激光导星自适应光学系统一阶理论模型

激光导星可以部分解决自适应光学系统信标难题。给出典型激光导星自适应光学系统主要误差空间功率谱的简化计算模型。与常用的Monte-Carlo类型的模拟相比,该模型提供了激光导星自适应光学系统性能随主要控制参数变化的一种快速有效的评估手段。     

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。     

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。     

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。     

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     

自适应光学系统控制效果分析的功率谱方法

 用H-S 波前探测器得到校正前后波前相位时间功率谱, 分析了自适应光学控制系统对大气湍流扰动波前的时域校正效果。用这种方法比较了61单元自适应光学系统分别采用P-I 控制算法和Smith 纯滞后补偿控制算法对实际大气湍流扰动波前进行补偿实验时的校正效果。     

自适应光学系统控制效果分析的功率谱方法

用H-S 波前探测器得到校正前后波前相位时间功率谱, 分析了自适应光学控制系统对大气湍流扰动波前的时域校正效果。用这种方法比较了61单元自适应光学系统分别采用P-I 控制算法和Smith 纯滞后补偿控制算法对实际大气湍流扰动波前进行补偿实验时的校正效果。     

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。     

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。     

双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统像差解耦分析

分析了双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的工作原理,并通过共模波前传感器中的两套波前传感器探测得到的波前信息进行数据差分融合,按照优化理论推导了两套波前校正器需要校正的像差公式.根据此像差公式,仿真分析了以两套61单元变形反射镜组成的双波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正能力,并与单套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正能力进行了比较,结果验证了推导的像差公式的正确性,也说明了两套波前校止器不仅可以解耦,而且其校正效果与理想行程单套波前校正器全光路像差校正自适应光学系统的校正效果相当.     

A high precision phase reconstruction algorithm for multi-laser guide stars adaptive optics

Adaptive optics(AO) systems are widespread and considered as an essential part of any large aperture telescope for obtaining a high resolution imaging at present.To enlarge the imaging field of view(FOV),multi-laser guide stars(LGSs) are currently being investigated and used for the large aperture optical telescopes.LGS measurement is necessary and pivotal to obtain the cumulative phase distortion along a target in the multi-LGSs AO system.We propose a high precision phase reconstruction algorithm to estimate the phase for a target with an uncertain turbulence profile based on the interpolation.By comparing with the conventional average method,the proposed method reduces the root mean square(RMS) error from 130 nm to 85 nm with a 30% reduction for narrow FOV.We confirm that such phase reconstruction algorithm is validated for both narrow field AO and wide field AO.     

Configuration optimization of laser guide stars and wavefront correctors for multi-conjugation adaptive optics

Multi-conjugation adaptive optics(MCAOs) have been investigated and used in the large aperture optical telescopes for high-resolution imaging with large field of view(FOV).The atmospheric tomographic phase reconstruction and projection of three-dimensional turbulence volume onto wavefront correctors,such as deformable mirrors(DMs) or liquid crystal wavefront correctors(LCWCs),is a very important step in the data processing of an MCAO's controller.In this paper,a method according to the wavefront reconstruction performance of MCAO is presented to evaluate the optimized configuration of multi laser guide stars(LGSs) and the reasonable conjugation heights of LCWCs.Analytical formulations are derived for the different configurations and are used to generate optimized parameters for MCAO.Several examples are given to demonstrate our LGSs configuration optimization method.Compared with traditional methods,our method has minimum wavefront tomographic error,which will be helpful to get higher imaging resolution at large FOV in MCAO.     

自适应光学进展及展望

1953年Babcock首先提出自适应光学的概念,近四十年来自适应光学在理论、系统及单元技术研究方面取得突出进展,正步入成熟应用期,当今世界上任何大型光学系统的研究均离不开自适应光学的支持,其应用范围正向各个门类的光学仪器扩展。     

辐射温度的数据处理方法

辐射温度是间接驱动惯性约束聚变实验中可以定量测量的重要物理量。引进了一种通过直接计算辐射通量来得到辐射温度的方法,该方法的主要优点是计算简单,避免了某些时刻不能计算辐射温度的情况。由该方法得到的辐射温度与传统方法计算结果符合较好,不确定度均为7%。通过与冲击波测量温度峰值的结果对比确认了数据处理方法的正确性。在此基础上建立了国内某大型激光装置上的新型15道软X光能谱仪的数据处理系统。     

自适应光学波面传感器的研究

在讨论几种波面传感器的基础上,介绍了一种新型的自适应光学波面传感器。实验结果表明,软刀口型波面传感器具有良好的实际应用前景。给出了它的工作原理,并介绍了各种传感器的优点。     

Improve the loop frequency of liquid crystal adaptive optics by concurrent control technique

A method to improve the loop frequency of liquid crystal adaptive optics systems (LC AOSs) was investigated. Based on open-loop control, a concurrent control scheme was proposed and the correction frequency of the LC AOS was increased from 85 Hz to 212 Hz. A simulated correction analysis illustrates that the distortion rejection ability of our LC AOS was improved with −1.1 dB by using the concurrent control technique. A 500 m horizontal turbulence correction experiment was done to validate our considerations. Firstly, 500 m horizontal turbulence was measured and its Greenwood frequency and atmospheric coherence length is 31.5 Hz and 4-5 cm, respectively. Then, 500 m horizontal turbulence was corrected in real time by using consecutive and concurrent control methods. The corrected results indicate that the resolution and contrast of the image was significantly improved by the concurrent control method. These results show that the concurrent control method can be used for LC AOSs to improve the correction frequency.     

用于白天自适应光学的波前探测方法分析

提出了两种视场偏移哈特曼波前传感器，用于探测白天条件下强背景中目标信号的波前信息.给出了哈特曼波前传感器子孔径中焦面上天光背景非均匀性分布特征的实验结果，详细分析了基于分光棱镜的双焦面视场偏移哈特曼波前传感器的探测误差，并通过基于倾斜镜的单焦面视场偏移哈特曼波前传感器实验给出了波前测量的结果，证明视场偏移哈特曼波前传感器能够精确、稳定的测量白天条件下目标信号的畸变波前信息，同时给出了其在白天条件下探测能力的估算结果及其受限因素，估算结果表明云南天文台的自适应光学系统在10 W/m²·sr天光背景条件下应用视场偏移哈特曼波前传感器能对5等星(可视星等值)目标进行准确的波前探测. 关键词： 自适应光学 波前传感器 白天工作 误差分析     

基于深度学习的自适应光学波前传感技术研究综述

波前传感是自适应光学系统的重要组成部分,在地基大口径望远镜、激光大气传输、无线光通信、激光驱动核聚变等领域发挥了关键作用,同时也常应用于自由曲面的光学测量中。与此同时,深度学习作为一种较为通用的前沿技术,成功在计算机视觉、自然语言处理等众多领域取得了革命性进展。使用深度学习的方法改进自适应光学系统中的波前传感器,以期实现更精准的波前探测,以及适应更复杂的应用场景是自适应光学的发展趋势,也是深度学习应用领域的一个新课题。介绍了深度学习在自适应光学波前传感中的应用现状,主要分析了在相位反演波前传感器和哈特曼波前传感器中的研究特点,并在最后进行了总结和展望。

     

用于开环液晶自适应光学系统的模式预测技术研究

时间延迟误差是液晶自适应光学系统的一个最主要的误差源. 本文提出了一种利用智能模式预测-----迭代最小二乘(RLS)模式预测算法来克服其对成像分辨率的影响. 首先, 介绍了具有RLS模式预测能力的开环液晶自适应光学系统的结构和工作原理. 其次, 详细讨论了RLS模式预测算法的实现过程. 再次, 设计和搭建了一套带有液晶湍流模拟器的开环液晶自适应光学系统, 对RLS模式预测算法的预测效果进行了分析, 并和直接开环校正做了比较. 分析结果表明: 当系统处于中等强度湍流条件(大气相干长度r₀=6 cm, Greenwood频率f_G=35 Hz)和只有时间延迟误差情况下, 经过RLS预测后, 残差波面的RMS值由直接校正的0.26波长(1波长=785 nm)降低到了0.15波长, 校正效果提高了42%. 最后, 对预测前后自适应光学系统的成像效果进行了对比试验. 实验结果显示, 经过预测以后, 系统的成像分辨率由直接开环校正的25.4 cycles/mm提高到了32.0 cycles/mm, 成像分辨率提高了26%, 达到了0.9倍的衍射极限分辨率. 因此, RLS模式预测技术可以有效的提高开环液晶自适应系统的成像分辨率.