激光实际大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析II:波前相位与格林伍德频率

分析了整体倾斜像差去除前后大气湍流畸变波前相位的功率谱。在激光实际大气水平传输实验中 ,利用 6 1单元自适应光学系统的哈特曼波前传感器 ,测量和分析了大气湍流畸变波前相位的功率谱。还建立了一种根据实际测量的波前相位功率谱数据估测自适应光学系统变形镜需要控制带宽大小和大气湍流格林伍德 (Greenwood)频率的方法。     

激光实际大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析Ⅱ: 波前相位与格林伍德频率

分析了整体倾斜像差去除前后大气湍流畸变波前相位的功率谱。 在激光实际大气水平传输实验中, 利用61单元自适应光学系统的哈特曼波前传感器, 测量和分析了大气湍流畸变波前相位的功率谱。 还建立了一种根据实际测量的波前相位功率谱数据估测自适应光学系统变形镜需要控制带宽大小和大气湍流格林伍德(Greenwood)频率的方法。     

激光实际大气水平传输湍流畸变波前的功率谱分析Ⅱ：波前相位？…

分析了整体倾斜像差去除前后大气湍流畸变波前相位的功率谱。在激光实际大气水平传输实验中,利用６１单元自适应光学系统的哈特曼波前传感器,测量和分析了大气湍流畸变波前相位的功率谱。还建立了一种根据实际测量的波前相位功率谱数据估测自适应光学系统变形镜需要控制宽大小和大气湍流格林伍德（Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ）频率的方法。     

单驱动器变形镜对低阶像差补偿能力的研究

变形镜能够实时校正波前相位畸变,减弱大气湍流的影响,是自适应光学系统的核心器件。单驱动器变形镜通过1个驱动器产生1个模式,恢复波前相位。利用有限元软件,研究了单驱动器变形镜对低阶像差的补偿能力。仿真结果表明,单驱动器变形镜可以对离焦、像散及彗差进行有效补偿,通过控制驱动器的位移,分别实现了对PV值为5 m的离焦、像散和慧差的补偿,补偿后的残差PV值分别为1.5 m、1.6 m和1.2 m,残差的RMS值分别为0.99 m、0.63 m和0.59 m。     

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。     

基于大气相干长度的湍流模糊图像复原

利用地基光学望远镜观测空间目标时,大气湍流是影响成像质量的主要因素。由于大气湍流引起成像波面的畸变,导致望远镜所获得的图像模糊。为了从模糊图像中复原出目标的原始图像,提出了一种基于大气相干长度的湍流点扩展函数估计方法,进行了理论推导,并利用Sobel方法对迭代相同次数后的盲卷积复原图进行像质评价,找出像质评价结果峰值处对应的大气相干长度;再将此值代入点扩展函数的估计公式中,得到点扩展函数更加准确的估计;然后利用此点扩展函数对湍流模糊图像进行盲卷积图像复原,最后得到目标的复原图像。从多种像质评价结果来看,该方法无需测量大气相干长度,且复原效果较理想。     

天文望远镜像差对斑点成像技术的影响

着重研究了采用斑点成像技术处理天文望远镜图像时,光学系统固定像差对图像恢复结果的影响。在详细研究各种恢复天文图像振幅和相位的理论和方法的基础上,建立了一个包括Labeyrie振幅恢复方法和KnoxThompson相位重构方法的恢复扩展目标的斑点成像处理模型,分析了光学系统固定像差对系统传递函数相位分布和目标相位重构的影响：天文目标通过大气成像,固定像差将会被淹没在大气湍流随机起伏中,像差对相位重构没有显著影响。处理图像结果表明,斑点成像技术能同时消除大气湍流和望远镜系统固定像差的影响,得到高分辨力的扩展目标图像。还提出了一种消除光学系统像差的方法。     

静态像差对交叉谱相位复原精度的影响及补偿方法

斑点图像重建方法可以有效抑制大气湍流的影响,得到目标衍射极限像。然而系统静态像差破坏了波前的统计信息,降低了相位重建精度。通过理论分析得出在理想情况下,离焦、像散、彗差和球差中只有彗差会在重建结果中引入额外相位值。进一步采用分割光瞳的方式表示交叉谱传递函数与静态像差的关系时,指出通过选择交叉谱的平移向量方向,可以实现在特定方向上静态像差之间的平衡,降低系统像差对相位重建的影响。仿真中球差与离焦像差之间的平衡及离焦像差与像散之间的平衡,都起到了降低相位重建误差的效果。     

一种地基太阳望远镜焦点探测方法

太阳强热辐射导致太阳望远镜光机系统热形变,引发较明显的时变焦点位置漂移。离焦像差影响高分辨观测,降低观测图像的空间分辨率,因此需要探测并补偿望远镜的离焦像差。由于大气湍流的影响,一般的基于图像处理的焦点探测方法不能有效地运用于地基太阳望远镜。而天文望远镜常用的基于Shack-Hartman波前探测的方法,在观测太阳边缘和低对比度的太阳米粒结构时无法工作。因此,提出一种基于图像能谱分析的焦点探测方法,该方法以图像能谱比的低频分量平均值作为焦点探测评价函数,能够消除目标信息的影响和平滑大气湍流的影响。实验证明,该方法的探测精度和探测时间分辨率能满足地基太阳望远镜不同观测目标的高分辨观测的需要。     

相位差波前探测与图像重建

相位差技术可以直接利用两幅或多幅图像的强度信息,重构出波前相位信息和目标清晰图像,具有光路简单、成本较低、适用于扩展目标等优点,在望远镜的系统像差检测和目标图像重建方面得到了大量应用。相位差波前探测的关键在于求解非线性代价函数的最优化问题,需要避免陷入局部极值并降低计算时间,才能满足动态变化波前实时探测的需求。同时在重建目标清晰图像时,通常需要做正则化和去噪处理,来提高重建图像的质量。本文主要介绍相位差技术的基本原理,以及近年来的研究进展,并对该技术未来的发展进行了展望。     

基于双波前传感器自适应光学技术的太阳光栅光谱仪

为了研究不同太阳大气高度的热力学特性,具有良好成像质量的成像型光栅光谱仪是实现这个目标的重要仪器。然而作为地基式太阳望远镜重要的终端仪器之一,光栅光谱仪的光谱成像性能不可避免的会受到动态波前像差和系统静态像差的影响。动态波前像差常通过在太阳望远镜系统中集成自适应光学系统进行补偿。针对光学系统中的由装调和光学元件加工等引起的静态波前像差,提出了一种基于自适应光学技术校正光栅光谱仪中静态波前像差的方法,并进行了数值模拟仿真和实验验证。实验结果表明,校正后系统的残余波前像差RMS≈0.025λ,此时波前像差对光谱分辨率和能量利用率的影响可忽略,提高了光栅光谱仪的光谱成像质量,证明了所提出的方法的有效性。此外它具有降低光学系统装调精度和光学元件加工精度要求的优点。     

基于位相变更的非相干数字全息自适应成像

菲涅耳非相干数字全息作为一种非扫描的三维成像技术具有其独特的优势,但其成像过程中会受到各种像差的影响,导致成像分辨率、再现像的质量降低.为了解决这一问题,可以结合适当的自适应光学技术对波前像差进行探测和校正.位相变更是一种基于两幅具有已知位相差的强度图像实现波前探测和像差校正的技术.本文发展了基于位相变更的非相干数字全息自适应成像技术,不需要引入引导星,利用全息记录过程中的两幅相移全息图,实现波前像差的探测.本文给出了所发展技术的数值仿真和实验结果,结合位相变更算法求解出系统像差的位相分布,将像差的共轭位相加载到光瞳面上,在全息图记录的同时校正像差,从而提高重建像的质量.     

Measurement of Wavefront Aberration of Human Eye Using Talbot Image of Two-Dimensional Grating

The measurement of human ocular aberration is now frequently performed because of the increase in refractive surgery on the human cornea. The Hartmann-Shack (H-S) wavefront sensor is considered to be the most useful wavefront sensor, and a calculation method for wavefront aberration has been established. New methods of measuring wavefront aberrations of human eyes, using the Talbot image of a two-dimensional grating as a wavefront sensor and local shift of the Talbot image to calculate tilt of the wavefront are shown. The shift of the Talbot image was determined by comparing the phases of fundamental spatial frequency between the grating and the local patch of the Talbot image by Fourier transformation. The actual experiment was performed using a modified commercially available wavefront analyzer. Using these methods, Talbot images were obtained from model eyes and a human eye, and wavefront shapes were successfully reconstructed. Wavefront aberrations can be measured even when the obtained image is degraded by defocusing or scattering.     

合成孔径激光成像雷达(Ⅰ):离焦和相位偏置望远镜接收天线

把合成孔径激光成像雷达的目标衍射区分为三个区域,提出采用离焦或者附加空间相位调制板的光学接收望远镜补偿回波像差.当目标处于菲涅耳衍射区时可采用离焦或偏置望远镜补偿回波二次项离焦像差并产生用于孔径合成的二次项相位历程;目标处于夫琅和费衍射区时可以采用离焦或偏置望远镜补偿回波二次项离焦像差但不产生相位历程;目标处于瑞利-索末菲衍射区域时不可能补偿回波高阶像差.     

自适应光学系统波前校正残余误差的功率谱分析方法

采用比较自适应光学系统闭环校正前后时间功率谱人方法,对自适应光学系统的波前校正残余误差进行了分析。在注意噪块时,实测的闭环波前复原相位误差与「实际波前校正残余误差是有区别的,分析了两者功率谱的差别之后,提出了一种估计实际波前校正残余误差的方法,应用这种方法对１．２米望远镜高分辨力自适应光学系统所采集的复原相位数据方差和波前校正残余误差进行了对比。     

Phase diversity for calibrating noncommon path aberrations of adaptive optics system under nonideal measurement environment

When the defocus cannot be measured and the wavefront solution set is restricted by a multi-channel, some practical problems exist in the calibration of the noncommon path aberrations of the adaptive optics system. To solve these problems, an evaluation function of phase diversity algorithm is constructed in this paper. We use the method that the estimated aberration and the modulated deformable mirror iterate each other to make up the nonideal measurement environment. Then the ill-pose problem of the solution by phase diversity, produced as relaxing constraints of the diversity defocus on the wavefront solution set, is solved. We have adopted the proposed method to measure the noncommon path aberrations of the adaptive optics system on a 1.23 m telescope. Experimental results demonstrate that wavefront solution is more accurate and the whole imaging quality is improved effectively by using the deformable mirror to compensate the aberration measured.     

模拟合成孔径雷达数据片波差的测量和胶片、波差的容限

本文介绍一种用马赫-陈德干涉系统测量模拟合成孔径雷达数据片波差的方法.该法能把两种原因产生的波差区分开来,即把通过胶片变形的波面与平面参考波面比较,求出胶片厚度不平产生的波差;把合成孔径雷达数据片的一级衍射波面与两个半径不等的参考球面波比较,分别求出由模拟装置产生的方位维和斜距维波差.本文给出一些实验结果和分析.这种方法还可以用于测量真实合成孔径雷达数据片的波差.由胶片厚度变化产生的波差可以用液体门补偿.但是,在实际中使用液体门是很繁复的,有时也没有必要.因此,我们认瑞利准则出发导出合成孔径雷达数据片胶片厚度变化产生的波差的容限,以此作为判断是否要用液体门的依据.     

Determination of wavefront aberrations using a Fabry-Perot cavity

A new method for detecting wavefront aberrations using a Fabry-Perot cavity is described. A Fabry-Perot cavity transmits the cavity eigenmode which satisfies a resonance condition, while the other modes are reflected from the cavity. Utilizing this mode discrimination property, we can extract aberration components from incident aberrated light as reflected light from the cavity. Under the condition of a weak aberration, the amplitude profile of the reflected light can be approximated to the wavefront aberration. We can therefore determine the wavefront aberrations in a visualized form with the technique. We present the detection scheme and the first experimental verification of the technique. The detected aberration using this technique was in good agreement with the result on the basis of a conventional wavefront sensor.     

Restoration of solar and star images with phase diversity-based blind deconvolution

The images recorded by a ground-based telescope are often degraded by atmospheric turbulence and the aberration of the optical system. Phase diversity-based blind deconvolution is an effective post-processing method that can be used to overcome the turbulence-induced degradation. The method uses an ensemble of short-exposure images obtained imultaneously from multiple cameras to jointly estimate the object and the wavefront distribution on pupil. Based on signal estimation theory and optimization theory, we derive the cost function and solve the large-scale optimization problem using a limited memory Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (L-BFGS) method. We apply the method to the urbulence degraded images generated with computer, the solar images acquired with the swedish vacuum solar telescope (SVST, 0.475m) in La Paima and the star images collected with 1.2-m telescope in Yunnan Observatory. In order to avoid edge effect in the restoration of the solar images, a modified Hanning apodized window is adopted.The star image till can be estored when the defocus distance is measured inaccurately. The restored results demonstrate that the method is efficient for removing the effect of turbulence and reconstructing the point-like or extended objects.     

Active optical compensation of low-quality optical system aberrations

We describe a method for the correction of slowly varying wavefront aberrations of low-quality telescope mirrors by using a DM in an active optical compensation system. Our goal is to reduce the surface wavefront error of low-cost multimeter-diameter mirrors from approximately 10 waves peak-to-valley (P-V), at a 1 microm wavelength, to approximately 1 wave or less. In a proof-of-concept demonstration using a 0.3m telescope at a wavelength of 633 nm, the rms wavefront error improved to 0.05 waves (0.26 waves P-V) from the original value of 1.4 waves rms (6.5 waves P-V). The Strehl ratio improved to 89% from the original value of 0.08%. The types of aberrations corrected include astigmatism, coma, defocus, trefoil, and higher-order aberrations.