【摘要】：自適應(yīng)光學(xué)(AO)系統(tǒng)能夠補(bǔ)償由于大氣湍流以及光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)造成的隨機(jī)波前畸變,其控制過(guò)程主要包括對(duì)變形鏡和傾斜鏡的控制。AO優(yōu)化控制技術(shù)是使系統(tǒng)發(fā)揮最大校正性能的有效手段。然而,采用經(jīng)典比例積分控制方法的常規(guī)AO系統(tǒng),由于系統(tǒng)延時(shí)以及校正器件特性的限制,對(duì)寬譜的大氣湍流以及高頻振動(dòng)校正能力不足。針對(duì)上述問(wèn)題,本文主要開(kāi)展了以下幾項(xiàng)研究:優(yōu)化信標(biāo)及波前探測(cè)工作模式,從根本上減小時(shí)間延遲;設(shè)計(jì)高頻窄帶擾動(dòng)的抑制算法,優(yōu)化傾斜鏡控制回路;提出嵌套雙AO系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu),優(yōu)化其匹配工作方式;提出一種基于風(fēng)速估計(jì)的預(yù)測(cè)控制方法,提高系統(tǒng)校正帶寬。AO系統(tǒng)需要信標(biāo)光來(lái)探測(cè)波前信息,不同的信標(biāo)及波前探測(cè)模式對(duì)系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定性等性能指標(biāo)有較大影響。研究系統(tǒng)的性能對(duì)合理設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)AO系統(tǒng)具有重要意義。本文根據(jù)系統(tǒng)工作時(shí)序以及信標(biāo)光波特性和波前傳感器的曝光讀出方式,通過(guò)機(jī)理分析方法建立了AO系統(tǒng)在連續(xù)光幀轉(zhuǎn)移,連續(xù)光行轉(zhuǎn)移以及脈沖光幀轉(zhuǎn)移和脈沖光行轉(zhuǎn)移等四種工作模式下的傳遞函數(shù)模型。推導(dǎo)了系統(tǒng)有效帶寬以及相位裕量的計(jì)算公式。研究了系統(tǒng)采樣頻率與控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。分析結(jié)果表明,信標(biāo)與波前探測(cè)模式的不同造成系統(tǒng)時(shí)間延遲的不同,從而使得系統(tǒng)帶寬和穩(wěn)定性存在差異。合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作模式有助于提高系統(tǒng)的性能。由于光學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)性諧振以及風(fēng)吹抖動(dòng)等因素造成的光軸抖動(dòng)在很大程度上會(huì)降低AO系統(tǒng)的性能。采用常規(guī)控制方法很難抑制這種高頻窄帶的擾動(dòng)信號(hào)。本文以實(shí)際系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了該擾動(dòng)的頻域特性。針對(duì)該擾動(dòng)的峰值頻率以及帶寬,借助Smith預(yù)測(cè)器,提出了一種穩(wěn)定高效且易于實(shí)施的控制器設(shè)計(jì)方法,討論了控制器參數(shù)與其濾波特性之間的關(guān)系,分析了這種控制器對(duì)控制對(duì)象參數(shù)變化的魯棒性。仿真結(jié)果表明,采用新型控制器可以將由光軸抖動(dòng)引起的單軸傾斜像差的方差降低約60%,彌補(bǔ)了常規(guī)控制器的不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)簡(jiǎn)單地系統(tǒng)辨識(shí)確定控制回路的主要參數(shù),算法可以在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)施,并達(dá)到預(yù)期的濾波效果。望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)系統(tǒng)常常同時(shí)受到大氣湍流以及內(nèi)部像差擾動(dòng)的影響,常規(guī)AO系統(tǒng)被證明是消除大氣湍流引起的像差的有效手段,然而當(dāng)存在大幅度的內(nèi)部像差擾動(dòng)時(shí),常規(guī)AO系統(tǒng)的校正效果不理想。因此,有時(shí)需要兩套AO系統(tǒng)協(xié)同工作。本文提出一種嵌套雙AO系統(tǒng)結(jié)構(gòu),用內(nèi)部獨(dú)立嵌套AO系統(tǒng)校正內(nèi)部像差擾動(dòng),用常規(guī)AO系統(tǒng)校正外部大氣湍流擾動(dòng)。進(jìn)一步分析對(duì)比了它與常規(guī)AO系統(tǒng)的校正能力,數(shù)值仿真了當(dāng)同時(shí)存在上述兩種像差時(shí)二者的校正效果。結(jié)果表明,嵌套雙AO系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部像差擾動(dòng)的抑制能力約為常規(guī)AO系統(tǒng)的兩倍。在內(nèi)通道信噪比很高,外通道信噪比很低的工作條件下,當(dāng)內(nèi)擾動(dòng)強(qiáng)度較大,嵌套雙AO系統(tǒng)的校正殘差比常規(guī)AO系統(tǒng)的要小10%~50%。AO系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)讀出以及控制計(jì)算等過(guò)程引起的時(shí)間延遲造成補(bǔ)償波前滯后于畸變波前的變化,這種由于校正帶寬不足引起的時(shí)域誤差嚴(yán)重限制了系統(tǒng)的性能。除提高系統(tǒng)采樣頻率外,預(yù)測(cè)控制是增加系統(tǒng)校正帶寬的重要手段。根據(jù)凍結(jié)湍流假設(shè),大氣湍流的主要化趨勢(shì)是橫向風(fēng)速主導(dǎo)的。若能根據(jù)風(fēng)速信息預(yù)測(cè)大氣湍流變化將有利于降低時(shí)間延遲的影響。本文提出了一種基于風(fēng)速估計(jì)的預(yù)測(cè)控制方法。該方法主要包括基于光流計(jì)算對(duì)大氣橫向風(fēng)速的實(shí)時(shí)估計(jì)以及基于估計(jì)風(fēng)速的預(yù)測(cè)過(guò)程。分別采用127單元AO系統(tǒng)斜率測(cè)量數(shù)據(jù)以及復(fù)原電壓對(duì)風(fēng)速估計(jì)算法進(jìn)行了仿真分析,并對(duì)后者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,風(fēng)速大小估計(jì)相對(duì)誤差約為10%,風(fēng)向估計(jì)誤差在10°以內(nèi)。風(fēng)速估計(jì)算法被應(yīng)用到對(duì)127單元AO系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)和閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中,仿真結(jié)果表明,采用風(fēng)速預(yù)測(cè)控制的校正殘差比采用合理設(shè)計(jì)的常規(guī)控制方法得到的殘差降低了大約10%。本文對(duì)信標(biāo)及波前探測(cè)模式和嵌套雙AO系統(tǒng)的研究為實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能分析提供了依據(jù),提出的光軸抖動(dòng)的抑制方法具有重要的實(shí)用價(jià)值。本文還建立了基于風(fēng)速估計(jì)的預(yù)測(cè)控制算法,初步仿真結(jié)果證明了算法對(duì)大風(fēng)速大氣湍流擾動(dòng)的抑制能力優(yōu)于常規(guī)比例積分控制器。未來(lái)將進(jìn)行風(fēng)速預(yù)測(cè)控制的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【圖文】：

鏡鏡主要校正波前整體傾斜（波前斜率在兩個(gè)方向的平均值），O 系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)橄齼A斜像差對(duì)于提高長(zhǎng)曝光圖顯著效果，同時(shí)可以減輕變形鏡的校正負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成TM 控制回路獨(dú)立于變形鏡控制回路。由于 TTM 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等只有一百到幾百赫茲。也就是說(shuō)，對(duì)于目前很多工作在一千或的 AO 系統(tǒng)，由于 TTM 的控制存在諧振現(xiàn)象，這對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定。所以，在設(shè)計(jì)傾斜校正回路的控制器時(shí)，必須對(duì) TTM 的諧鏡鏡是 AO 系統(tǒng)中主要的波前像差校正器件。波前校正，即是產(chǎn)相共軛的波前，從而使得受擾動(dòng)的光波經(jīng)過(guò) DM 后幾乎變?yōu)槠搅?DM 對(duì)輸入畸變波前的校正示意圖。

使得 AO 系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，盡可能地消除大氣湍流擾動(dòng)并抑制聲。同控制理論的發(fā)展類似，AO 系統(tǒng)的控制算法也從經(jīng)典控制方法走向控制技術(shù)。這一節(jié)主要回顧了經(jīng)典的 AO 優(yōu)化控制方法。雖然 AO 系統(tǒng)采用多子孔徑的 WFS 和多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的 DM，是典型的多輸出（Multi-InputMulti-Output，MIMO）控制系統(tǒng)，但是經(jīng)典 AO 控制將是多路并行的單輸入單輸出（SingleInputSingleOutput，SISO）的系統(tǒng)，控制算法時(shí)，，每個(gè)控制回路采用獨(dú)立的控制器，然后針對(duì)各回路設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)。常規(guī) AO 系統(tǒng)的控制器一般為比例積分（Proportional and Integral，制器。雖然控制算法簡(jiǎn)單，需要控制參數(shù)較少，但需要同時(shí)考慮控制回路動(dòng)態(tài)特性，探測(cè)噪聲以及大氣湍流條件等因素，所以設(shè)計(jì)一個(gè)好的優(yōu)化控是比較困難的。C.Boyer[22, 23]與李新陽(yáng)[24]等根據(jù) AO 系統(tǒng)的工作流程，采用機(jī)理分析方了 AO 系統(tǒng)的控制模型，并分析了回路增益系數(shù)與控制帶寬的關(guān)系，指出中的系統(tǒng)延遲是限制控制性能的重要因素。圖 1-4 給出了李新陽(yáng)在對(duì)常規(guī)統(tǒng)進(jìn)行控制帶寬分析時(shí)的方框圖。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O439

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2568159