一种基于模式的同步无波前自适应光学系统

摘要

本发明涉及一种基于模式的同步无波前自适应光学系统，由焦平面光电探测相机、控制器、高压放大器和波前像差校正单元(变形镜)组成。对变形镜施加一次与像差模式相关的扰动电压，相机测量焦平面远场光强，控制器计算其二阶中心矩MDS，根据远场光强分布的二阶中心矩MDS与入射波前像差斜率平方的均值SM的近似线性关系，求解出波前畸变中含有的与扰动电压所对应的像差模式的系数；利用变形镜响应函数与像差模式的关系矩阵形成电压信号，经高压放大器放大后施加于变形镜，完成该模式像差的有效校正，实现一次扰动一次校正的系统同步校正迭代机制；本发明缩短相邻两次像差校正迭代的延时，提高系统对动态像差的校正能力。

主权项

一种基于模式的同步无波前自适应光学系统，其特征在于：该系统主要由波前校正单元变形镜(1)、聚焦透镜(2)、遮拦小孔(3)、远场探测相机(4)、控制器(5)和高压放大器(6)构成，相机探测远场光强分布形成反馈控制信号，控制器完成远场反馈信号的数据处理与控制算法，获取当前时刻的远场二阶中心矩及其增量，根据线性近似关系复原出波前畸变中含有的与扰动电压所对应的像差模式的系数，利用变形镜影响函数与模式基函数的关系矩阵，将复原出的模式系数转换成电压信号，经高压放大器放大并施加于变形镜形成像差闭环校正，工作步骤如下：步骤1：离线计算校正的像差模式基函数F_i(x,y)的斜率相关矩阵C_N，对C_N奇异值SVD分解并构造新的模式基函数将原模式基函数斜率相关矩阵K对角化为L，像差Φ(x,y)表示为：$\Phi (x,y)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{v}_i{F}_i(x,y)=V_M{F}_M---\left(1\right)$其中v_i为像差模式基函数的系数，V_M是在模式基数集F_M下各模式对应的系数矢量；模式基函数斜率相关矩阵K为：$K=\left(\begin{array}{cccccc}{K}_{11}& K_{12}& \mathrm{...}& K_{1N}& \mathrm{...}& K_{1M}\\ K_{21}& K_{22}& \mathrm{...}& K_{2N}& \mathrm{...}& K_{2M}\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ K_{N1}& K_{N2}& \mathrm{...}& K_{NN}& \mathrm{...}& K_{MN}\end{array}\right)---\left(2\right)$其元素定义为：$K_{i,j}=s^{-1}\underset{s}{\int \int }\frac{\partial F_i\left(x,y\right)}{\partial x}\frac{\partial F_j\left(x,y\right)}{\partial x}dxdy+s^{-1}\underset{s}{\int \int }\frac{\partial F_i\left(x,y\right)}{\partial y}\frac{\partial F_j\left(x,y\right)}{\partial y}dxdy---\left(3\right)$其中S为光瞳面积；模式基函数斜率相关矩阵K的SVD分解为：L＝C^‑1K(C^‑1)^T   (4)新的像差模式函数为：$G_N(x,y)=C_N^{-1}{F}_N---\left(5\right)$其中F_N为N阶像差模式基函数；新的模式基函数的斜率相关矩阵为：其元素的定义为：$L_{i,j}=s^{-1}\underset{s}{\int \int }\frac{\partial G_i\left(x,y\right)}{\partial x}\frac{\partial G_j\left(x,y\right)}{\partial x}dxdy+s^{-1}\underset{s}{\int \int }\frac{\partial G_i\left(x,y\right)}{\partial y}\frac{\partial G_j\left(x,y\right)}{\partial y}dxdy---\left(7\right)$步骤2：控制器在线随机产生多组不同干扰强度的像差，计算并记录每组像差的斜率的平方均值SM，$SM=s^{-1}\left\{\underset{S}{\int \int }{\left[\frac{\partial {\Phi }_i\left(x,y\right)}{\partial x}\right]}^{2}dxdy+\underset{S}{\int \int }{\left[\frac{\partial {\Phi }_i\left(x,y\right)}{\partial y}\right]}^{2}dxdy\right\}---\left(8\right)$其中S为光瞳面积；通过像差与变形镜影响函数矩阵，将随机产生的波前像差转换为电压信号，经高压放大器放大后逐一施加于变形镜；步骤3：远场探测相机采样每组随机像差施加于变形镜后的光强分布，计算并记录光强分布的二阶中心矩MDS，$MDS\approx \frac{\underset{i=1,j=1}{\overset{P,Q}{\Sigma }}I(i,j)(1-\frac{i^2+j^2}{R^2})}{\underset{i=1,j=1}{\overset{P,Q}{\Sigma }}I(i,j)}---\left(9\right)$其中P，Q分为远场光强分布相机采样的行数与列数，I(i,j)为靶面像素的灰度值，R为远场提取半径；步骤4：对步骤2记录的多组SM和步骤3记录的多组MDS进行线性拟合，获取系统的SM与MDS的近似线性常量C₀，SM≈C₀(1‑MDS)   (10)步骤5：对变形镜施加αG_i(x,y)对应的扰动电压，相机采样远场光强，控制器计算MDS的增量M，利用步骤4的线性关系和步骤2中式(8)表示的关系获取入射波前像差中含有G_i(x,y)的像差模式系数v_i，$v_i\approx \frac{l_{i,i}^{-1}(C_0{m}_i-a^2{l}_{i,i})}{2a}---\left(11\right)$并将其转换为电压信号经高压放大器后作用于变形镜，完成对变形镜施加一次αG_i(x,y)模式像差扰动后，一次G_i(x,y)像差的有效校正的同步迭代机制；步骤6：重复步骤5的同步校正机制，对变形镜施加所有像差模式G_i(x,y)(i＝1，2…N)对应的电压扰动并校正相应模式像差，完成一个像差校正周期的迭代，视远场分布情况决定是否重复步骤5与步骤6的同步校正流程。