【摘要】：自適應(yīng)光學(xué)(Adaptive Optics,AO)是一種實(shí)時(shí)探測并補(bǔ)償波前畸變的技術(shù),在天文成像、激光光束控制、自由空間激光通信、視網(wǎng)膜成像、顯微成像、空間光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。盡管自適應(yīng)光學(xué)在很多領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的成功,然而自適應(yīng)光學(xué)在控制方法、非共光路像差校正等方面仍然存在著可以進(jìn)一步提高的地方。開展自適應(yīng)光學(xué)測試與系統(tǒng)優(yōu)化的研究,對測量、分析和提高自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的性能具有重要意義。自適應(yīng)光學(xué)測試與系統(tǒng)優(yōu)化涵蓋的內(nèi)容很多,本文結(jié)合工程應(yīng)用中的實(shí)際需求,選擇波前處理器測試方法、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)性能測試方法、利用波前處理器校正非共光路像差的方法,以及評價(jià)與改善區(qū)域重構(gòu)方法的閉環(huán)控制穩(wěn)定性等四項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行研究,開展了以下研究工作:1、介紹了自適應(yīng)光學(xué)原理和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的組成;總結(jié)并分析了自適應(yīng)光學(xué)的重構(gòu)算法;闡明了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的誤差來源和抑制誤差的方法;推導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)了一種基于離散傅里葉變換的Zernike多項(xiàng)式快速算法。2、對于基于FPGA的波前處理器硬件調(diào)試過程中的中間計(jì)算結(jié)果不易監(jiān)測、調(diào)試比較困難的問題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種利用上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)波前處理器測試的方案。這種方法能夠分步測試波前處理器的中間計(jì)算結(jié)果,也能夠避免硬件調(diào)試中的不當(dāng)輸出對精密的波前校正器帶來損害。首先,對波前處理器的功能、組成和工作流程進(jìn)行了分析,確定了波前處理器的測試步驟。然后,通過判斷波前處理器的上傳數(shù)據(jù)來測試波前處理器的工作模式、系統(tǒng)參數(shù)是否正確設(shè)置;通過比較軟件計(jì)算值和波前處理器上傳值來測試波前處理器的波前斜率計(jì)算過程、波前重構(gòu)過程和波前控制過程。最后,將測試方法應(yīng)用于97單元自適應(yīng)光學(xué)波前處理器的測試,結(jié)果表明,波前處理器的硬件調(diào)試效率得到較大提高。經(jīng)過測試后的波前處理器能夠在自適應(yīng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中正常工作,進(jìn)行連續(xù)校正后系統(tǒng)的殘余波前像差的rms和pv分別為0.034波長和0.392波長。3、對于基于fpga的波前處理器不易校正非共光路像差的問題,提出了一種適合波前處理器的非共光路像差校正方法。首先,討論了非共光路像差的產(chǎn)生原因和運(yùn)用相位差異技術(shù)檢測非共光路像差的方法。然后,根據(jù)波前處理器的工作流程,推導(dǎo)了將非共光路像差折算到shack-hartmann波前探測器(sh-wfs)參考點(diǎn)偏移量的算法,編寫了實(shí)現(xiàn)算法的主控計(jì)算機(jī)軟件模塊。最后,在望遠(yuǎn)鏡光路中利用光源為目標(biāo)開展實(shí)驗(yàn),采用這種方法進(jìn)行非共光路像差校正后,目標(biāo)能量集中度提高了17.6%,證明了這種方法的可行性。4、為了滿足自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)性能測試的需求,采用校正后的白光光纖光源的圖像計(jì)算strehlratio(sr)并將sr作為性能測試的評價(jià)指標(biāo),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了在一種實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行性能測試的方法。該方法采用光學(xué)傳遞函數(shù)積分法計(jì)算sr,避免了sr計(jì)算公式中測量目標(biāo)與理想目標(biāo)能量不一致的問題;為了模擬影響自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正效果的實(shí)際因素,該方法通過改變光源的亮度模擬不同的sh-wfs圖像信噪比,分別通過改變湍流模擬器的位置和轉(zhuǎn)速模擬不同的fried大氣相干長度和greenwood頻率。最后,將本文設(shè)計(jì)的性能測試方法用于97單元自適應(yīng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能測試。性能測試結(jié)果表明,對于中等的sh-wfs圖像信噪比,自適應(yīng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以在fried大氣相干長度大于5cm而且greenwood頻率低于60hz的條件下較好地進(jìn)行閉環(huán)校正。5、對于區(qū)域重構(gòu)法的閉環(huán)控制穩(wěn)定性劣于模式重構(gòu)法的問題,采用lyapunov穩(wěn)定性理論對穩(wěn)定性的評價(jià)與改善開展了研究。基于lyapunov穩(wěn)定性理論的誤差傳播因子能夠涵蓋積分增益和響應(yīng)矩陣兩方面對穩(wěn)定性的影響,因此,采用誤差傳播因子作為閉環(huán)控制穩(wěn)定性的評價(jià)判據(jù)。采用southwell對應(yīng)方法確定sh-wfs子孔徑和變形鏡促動(dòng)器之間的位置對應(yīng)關(guān)系來避免fried對應(yīng)方法可能引起的waffle模式,提高穩(wěn)定性。同時(shí),采用響應(yīng)矩陣的奇異值濾波方法來提高穩(wěn)定性,并提出采用誤差傳播因子評價(jià)響應(yīng)矩陣的奇異值濾波對穩(wěn)定性的影響。通過計(jì)算誤差傳播因子,分析了不同的積分增益和濾除響應(yīng)矩陣不同個(gè)數(shù)的奇異值對閉環(huán)控制穩(wěn)定性的影響。分析結(jié)果證明響應(yīng)矩陣的奇異值濾波可以改善閉環(huán)控制的穩(wěn)定性,分析結(jié)果也說明當(dāng)積分增益很高時(shí)可以通過適當(dāng)多濾除一些響應(yīng)矩陣的奇異值來保持穩(wěn)定性。最后,通過實(shí)驗(yàn)測量了濾除響應(yīng)矩陣的13個(gè)最小的奇異值之后的系統(tǒng)性能,測量結(jié)果表明自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前校正能力仍然能夠比較好地發(fā)揮出來,濾除響應(yīng)矩陣的小部分奇異值對系統(tǒng)性能影響不大。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O439

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