[發明專利]自適應光學系統傳遞矩陣的正弦調制同步測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201210249478.9
• 申請日: 2012-07-18
• 公開（公告）號: CN102788681A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 郭友明;饒長輝;魏凱;張昂
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;盧紀

技術領域

本發明涉及自適應光學系統的技術領域，特別涉及一種利用恒星作為標定光源的自適應光學系統傳遞矩陣的正弦調制同步測量裝置及方法。

背景技術

自適應光學(Adaptive?Optics,AO)系統能夠實時校正由大氣湍流等引起的波前畸變，提高成像系統的分辨力，因此在天文觀測和人眼成像等領域具有廣泛的應用。AO系統通常由波前探測、波前復原、波前校正等部分組成。1989年，美國天文學家Beckers在“The?NOAO?8-m?telescope?technical?div”Association?for?University?Research?in?Astronomy,1989,Vol.2中針對NOAO?8m紅外望遠鏡計劃提出了將望遠鏡次鏡作為波前校正器的新型自適應光學系統方案。這種設計方案光能利用率高、背景輻射影響小，可極大地提高望遠鏡對弱、紅外目標的觀測能力。此后，國外的MMT，LBT，VLT等望遠鏡均研制了相應的變形次鏡，推動了變形次鏡自適應光學系統的發展。

變形次鏡自適應光學系統的傳遞矩陣為計算由變形次鏡驅動器電壓向量轉化為波前探測器子孔徑斜率向量的關系矩陣，一般在自適應光學系統中實測，其測量精度對于自適應光學系統校正能力具有舉足輕重的作用。傳統的測量方法一般在變形鏡前的焦平面上放置一個人工光源，用以產生平面波（C.Boyer,V.Michau,G.Rousset.Adaptive?optics:Interaction?matrix?measurements?and?real?time?control?algorithms?for?the?COME-ON?project.Proc.SPIE,1990,1237:406-423）。但是，變形次鏡自適應光學系統在其變形鏡（變形次鏡）前并不具有可放置人工光源的焦平面。如要使用人工光源，則需設計十分復雜，甚至難以完成的光學結構。為此，F.Wildi和G.Brusa首先在“Determining?the?interaction?matrix?using?starlight,”Proc.SPIE?2004,5490:164~173中提出利用天空中的恒星作為標定光源，并使用方波調制信號作為輸入電壓信號，用以克服大氣湍流的影響。S.Esposito提出使用正弦調制方法來測量變形次鏡的傳遞矩陣，并進行了相關仿真與室內實驗（“High?SNR?measurement?of?interaction?matrix?on-sky?and?in?lab”,Proc.SPIE,2006,67621c）。上述兩種方法均主要針對模式復原法，應用于直接斜率復原法時效率不太高，并且很難實現傳遞矩陣所有元素的同步測量。M.Kasper提出了使用Hadamard方法來測量自適應光學系統的傳遞矩陣（“Fast?calibration?of?high-order?adaptive?optics?systems,”JOSAA,Vol(21),1004-1008,2004），Hadamard方法可以有效地減小測量噪聲的影響，從而以較少的重復測量次數來達到與單位矩陣法相同的測量誤差，但該方法受大氣湍流等噪聲的高增益低頻部分影響明顯，并且在噪聲較小時測量大型自適應光學系統的傳遞矩陣所需測量時間與傳統方法相當。郭友明、饒長輝在中國專利“基于Hadamard矩陣多通道方法的自適應光學系統傳遞矩陣測量裝置及方法”（申請號：201110322085.1）中提出了利用稀疏矩陣與Hadamard矩陣相結合的方法，一方面在傳遞矩陣的非零元素測量上保持與Hadamard相同的噪聲抑制水平上，另一方面稀疏矩陣去掉多余的噪聲信號，既進一步減小了測量噪聲，又縮短了在信噪比較高時測量大型自適應光學系統的傳遞矩陣的測量周期，節約了科學觀測時間，但該方法依然未解決受大氣湍流等噪聲的高增益的低頻部分影響較為明顯的缺點。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種利用恒星作為標定光源同步測量自適應光學系統傳遞矩陣所有元素的裝置及方法，即一種自適應光學系統傳遞矩陣的正弦調制同步測量裝置及方法，通過正弦調制與解調能有效減小測量誤差、提高測量信噪比；同時利用了稀疏矩陣方法同步測量傳遞矩陣的所有元素，使得同一調制頻率可在不同的驅動器上復用，在大大縮短測量時間的同時，降低了對系統工作頻率的要求，工藝上容易實現，為自適應光學系統的高效閉環工作提供了條件。