光子计数型Shack-Hartmann波前探测器研究

波前探测器是自适应光学系统的一个关键部分,用来探测由于大气湍流引起的入射光波前畸变。本文通过分析和比较,选用ICCD形式的Shack-Hartmann波前探测器,作为人造信标自适应光学系统的波前探测器。理论分析与实验结果表明:探测器的动态范围与微透镜口径、焦距及探测器工作波长有关;影响探测器波前探测精度的因素有光量子起伏噪声、探测器读出噪声和探测器中光学系统成像质量。     

基于ADSP-TS101的实时波前处理技术研究

分析了TI和AD公司DSP的优缺点，将ADSP-TS101应用于自适应光学系统实时波前处理．搭建了实验平台。实验结果表明，ADSP-TS101可以进一步提高波前处理的实时性。     

光子计数探测器感应位敏阳极的电子云扩散

针对基于感应位敏阳极的光子计数成像探测器中非晶态Ge（α-Ge）膜的方块电阻对探测器成像性能的影响,研究了方块电阻的选配范围和方法。由于方块电阻的大小会影响Ge膜上的电子云的扩散特性从而影响探测器的计数率和分辨率,故本文根据菲克（Fick）扩散定律分析了吸收边界条件下非晶态薄膜上电子云的扩散特性。确定了电子云扩散时间与Ge膜方块电阻之间的数学关系,推导获得了探测器高质量成像时非晶态Ge膜方块电阻的阻值为30~2700MΩ/□。采用具有不同方块电阻的感应位敏阳极进行了实际成像实验,结果表明：当Ge膜方块电阻在上述范围时,光子计数探测器在计数率为53kc/s时分辨率可以达到0.5mm。实验结果证明了推导得出的方块电阻选配范围的正确性。     

基于双ADSP-TS201的波前信号处理试验平台设计

在分析波前信号处理算法特点后,介绍了ADI公司的高性能处理器ADSP-TS201结构和性能,以两片ADSP-TS201芯片为核心设计了用于波前实时信号处理的自适应光学波前信号处理系统,为自适应光学技术的发展提供技术支持.     

液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正研究

目的:本文对一个用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统的性能进行测试和研究。方法:沙克-哈特曼波前探测器,高分辨率的液晶空间光调制器分别被用来探测和校正人眼的畸变波前。结果:对近视500度的人眼进行自适应校正后校正精度达到波前残差的均方根误差为0.013个波长（=0.808nm）。眼底原来模糊的细胞可以被清晰分辨。结论:液晶空间光调制器可以有效校正人眼畸变波前,达到提高成像质量的目的。     

基于光子计数激光雷达的时域去噪

激光雷达传统的成像方法需要经过长时间积分探测生成光子计数统计直方图的方式来减少背景噪声的影响,获得目标场景的深度估计信息。为了快速准确地获取目标场景的3D图像,提出基于光子计数激光雷达的三维距离图像时域去噪算法。该算法不需要生成光子计数统计直方图,利用信号和噪声在时间轴上不同的分布特性,结合了泊松过程统计规律。此算法提高了信号的探测概率,能够在低信噪比的环境下将信号和噪声分离,获得目标场景准确的3D图像。实验结果表明在低信噪比的条件下,此算法获得深度图像的RMSE与传统基于最大似然估计成像方法相比成像精度至少提高了3倍。有利于激光雷达三维成像在高背景噪声环境下的使用,拓宽了激光雷达的应用范围。     

自适应光学系统波前处理技术

自适应光学是基于随机扰动理论、光波前重构理论的一个新兴光学分支,是光学、机械、微电子技术相互渗透、交叉的前沿学科。自适应光学系统核心器件之一的波前处理器研究,受到广泛重视。文章分析了自适应光学系统及波前传感技术．并对影响波前处理器性能的主要因素进行了研究。     

液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正

基于液晶空间光调制器波前调制量大,像素密度高,驱动电压低等优点,用液晶空间光调制器作为校正眼像差的关键元件,研制了用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统.介绍了液晶空间光调制器的波前调制原理,利用ZYGO干涉仪测定了位相调制和灰度级的关系曲线.分别用Hartman-Shack波前探测器和高分辨率液晶空间光调制器探测和校正人眼的波前畸变,对近视5 m~(-1) (500度)的人眼进行了自适应校正实验.校正后,系统的波前误差为0.086λ PV和0.013λ RMS, 达到了系统的衍射极限,并可清晰地分辨眼底原来模糊的细胞.实验结果表明,液晶空间光调制器可以有效校正畸变波前,达到提高成像质量的目的.     

基于FPGA的自适应光学波前处理算法

针对自适应光学系统对波前处理计算量和实时性要求的提高,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的自适应光学系统波前处理算法。该算法利用核心处理模块重复利用的方式完成波前斜率计算,利用矩阵与向量相乘的可分解性完成波前复原计算。在像素时钟的同步下,完成整个波前处理,给出促动器所需的促动量。以一片Virtex-4LX80FPGA作为主核心处理芯片进行了实验验证,结果表明:该算法可降低50%的硬件资源,提高了系统波前处理能力;另外,算法可实现在当前帧结束前完成整个波前处理运算,提高了系统的波前处理速度和整个自适应光学系统的控制带宽。在室内的Shack-Hartmann波前传感器的的自适应光学系统上进行了激光光源的校正实验,结果显示光源能力集中度有了明显的提高。     

基于液晶的波前校正器

波前校正是自适应光学的核心内容。基于液晶的波前校正器以其高分辨率,低功耗而引起越来越广泛的重视。本文主要介绍了液晶波前校正器的结构、基本原理、光学调制特性及其应用。     

自适应光学系统波前处理算法的优化

考虑自适应光学系统对波前处理计算量和实时性的要求,对原有基于块运算的波前处理算法进行了改进和优化,提出了一种自适应光学系统波前处理算法。该算法基于重复利用核心模块的方式完成波前斜率计算,利用矩阵与向量相乘的可分解性完成波前复原计算。在像素时钟的同步下,完成整个波前处理运算,给出促动器所需的促动量。采用一片Virtex-4LX80现场可编程门阵列（FPGA）作为核心处理芯片进行了实验,结果表明该算法对于同样规模的自适应光学系统可降低约为50%的硬件资源,提高了系统的波前处理规模;与原算法帧同步结束后有338μs的计算延时相比,本文提出的算法可在帧同步结束前完成整个波前处理的运算,提高了自适应光学系统的控制带宽。利用改进后的算法在原系统上进行了室内的光源校正实验,取得了很好的效果。     

钙钛矿晶体高性能γ射线光子计数探测器

射线光子计数探测在医疗诊断、航天和环境监测等领域有重要的应用。钙钛矿是一种新型的光电材料,它对γ射线光子具有优秀的吸收和光电转换特性。本文以高品质钙钛矿晶体作为γ射线光子吸收体,利用溶液外延掺杂的方法生长钙钛矿晶体半导体结。通过调控晶体杂质浓度,使钙钛矿本征层获得很高的电位降落,并利用超厚的本征层充分吸收γ射线光子;通过本征层两侧的p型和n型薄层建立适当的阻挡势垒,抑制暗态载流子的注入,从而降低探测器的暗电流和噪声。研究结果表明,通过溶液法外延掺杂制备钙钛矿晶体γ射线光子计数探测器,可以明显抑制γ光子探测噪声和暗电流,具有较高的γ光子能量以及同位素源活度的识别能力。     

楔条形阳极光子计数探测器成像性能的检测

基于楔条形位置灵敏阳极的光子计数成像探测器能够记录入射的单光子或带电粒子两维位置图像。它们在生化科学、空间探测科学、分析仪器等领域有着应用广泛。本文首先详细描述了我们研制的一套WSA光子计数成像探测器样机的设计结构及工作原理;分析了这类探测器的图像畸变产生的原因,提出了校正图象畸变的方法,并得了无畸变的图像;然后我们以美国空军标准分辨率检测板(USAF1951)为目标进行了检测,采集的检测图像显示人的裸眼能分辨出检测板的第2组第6单元条纹。最后,为了消除人眼观测的主观性,我们通过计算探测器对该单元条纹的成像调制度来确保检测结果的准确性。计算结果为：探测器对该单元条纹的水平、垂直方向成像调制度分别为57%、37%。这一结果表明我们的探测器完全能够分辨该单元条纹,对应的分辨率为7.13linepair/mm,即探测器空间分辨率达到了0.14mm。     

Ge薄膜性能及其在光子计数成像探测器中的应用

为改善光子计数成像探测器电荷感应层的性能,提高光子计数成像系统的成像质量,分别用直流磁控溅射法（DC）与射频磁控溅射法（RF）制备了不同厚度的Ge薄膜。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、表面轮廓仪、四探针表面电阻测试仪对两种方法所制备的薄膜进行了结构特征与电学性能的表征。结果表明：两种方法所制备的薄膜均为非晶态结构,DC制备的Ge薄膜比RF制备的Ge薄膜稀疏,其不同膜厚下的电阻率均大于RF所制备的薄膜。实验显示,薄膜越厚其电学性能受氧化影响越小,电学性能越稳定。实验对比了不同方阻下Ge薄膜应用于探测器的成像性能,结果表明：方阻在百兆级范围内时成像效果较好,且方阻变化时成像效果变化不大,但方阻大到2GΩ/□时会导致系统分辨率下降。     

机动式车载自适应光学波前处理器的设计

为满足机动式车载自适应光学系统的需求,设计了专用的波前处理器。该波前处理器采用波前处理主板、波前处理子板和DA转化板相结合的硬件架构,由光纤作为通信载体。在满足功能需求的同时提高了系统的可靠性;波前处理器是自适应光学系统闭环控制的运算中心,其运算延时直接影响系统的控制带宽。本文提出一种基于FPGA的多线流水自适应光学实时波前处理方法,实现了波前斜率计算、复原运算和控制运算。结果表明:对于两级精密跟踪,97个子孔径以及97单元变形镜的自适应光学系统,系统处理延时为506.25μs,满足系统1 500Hz的实时波前处理需求。     

961单元自适应光学系统波前处理器

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理器在输出规模、处理速度和控制带宽方面的要求,研制了千单元级自适应光学系统。设计了一种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合,输出规模最大可达1200单元的自适应光学系统波前处理器。采用大规模逻辑器件作核心处理芯片,用多线并行流水算法缩短波前处理延时,提高系统控制带宽。对设计完成的波前处理器进行了基于961单元变形镜的开环展平实验以及基于137单元变形镜的闭环校正实验。实验结果显示：系统最高采样帧频为2000frame/s时,波前运算延时为20.96μs,表明文中提出的硬件扩展和多路并行流水算法对于大规模自适应光学系统波前处理可行且有效。     

基于贝叶斯自适应估计的光子计数集成成像

针对光子数极少环境下三维目标的重构问题,基于光子计数集成成像系统提出了一种贝叶斯自适应估计方法,来提高三维目标深度切片的重构质量。首先,通过光子计数集成成像系统获得一系列光子计数元素图像。接着,从光子计数过程的泊松分布出发,利用集成成像系统中对于同一个目标像素的多次采样特性,引入了局部自适应均值因子,从而建立起元素图像像素光子数估计的单参数后验概率模型。最后,通过后验概率模型的均值计算获得更新后的光子计数元素图像,并基于光束可逆原理重构出深度切片图像。实验结果表明:采用该方法在场景的两个深度处重构的切片图像相比传统贝叶斯重构图像的峰值信噪比提高了7.4dB和8.5dB,极大地提升了微弱光三维目标的重构质量。     

基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题,采用了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布（Projected Pupil Plane Pattern,PPPP）,并通过实验室实验验证了该技术的可行性。PPPP基于TIE光强传输公式,根据不同传输距离下光强分布的变化反解出大气湍流引起的波前畸变。由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射,其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致,因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。实验模拟了1 m口径的地基望远镜作为上行激光发射装置和后向散射光斑成像设备,通过等效高度分别为10 km和17 km的上行激光后向散射光斑图像来实现对10 km以下大气湍流的波前探测。实验采用的波前畸变模拟装置包括空间光调制器和透明塑料片,实验结果表明,对不同的波前畸变PPPP和通用的夏克-哈特曼波前探测器可以实现相似的波前重构,两者重构相位的残差约为初始相位的30%。     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。