[發明專利]一種基于完整二階系統響應的DM-SHWS建模方法

有效

• 申請號: 202110367586.5
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113283050B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 虞溫豪;鐘杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G02B27/00;G06F119/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種基于完整二階系統響應的DM?SHWS建模方法，該方法基于變形鏡非線性響應的特性，構建了自適應光學系統的完整二階系統響應模型，表征了由變形鏡指令到夏克哈特曼波前傳感器光斑點偏移量的轉換關系；使用自適應光學系統實驗測試數據進行模型校準，并給出了常數項的噪聲均衡方法。考慮到傳統自適應光學系統模型精確度受限，本模型包括變形鏡指令的二階、一階和常數項。完整二階系統響應模型表現出與實際偏移量更好的擬合結果，對隨機指令偏移量誤差占比小于10％的準確率高于95％。本發明的完整二階系統響應模型具備有效性和準確性，對于自適應光學波前校正的激光通信、激光雷達領域具有重要意義。

技術領域

本發明涉及激光通信、激光雷達領域，尤其涉及一種自由空間激光通信、激光雷達系統中用于大氣湍流矯正的基于完整二階系統響應的DM-SHWS(變形鏡-夏克哈特曼波前傳感器)建模方法。

背景技術

激光技術具有高符號速率，頻帶資源豐富，高安全性的優點：應用于無線通信領域，可實現超高速千兆位以上大容量無線通信；應用于雷達領域，可實現高精度距離測量。而激光信號受到大氣濕度、溫度、風速等環境因素的影響，光信號受到強度和相位擾動，嚴重降低了傳輸光束的信號質量，導致通信和雷達系統性能下降。

自適應光學技術是一種在光學接收路徑中加入可產生與畸變相位共軛的校正模塊，從而抑制大氣湍流效應，改進光學子系統性能的技術。空間自適應光學技術的出現，將有效改善激光傳輸信道大氣湍流效應引起的接收光束相位和幅值畸變問題，在激光通信、激光雷達領域具有巨大的工程應用價值和前景。

變形鏡(Deformable Mirror,DM)和夏克哈特曼波前傳感器(Shack-HartmannWavefront Sensor,SHWS)是自適應光學系統中最關鍵的兩個器件，兩者結合組成了最常見的閉環自適應校正系統之一，系統簡易架構如圖3所示，具備體積小，磁滯效應低，精度高等優點。當處于理想狀態時，入射光束通過微透鏡聚焦在電荷耦合器件(Charge CoupledDevice,CCD)相機平面上形成二維光斑陣列，每個光斑點位于子孔徑的中心，并且該位置被設定為參考位置。當輸入光束攜帶畸變相差時，光斑點較于參考位置發生偏移，可以測量得到x和y坐標的偏移量并傳輸至控制器，其原理如圖4所示。控制器將配置變形鏡構造與輸入畸變相差光學共軛的反射平面來校正相差，產生大小相等，方向相反的偏移量使光斑點回至參考位置。如果無法正確實施自適應光學補償，那么激光通信系統的性能將大大下降。因此，建立光斑點偏移量和變形鏡配置指令之間的轉換模型對于自適應光學系統的實施至關重要。

發明內容

本發明的目的是區別于傳統自適應光學系統建模方法，提供一種基于完整二階系統響應的DM-SHWS建模方法，在光斑點偏移量與變形鏡指令平方項相關的轉換關系的基礎上，在模型內引入一階和常數項，并用實驗數據擬合校準方法獲得模型內的相關系數。本模型用于表征變形鏡的響應特性，展現出更好的擬合特性和誤差抵抗能力。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于完整二階系統響應的DM-SHWS建模方法，包括以下步驟：

(1)建立自適應光學系統的DM-SHWS完整二階系統響應模型：

P＝[P₁,P₂,…,P_M]

其中，P表示完整二階系統響應模型，P_j表示第j個電極通道的響應函數，M表示變形鏡的通道數，N表示光斑點數，a_i,j,b_i,j,c_i,j分別表示二階、一階和常數項系數，下標i、j分別表示光斑點偏移量和電極通道的編號；

模型多電極通道系統響應矩陣P是每個單電機通道響應函數的組合，所有通道耦合組合在一起可形成固定邊界內地反射鏡表面形狀地整體調制。