【摘要】：為追求更高的觀測(cè)分辨能力,近年來(lái)望遠(yuǎn)鏡向著長(zhǎng)焦距、大口徑的方向不斷發(fā)展。目前大口徑望遠(yuǎn)鏡主要分為兩類:單一主鏡型望遠(yuǎn)鏡和拼接主鏡型望遠(yuǎn)鏡。目前世界上已建成的直徑大于4米的大口徑望遠(yuǎn)鏡約有30余臺(tái)。而以現(xiàn)有的技術(shù)水平,建造口徑達(dá)十米甚至幾十米的單一主鏡望遠(yuǎn)鏡,無(wú)論從鏡面材料制備、加工檢測(cè)、支撐結(jié)構(gòu)還是運(yùn)輸發(fā)射或造價(jià)方面,都存在極大挑戰(zhàn)。拼接型望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn),極大地降低主鏡質(zhì)量、加工成本和制造周期,同時(shí)可以將各個(gè)子鏡發(fā)射到指定軌道,進(jìn)行在軌組裝或展開,降低運(yùn)輸發(fā)射成本及難度。然而,采用多鏡面拼接方法組成的大口徑望遠(yuǎn)鏡也面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn),其中最為困難的是組成大口徑主鏡的各子鏡之間共相誤差校正問(wèn)題。研究人員認(rèn)為各拼接子鏡鏡面的共相位誤差的RMS值需小于30nm,其拼接主鏡才能達(dá)到等同口徑單鏡的光學(xué)性能。僅僅依靠傳統(tǒng)的機(jī)械裝調(diào)無(wú)法到達(dá)上述精度,有必要構(gòu)建主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)并應(yīng)用到大口徑拼接型望遠(yuǎn)鏡的共相誤差檢測(cè)之中。本文根據(jù)拼接型大口徑望遠(yuǎn)鏡研制需求,圍繞基于相位差(Phase Diversity)算法的共相誤差探測(cè)及圖像復(fù)原等關(guān)鍵問(wèn)題展開研究,論文的主要研究工作如下:1.研究了拼接型大口徑望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)的主要任務(wù),系統(tǒng)構(gòu)成、波前傳感流程及關(guān)鍵技術(shù)。為使拼接望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量接近衍射極限水平,傳統(tǒng)的機(jī)械裝調(diào)已無(wú)法實(shí)現(xiàn),必須建立主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)。主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)主要包括波前傳感系統(tǒng),位姿解算系統(tǒng)以及位姿調(diào)整系統(tǒng)。波前傳感流程主要包括子鏡粗共焦、子鏡識(shí)別及搜索、粗共位相及精共位相。2.調(diào)研和對(duì)比了各種波前探測(cè)技術(shù),最終確定使用相位差算法進(jìn)行精共相誤差的校正。為實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度的波前檢測(cè),波前傳感系統(tǒng)采用分級(jí)檢測(cè)、逐步收斂的策略。首先使用如shack-hartmann傳感器、色散條紋儀等實(shí)現(xiàn)共相誤差粗步校正。相位差算法具有精度高,同時(shí)適用于點(diǎn)源及擴(kuò)展目標(biāo),既能測(cè)量連續(xù)像差,也能測(cè)量如共相誤差類的不連續(xù)像差,及光路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因此被用于拼接鏡系統(tǒng)的精共位相調(diào)整。3.利用matlab完成了拼接鏡望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光學(xué)模型的建立。利用相位差算法基本原理求取子鏡共相誤差系數(shù)時(shí),對(duì)比了多種數(shù)值優(yōu)化算法,如遺傳算法,共軛梯度法,有限內(nèi)存bfgs算法等。由于bfgs算法良好的數(shù)值效果和快速的收斂特性,選取bfgs算法實(shí)現(xiàn)共相誤差系數(shù)的求解。4.傳統(tǒng)bfgs算法只對(duì)凸函數(shù)具有全局收斂性,對(duì)于非凸的目標(biāo)函數(shù)會(huì)陷入局部極值,導(dǎo)致波前探測(cè)的失敗。對(duì)此提出了使用一種改進(jìn)的bfgs算法,使其對(duì)于非凸目標(biāo)函數(shù)也具有全局收斂性,保證針對(duì)不同觀測(cè)目標(biāo)在不同像差情況下搜索到全局最優(yōu)解,從而求解出正確的波前誤差系數(shù)。5.相位差算法為基于圖像的波前探測(cè)方法,由ccd采集的圖像不可避免地受到噪聲的污染,如光子噪聲、讀出噪聲,從而導(dǎo)致波前探測(cè)精度及圖像恢復(fù)質(zhì)量的下降。對(duì)此提出了一種有效的正則化參數(shù)估計(jì)策略,能有效提高算法的抗噪能力及圖像恢復(fù)效果。6.分析了基于離焦模式的相位差波前探測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可能存在的誤差因素,包括焦面位置誤差,離焦量誤差,圖像配準(zhǔn)誤差,曝光延時(shí)誤差以及相機(jī)噪聲誤差等。提出了通過(guò)改進(jìn)相位差算法本身的誤差消除辦法,在不加入其他輔助校正措施的基礎(chǔ)上,能大幅度提高波前探測(cè)精度,為相位差波前探測(cè)技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。7.針對(duì)傳統(tǒng)相位差算法計(jì)算量大、復(fù)雜,容易陷入局部極值等缺點(diǎn),提出了實(shí)時(shí)波前探測(cè)技術(shù)。通過(guò)一階泰勒展開式將光學(xué)傳遞函數(shù)線性化,建立采集圖像和波前像差直接的線性關(guān)系,利用最小二乘估計(jì)法求得原始波前像差,實(shí)現(xiàn)了對(duì)共相誤差高精度實(shí)時(shí)測(cè)量。8.根據(jù)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目進(jìn)展的具體情況,設(shè)計(jì)了具體可行的實(shí)驗(yàn)方案,搭建光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了算法的可行性和正確性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP391.41

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本文編號(hào)：2464476