[发明专利]基于像清晰化原理的自适应光学星体目标成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种自适应光学成像系统，特别是一种不需要波前相位探测器，低成本，基于像清晰化原理的自适应光学星体目标成像系统。

背景技术

大气湍流的动态扰动不仅使望远镜所观测到的星体目标不断抖动，而且还不断改变成像光斑的形状，因此，大气湍流成为限制地面望远镜分辨能力的重要因素。自适应光学技术能够实时测量并且校正受到大气湍流扰动的光学相位波前，使接收光学望远镜能够获得接近衍射极限的目标像，因此自从20世纪80年代以来，自适应光学技术在天文观测，激光传输等领域就得到广泛的应用。一个典型的用于星体目标成像补偿的自适应光学系统包括波前探测、波前重构和波前校正三部分组成，其中波前探测器最常利用的是哈特曼波前传感器，如中国科学院光电技术研究所的61单元星体成像补偿系统，美国林肯实验室的SWAT系统，以及欧洲的Come-On系统都采用哈特曼波前传感器。但是，哈特曼波前传感器，通常采用微透镜阵列分割光束孔径，并将入射光聚焦到光电探测器(通常为CCD)的光敏靶面，或者通过一转像系统将微透镜的焦面光斑图象成像于光电探测器光敏靶面。这类哈特曼传感器的有以下缺点：微透镜阵列与CCD的耦合技术比较复杂，微透镜阵列的微透镜单元的焦距误差不一致会影响传感器精度，光子利用率和量子效率较低，因此难以对非常暗的天体目标进行有效的成像；测量前，必须用平行光束对哈特曼波前传感器进行定标，在系统中，必须保证哈特曼波前传感器子孔径布局与变形镜驱动器布局按照一定关系对应，否则会影响到控制算法乃至整个控制系统的稳定性，这也带来了调试难困难。更不能忽视的是，用于天文观测的高精度的哈特曼波前传感器的价格相当昂贵，而且哈特曼波前传感器的通用性很差，不同的星体成像自适应光学系统常需要不同的哈特曼传感器，很难批量化生产。

另外，在大气湍流特别严重的条件下使用这种典型自适应光学系统进行星体成像时，星体目标就不能再视为点目标，而必须作为扩展目标看待，因此，从星体目标来的光并不能等效为来自同一个点，而是来自一个个不同的区域。这些小区域可分别视为一个等晕区，所以从星体来的光束就会经历不同的大气湍流区域，因此所经受的波前相位和幅度畸变就会不同。然而，我们利用哈特曼波前传感器测量的却是这些具有不同点扩散函数的光束的集合，控制变形镜产生一个与这些光束的波前相位共轭的波前相位，补偿整体相位畸变。这种方式由于没有直接针对来自星体目标不同等晕区的光波分别进行共轭处理，难以得到接近衍射极限的星体目标像。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有的典型的星体目标成像补偿自适应光学系统价格昂贵，调试困难，在强的大气湍流背景下受非等晕误差影响严重，以及难以在弱光条件下对星体目标有效探测和成像的缺点，提供了一种调试方便，低成本，能有效消除信标非等晕误差，并且在弱光条件下也能对星体有效探测和成像的基于像清晰化原理的自适应光学星体目标成像系统。

本发明的技术解决方案是：基于像清晰化原理的自适应光学星体目标成像系统，主要包括：接收望远镜系统、反射变形镜、分光镜、高速数字处理机、高压放大器、主控计算机、雪崩二级光管、像增强CCD相机，从星体目标来的光经过接收望远镜系统的主镜和次镜后，再被目镜变成平行或接近平行的光线，这束光线经过反射变形镜后，入射到分光镜上被分成两束，一束被透镜聚焦并入射到放置在透镜焦平面像增强CCD相机上，再经主控计算机内置的图像采集系统把像增强CCD相机上探测的图像信息传输到主控计算机上，供观测监控；另一束被聚焦透镜汇聚在其焦平面的雪崩二级光管上，把雪崩二级光管探测到的光子信号作为内置在高速数字处理机的控制算法要优化的目标函数，按照最大化目标函数的原则，高速数字处理机执行遗传控制算法，最后高压放大器把经过高速数字处理机迭代运算得到的最优的多路电压信号施加到反射变形镜上的各个驱动器上，控制反射变形镜产生与来自星体目标的光束波前共轭的波前，校正掉星体目标的光束波前的各种像差，此时在主控计算机监视器上就能够得到清晰的星体目标图像。

所述的遗传控制算法为一种具有全局寻优能力的遗传算法，实现如下：

(1)首先随机生成包含一定数量个体的种群(个体数量30-100)，本发明中每个个体分别对应作为谐振腔端镜的变形镜的一个面形，变形镜面形由变形镜后面驱动器上施加的电压值决定；

(2)初始化种群后，需要对种群中个体进行编码操作，编码可以通过二进制编码，也可以通过实数编码，编码后的个体称之为染色体。本发明采用实数编码的编码方式；