嵌套双自适应光学系统的控制特性分析

望远镜等光学系统常常受到大气湍流以及内部像差扰动的影响,常规自适应光学系统被证明是消除外部大气湍流引起的像差的有效手段,然而当存在大幅度的内部像差扰动时,问题变得复杂。提出了一种嵌套双自适应光学系统结构,用内部独立嵌套自适应光学系统校正内部像差扰动,用常规自适应光学系统主要校正外部大气湍流扰动。进一步分析对比了它与常规自适应光学系统的校正能力,数值仿真了当同时存在上述两种像差时二者的校正效果。结果表明,合理设计嵌套双自适应光学系统的工作条件可使得在大多数情形下其校正效果优于常规单自适应光学系统,尤其在内部像差扰动相对较大时更加显著。     

自适应光学系统时域特性分析

分析了激光导星发出的波前通过湍流大气所造成的波前相位畸变的时间功率谱 ;根据湍流相位时间功率谱和自适应光学系统的传递函数 ,比较了使用自然导星和激光导星时自适应光学系统的时间响应误差 ;讨论了使用自然导星时自适应光学系统的时域优化问题。     

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？…

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。     

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。     

角反射器阵列作为伪相位共轭器件的保真度分析

 研究了共光路共模块自适应光学系统中用角反射器阵列构成伪相位共轭器件,角反射器阵列形成伪相位共轭波的能力,具体计算了不同单元数的角反射器阵列形成具有Zernike多项式展开的各阶像差的波面的相位共轭的保真度。角反射器阵列的保真度决定于其单元数和阵列结构,对于不同类型的像差保真度也是不同的。最后对各种影响因素如衍射、二面角误差和面形误差等进行了分析。     

曲率型自适应光学系统对低阶Zernike像差校正能力

数值模拟了37单元曲率型自适应光学系统的波前校正过程,分析了该系统对低阶Zernike像差的校正效果,结果表明:低阶Zernike像差均能够得到较好的校正。分别对曲率为零和不为零的Zernike像差校正效果进行了对比分析,结果发现:曲率为零的Zernike像差同样可以被曲率型自适应光学系统校正,而且效果好于曲率不为零的Zernike像差校正。     

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。     

激光导引星大气湍流波前非等晕性误差的像差模式分解

激光导引星概念解决了自适应光学技术的信标问题，同时带来了无法克服的非等晕性误差。将高度聚焦非等晕性误差和角度等晕性误差统一起来考虑，分析激光导引星的大气湍流波前各阶模式的非等晕性误差，并给出了解析模型。同时分析了瑞利导星和纳导星的大气湍流波前的模式非等晕性相对误差，在没有角度偏离的情况下，90km的钠导星的模式非等晕性误差明显小于15km的瑞利导星，但是它对角度的敏感程度却远远大于端利导星。采用激光导引星的自适应光学系统用于大气湍流的校正，选择较低阶的模式校正就可以达到较好的效果，而且即使目标与导引星的偏角大于等晕角，选择低阶模式也可以达到有效的部分校正效果。     

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。     

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.     

人造信标波前测量

 应用信标技术可以降低大气湍流对光学系统的影响，人造信标是主动校正大气造成的波面相位畸变的重要手段。介绍了人造信标实验系统和利用后向瑞利散射人造信标进行的波前测量结果，分析了人造瑞利后向散射信标系统指标和波前畸变测量结果的关系。     

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.     

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。     

Concept for a laser guide beacon Shack-Hartmann wave-front sensor with dynamically steered subapertures

We describe an innovative implementation of the Shack-Hartmann wave-front sensor that is designed to correct the perspective elongation of a laser guide beacon in adaptive optics. Subapertures are defined by the segments of a deformable mirror rather than by a conventional lenslet array. A bias tilt on each segment separates the beacon images on the sensor's detector. One removes the perspective elongation by dynamically driving each segment with a predetermined open-loop signal that would, in the absence of atmospheric wave-front aberration, keep the corresponding beacon image centered on the subaperture's optical axis.     

自适应光学系统模式控制动态优化方法

像差校正模式项数是自适应光学系统模式控制算法中的一个重要参数,其大小对补偿效果影响明显。通过对系统响应函数矩阵的奇异值分解构建像差模式空间,以不同控制项数下残余像差的均方根估计为依据确定每次校正的模式项数,提出了一种模式项数动态优化的控制方法。以Hartmann-Shack波前传感器和薄膜变形镜为主要部件搭建自适应光学实验系统,通过拟合不同像差验证上述控制方法,实验结果表明,和固定项模式控制方法比较,动态优化方法校正的系统残余像差更低,可明显提高自适应光学系统的空间拟合性能。     

钠激光导星的共孔径发射接收与谱线匹配技术

研究了采用时间选通和共孔径方式的钠激光导星技术,并开展了钠信标发射接收实验研究。分析了钠原子共振散射与信标激光波长的匹配关系,介绍了钠信标激光器、距离选通装置、回光探测装置、同步控制装置等的研制工作。实验成功采集到了钠信标图像,通过分析回光图像随信标激光波长的变化规律,验证了波长匹配在钠激光导星中的重要性。     

一种人造信标光的产生方法

本文介绍了一种高频大幅度运动可控人造信标的产生方法与装置。利用经扩束与聚焦的Ａｒ＋激光照射到远处的玻璃微珠上,通过压电陶瓷驱动的快速倾斜镜的控制使激光束在玻璃微珠上快速扫描运动,以其后向反射光作为信标光。该方法可为光学跟踪设备提供可控的运动信标。