阅读说明：本技术 人造信标与无波前探测结合的自适应光学系统 (Self-adaptive optical system combining artificial beacon and wavefront-free detection ) 是由 黄建 尧联群 王功长 李平 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种人造信标与无波前探测结合的自适应光学系统,包括人造信标发射系统、接收望远镜、人造信标光补偿系统、无波前探测补偿系统,人造信标光补偿系统包括第一波前校正器、第一分光机构、人造信标波前探测器和波前控制器,第一波前校正器与接收望远镜之间设有缩束机构；无波前探测补偿系统包括第二波前校正器、第二分光机构、聚焦物镜、目标性能探测器和优化控制器。采用以上方案,能够充分地利用人造信标进行波前校正和无波前探测的技术特点,有效地提高了系统的适应能力和系统的成像质量,而且具有结构简单紧凑,实现容易的优点,使本发明具有广阔的应用前景。(The invention discloses an artificial beacon and wavefront-free detection combined self-adaptive optical system, which comprises an artificial beacon transmitting system, a receiving telescope, an artificial beacon optical compensation system and a wavefront-free detection compensation system, wherein the artificial beacon optical compensation system comprises a first wavefront corrector, a first beam splitting mechanism, an artificial beacon wavefront detector and a wavefront controller, and a beam shrinking mechanism is arranged between the first wavefront corrector and the receiving telescope; the wavefront-free detection compensation system comprises a second wavefront corrector, a second beam splitting mechanism, a focusing objective, a target performance detector and an optimization controller. By adopting the scheme, the technical characteristics of wavefront correction and wavefront-free detection by using the artificial beacon can be fully utilized, the adaptability of the system and the imaging quality of the system are effectively improved, and the method has the advantages of simple and compact structure and easiness in implementation, so that the method has wide application prospect.)

人造信标与无波前探测结合的自适应光学系统

技术领域

本发明涉及光学装置，具体涉及一种人造信标与无波前探测结合的自适应光学系统。

背景技术

自适应光学(Adaptive Optics,AO)是近20余年来发展起来的新技术。其关键就在于通过探测大气湍流对波前扰动造成的畸变进而对观测目标进行补偿校正。当物体本身亮度不足或者物体等晕角之内没有满足条件的恒星时，需要使用人造信标来进行波前畸变的探测。目前主要的信标有两种：一种是钠信标，利用90km高空的钠原子的共振散射产生的后向散射光作为信标；另一种是瑞利信标，利用5-25km的大气分子的后向瑞利散射作为信标。

利用人造信标对大气湍流产生的畸变进行探测时，在激光束向上传输时受大气湍流的影响使其传输方向产生无规律的变化，波前传感所采样的信标光斑位置相对于望远镜光轴来说是未知量，根据光路可逆，散射光按原方向返回成像望远镜，上下行链路的大气倾斜方向恰好相反互相抵消，从而无法探测大气倾斜的信息。

其次，由于信标的高度有限，利用人造信标进行采样，会存在对湍流采样不完全的缺陷，具体原理如图2所示，此时利用信标采样的湍流信息去校正目标经历的湍流信息，即利用锥形区域的波前信息去代替柱形区域，从而造成波前信息的采样不完全；第三，当观测站址湍流较强时，波前的光强起伏较为剧烈，特别是在水平大气激光通讯或者在很大的天顶角时的天文观测，这样的强湍流会很频繁的发生，此时，波前会产生间断即不连续，将导致传统的波前校正无法正确复原出波前，闭环也不会稳定，以上几点不足严重制约着人造信标自适应光学系统的校正性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种人造信标与无波前探测结合的自适应光学系统，特别适合大气观测条件较差的环境，并大大提高其校正精准度。

其技术方案如下：

一种人造信标与无波前探测结合的自适应光学系统，其关键在于：包括人造信标发射系统、接收望远镜、人造信标光补偿系统、无波前探测补偿系统，接收望远镜用于接收目标光和人造信标发射系统产生的人造信标光，所述人造信标光补偿系统包括第一波前校正器、第一分光机构、人造信标波前探测器和波前控制器，其中波前控制器用于接收人造信标波前探测器的信号并调整第一波前校正器，第一分光机构位于第一波前校正器的反射光路上，人造信标波前探测器位于第一分光机构的反射光路上，所述第一波前校正器与接收望远镜之间设有缩束机构；

所述无波前探测补偿系统包括第二波前校正器、第二分光机构、聚焦物镜、目标性能探测器和优化控制器，其中优化控制器用于接收目标性能探测器的信号并调整第二波前校正器，所述聚焦物镜和目标性能探测器依次设置于第二分光机构的反射光路上，所述第二波前校正器位于第一分光机构的透射光路上，目标光束经第一分光机构透射至第二波前校正器，然后传输至第二分光机构，至少部分目标光经第二分光机构反射后再经聚焦物镜聚焦进入目标性能探测器。

采用以上方案，人造信标发射系统高空中产生的人造信标光与目标光被接收望远镜同时接收，再经过缩束机构变成与后方元器件直径匹配的平行光，然后，光线经过第一波前校正器传输至第一分光机构，人造信标光束经第一分光机构反射进入人造信标波前探测器对大气湍流产生的高阶像差进行实时探测，波前控制器根据探测得到的信号控制第一波前校正器实现对系统的一级闭环校正。

目标光束经第一分光机构透射至第一波前校正器，然后传输至第一分光机构，目标光经分光机构反射后再经聚焦物镜聚焦进入目标性能探测器，进行目标性能的实时探测，优化控制器根据设定的指标，利用优化控制算法控制第二波前校正器，完成系统的二级闭环校正，此时主要校正前一级校正后的残差，以及接收望远镜振动引起的目标抖动，最终实现系统的两级校正，校准精度高，大大提升系统的成像质量。

作为优选：所述第二分光机构为分光镜，所述光学系统还包括成像系统，所述成像系统包括成像探测器，所述成像探测器位于第二分光机构的透射光路上。采用以上方案，这样当目标光经第二波前校正器反射到第二分光机构时，其中一部分目标光则可透射直接进入成型系统中实时成像，而另一部分目标光则可反射后再经聚焦物镜进入目标性能探测器中，进行目标性能的实时探测，而需要注意的是当第二分光机构为反射镜时，目标性能探测器结构与成像探测器结构相似。

作为优选：所述成像系统还包括调束机构，所述调束机构为缩束透镜或扩束透镜。采用以上方案，可使从第二分光机构透射的光束直径与成像探测器的同光口径相匹配，以提高成像质量。

为满足不同高度观测需求，所述人造信标发射系统产生的人造信标为钠信标或瑞利信标。

作为优选：所述第二波前校正器为变形镜或为由变形镜和高速倾斜镜构成的波前校正系统。采用以上方案，可根据需要采用不同的校正器构成结构，以满足同时校正倾斜相差和高阶相差的需求。

作为优选：所述变形镜为镀高反射膜的压电陶瓷反射式变形镜、或为压电晶片变形镜、或为薄膜变形镜，或为表面微机械变形镜和液晶器件。

作为优选：所述目标性能探测器通过获得目标的成像性能函数以表征光学系统性能，且所述成像性能函数具有唯一的极大值和唯一的极小值。采用无波前传感器自适应光学系统进行波前误差校正时，首先对波前校正器施加扰动，然后由目标性能探测器获得目标的成像性能函数的改变量，根据这一改变量控制第二波前校正器，使目标的成像性能函数向着极值方向变化，当目标的成像性能函数达到极值时，认为波前误差得到了校正。

作为优选：所述优化控制器采用基于Zernike模式的SPGD的优化控制方法。采用以上方案，优化控制器的控制精度及效率更高。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的人造信标与无波前探测结合的自适应光学系统，实现了对强湍流情况下的自适应探测，降低了自适应系统对大气条件的要求，解决了人造信标无法准确探测倾斜信息的问题，改善了由于单一人造信标进行波前探测时“锥形效应”的影响，第二级校正采用无波前探测的方式，以目标的性能作为最终指标，可以有效的校正第一级校正的残余像差对成像的影响，大大提升自适应光学系统的校正能力，获得近衍射极限的成像，有利于提高系统的成像质量，且整体控制简单，结构紧凑，容易实现，有利于拓展自适应光学系统的应用环境和领域。

附图说明

图1为本发明构成原理示意图；

图2为人造信标采样不完全示意图；

图3为SPGD优化控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本申请主要提供了一种人造信标与无波前探测结合的自适应光学系统，其主要包括人造信标发射系统1、接收望远镜2、人造信标光补偿系统15、无波前探测补偿系统16，其中人造信标发射系统1包括激光器，人造信标发射系统1用于产生人造信标，本实施例中的人造信标发射系统1可以是产生钠信标也可以是瑞利信标。

而接收望远镜2则主要用于接收人造信标发射系统1高空中产生的人造信标光和目标光，人造信标光补偿系统15包括第一波前校正器4、第一分光机构5、人造信标波前探测器6和波前控制器7，其中波前控制器7与第一波前校正器4和人造信标波前探测器6通过电信号连接，即波前控制器7能够接收人造信标波前探测器6的探测结果信号，并通过接收到的信号对第一波前校正器4进行控制调整。

第一分光机构5位于第一波前校正器4的反射光路上，人造信标波前探测器6位于第一分光机构5的反射光路上，第一波前校正器4与接收望远镜2之间设有缩束机构3，这里缩束机构3为缩束透镜，人造信标波前探测器6与激光器电信号连接，其中人造信标波前探测器6可以是哈特曼夏克波前传感器、金字塔波前传感器、曲率波前传感器、剪切干涉波前传感器，当人造信标发射系统1中的激光器发射为脉冲激光时，人造信标波前探测器6可根据人造信标的回光时序进行分时波前探测，即根据激光器的工作状态进行工作。

无波前探测补偿系统16包括第二波前校正器8、第二分光机构9、聚焦物镜10、目标性能探测器11和优化控制器12，其中优化控制器12与第二波前校正器8和目标性能探测器11电信号连接，即优化控制器12能够接收目标性能探测器11所发出的探测结果信号，并对第二波前校正器8进行控制调整，聚焦物镜10和目标性能探测器11依次设置于第二分光机构9的反射光路上，第二波前校正器8位于第一分光机构5的透射光路上。

上述的第二分光机构9可以是分光镜也可以是反射镜，当第二分光机构9为分光镜时，本发明的自适应光学系统还包括成像系统17，如图1所示，成像系统17主要由成像探测器14和调束机构13构成，其中成像探测器14位于第二分光机构9的透射光路上，主要用于实现目标光的实时成像，而调束机构13位于成像探测器14与第二分光机构9之间，其主要用于对第二分光机构9透射的光束进行扩束和缩束处理，同时对光束进行聚焦，使光束直径与成像探测器14的通光口径匹配，故调束机构13通常为缩束透镜或扩束透镜。

而当第二分光镜9为反射镜时，则不需要成像系统17，此时目标性能探测器11则可替代成像探测器14，进行实时成像，其结构也与成像探测器14相似，只是在后续处理时认为设定评价指标，其主要用于采集光斑，探测光斑尺寸、能量或焦斑峰值功率能参数。

第一波前校正器4和第二波前校正器8为变形镜或由变形镜以及高速倾斜镜构成的校正系统，既能校正倾斜相差又能校正高阶相差，其中变形镜可以是镀高反射膜的压电陶瓷反射式变形镜、或为压电晶片变形镜、或为薄膜变形镜，或为表面微机械变形镜和液晶器件，而本申请中人造信标波前探测器6采用夏克-哈特曼波前传感器。

目标性能探测器11用来获得目标的成像性能函数以表征光学系统性能，且理想情况下目标的成像性能函数存在一个唯一的极大值或极小值，采用无波前传感器自适应光学系统进行波前误差校正时，首先对波前校正器施加扰动，然后由目标性能探测器获得目标的成像性能函数的改变量，根据这一改变量控制第二波前校正器，使目标的成像性能函数向着极值方向变化，当目标的成像性能函数达到极值时，即可认为波前误差得到了校正。

优化控制器12的控制方法可以是无模式优化控制方法或者基于模式的优化控制方法；其中无模式优化控制方法可以是随机并行梯度下降(Stochastic ParallelGradient Descent，SPGD)算法、遗传算法、模拟退火算法，由算法直接控制波前校正器对目标的成像性能函数进行优化直至函数收敛，基于模式的优化控制方法可以是基于Zernike模式的优化控制方法也可以是基于Lukosz-Zernike模式的优化控制方法，而本申请中则采用基于Zernike模式的SPGD的优化控制方法。

参考图1至图3，本申请的校正原理如下：由人造信标发射系统1发射的589nm的激光在90km高空中形成人造钠信标，在激光束向上传输的过程中，要经过大气湍流，导致其位置发生偏移，其偏移量的计算：

式中delta为偏移量，a_i为上行光束经过大气湍流的Zernike系数i＝2、3，D_launch为发射望远镜口径，h为信标高度。由于上行光束传输过程中大气湍流的变化，导致偏移量的变化，就出现信标光斑的抖动，造成无法准确测量下行整体倾斜信息，所以不能采用信标进行下行整体倾斜信息的校正。

来自目标和人造钠信标的光线，被接收望远镜2同时接收，再经过缩束机构3变成平行光或者接***行光，然后，光束经过第一波前校正器4传输至第一分光机构5，人造信标光束经第一分光机构5反射进入人造信标波前探测器6，人造信标波前探测器6对大气湍流产生的除倾斜外的高阶像差进行实时探测，然后控制第一波前校正器4进行波前校正。

因为人造信标波前探测器6采用动态夏克-哈特曼波前传感器，第一波前校正器4采用变形镜，用哈特曼测得畸变的波前在每个子孔径上光斑中心在X和Y方向上的漂移，可以求出各子孔径范围内的波前在两个方向上的平均斜率：

其中，f是微透镜焦距，I_i是像素i接收到的信号，X_i，Y_i是第i个像素的坐标，(Y_C，Y_C)是光斑质心的坐标，(G_X，G_Y)为子孔径内波前斜率，S为子孔径面积。

为了不校正整体倾斜，再将得到的各子孔径的波前斜率减去各子孔径的波前斜率的平均，即：

得到子孔径斜率数据后，通过直接斜率波前复原算法即可得到加在第一波形校正器4上的电压，设输入信号V_j是加在第j个驱动器上的控制电压，由此产生哈特曼传感器子孔径内的波前斜率量为：

i＝1,2,3,4,5……

其中R_j(x，y)为第一波形校正器4的第j个驱动器的影响函数，t为驱动器个数，m为子孔径个数，S_i为子孔径i的归一化面积，当控制电压在合适的范围内时，第一波形校正器4的相位矫正量和驱动器电压线性近似，子孔径斜率量与驱动器电压成线性关系，均满足叠加原理，上式则可以写为矩阵的形式：

G＝R_xyV

R_xy为第一波形校正器4到哈特曼传感器(人造信标波前探测器6)的斜率相应矩阵，用实验测得；G为需要校正的波前相差斜率测量值，因此可以得到控制电压：

其中，

为R_xy的广义逆。这样就求出应该施加在第一波形校正器4上每个驱动器的电压，第一波形校正器4产生相应的形变，从而实现对系统的一级校正。

当目标光传输至无波前探测补偿系统16时，进行无波前探测校正，无波前探测补偿系统16中优化控制器12采用基于Zernike模式的优化的SPGD控制方法。

SPGD优化控制方法流程如图3所示，设置校正目标函数为目标成像后的斯特列尔比：

I₀(x₀,y₀)为理想波面远场光斑峰值强度，I(x₀,y₀)为畸变波前远场光斑峰值强度。

具体步骤如下：

a对增益系数gama，随机扰动幅值delta进行初始化，第二波前校正器8(变形镜)初始状态为未变形，设置迭代次数iteratorNum，并对计数器进行初始化，进入主循环；

b第n次迭代时，根据幅值delta生成服从伯努利分布的kdelta_zern向量，向量维数为校正阶数，设置第二波前校正器8产生zern+kdelta_zern的变形，采集性能指标目标经过校正后成像的斯特列尔比JStlr+；

c同理，类似使第二波前校正器8产生zern-kdelta_zern的面形，采集性能指标目标经过校正后成像的斯特列尔比JStlr-；

d计算deltaJ，并产生第n次迭代后的第二波前校正器8的面形zern-gama×deltaJ×kdelta_zern，计数器+1，判断是否满足迭代次数，如果满足退出，如果不满足进行n+1次迭代过程，直至满足迭代次数。

在SPGD优化控制方法运行过程中，需要第二波前校正器8产生Zernike模式的面形，这需要事先建立Zernike模式的面形与变形镜驱动器电压之间的关系。测量第二波前校正器8的影响函数，根据驱动器影响函数计算影响函数间的耦合矩阵，记为C_v，C_v为对称可逆矩阵，计算驱动器影响函数与Zernike模式间的相互关系矩阵，记为C_zv。经过推导可得到Zernike系数与第二波前校正器8驱动向量之间的关系为：

v＝C_v ^-1C_zva

这样就求出应该施加在第二波前校正器8上每个驱动器的电压，即第二波前校正器8产生相应Zernike系数的形变。

经过系统的两级校正，解决了单一人造信标波前校正无法准确测量信标下行的整体倾斜信息的问题，改善了单一人造信标波前校正的“锥形效应”，提高了系统在强湍流情况下的系统校正能力，且因为采用波前探测器6和目标性能探测器11分别探测高阶和低阶像差，并利用SPGD算法对高阶相差进行优化校正，探测高阶像差不受限于哈特曼子孔径个数限制，从而降低了对信标亮度要求，同时以目标性能为牵引而校正，校正的效果更好，有利于大幅度的提升目标的成像质量。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。