【摘要】：自適應(yīng)光學(xué)(Adaptive Optics,AO)系統(tǒng)能夠補(bǔ)償光學(xué)波前在傳輸過程中由介質(zhì)變化或者光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部擾動引起的隨機(jī)波前畸變,提高成像分辨率或者激光光束質(zhì)量。波前控制技術(shù)是AO系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,直接決定了系統(tǒng)的校正性能。波前控制主要包括傾斜鏡和變形鏡兩個控制回路,分別用于校正波前的整體傾斜和高階像差,二者相互獨立,可以分開進(jìn)行研究。目前AO系統(tǒng)中主要采用積分控制設(shè)計控制器,因為其結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),但是這種方法難以同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和校正性能的最優(yōu),并且對于多回路的復(fù)雜系統(tǒng),調(diào)整非常困難。為了提高系統(tǒng)的性能,多種現(xiàn)代控制方法被引入到AO系統(tǒng)中進(jìn)行研究,比如自適應(yīng)預(yù)測控制和最優(yōu)控制等,但是這些控制方法對系統(tǒng)模型和湍流模型的依賴性很高,在受到不確定性影響時,難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和校正能力。針對這些問題,本論文提出在AO系統(tǒng)中進(jìn)行魯棒控制技術(shù)的研究,期望可以同時提升系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和校正性能,并且對于AO系統(tǒng)的部分單元失效的情況,提出采用0-1故障模型來描述系統(tǒng)的故障狀態(tài)。本論文圍繞系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,開展了以下的研究內(nèi)容:第一,對系統(tǒng)中可能存在的不確定性進(jìn)行討論,建立了系統(tǒng)的不確定性模型。本文從波前復(fù)原算法、SVD解耦算法和信號傳輸?shù)臅r間延遲三個方面討論了AO系統(tǒng)的靜態(tài)特性和延時特性。將AO系統(tǒng)中可能存在的不確定性歸結(jié)為控制回路的增益不確定性和延時不確定性,建立了AO系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,作為魯棒H_∞控制器設(shè)計的基礎(chǔ)。第二,針對AO系統(tǒng)的單輸入單輸出(Single-Input-Single-Output,SISO)控制回路設(shè)計H_∞控制器,通過頻域和時域仿真分析驗證算法的有效性。由于AO系統(tǒng)的輸入輸出規(guī)模比較大,直接設(shè)計控制器非常復(fù)雜,也會大大增加波前復(fù)原的計算時間和硬件設(shè)計的難度,并且降低系統(tǒng)的實時性要求。因此,本論文采用解耦算法將AO系統(tǒng)分解成多路平行的SISO控制回路,再針對各回路獨立設(shè)計SISO控制器。根據(jù)工作情況的不同,AO系統(tǒng)包含僅存在增益不確定性和同時存在增益和延時不確定性兩種情況。本論文在這兩種情況分別設(shè)計H_∞控制器,頻域分析和湍流校正仿真證明,該算法可以在不損失校正能力的前提下,提高系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定裕度。與積分控制相比,在僅存在增益不確定性的情況下,系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性指標(biāo)由0.6336下降為0.4398,相位裕度有最大8.659°的提升。在同時存在增益和延時不確定性的情況下,系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性指標(biāo)由0.4375下降為0.3821,相位裕度最大有10.4975°的提升。而系統(tǒng)的校正能力在增益變大和延時變大的情況下還有一定的提升。第三,在多輸入多輸出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)控制回路中,驗證H_∞控制的校正能力和穩(wěn)定性。AO系統(tǒng)是典型的MIMO控制系統(tǒng),因此必須在MIMO控制回路中驗證算法的有效性。本論文利用matlab工具箱產(chǎn)生大氣隨機(jī)相位屏模擬數(shù)據(jù)作為輸入,采用61單元變形鏡和80個子孔徑的哈特曼的AO系統(tǒng)作為仿真對象,進(jìn)行湍流校正的模擬仿真。結(jié)果表明,在僅存在增益不確定性和同時存在增益和延時不確定性兩種情況下,H_∞控制都可以提升AO系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并且不損失校正能力。當(dāng)系統(tǒng)為設(shè)計狀態(tài)時,積分控制的殘差波前的RMS值略小,PV值略大,兩種控制方法的校正結(jié)果非常接近。當(dāng)增大系統(tǒng)的不確定性范圍到一定程度時,積分控制不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,而H_∞控制雖然校正性能下降,但是仍然使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。仿真結(jié)果與預(yù)期相符,說明算法有效。第四,對AO系統(tǒng)存在部分單元失效故障的情況,提出采用0-1故障模型進(jìn)行建模,以有效描述AO系統(tǒng)故障狀態(tài)。在正常的工作狀態(tài)下,AO系統(tǒng)的傳統(tǒng)模型可以很好的描述系統(tǒng)的工作狀態(tài),并且保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。但是當(dāng)AO系統(tǒng)存在部分單元失效故障時,傳統(tǒng)模型并不能正確反映系統(tǒng)的故障狀態(tài),因此難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。對此,本論文提出采用0-1故障模型對AO系統(tǒng)部分單元失效的情況進(jìn)行建模,利用兩個對角開關(guān)陣描述哈特曼傳感器的子孔徑和變形鏡的驅(qū)動器的狀態(tài),可以有效的描述AO系統(tǒng)部分單元的失效情況。仿真和實驗結(jié)果表明,當(dāng)AO系統(tǒng)發(fā)生部分單元失效時,在傳統(tǒng)模型下控制電壓發(fā)散,系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作,而采用0-1故障模型雖然校正能力有所下降,但仍然可以穩(wěn)定工作,達(dá)到了預(yù)期效果。本文對AO系統(tǒng)中魯棒控制技術(shù)的研究顯示出該方法可以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并且不損失對畸變波前的校正能力,具有重要的實用價值和理論意義。本文還提出采用0-1故障模型對AO系統(tǒng)部分單元失效的情況建模,可以有效描述哈特曼傳感器和變形鏡驅(qū)動器的失效狀態(tài),具有明顯的工程意義,并且該模型也可以應(yīng)用于容錯AO系統(tǒng)和智能AO系統(tǒng)的研究,具有一定的理論意義。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O439
【圖文】：

可以肯定，AO 技術(shù)在學(xué)術(shù)界仍將和關(guān)注。概述統(tǒng)的基本原理理圖如圖 1-1 所示[66-67]，光學(xué)波前在大氣中變波前傳輸?shù)?AO 系統(tǒng)后，首先由傾斜反射)Zernike 像差，即畸變波前的整體傾斜，然DM)進(jìn)一步校正高階(3 階及更高階)Zernike加工工藝決定，被校正后的殘差波前經(jīng)過成像或者作為輸出波前，而小部分光被S)探測，反饋給波前處理機(jī)用于計算控制信前，形成閉環(huán)。光學(xué)波前的信號處理和控制

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成O 系統(tǒng)主要由三個基本部件組成[1-3]：波前傳感器并將探測信號反饋回 AO 系統(tǒng)；波前處理機(jī)——反饋回的探測信號進(jìn)行實時處理，并實時計算產(chǎn)生實時控制信號產(chǎn)生相應(yīng)的波前補(bǔ)償量，實現(xiàn)對波行介紹。1 波前傳感器據(jù)探測方式不同，WFS 主要可以分為三類：直接曲率[73-75]和由強(qiáng)度分布反演相位[76-78]。目前在 AShack-Hartmann, H-S)傳感器[79-81]。這種傳感器由陣列，結(jié)構(gòu)非常簡單，且對目標(biāo)光源的光能利用率比前分成多個小區(qū)域范圍，然后計算每個小區(qū)域范標(biāo)定質(zhì)心位置之差，從而獲得畸變波前在每個小這種傳感器屬于斜率測量傳感器。下面介紹這種

器是 AO 系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元器件之一，可根據(jù)控制前校正器根據(jù)工作原理的不同，可以分為折射式兩大類。典型的折射式波前校正器主要有液晶空雙折射性和旋光性改變光學(xué)波前的相位[84-85]。由，且校正帶寬小，因此應(yīng)用并不廣泛。反射式波tilt Mirror, TM)和變形反射鏡(Deformable Mirror, 響應(yīng)速度快，且可適用多種環(huán)境的優(yōu)點，因此被文基于反射式波前校正器進(jìn)行研究，下面分別鏡(TM)型結(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示，一個平面鏡通過 5 個支起穩(wěn)定作用，另外 4 個支點與驅(qū)動裝置相連，同產(chǎn)生互補(bǔ)動作，一個下拉、另一個上頂，驅(qū)動 T方向的轉(zhuǎn)動[88-89]。TM 的鏡面面形不能改變，只能畸變波面的整體傾斜。

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本文編號：2797052