Electrostatic micromirrors for subaperturing in an adaptive optics system

An electrostatic digital mirror device has been used to replace the lenslet array in a simple adaptive optics system. Clusters of binary pixels define the subapertures of the image plane and direct a small portion of the image onto a detector. The detector measures position shifts in the focused subaperture image caused by optical aberrations. Measurements on a digital mirror-based system and a similar lenslet-based system compare favorably to within a simple scaling factor. A subaperture system designed around a digital mirror device could aid in the development of a sequential subaperturing method that would replace the more complex schemes used in traditional adaptive optics.     

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。     

光学合成孔径成像系统子孔径像差研究

根据波像差理论，推导了光学合成孔径成像系统单个子孔径存在各种像差时波面方差与子孔径数(N)的关系。推导结果表明，piston误差对系统的影响最大，其次是离焦误差、倾斜误差、球差、彗差和像散。运用离焦误差对piston误差、球差和像散进行像差平衡，其效果显著，特别是球差引起的波面方差下降90％。系统各项像差系数随子孔径数的增加而降低;当子孔径数大于6时，各像差系数变化缓慢。根据瑞利判据，计算N(N≤6)个子孔径合成系统的像差允限和相应的3孔径系统的斯特列尔比。     

提取标记点中心在子孔径拼接检测中的应用

子孔径拼接干涉仪中子孔径定位精度难以在大行程范围内得到保证,为此本文提出了基于提取标记点中心定位子孔径的拼接方法。以标记点的中心坐标为标记点坐标,根据标记点在两子孔径局部坐标系下的坐标计算两子孔径之间的坐标变换,将所有子孔径数据坐标变换到统一坐标系下,利用机械误差补偿算法拼接出全口径面形。在搭建的拼接检测系统上实现了外径468 mm的平面镜抛光过程和最终的全口径面形测量,加工过程中的测量结果为面形误差修正提供了准确的数据,保证了最终全口径面形误差RMS快速收敛到35 nm。实验证明,基于提取标记点中心的子孔径拼接检测能放宽对机械定位精度的要求,有效检测大口径光学元件面形。     

夏克-哈特曼波前传感器的波前相位探测误差

对夏克－哈特曼（Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ）波前传感器的相位探测误差进行了分析,并分析了它的政论相位探测极限,分析结果表明,夏克－哈特曼波前传感器的相位探测精度与探测器的噪声水平,探测目标的亮度有关,还与被探测对象的特性、孔径波前分割有关。给出了它们的关系表达式。     

大气湍流畸变对空间目标清晰干涉成像仿真研究

本文利用功率谱反演法分别展开对符合 Kolmogonov 统计规律和修正后的Von Karmen 统计规律的大气湍流畸变波前相位屏进行了数值模拟研究. 得到各种模型下相位屏对该成像系统干涉成像图. 仿真结果表明, 采用闭合相位原理, 基本可以消除大气湍流对光束波前的影响, 验证了采用相位闭合技术的优势.     

大气湍流对航空光电侦察图像质量影响因素分析北大核心CSCD

大气湍流效应是严重影响航空光电侦察系统图像质量的重要因素之一。从大气湍流参数描述出发,研究了大气湍流对光学系统成像质量的影响机理,分析了大气湍流影响光学系统调制传递函数(modulation transfer function,MTF)的影响因素,建立了大气湍流影响光学系统成像MTF的理论模型。仿真结果表明,在大气湍流影响下,光学系统光瞳口径与大气相干直径的比值对光学系统成像MTF影响较大。通过光学系统地面外场实验图像测试对比,验证了实际光学系统受到大气湍流影响后的成像MTF理论模型。研究结果可为大气湍流影响下的航空光电侦察系统设计及提升其成像质量提供理论支持。     

湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响

针对傅里叶望远镜系统激光在湍流大气中传输造成的成像质量下降,分析了湍流对光束传输特性的影响,指出成像质量的下降主要来自于上行传输链路中湍流造成的光束漂移与光束扩展,从而产生光束指向误差。分析了指向误差影响成像的机理。通过数值计算得出了不同强度湍流造成整条上行链路光束指向误差,并通过系统仿真,得到了不同强度大气湍流条件下的成像结果。结果显示:在弱湍流与中湍流条件下（大气折射率结构常数小于10-14 m-2/3）,随机指向误差较小(偏移比小于0.06),复原图像有较好的识别性;在强湍流条件下,成像质量下降严重。因此系统应选择避开强湍流地理位置与时段进行工作。     

一种机载合成孔径成像激光雷达聚束模式成像算法

合成孔径成像激光雷达是一种新的主动式有源的成像系统,可以获得比合成孔径雷达更高的分辨率,和更接近光学图片的效果.首先,在理想条件下分析了调频连续波的信号模型,推导出在连续波系统聚束模式下一种适用于机载合成孔径成像激光雷达系统的频率变标算法.然后,使用傅里叶变换法对符合von Karman谱的随机相位屏模拟大气湍流,并分析了Fried参量和合成孔径长度之间的关系.最后,仿真说明真空中采用方位预处理可以消除图像重影,并且补偿多普勒频移项可以消除8.6～9.3dB的能量损失和使图像散焦的现象.而在有大气影响时,合成孔径长度的选择小于Fried参量时,图像方位向可以良好聚焦.     

逆合成孔径成像激光雷达实包络成像算法

逆合成孔径激光成像雷达受激光调制技术以及回波相位信息易受大气湍流破坏的限制,采用常规的相位相干积累类方法得到目标二维高分辨图像很困难.针对这一情况,提出了一种基于逆Radon变换的实包络成像算法.利用回波距离脉冲压缩后的实包络信息,实现方位向的非相干积累,最终得到二维高分辨图像.通过该算法,成像系统可以使用非相干激光信号,在脉冲重复频率较低且存在大气湍流的情况下,也可以获得高质量的成像结果.仿真实验验证了此算法的有效性和优越性.     

环形子孔径拼接检测中机械误差的分离

为减少环形子孔径拼接干涉检测中机械误差对检测结果造成的影响,分析环形子孔径拼接过程中机械误差作用分量的表现形式,提出了分离机械误差的全局优化的环形子孔径拼接方法。分析根据波像差理论建立的机械误差分离数学模型,然后将其应用于避免误差传递和累积的全局优化的拼接方法中,并提出利用光线追迹的方法在拼接之前除去理想非球面波前与参考球面波前的差别。应用分离机械误差的拼接方法对口径为75mm、顶点曲率半径为100 mm的抛物面面形进行检测,得到的面形峰谷值误差为0.05,均方根值误差为0.003,验证了该拼接方法可有效分离环形子孔径拼接中的机械误差。     

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。     

Generation of infinitely long phase screens for modeling of optical wave propagation in atmospheric turbulence

Numerical modeling of optical wave propagation in atmospheric turbulence is traditionally performed by using the so-called 'split'-operator method, where the influence of the propagation medium's refractive index inhomogeneities is accounted for only within a set of infinitely narrow phase distorting layers (phase screens). These phase screens are generated on a numerical grid of finite size, which corresponds to a rather narrow slice (spatial area) of atmospheric turbulence. In several important applications including laser target tracking, remote sensing, adaptive optics, and atmospheric imaging, optical system performance depends on atmospheric turbulence within an extended area that significantly exceeds the area associated with the numerical grid.

In this paper we discuss methods that allow the generation of a family of long (including infinitely long) phase screens representing an extended (in one direction) area of atmospheric turbulence-induced phase distortions. This technique also allows the generation of long phase screens with spatially inhomogeneous statistical characteristics.     

哈特曼测量大气相干长度研究

研究了利用哈特曼波前传感器测量大气相干长度的两种方法:一种是测量两个子孔径恒星光波到达角起伏方差的差分像运动法;另一种是测量恒星波前分布,通过波前分布的剩余方差推算得到大气相干长度。试验测量结果表明,两种方法得到的测量结果基本一致,得到了大气相干长度的可靠数据,两种方法得到了相互验证,实现了在应用哈特曼波前传感器测量大气波前分布时,同时得到当前的大气信息,对分析哈特曼波前传感器的测量结果有参考意义。     

子孔径划分对波前重构矩阵病态程度的影响

 自适应光学中,对于一定的变形镜,波前探测器子孔径的划分方式将对波前重构产生影响。本文就这个问题开展了计算机模拟研究。用直接斜率法进行波前重构,采用最小二乘解,并用波前重构矩阵的条件数作为其病态程度的判据。模拟结果表明,子孔径数目的选择对波前重构矩阵的病态程度起决定性的作用;适当的子孔径划分方式可以使波前重构矩阵病态程度大大降低。     

自适应光学实时大气湍流补偿实验

本文报道了用自适应光学系统实时探测和校正距地面约15m高的340m水平传输通道上的大气湍流效应的实验.实验结果表明,用自适应光学校正后,对点目标和一定扩展度的扩展目标都可提高成像质量.     

Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量

将每一个子孔径及相应的CCD面元作为一个光强探测系统,可以将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气闪烁效应的测量.分析了该测量方法的基本原理,并结合其波前探测的功能.在近地面水平1km的湍流大气中,同时进行了闪烁和相位起伏的实验研究.将闪烁测量得到的Cn2与大口径闪烁仪测量的结果进行对比,发现两者的相关系数达0.838,验证了Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁效应测量的可靠性.对闪烁和相位起伏效应得到的Cn2的日变化进行了对比.结果表明,两者在变化趋势上具有较好的一致性;采用双对数坐标对两种结果进行相关性分析,发现两者的相关系数达0.798.这表明将Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量是可行的,拓展了该传感器的使用功能.     

非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷, 实现高精度的大气湍流相位屏的模拟. 但采用的直接求和运算计算复杂度高, 相位屏的模拟速度极慢. 将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟, 可以实现相位屏的快速模拟. 从随机过程的谱分解出发, 将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限. 通过一个高斯核函数的卷积, 将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间, 进而利用快速傅里叶变换, 降低计算复杂度, 加快大气湍流相位屏的模拟速度. 以大气湍流的Kolmogorov 谱为例, 利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏, 并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析. 结果表明, NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.     

Low-order adaptive optics: a possible use in underwater imaging?

The possibility of applying adaptive optical technology to underwater imaging is discussed. An introduction to the history and problems associated with imaging through turbulence is outlined. Trends in low-cost adaptive optical technology and results from a system applied to the correction of water generated turbulence are presented. The aim of this paper is to demonstrate the current solutions used in the correction of atmospheric turbulence in the hope of applying these same techniques to underwater imaging and communications.     

菲索式合成孔径望远镜光学系统设计

设计了菲索式合成孔径望远镜光学系统,用3个小口径子孔径合成大口径以获得等效大口径的分辨率。首先,兼顾空间频率u-v覆盖和结构简单化,选择子孔径排列方式为Golay-3阵列,填充因子F=0.44。然后,依据光学系统结构特性,将光学系统分成子孔径、光束控制器和光束组合器,分别进行光学设计。无焦式子孔径采用后接双胶合消色差透镜的卡塞格林结构,孔径为300 mm,视场为0.2°,角放大率为10。光束组合器为五片式结构,采用高折射率玻璃和特殊部分色散玻璃,焦距为600 mm,F/#=6,视场为2°。分析总系统点扩散函数和调制传递函数显示：总系统等效口径为子孔径口径的1.89倍,总系统角分辨率为0.24″。