基于光场相机结构的自适应光学系统仿真研究

在自适应光学系统中,采用传统的哈特曼波前传感器只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,而以光场相机作为波前探测器具有视场大、一次曝光可获得多视角方向湍流信息等特点,可以替代传统多层共轭自适应光学（MCAO）系统中的多个波前探测器,达到简化系统,节约成本的效果。文中采用自主研发的光学系统仿真软件Seelight中的光场相机模块,结合光场数字重聚焦技术、模式法大气层析技术,复原了大视场完整波前,并搭建了自适应光学仿真系统,模拟与89单元变形镜配合实现在闭环工作模式下对大视场的大气湍流引起波前畸变的有效校正。     

利用变形反射镜和激光导星扩大校正视场

为了扩大自适应光学(AO)系统的校正视场,在主要湍流层的共轭面上设置两个变形反射镜(DM),即采用分层共轭自适应光学(MCAO)的方法.主湍流层的共轭面位置设置两个变形反射镜和激光导星可以将湍流层上不同高度位置产生的波前畸变进行分离,并使焦距非等晕性几乎完全消除.在自适应光学系统中,角度的非等晕性产生的波前误差主要取决于校正的模式数、大气介质折射率结构常数(C2n)的分布和系统的几何尺寸.结果表明:对于孔径为3.5 m的望远镜,利用两个变形反射镜能够达到3弧分的校正视场.     

基于YAO软件的太阳地表层自适应光学系统的仿真北大核心CSCD

目前太阳活动观测存在视场小和分辨率低的问题。单共轭自适应光学系统可校正的视场范围较小,多层共轭自适应光学系统使用三维重构的方法,耗时长且过程繁琐;而太阳地表层自适应光学系统只校正地表层湍流,效率高,能快速获得大视场、高分辨率图像。利用YAO软件,在四导星阵列分布情况下,应用平均算法对太阳,地表层自适应光学系统在40″和60″优化视场、J和H波段的性能进行数值仿真,并与相同条件下仿真得到的单共轭自适应光学系统性能结果进行比较。结果表明,在60″~120″成像视场内,地表层自适应光学系统的斯特列尔比值比单共轭自适应光学系统提高了130%~210%,该结果与太阳自适应光学领域其他软件得到的仿真结果一致。     

多层共轭自适应光学系统性能

多层共轭自适应光学系统被广泛应用于地基大型天文望远镜,其可以改善大气非等晕的影响,并有效扩大校正视场。基于MAOS软件,在仅考虑大气非等晕影响的情况下,研究了在可见光波段（0.6 m）和红外光波段（2 m）下两种自适应光学系统的对比,多层共轭自适应光学系统相比传统自适应光学系统在可见光波段性能提升显著;以及双层共轭系统中,当第一个变形镜共轭于入瞳处时,第二个变形镜共轭高度变化对系统性能的影响,在可见光波段确定最佳共轭高度对提升性能十分重要,并初步探讨了在单层自适应光学系统中,变形镜致动器个数对系统性能的影响。     

星向多层共轭自适应光学大气湍流三维波前模式复原算法分析

大气湍流三维波前复原是星向多层共轭自适应光学中的关键技术。分析了星向多层共轭自适应光学系统中的大气湍流三维波前模式复原算法,并对该算法进行了数值仿真验证和误差分析。分析结果表明:当对2层大气湍流进行三维波前复原时,若采用自然导星,因平移像差不能被探测,导致平移和倾斜两种模式不能被准确复原;若采用激光导星,因平移和倾斜像差不能被直接探测,导致平移、倾斜、离焦和像散几种模式不能被准确复原;当对3层大气湍流进行三维波前复原时,模式混淆总是存在,无法消除,各层大气湍流波前不能被准确复原;当观测目标在探测高度的波前被自然导星光束完全覆盖时,其波前可以被准确复原。     

大气湍流位相畸变自适应光学校正的数值分析

实现了适应光学系统校正激光大气湍流位相畸变的数值模拟,研究了自适应光学系统的校正效率随湍流强度的变化规律以及横向风速对自适应光学校正效果的影响。结果表明,自适应光学系统能够校正湍流造成的激光波前位相畸变,提高靶面激光峰值功率密度,降低靶面激光强度起伏。湍流强度对于自适应光学系统的校正效率有比较大的影响,湍流强度较弱和较强,自适应光学系统的校正效率均不高;只有中等强度的湍流,校正效率最高。此外,横向风速对于自适应光学系统的校正效果也有比较大的影响．随着横向风速的增大,自适应光学系统的校正效果不断变差。     

星载自适应光学系统的双导星信标理论研究

星载相机的波前畸变主要来源于两个部分:由于温度场、重力场变化引起的相机光学系统自畸变;由于大气湍流引起的波前误差。为获得高分辨率的图像,需要校正波前误差。提出一种对星载光学系统波前畸变进行有效探测的技术。星载激光器分时产生钠导星和瑞利导星,前者用于校正自畸变,后者用于校正大气湍流造成的波面像差。针对该方法对激光能量的要求,建立了双导星信标系统的数值模型,并进行仿真。结果表明,该方法对激光器的要求,在目前是可以实现的。该方法可以用于空间相机光学系统的波面畸变探测,从而为星载自适应光学的进一步研究提供依据。     

盐水和沙子上方传输激光束波前畸变校正的对比研究

主要研究激光束在盐水和沙子两种下垫面上方传输时的波前特性,并采用自适应光学系统对波前畸变进行校正。建立了激光传输实验平台,基于自适应光学系统的输入输出数据建立了自适应光学系统模型,基于该模型设计了自适应光学系统闭环控制器,对比了激光束在两种下垫面上方传输时的波前畸变特性与自适应光学系统校正的差异。实验结果显示,在同样辐射加热的条件下,沙面上方的空气湍流对激光束波前影响更剧烈;经自适应光学系统校正后,波前传感器点位移方差在盐水情况下减少了28%,而在沙子情况下减少了10%。该研究为在海洋环境中利用闭环自适应光学系统进行光束波前畸变校正的可行性做出了初步探索。     

扩展目标低阶校正自适应光学系统的补偿效果

当自适应光学系统对扩展目标进行低阶模式校正时,系统存在非等晕误差.本文应用大气湍流波前扰动的Zemike多项式分解,推导了扩展目标情况下低阶校正自适应光学系统的模式非等晕误差和波前校正残余误差的关系表达式.在此基础上给出了光波水平大气传输时倾斜校正自适应光学系统波前残余误差的数值计算结果.此外还给出了太阳表面米粒结构低对比度扩展目标倾斜校正后的补偿成像实验结果.     

基于阵列激光导星的自适应光学波前探测数值仿真

为克服当前波前探测技术存在的固有问题,提出了一种基于阵列激光导星（Laser Guide Star,LGS）的自适应光学系统。该系统可以有效消除聚焦非等晕效应的影响从而提高系统的波前探测精度,由此大幅度增大激光导星自适应光学系统的大气湍流探测范围,从而降低自适应光学系统对导星亮度的要求。阐释了该系统的闭环工作过程,并依据其工作过程建立仿真模型,数值仿真了该系统基于阵列激光导星的波前探测过程。最后对重构波前精度进行评估,分析了仿真存在的误差。数值仿真结果显示:该系统的波前重构精度较好,校正残差为11%,初步验证了利用阵列激光导星进行波前探测的可行性。     

不同导星数量和排布情况下地表层自适应光学系统的性能分析

基于频谱滤波理论和经典大气湍流 7 层模型, 通过地表层自适应光学 (GLAO) 系统的理论滤波器模型, 结合 有限导星条件下的误差传递函数 (ETF), 探究了不同导星数量与不同导星排布情况下地表层自适应光学系统的性能。 研究结果表明 6 颗导星呈中心 1 颗、其余 5 颗在视场边缘均匀环形分布时, 系统校正性能较优。该研究结果对正在研 制的一米新真空太阳望远镜多层共轭自适应光学 (MCAO) 系统 (含有 GLAO 系统) 具有重要指导作用和参考价值。     

模型式无波前探测自适应光学系统抗噪能力分析

对于N单元变形镜,模型式无波前探测自适应光学系统只需N+1次远场光斑测量,收敛速度快。使用88单元变形镜、CCD成像器件等建立自适应光学系统仿真平台,分别从理论分析和仿真实验出发探讨模型式无波前探测自适应光学系统在噪声情况下的波前校正性能。结果表明:噪声条件下,基于模型的无波前探测自适应光学系统收敛速度保持不变;相同湍流条件时,不同噪声水平下的校正效果接近。与噪声水平50 dB时的结果相比,按照给定湍流条件从弱到强,噪声水平为30 dB时校正后平均RMS相对误差分别为4.75%、4.04%和2.58%。上述结果验证了基于模型的无波前探测自适应光学系统具有较强的抗噪能力。     

自适应增益的SPGD算法

SPGD算法是一种应用广泛的无波前探测自适应光学控制算法。传统SPGD算法中增益系数保持某一固定值不变,随着变形镜单元数的增加,这将导致算法收敛速度变慢及陷入局部极值的概率增大。Adam优化器是深度学习常用的一种优化随机梯度下降算法,它具有增益系数自适应性调整的特点。将Adam优化器自适应调整增益系数的优势与SPGD算法结合起来用于自适应光学系统控制。分别以32、61、97、127单元变形镜作为波前校正器件,不同湍流强度的波前像差作为校正对象,建立了无波前探测自适应光学系统模型。结果表明,优化后的算法收敛速度更快,而且陷入局部极值的概率降低,并且随着变形镜单元数的增加与湍流强度的增大,算法的优势更加明显。以上研究结果为基于Adam优化的SPGD算法的实际应用提供了理论基础。     

激光钠导引星技术研究进展

望远镜是人类探索宇宙奥秘最重要的科学工具之一。大型地基光学望远镜对天观测时,大气扰动使星光波前畸变导致其实际分辨率大幅下降,是长期困扰高精度天文观测的重大科技问题。因此世界各大望远镜均在竞相发展自适应光学技术,以校正大气造成的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率,这标志着地基光学望远镜正在进入自适应光学望远镜时代。激光钠导引星是用激光激发海拨约90 km电离层中的钠原子产生的人造亮星,作为自适应光学校正的信标源,是自适应光学望远镜的核心技术之一。文中介绍了激光钠导引星技术的原理、方法与国内外发展状况,尤其是该实验室采用的固体激光和频技术,实现了钠D2线光谱匹配和钠层激发匹配的微秒脉冲钠导引星激光,并在国内外大望远镜上使用获得成功。     

一种新的自适应增益盲优化算法提高自由空间光通信性能

由于大气湍流的影响,光束在大气中传输时产生 严重畸变,造成自由空间光(FSO)通信链路 性能恶化。为了提高系 统性能,构建了基于盲优化自适应光学的FSO通信系统,提出了一种新的自适应 增益随机并行梯度下降(SPGD)优化 算法。数值模拟结果表明,本文算法对大气湍流引起的波前误差进行实时补偿,能 够达到 很好的校正效果,比固定增益优化算法具有更好的收敛速度和精度。