一种基于线性相位反演的新型波前测量方法的基本原理和性能进行了研究。事先对成像光学系统的自身像差进行定标并记录下定标图像。传感器工作时只需测量出有像差时的一幅远场图像与定标图像的差,就可以用线性矩阵相乘方法得到待测像差对应的泽尼克多项式系数。讨论了这种线性相位反演波前测量方法中确定泽尼克模式复原矩阵的方法。以大气湍流畸变波前像差的测量为例,对这种线性相位反演波前测量方法进行了数值仿真研究。结果表明,这种线性相位反演算法具有空间分辨力高、对小像差测量精度高的特点,但测量动态范围有限。这种线性相位反演波前传感器将适用于自适应光学闭环系统。     

测量噪声对波前重构精度的影响

 Hartmann-Shack波前传感器斜率测量误差是自适应光学系统中影响波前重构精度的一个主要误差来源。针对模式法波前重构算法,推导出了普遍适用的模式法波前重构误差传递系数计算公式;利用61单元自适应光学系统中的Hartmann-Shack波前传感器测量的斜率数据,验证了模式法波前重构误差传递系数计算公式的正确性。     

基于固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计

提出了一种基于非球面固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计方法。结合广义科丁顿公式及几何光学原理,推导出非球面校正元件的像散表达式,在此基础上,以消像散和正弦条件作为非球面校正元件像差评价参数,采用最小二乘法拟合出满足消像散及彗差的非球面面形方程。并建立以泽尼克(Zernike)多项式特殊优化函数取代传统的光学系统评价函数,克服了采用传统光学设计方法设计椭球形窗口光学系统时系统评价函数收敛缓慢的问题。成像光学系统设计时通过比对不同材料匹配实现了光学系统的无热化。给出了完整的椭球形窗口光学系统的设计,设计结果表明,系统的调制传递函数在整个扫描视场范围内接近衍射极限。     

基于DDE接口技术的计算机辅助装调方法

根据波前拟合和计算机辅助装调的算法原理,基于动态数据交换（DDE）接口技术和泽尼克多项式拟合技术,采用阻尼最小二乘法,运用MATLAB和ZEMAX联合计算实现了计算机辅助装调。利用DDE接口在ZEMAX和MATLAB之间进行通讯,并用MATLAB编写了能够生成各阶泽尼克圆多项式和环多项式的基底矩阵函数的可视化的计算机辅助装调程序,实现了程序的通用性及易用性。使用该程序对大遮拦比光学系统进行模拟装调,验证了程序的正确性。为了确认泽尼克圆多项式在环域上的相关性对计算机辅助装调结果的影响,分别采用泽尼克圆多项式和环多项式进行模拟装调。模拟结果表明：计算机辅助装调使用这两种泽尼克多项式均可行。     

利用泽尼克位相型光瞳滤波器实现景深延拓及超分辨

为了对显微光学系统实现景深延拓和超分辨,设计了一种基于泽尼克多项式的位相型光瞳滤波器,并分析了其对光学系统在焦点附近光强分布的改善。结果表明,与传统显微光学系统相比,加入泽尼克位相型光瞳滤波器后,系统景深延拓了4.15倍,分辨率提升了1.3倍。同时,与其他两种形式的光瞳滤波器进行了比较,进一步说明了泽尼克位相型光瞳滤波器的优势。设计的泽尼克位相型光瞳滤波器在疵病的显微检测中具有一定的实际意义和应用价值。