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专利名称：自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及自适应光学系统的技术领域，特别涉及ー种利用恒星作为标定光源的自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量装置及方法。
背景技术：
自适应光学(Adaptive Optics, A0)系统能够实时校正由大气瑞流等引起的波前畸变，提高成像系统的分辨力，因此在天文观测和人眼成像等领域具有广泛的应用。AO系统通常由波前探測、波前复原、波前校正等部分組成。1989年，美国天文学家Beckers在“TheNOAO 8_m telescope technical description”Association for University Researchin Astronomy, 1989，Vol. 2中针对N0A0 8m红外望远镜计划提出了将望远镜次镜作为波前校正器的新型自适应光学系统方案。这种设计方案光能利用率高、背景辐射影响�。�可极大地提高望远镜对弱、红外目标的观测能力。此后，国外的MMT，LBTjVLT等望远镜均研制了相 应的变形次镜，推动了变形次镜自适应光学系统的发展。变形次镜自适应光学系统的传递矩阵为计算由变形次镜驱动器电压向量转化为波前探測器子孔径斜率向量的关系矩阵，一般在自适应光学系统中实测，其測量精度对于自适应光学系统校正能力具有举足轻重的作用。传统的測量方法一般在变形镜前的焦平面上放置一个人工光源，用以产生平面波(c. Boyer, V. Michau, G. Rousset. Adaptiveoptics:Interaction matrix measurements and real time control algorithms for theC0ME-0N project. Proc. SPIE, 1990, 1237:406-423)。但是，变形次镜自适应光学系统在其变形镜(变形次镜)前并不具有可放置人工光源的焦平面。如要使用人工光源，则需设计十分复杂，甚至难以完成的光学结构。为此，F. Wildi和G. Brusa首先在“Determining theinteraction matrix using starlight, jTroc. SPIE 2004，5490:164 173 中提出利用天空中的恒星作为标定光源，并使用方波调制信号作为输入电压信号，用以克服大气湍流的影响。S. Esposito提出使用正弦调制方法来测量变形次镜的传递矩阵，并进行了相关仿真与至内头,验(“Hign SNR measurement of interaction matrix on-sky and in 丄ab，，，Proc.SPIE, 2006，67621c)。上述两种方法均主要针对模式复原法，应用于直接斜率复原法时效率不太高，并且很难实现传递矩阵所有元素的同步测量。M. Kasper提出了使用Hadamard方法来测量自适应光学系统的传递矩阵(“Fast calibration of high-order adaptive opticssystems, ^JOSAA, Vol (21), 1004-1008，2004)，Hadamard 方法可以有效地减小测量噪声的影响，从而以较少的重复测量次数来达到与単位矩阵法相同的测量误差，但该方法受大气湍流等噪声的高増益低频部分影响明显，并且在噪声较小时测量大型自适应光学系统的传递矩阵所需测量时间与传统方法相当。郭友明、饶长辉在中国专利“基于Hadamard矩阵多通道方法的自适应光学系统传递矩阵测量装置及方法”(申请号201110322085. I)中提出了利用稀疏矩阵与Hadamard矩阵相结合的方法，一方面在传递矩阵的非零元素測量上保持与Hadamard相同的噪声抑制水平上，另ー方面稀疏矩阵去掉多余的噪声信号，既进一歩减小了测量噪声，又缩短了在信噪比较高时测量大型自适应光学系统的传递矩阵的測量周期，节约了科学观测时间，但该方法依然未解决受大气湍流等噪声的高増益的低频部分影响较为明显的缺点。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了ー种利用恒星作为标定光源同步测量自适应光学系统传递矩阵所有元素的装置及方法，即ー种自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量装置及方法，通过正弦调制与解调能有效减小测量误差、提高測量信噪比；同时利用了稀疏矩阵方法同步测量传递矩阵的所有元素，使得同一调制频率可在不同的驱动器上复用，在大大缩短測量时间的同时，降低了对系统工作频率的要求，エ艺上容易实现，为自适应光学系统的高效闭环工作提供了条件。本发明解决上述技术问题的技术方案是自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量装置，该装置包括恒星标定光源、主镜、变形次镜、准直透镜、波前探測器、波前记录单元、控制计算单元、通道划分单元、DA转换器、高压放大器；其中，恒星标定光源、主镜、变形次镜和准直透镜产生与波前探測器口径匹配的光波； 通道划分单元根据变形次镜的面形影响函数模型确定有效影响区域，井根据变形次镜驱动器与波前探測器子孔径的布局将变形次镜的所有的驱动器划分为多个通道；控制计算单元根据通道划分单元划分的通道向同一通道内的驱动器施加频率相等的正弦调制数字电压信号，不同通道的驱动器施加频率不相等的正弦调制数字电压信号，这些信号经DA转换器转换为模拟信号，再经高压放大器放大后，施加到变形次镜的各驱动器上产生相应的波前，恒星标定光源被变形次镜反射、再经准直透镜透射后，进入波前探測器，波前记录器単元根据波前探测器测得的波前信息，计算并储存各子孔径的斜率信号序列，控制计算单元根据子孔径斜率信号和各驱动器正弦调制电压序列，解调出各驱动器正弦电压信号对相应的各子孔径斜率信号的幅值，井根据变形次镜的驱动器位移与电压之间的传递函数求得稳态响应斜率的幅值，最終获得自适应光学系统传递矩阵。所述自适应光学系统是具有变形次镜的自适应光学系统，也可以是次镜不变形而另有变形镜的传统自适应光学系统。所述面形影响函数模型由商用干涉仪测量。所述传递矩阵为稀疏矩阵，矩阵中零的数目由波前探測器和变形次镜的布局及变形次镜的驱动器有效影响区域決定。所述测量方法为通道划分单元根据变形次镜的面形影响函数确定各驱动器在波前探測器上的有效影响区域，各驱动器有效影响区域外的波前探測器的子孔径测得的斜率数据考虑为不受该驱动器的影响，等价于驱动器只对其周边极少的子孔径有影响，得到变形次镜的有效影响矩阵，该有效影响矩阵决定了传递矩阵中零元素的分布，利用有效影响区域对变形次镜的驱动器进行通道划分，控制计算单元根据通道划分的结果，向同一通道内的变形次镜的驱动器施加频率相等的正弦调制数字电压信号、向不同通道的变形次镜的驱动器施加频率不相等的正弦调制数字电压信号，这些信号经DA转换器转换为模拟信号，再经高压放大器放大后，施加到变形次镜的各驱动器上，变形次镜所有驱动器同步驱动使变形次镜的镜面产生相应的波前，恒星标定光源被变形次镜反射、再经准直透镜透射后，进入波前探測器；波前探測器进行质心探測；波前记录单元根据波前探测器测得的波前信息，计算各子孔径的斜率信号序列，控制计算单元根据子孔径斜率信号和各驱动器正弦调制电压序列，同步解调出各驱动器単位正弦电压信号对相应的各子孔径斜率信号的幅值，井根据变形次镜的驱动器位移与电压之间的传递函数同步计算变形次镜驱动器的单位阶跃电压信号在波前探測器子孔径中产生的稳态响应斜率矩阵，该矩阵即为自适应光学系统传递矩阵。所述变形次镜的驱动器位移与电压之间的传递函数为G(jf)，f为时间频率，G(Jf)由商用频率响应分析仪测得。所述变形次镜中k号驱动器在第i个采样周期的正弦调制数字电压信号rk(i)的产生采用公式rk(i) = AkCos (2 Ji fkiTs)，其中，Ak为k号驱动器调制信号的幅值，fk为k号驱动器的调制频率，Ts为波前探測器的采样周期。所述控制计算单元根据子孔径斜率信号和各驱动器正弦调制电压序列，解调出各驱动器正弦电压信号对相应的各子孔径斜率信号的幅值矩阵M的第I行m列元素M(l，m)的计算公式为
权利要求
1.自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量装置，其特征在于包括恒星标定光源(I)、主镜(2)、变形次镜(3)、准直透镜(4)、波前探测器(5)、波前记录单元(6. a)、控制计算单元(6. b)、通道划分单元(6. c)、DA转换器(7)和高压放大器(8);其中， 恒星标定光源(I)、主镜(2)、变形次镜(3)和准直透镜(4)产生与波前探测器(5) 口径匹配的光波； 通道划分单元(6. c)根据变形次镜(3)的面形影响函数模型确定有效影响区域，并根据变形次镜(3)驱动器与波前探测器(5)子孔径的布局将变形次镜(3)的所有的驱动器划分为多个通道； 控制计算单元(6. b)根据通道划分单元(6. c)划分的通道向同一通道内的驱动器施加频率相等的正弦调制数字电压信号，不同通道的驱动器施加频率不相等的正弦调制数字电压信号，这些信号经DA转换器(7)转换为模拟信号，再经高压放大器(8)放大后，施加到变形次镜(3)的各驱动器上产生相应的波前，恒星标定光源(I)被变形次镜(3)反射、再经准直透镜(4)透射后，进入波前探测器(5)，波前记录单元(6. a)根据波前探测器(5)测得的波前信息，计算并储存各子孔径的斜率信号序列，控制计算单元(6. b)根据子孔径斜率信号和各驱动器正弦调制电压序列，解调出各驱动器正弦电压信号对相应的各子孔径斜率信号的幅值，并根据变形次镜(3)的驱动器位移与电压之间的传递函数求得稳态响应斜率的幅值，最终获得自适应光学系统传递矩阵。
2.根据权利要求I所述的自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量装置，其特征在于所述自适应光学系统是具有变形次镜的自适应光学系统，也可以是次镜不变形而另有变形镜的传统自适应光学系统。
3.根据权利要求I所述的自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量装置，其特征在于所述面形影响函数模型由商用干涉仪测量。
4.根据权利要求I所述的自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量装置，其特征在于所述传递矩阵为稀疏矩阵，矩阵中零的数目由波前探测器(4)和变形次镜(3)的布局及变形次镜(3)的驱动器有效影响区域决定。
5.自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量方法，其特征在于通道划分单元(6. c)根据变形次镜(3)的面形影响函数确定各驱动器在波前探测器(5)上的有效影响区域，各驱动器有效影响区域外的波前探测器(5)的子孔径测得的斜率数据考虑为不受该驱动器的影响，等价于驱动器只对其周边极少的子孔径有影响，得到变形次镜(3)的有效影响矩阵，该有效影响矩阵决定了传递矩阵中零元素的分布，利用有效影响区域对变形次镜(3)的驱动器进行通道划分，控制计算单元(6. b)根据通道划分的结果，向同一通道内的变形次镜(3)的驱动器施加频率相等的正弦调制数字电压信号、向不同通道的变形次镜(3)的驱动器施加频率不相等的正弦调制数字电压信号，这些信号经DA转换器(7)转换为模拟信号，再经高压放大器(8)放大后，施加到变形次镜(3)的各驱动器上，变形次镜(3)所有驱动器同步驱动使变形次镜(3)的镜面产生相应的波前，恒星标定光源(I)被变形次镜(3)反射、再经准直透镜(4)透射后，进入波前探测器(5);波前探测器(5)进行质心探测；波前记录单元(6. a)根据波前探测器(5)测得的波前信息，计算各子孔径的斜率信号序列，控制计算单元(6. b)根据子孔径斜率信号和各驱动器正弦调制电压序列，同步解调出各驱动器单位正弦电压信号对相应的各子孔径斜率信号的幅值，并根据变形次镜(3)的驱动器位移与电压之间的传递函数同步计算变形次镜(3)驱动器的单位阶跃电压信号在波前探测器(5)子孔径中产生的稳态响应斜率矩阵，该矩阵即为自适应光学系统传递矩阵。
6.根据权利要求5所述的自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量方法，其特征在于所述变形次镜(3)的驱动器位移与电压之间的传递函数为G(jf)，f为时间频率，G(Jf)由商用频率响应分析仪测得。
7.根据权利要求5所述的自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量方法，其特征在于所述变形次镜(3)中k号驱动器在第i个采样周期的正弦调制数字电压信号rk(i)的产生采用公式rk(i) = AkCos (2 Ji fkiTs)，其中，Ak为k号驱动器调制信号的幅值，fk为k号驱动器的调制频率，Ts为波前探测器(5)的采样周期。
8.根据权利要求5所述的自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量方法，其特征在于所述控制计算单元(6. b)根据子孔径斜率信号和各驱动器正弦调制电压序列，解调出各驱动器正弦电压信号对相应的各子孔径斜率信号的幅值矩阵M的第I行m列元素M(l,m)的计算公式为
9.根据权利要求5所述的自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量方法，其特征在于所述变形次镜(3)各驱动器的单位阶跃电压信号在波前探测器(5)各子孔径中产生的稳态斜率矩阵的第I行m列元素D (I, m)的计算公式为
全文摘要
一种自适应光学系统传递矩阵的正弦调制同步测量装置及方法，该装置包括恒星标定光源、主镜、变形次镜、准直透镜、波前探测器、波前记录单元、控制计算单元、通道划分单元、DA转换器、高压放大器，其特征在于直接利用恒星作为标定光源，同步测量传递矩阵的所有元素。本发明利用了正弦调制技术，能有效减小测量误差、提高测量信噪比；同时利用了稀疏矩阵方法同步测量传递矩阵的所有元素，使得同一调制频率可在不同的驱动器上复用，在大大缩短测量时间的同时，降低了对系统工作频率的要求，工艺上容易实现，为自适应光学系统的高效闭环工作提供了条件。
文档编号G01M11/02GK102788681SQ201210249478
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月18日 优先权日2012年7月18日
发明者张昂, 郭友明, 饶长辉, 魏凯 申请人:中国科学院光电技术研究所