两种自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差

利用直接波前斜率法和变形镜的电压一面形响应特性，研究了常规自适应光学系统和共光路／共模块(CP／CM)自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差。常规自适应光学系统中，可以用重新测量变形镜的影响函数以减小对准误差的影响，虽并不能消除其影响，但系统都会有很大的调整容差；共光路／共模块自适应光学系统中采用不同的双哈特曼数据处理方法，哈特曼波前传感器与变形镜的对准精度对系统校正能力影响是不同的，采用加修正因子斜率融合法和电压融合法由于在数据融合时考虑了两台哈特曼传感器与变形镜对准的差异，所以对准误差的影响与在常规自适应光学中相同，系统都会有很大的调整容差，而采用直接斜率融合法的共光路／共模块系统由于是建立在两台哈特曼传感器完全一致的假设基础上，所以对对准精度的要求是很高的。分析过程中给出了相应的数值计算结果。     

太阳米粒结构相关哈特曼-夏克波前传感模拟研究

基于互相关因子和绝对差分算法以及相关哈特曼－夏克波前传感器的基本原理，根据室内模拟太阳米料结构研究了低对比度扩展目标情况下应用相关哈特曼－夏克波前传感器探测波前误差的可行性，结果表明，相关哈特曼－夏克波前传感器能够有效探测光学波前误差。     

哈特曼-夏克波前传感器子孔径合并的理论研究

在大气湍流条件较好而被探测信标光信号极弱的工作条件下,自适应光学系统在实际的应用中需要采用子孔径合并的部分校正方式。本文针对云南天文台1.2m高分辨率自适应光学系统中的哈特曼－夏克（Hartmann-Shack ）波前传感器结构,从光子起伏噪声和CCD像素读出噪声对子孔径内哈特曼光斑质心探测精度的影响的角度,对子也径软件合并和硬件合并两种方案进行了理论分析和计算,导出了有实际应用意义的结论。     

光束波前畸变的契伯格-山克斯顿测量方法探讨

利用数值模拟对契伯格－山克斯顿（Gerchberg-Saxton）方法用于湍流大气中激光传输波前的探测进行了研究,分析了其误差特性,并将该方法与哈特曼－夏克波前传感器的测量特征进行了比较。     

ICCD型与CCD型弱光哈特曼-夏克波前传感器的性能分析与对比

哈特曼－夏克（Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ）波前传感器由于其光能利用率高、结构简单、通道容量大等突出优点,是目前自适应光学系统波前传感器的主流形式。本文深入分析和比较了目前普遍采用的ＩＣＣＤ型和ＣＣＤ型这两种主要类型的弱光哈特曼－夏克波前传感器的特点和波前相位探测精度,导出了定量分析数学模型,给出了实验结果。此研究结果对弱光哈特曼－夏克波前传感器的技术方案选定和工程设计有指导意义。     

共光路共模块自适应光学系统中赝相位共轭器件应用分析

研究了角反射器阵列形成赝相位共轭波的能力,计算了其对泽尼克多项式表示的各阶像差的保真度,分析了在共光路共模块自适应光学系统中角反射器阵列与哈特曼－夏克波前传感器二者之间单元数目,位置匹配方面的问题,对失配所带来的误差进行了计算。     

基于电子倍增电荷耦合器件的哈特曼-夏克波前传感器质心探测误差分析

哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器的探测误差是自适应光学系统中的一个主要误差源.本文分析了电子倍增电荷耦合器件(electron multiplying charge-coupled devices,EMCCD)的各种噪声源对H-S波前传感器质心探测误差的影响,推导了基于EMCCD的H-S波前传感器的质心探测误差的数学表达式,并进行了数值仿真和实验研究.结果表明,基于EMCCD的H-S波前传感器的质心探测误差与增益直接相关,在增益小于P_max/(Q·N_mean)时质心探测误差随着增益的增大而减小,在增益大于P_max/(Q·N_mean)时质心探测误差随着增益的增大而增大,其中P_max是EMCCD的峰值电荷,Q是量子效率,N_mean是平均入射光强. 关键词： 自适应光学 电子倍增电荷耦合器件 波前传感器 质心探测误差     

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。     

点源信标相关哈特曼-夏克波前传感器光斑偏移测量误差分析

在基于哈特曼-夏克波前传感器(SH-WFS)的自适应光学系统中,通常采用质心算法探测点源信标的子孔径光斑偏移量.然而质心算法探测精度受到诸如减阈值等因素的影响,在低信噪比(SNR )时不能准确估计光斑质心位置,而相关哈特曼算法不需要减阈值,具有更好的鲁棒性.本文在介绍相关SH-WFS基本原理的基础上,通过建立基于点源信标探测的相关SH-WFS算法的随机噪声模型,推导了光斑偏移测量误差表达式,系统分析了光子噪声、CCD读出噪声、背景光子噪声等因素对相关SH-WFS测量误差的影响.并进行了数值仿真及实验,仿真 关键词： 相关哈特曼-夏克波前传感器 相关哈特曼算法 质心算法 测量误差     

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。     

自适应光学系统中的自适应控制算法研究

介绍和分析了一种在自适应光学系统中实用的自适应控制算法。与经典控制算法相比 ,自适应控制算法调整方便 ,综合考虑了大气湍流扰动和探测噪声等对系统控制效果的影响 ,控制参数能适应工作环境的变化 ,使系统达到最优控制状态。以 6 1单元自适应光学系统上实现的自适应控制算法为例 ,用经典控制理论的波德 (Bode)图、控制带宽等概念分析了这种算法的特点 ,并针对算法在实际系统应用中遇到的问题提出了解决的办法     

激光导星角度与聚焦非等晕性综合分析

采用自适应光学(AO)系统对湍流大气进行校正时,非等晕性误差的影响不可避免。基于空间谱滤波技术,围绕湍流大气角度、聚焦、角度与聚焦相耦合非等晕性问题,进行了统一建模,给出了不同情况下的理论描述公式,分析了纯角度和纯聚焦非等晕误差中不同泽尼克模式分量所占比份。针对典型AO系统工作模式,分析了不同高度大气层对非等晕性误差的贡献。实际应用时,根据应用场景,应对AO系统工作模式和信标模式做优化匹配选择。     

On practical aspects of Laser Guide Stars

The Gemini Observatory has developed an extensive Adaptive Optics (AO) program, including Classical AO, Laser Guide Star (LGS) AO, Multi-Conjugate AO (MCAO), extreme AO (eXAO) and Ground Layer AO (GLAO). Most of these instruments use one or several LGSs. A laser has been in operation at Gemini since May 2005. Most of the laser related systems (beam transport, launch, safety systems) have been developed in house. These are major components, requiring a development effort not to be underestimated. In this article, we propose to share the Gemini experience in terms of practical issues and calibration requirements associated with the use of lasers in AO. To cite this article: F. Rigaut, C. d'Orgeville, C. R. Physique 6 (2005).     

自适应非凸稀疏正则化下自适应光学系统加性噪声的去除

自适应光学系统可以实时测量并校正波前信息,但是系统中大量的噪声严重影响了系统的探测精度.自适应光学系统中一般为加性噪声,本文提出一种全新的变分处理模型去除加性噪声,该模型采用自适应非凸正则项.非凸正则项在保持图像细节上较凸正则项具有更好的效果,能更好地保持点源目标的完整性.另外,根据不同区域的噪声水平自适应地构建正则化参数,使不同区域的像素点受到不同程度的噪声抑制,可以更好地保持目标的边缘细节.在算法实现上,为了解决非凸正则项收敛性较差的缺陷,采用分裂Bregman算法及增广拉格朗日对偶算法进行计算.实验及数值仿真结果都表明,该方法能够较好地去除系统中的加性噪声,且光斑信号保存得较为完整,处理后的质心探测精度及信噪比较高.     

Anomalous intensity of pinned speckles at high adaptive correction

Ground-based optical searches for faint stellar or planetary companions about other stars may be limited by speckle noise, which is the rapid intensity fluctuations that are due to motions of remnant atmospheric speckles. Adaptive optics (AO) can reduce residual wave-front phase errors to low values, substantially reducing the unwanted power in the speckle halo. At high correction, however, the noise in the halo will be dominated by anomalously bright "pinned" speckles that have a number of unusual properties. They can have negative intensities and will appear in spatially antisymmetric patterns; they are spatially pinned to Airy rings and have zero mean in a sufficiently long integration. Some of these properties may be used to reduce the unanticipated effect of pinned speckles on companion searches, depending on details of the AO system. But, in short exposures, pinned speckles dominate speckle noise over much of the inner halo for Strehl ratios S as low as 0.6 and over much of the outer halo too as Strehl and deformable-mirror actuator densities increase. I show that these anomalously bright pinned speckles are not included in the traditional expression for speckle power in an image, (1 - S), on which sensitivity estimates of future high-performance AO systems have been based.     

利用相位差异技术校准非共光路静态像差

提出了一种用相位差异(PD)技术对自适应光学(AO)系统的非共光路静态像差进行校准的方法。相位差异技术通过采集焦面和离焦面的单帧或多帧短曝光图像来估算波前相位畸变,同时对目标图像进行恢复。在闭环工作条件下,自适应光学系统利用相位差异算法在线检测成像光路的静态像差,并将得到的像差系数转化为变形镜的初始化面形,从而补偿非共光路的静态像差。实验结果表明,校准后的成像质量显著提高,目标半峰全宽降低了约14%,系统残差降低了约72%。成像光路在线检测得到的系统残差与闭环回路实测残差的水平趋于一致,证实了相位差异技术应用于光学检测的能力。该方法具有在无需改变原有自适应光路以及高信噪比条件下便可精确解算系统像差的优点,是大口径光电成像系统较为理想的光学检测技术之一。     

一种基于并行化方法的自适应光学闭环预测控制器

自适应光学系统的性能受限于伺服系统的延迟误差和波前传感器的光电子噪声。提出了一种多模型单变量预测模型,该模型采用基于Levenberg-Marquardt学习算法的前馈型神经网络。利用计算机多核处理器,设计了一个具有并行处理能力的预测控制器,来实现对自适应光学闭环控制电压的预测,以消除延迟误差的影响。通过数值仿真实验,研究了预测控制器对控制电压和远场斯特雷尔比的影响,与未采用预测控制器的系统进行了比较,并对预测算法的并行性能进行了分析。实验结果表明,使用并行化方法的预测控制器可以有效缩短系统的预测时间,提高预测算法的加速比,与经典比例积分(PI)控制算法相比可以更有效地降低系统由于伺服延迟引起的误差,远场的斯特雷尔比有明显地提高。     

On-board wet road surface identification using tyre/road noise and Support Vector Machines

Changes in weather have a major influence on driving safety. On wet pavement, tyre grip is reduced and drivers must adapt their driving style accordingly. The correct operation of this adaptation mechanism depends on the perception the driver has of the asphalt status. Due to certain effects, this perception does not always correspond with reality. To improve this perception, it is essential to inform the driver about the asphalt status, efficiently and as quickly as possible. This could be achieved by installing an asphalt status detection system on the vehicle itself. The system could display asphalt status information in the vehicle’s console, allowing drivers to adapt their driving style accordingly.In this paper we propose an asphalt status classification system based on real-time acoustic analysis of tyre/road noise. The proposed system uses a practical approach that allows it to be integrated into a real vehicle. We present the system architecture used to measure the noise and the signal processing algorithms used for the classification of the asphalt state. A practical implementation of the proposed system has been developed and tested. For this preliminary prototype, only wet and dry asphalt states have been covered. Obtained wet/dry classification results have been reported, showing very high success rates.     

近紫外探测系统作用距离分析

阐述了近紫外探测系统工作原理,在此基础上建立了基于探测器信噪比分析的近紫外作用距离模型,并详细分析了近紫外谱段目标、背景辐射特性及大气传输对探测距离的影响。以实验室现有近紫外探测器为例针对所建模型进行系统作用距离研究,最终得到不同积分时间下该探测系统的作用距离。上述方法可用于实现对近紫外探测系统作用距离的预判,为近紫外探测技术的发展与深入研究提供参考。     

基于混合光纤放大器的波分复用光纤传输系统研究

在研究了入纤功率、光器件的插入损耗以及非归零码中1码出现的概率对系统误码率影响的基础上,提出了一种基于混合光纤放大器的波分复用(WDM)光纤传输系统设计方案,并对该系统的噪声特性进行了详细地研究。提出了一种抑制前向噪声的有效方法,实现了20路WDM信号320km无误码传输。试验结果对基于混合光纤放大器的波分复用光纤传输系统的设计具有一定的指导意义。