用Hartmann－Shack波前传感器测量大气湍流特征

建立了一个小型Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前传感器来测量大气扰动特征。通过单子孔径的象移和许多间距不同的子孔径之间的象移差测得的到达角起伏的统计值来计算出Ｆｒｉｅｄ参数ｒ０。本文推导了采用不同孔径参数的实验结果，以及波前斜率的功率谱密度。     

用Hartmann—Shack传感器测量激光束的波前相位

Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ传感器已经用于自适应光学系统。它可以同时探测出一束光的振幅和相位信息。通过一个位置传感器，比如ＣＣＤ，它就可以成为一种对光学系统和光束的静态和动态质量诊断的有力工具。从Ｈ－Ｓ波前传感器的输出（波前斜率和近场强度分布），就可以推算出远场特点，如ＰＳＦ和ＯＦＴ。本文将介绍波前重构的理论分析和远场特征评估。同时也给出了光束质量的静态和动态的测量结果。     

用Hartmann－Shack传感器测量激光束的波前相位

Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ传感器已经用于自适应光学系统。它可以同时探测出一束光的振幅和相位信息。通过一个位置传感器，比如ＣＣＤ，它就可以成为一种对光学系统和光束的静态和动态质量诊断的有力工具。从Ｈ－Ｓ波前传感器的输出（波前斜率和近场强度分布），就可以推算出远场特点，如ＰＳＦ和ＯＴＦ。本文将介绍波前重构的理论分析和远场特征评估。同时也给出了光束质量的静态和动态的测量结果。     

受大气湍流影响的光学波前模拟

大气湍流对光学波前的影响可以用Ｚｅｒｎｉｋｅ模式分析，由于Ｚｅｒｎｉｋｅ模式并非统计独立，需要转而寻找一种称为Ｋａｒｈｕｎｅｎ－Ｌｏｅｖｅ（简称Ｋ－Ｌ）函数的系数，它们统计独立，而且可以展开为Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式的形式。本文介绍的就是用Ｋ－Ｌ函数构造随机波前的原理和仿真构造尝试。     

提高Hartmann波前传感器质心探测精度的阈值方法

详细地讨论了Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器质探测的误差来源。主要讨论了光量子起伏、ＣＣＤ的背影电子噪声引起的质心探测误差，并对采样阈值对Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传感器质心探测精度的影响进行了分析。本文对Ｈａｒｔｍａｎｎ波前传器的经设计以及实际操作提供了一定的理论依据。     

H-S波前传感器在测量光束质量因子M 2中的应用

仿真研究了H－S测量M^2因子等光束质量指标的全过程和可行性。结果表明，由H－S测量的圆形光束的M^2因子值与原始光束的M^2因子值基本相当，有很好的一致性。由此认为，H-2S除了可以评价远场测量系统探测得到的光斑的各种量，比如PSF，OTF，衍射极限，环围能量等远场特性，而且还可以从M^2因子来说明光束质量的特性。     

微透镜阵列对Hartmann—Shack波前探测器探测精度的影响

微透镜阵列是Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前探测器的核心元件之一。本文从理论上分析了微透镜阵列的性能对Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前探测器的波前探测精度的影响，并根据理论分析进行了一系列实验，得到了有益的结果。     

H—S法波前探测的高速图象采集系统

自适应光学系统中有两种方法用于测定波前的局部斜率：剪切干涉测量法和哈特曼法（以下简称Ｈ－Ｓ法）。由于Ｈ－Ｓ法运用较简单的光学系统，无需任何活动组件，具有较高的光效率，并能很好地用于探测器阵列，因此它更普遍地用于自适应光学系统中。本文介绍了一种应用于Ｈ－Ｓ法波前探测的高速图象采集系统，提出了应用本图象采集系统解决高帧频探测器阵列与数据处理机之间的同步协调的方法。     

对Hartmann-Shack波前传感器平移误差的研究

Hartmann—Shack传感器的探测精度对于评价自适应光学系统的校正能力和光学检测精度都是十分重要的。通过对传感器的平移误差的理论分析和数据仿真来对传感器的系统精度进行研究，确定平移误差的最佳范围为残余像差与理论像差的均方根比值不大于0．5％。这为Hartmann—Shack传感器的装配提供了理论依据和技术指标。     

用于21单元H—S波前传感器的自适应光学波前信号处理机

需要处理的数据量大要求处理的速度快，是应用于Ｈ－Ｓ波前传感器的自适应光以前信号处理机的主要特点。本文完成了利用ＴＭＳ３２０Ｃ２５作为处理器，应用于２１单元Ｈ－Ｓ波前传感器的实时波前信号处理的研制。该系统完成对Ｈ－Ｓ波前传感器输出的高帧频图象信号的采集、处理、并计算出波前校正所需的控制信号，处理速度不低于２５０帧／秒。     

H—S波前传感器时域采样频率对探测误差的影响

波前传感器是自适应光学系统的重要组成部分。讨论了Ｈａｒｔｍａｎｎ－０Ｓｈａｃｋ－（Ｈ－Ｓ）波前传感顺的采样频率对探测误差的影响，理论分析结果说明，时域采样频率引入的探测误差Ｈ－Ｓ波前传感器的重要误差源，其大小随时域采样频率的增大而下降。     

动态波前相位的高分辨率测量

动态波前相位信息测量是大气光学，气动光学和激光技术等领域的重要实验手段。提出了一种具有高的时间和空间分辨率以及长的测量持续时间的动态波前相位测量方法。应用Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前传感器获得高空间分辨率的相位信息，采用高帧频ＣＣＤ摄象机获得高时间分辨率图象数据。     

波前传感器子孔径数和信标亮度的匹配

针对云南天文台１．２ｍ望远镜上的６１单元高分辨率自自应光学系统，进行了微光工作环境下波前传感器子孔径数和信标亮度匹配的实验研究。在Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ波前传感器前的平行光路加入一个变倍光学系统，进行了８＊８、６＊６、４＊４和２＊２子孔径阵列在不同信标亮下波前感器对波前的探测实验。     

一种Hartmann-Shack波前传感器图像的自适应阈值选取方法

在Hartmann-Shack波前传感器中，图像阈值的选取对质心探测精度有效大的影响。根据模式识别理论，提出一种适用于Hartmann-Shack波前传感器图像阈值选取的新方法——基于类别方差的自适应门限方法。实验结果表明，本方法在Hartmann-Shack波前传感器图像信噪比大于3时，能够比较有效地自动选取每帧图像的阈值。     

利用Zernike多项式对湍流波前进行波前重构

分析了利用Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式进行波前重构时模式耦合与混淆产生的原因，以及模式耦合与混淆对受大气湍流影响的光学波前进行波前重构的精度和稳定性的影响。取除去平移的前６５项Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式构造湍流波前。针对６１单元自适应光学系统的波前传感器子孔径布局进行仿真，通过比较Ｎｓ不同取值时的湍流波前重构精度和稳定性，得出了该条件下Ｎｓ的最佳取值。     

基于哈特曼传感器的激光波前分布测量技术

激光波前分布作为ISO新列入的衡量激光光束质量的重要参数,对其有效、准确地测量显得十分重要.根据哈特曼波前测量原理,详细介绍了基于哈特曼传感器的激光波前分布测量装置、哈特曼传感器波前斜率测量方法和常用波前重构算法,引入一种定标哈特曼传感器针孔阵列与CCD间距的方法,分析定标实验数据及使用已定标的哈特曼波前分析仪测量波前的实验结果.实验证明定标方法可靠有效.     

热风式大气湍流模拟装置的哈特曼测量

大气湍流是由于大气温度、压强的随机变化引起大气折射率随机改变而产生的。遵循这一原理,热风式湍流模拟装置对传输光束周围的空气加热,用风扇抽吸热空气产生湍流,通过改变加热温度和风扇的转速,模拟不同强弱的湍流。用哈特曼传感器对该装置进行测量并采集数据,通过波前斜率处理复原波前,在此基础上从时间域和空间域等方面分析所产生湍流的特点,并与理论进行比较。结果表明,该装置能产生基本符合大气湍流统计理论的湍流。     

波前斜率探测的线性预防方法

由于自适应光学技术校正大气湍流有一定的延迟时间，这将降低系统的校正性能，主要表现为波前斜率探测的采样率不足，使得系统的带宽有限而不能补偿有定功率谱的湍流大气。研究了两种工作方式下的线笥预防方法，结果显示，如果采用线性预防方法，在同样的延时条件下，可以减小波前斜率的ＭＳＥ误差（由延时引起）约３０％。     

大气湍流畸变波前斜率的稀疏分解

利用压缩感知技术对大气湍流波前探测数据进行压缩,可使测量数据量大幅度减少,能有效降低数据的传输与存储压力,有利于湍流波前的实时测量;但压缩条件要求波前信号是稀疏的或在某个变换域内能够稀疏表示。本文对大气湍流波前斜率信号的稀疏性进行了初步研究,基于大气湍流的统计特性,在频域内对湍流功率谱作黄金分割采样(GS),建立符合大气湍流斜率物理特征的稀疏基,明确了湍流波前斜率的稀疏性。利用该GS稀疏基对波前斜率进行稀疏分解,并通过仿真实验对比了不同稀疏基对波前斜率的稀疏分解效果。在此基础上,以GS基作为训练基的初始化字典,进行K奇异值分解字典训练(KSVD),得到训练基(KSVD-GS),分析了该训练基对波前斜率信号的稀疏表示性能。本文验证了波前斜率能够稀疏分解,建立了一个较好的稀疏基,为压缩感知的应用提供了前提基础。

     

自适应光学系统中变形镜和波前传感器共轭位置要求的分析

通过对几何光学和物理光学模型的数值计算,分析了自适应光学系统中小像差畸变波前在空间自由传播时自身的变化情况,进而给出了系统中对变形镜和波前探测器与被校正瞳面之间共轭位置关系的要求和允许范围.结果表明,波前自由传播时的变化程度决定于像差自身的类型和大小、光束的口径以及传播的距离,大口径小像差波前近距离传播时波前变化误差很小.一般来说,变形镜和波前传感器偏离被校正瞳面共轭位置距离满足菲涅尔数大于1000时,对系统校正效果的影响可以忽略.实际应用中,应该根据校正对象的特征来具体计算波前误差随传播距离的变化,从而设计波前传感器和变形镜的位置,以及选择使用4F光学系统.本文的分析可以为自适应光学系统的整体光路设计提供一定理论参考.