实际大气湍流下弱光信标Shack-Hartmann波前传感器的波前斜率探测误差

 深入分析了Shack-Hartmann 波前传感器（S-H WFS）在实际大气湍流条件下弱光信标波前斜率的探测误差,导出了定量分析的数学模型。分析结果表明,当S-H WFS用于弱光信标（光子受限）湍流波前斜率的探测时,除了信标光起伏和探测器噪声外,大气强度闪烁、天空背景光等因素会增加探测误差,并且随着探测信标与天空背景光的对比度的下降,质心探测误差会随着孔径到达角起伏的增加而增加。     

自适应光学系统中波前传感器噪声的闭环传递特性

 分析了Shack-Hartmann 波前传感器（S-H WFS）在实际大气条件下,大气湍流波前相位的探测误差在自适应光学系统（AOS）中的传递过程以及最后的控制残余方差,导出了定量分析的数学模型,并给出了分析结果。结果表明,当S-H WFS用于微弱信标光大气湍流的探测时,自适应光学系统中的控制斜率残余误差中除了前人分析[1]的误差外还包含一项由天空背景光斑质心位置引起的常数误差值,并且系统的有效控制带宽会因信标探测对比度的下降而减小,这将大大降低AOS的校正能力。分析结果还表明信标光越弱,对S-H WFS的标定光学系统的像差要求越高。     

信标光波长对全场补偿的影响

 激光在近水平长距离传输时,闪烁效应会影响自适应光学的校正效果。在Rytov近似下,导出了纯相位补偿方差和全场补偿方差与信标光波长的关系,研究了信标光波长对补偿效果的影响。结果表明,当信标光的波长与主激光波长之比小于1.89时,全场补偿的方差小于纯相位补偿的方差。     

信标及波前探测模式对自适应光学系统控制性能的影响

自适应光学系统需要信标光来探测波前信息,不同的信标及波前探测模式对系统的带宽和稳定性等性能指标有较大影响。研究系统的性能对合理设计与评价自适应光学系统具有重要意义。根据系统工作时序以及信标光波特性和波前传感器的曝光读出方式,通过机理分析方法建立了自适应光学系统的传递函数模型。推导了系统有效带宽以及相位裕量的计算公式。研究了系统采样频率与控制器参数对系统性能的影响。结果表明,信标与波前探测模式的不同造成系统时间延迟的不同,从而使得系统带宽和稳定性存在差异。     

强激光主镜膜厚不均匀性对偏振和光学图像的影响

本文讨论了在特定镀膜室的几何尺寸约束下,一定直径(0.8m)的主反射镜的膜层厚度分布。给出了金属增强型高反射膜系由于不均匀性对光束偏振态的影响;计算了1.06μm主激光和0.5893μm的信标光产生的相位畸变。通过修正设计得到符号相同的相位变化,从而使信标光达到预期目的。     

强湍流效应下不同信标波长的自适应光学校正

激光在大气中长距离传输时所产生的相位不连续点的数目与位置不仅与大气湍流和传输距离有关，而且与传输的激光波长有关。由于对主激光进行补偿的相位是从畸变的信标光场中获得的，当畸变光场中出现相位不连续点后，畸变光场的相位由连续相位部分和不连续相位部分组成，不连续相位部分直接与畸变光场中出现的相位不连续点的数密度和其所在的位置有关，一般情况下，主激光的波长与信标光的波长是不同的，因此当主激光的波长一定后，为了对不连续相位进行补偿，以便提高强湍流效应条件下的自适应光学校正能力，必须要考虑合作信标的波长。计算结果表明，考虑了不连续相位的影响后，虽然对主激光的校正效果有所改善，但对不同波长的信标改善的效果并不相同，只有信标光波长稍长于主激光的波长时，校正效果才有明显的改善。     

基于自适应光学技术控制光束近场场强

在双变形镜自适应光学系统中,需要主激光出射时与信标光的振幅分布一致、相位共轭,当主激光到达目标时光波的分布与目标上发射的信标光光波分布相同,主激光的振幅和相位都得到校正。根据双变形镜自适应光学技术的概念,提出一种基于自适应光学技术控制光束近场场强的方法,从而实验验证双变形镜技术的可行性。该方法利用哈特曼传感器探测到的波前信息,对变形镜进行控制,实现了对光束近场场强的控制。仿真结果表明该系统对光束近场强度能进行较好地校正,使校正前后光束振幅的残余均方差值从0.310 0降为0.052 2,同时实验也验证了这种方法的可行性。     

强激光大气传输中晕及其补偿

文章给出用4-D程序计算热晕问题的数值结果,用包括信标光在内的4-D程序对相位补偿和场补偿进行了数值模拟,结果表明,单纯的相位补偿是不稳定的(PCI),场补偿是完全有效的。     

波面斜率结构函数及其在自适应光学扩展信标波前探测中的应用

从结构函数的定义出发 ,推导出了斜率结构函数表达式 ,并且在模拟大气随机波前的仿真实验中得以验证。同时 ,将斜率结构函数应用于扩展信标波前探测中 ,可作为选择最佳基准子波面的依据。     

《光学学报》2003年23卷学科分类索引

文　　　　　题期数起始页自适应光学激光导引星大气湍流波前非等晕性误差的像差模式分解 3 3 4 8两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 6750自适应光学系统的最优斜率复原算法 6756强湍流效应下不同信标波长的自适应光学校正 12 14 89GaN薄膜的蓝光和红光发射机理研究 12 14 93应用光学液晶实时掩膜技术制作连续微光学元件 2 2 2 0结构光焊缝检测传感器设计理论的研究 2 2 2 5激光输入光纤环形腔内相位调制输出功率谱分析 2 2 3 1折 /衍混合单透镜在目镜中的应用研究 2 2 3 6快速傅里叶算法在哈特曼夏克传感器波前重构…     

一种新的截断线及标志点处缺失相位插补方法

在基于相位信息的三维面形测量中,为了得到正确的相位展开而引入的截断线和为了便于三维拼接而附加在物体表面的标志点都会造成其覆盖区域的相位缺失,需要进行人为地插补修复。一种新的缺失相位插补方法——八方向梯度估算法,通过计算待插补点周围八方向梯度和其八邻域内的相位平均值,可估算出缺失的相位。与其它常用缺失相位插补方法相比,该方法运算速度快、插补效果好,运算过程无需人为参与,便于计算机自动实现,尤其适合于插补倾斜相位面上的较大标志点,有助于提高相位重建质量和在此基础上的三维面形重建质量。     

一种基于角谱理论的改进型相位恢复迭代算法

进行星间激光通信的光学发射天线光束整形器设计时, 首要解决的问题是根据输入光场及理想的输出光场, 确定整形器的相位分布, 其核心就是相位恢复. 基于角谱传播理论, 在传统 Gerchberg-Saxton (G-S)迭代算法的基础上, 提出了一种幅度梯度加成迭代算法, 给出了算法的详细流程与分析. 与G-S相比, 新算法利用迭代过程, 构建光场幅度反馈回路, 利用梯度搜索最佳迭代路径, 两者的联合作用加速其迭代收敛进程. 数值仿真表明, 新算法的单位迭代次数所引起迭代误差下降的速度是G-S算法的1.7倍, 其收敛速度明显优于G-S算法; 对不同的随机初始相位, 新算法都能进行有效迭代, 表现出适应性强, 且收敛一致性好的优点. 幅度梯度加成迭代算法为复杂光场的高效相位恢复提供了一种新思路, 为设计各种衍射光学元件提供了技术支持. 关键词： 相位恢复 迭代算法 角谱理论 光通信     

基于长脉冲光源的钠信标回光特性实验研究

采用与信标发射接收系统参数匹配的长脉冲光源,可在脉冲回光时间内产生较亮星等的钠信标,既有利于提高信标探测的信噪比,也有利于实现自适应光学系统的高频闭环校正.基于450 mm直径望远镜和大能量长脉冲光源,开展了钠信标探测实验,得到了长脉冲光源产生的钠信标回光特性.通过CCD和光电倍增管,采集得到了不同发射能量、出射偏振态下的回光强度,并获得了最大强度为15万光子/m2/pulse的回光,对应脉冲回光时间内约4.1等星的亮度.分析推算了实验条件下钠原子的柱密度.实验全过程未出现明显的饱和现象,验证了采用长脉冲钠信标光源避免饱和效应、得到高亮度钠信标的可行性.     

Correction of spatially dependent phase shifts for partial Fourier imaging

Partial Fourier MR images (PFI) are constructed from data that have fewer phase encoding views than are conventionally acquired using direct Fourier transform spin echo acquisition. The PFI data acquisition is structured to obtain the same spatial resolution as conventional acquisition, trading off signal-to-noise reduction for acquisition time improvement. The "missing" views can be zero filled or, if the data are Hermitian, supplied by symmetry (basic algorithm). The effect of spatially dependent phase shifts (SDPS) on PFI constructed with zero-fill or the basic algorithm is illustrated. The causes and typical magnitudes of such SDPS are discussed. In spin echo data only the low order, slowly varying SDPS, is shown to be significant. Through use of simulated and actual data sets these typical SDPS are shown to produce significant artifacts in PFI, when the amount of missing data is close to one-half. The artifacts are reduced when less data are missing. Good images can be generated with the zero-fill algorithm if less than 25% of the data is missing. Several methods of correcting phase shifts in PFI are developed: the basic Hermitian algorithm with frequency (x) direction correction (BAX), basic Fourier correction algorithm (BFC) and an improved iterative Fourier correction algorithm (IFC). The BFC and IFC can produce good images when as much as 46% of the data is missing. Data with rapidly varying SDPS, for example, gradient refocused data, make the phase correction task more difficult. With less than 25% of the data missing, however, acceptable gradient refocused PFI images can be created.     

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.     

Phase gradient imaging for positive contrast generation to superparamagnetic iron oxide nanoparticle-labeled targets in magnetic resonance imaging

Positive contrast imaging methods produce enhanced signal at large magnetic field gradient in magnetic resonance imaging. Several postprocessing algorithms, such as susceptibility gradient mapping and phase gradient mapping methods, have been applied for positive contrast generation to detect the cells targeted by superparamagnetic iron oxide nanoparticles. In the phase gradient mapping methods, smoothness condition has to be satisfied to keep the phase gradient unwrapped. Moreover, there has been no discussion about the truncation artifact associated with the algorithm of differentiation that is performed in k-space by the multiplication with frequency value. In this work, phase gradient methods are discussed by considering the wrapping problem when the smoothness condition is not satisfied. A region-growing unwrapping algorithm is used in the phase gradient image to solve the problem. In order to reduce the truncation artifact, a cosine function is multiplied in the k-space to eliminate the abrupt change at the boundaries. Simulation, phantom and in vivo experimental results demonstrate that the modified phase gradient mapping methods may produce improved positive contrast effects by reducing truncation or wrapping artifacts.     

A spiral wave front beacon for underwater navigation: transducer prototypes and testing

Transducers for acoustic beacons which can produce outgoing signals with wave fronts whose horizontal cross sections are circular or spiral are studied experimentally. A remote hydrophone is used to determine its aspect relative to the transducers by comparing the phase of the circular signal to the phase of the spiral signal. The transducers for a "physical-spiral" beacon are made by forming a strip of 1-3 piezocomposite transducer material around either a circular or spiral backing. A "phased-spiral" beacon is made from an array of transducer elements which can be driven either in phase or staggered out of phase so as to produce signals with either a circular or spiral wave front. Measurements are made to study outgoing signals and their usefulness in determining aspect angle. Vertical beam width is also examined and phase corrections applied when the hydrophone is out of the horizontal plane of the beacon. While numerical simulations indicate that the discontinuity in the physical-spiral beacon introduces errors into the measured phase, damping observed at the ends of the piezocomposite material is a more significant source of error. This damping is also reflected in laser Doppler vibrometer measurements of the transducer's surface velocity.     

激光导引星自适应光学系统对大气湍流低阶像差校正效果分析

 在对大气湍流相位扰动进行Zernike多项式展开的基础上,通过对信标和目标光的Zernike系数相关因子的推导, 得到了实际自适应光学系统（系统存在时间滞后和有限的空间分辨率）对相位扰动各阶像差的校正残差公式。同时结合实际,对瑞利导星以及钠导星自适应光学系统补偿大气湍流各阶像差的能力进行了计算和分析,为实际自适应光学系统的设计提供了理论参考。