[发明专利]一种抑制星冕仪系统散斑噪声的波前误差校正系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种星冕仪系统散斑噪声的校正系统及方法。

背景技术

为了避开大气湍流对成像对比度的影响，类地行星的直接成像探测未来将借助空间望远镜实现。空间望远镜的准静态镜面面形误差引起的散斑噪声将是制约成像对比度的主要因素。根据哈勃空间望远镜的主镜面形误差进行计算的结果表明，面形误差引起散斑噪声将比行星亮度高104倍（假设行星和恒星对比度为10-9），必须采取有效措施对散斑噪声进行消除或抑制。自适应光学技术是抑制散斑噪声，使星冕仪实现高对比度成像的关键技术之一。

散斑消零法是常用的一种校正方法，在小像差近似条件下采用基于变形镜的相位差异法测量焦面光场分布，然后用奇异值分解法求解线性方程组计算产生暗洞所需的变形镜致动器电压。但散斑消零法存在以下缺点：1）散斑消零法在实施波前误差的探测和校正时采用了线性近似，算法只在小像差范围内（即满足有效。

散斑消零法对光谱宽度有严格要求，目前的仿真和实结果多数都是在准单色光的条件下获得的。

早期的散斑消零法只采用一个变形镜校正光波的振幅和相位，只能在像面的一个半区内产生非对称的高对比度成像区。空间望远镜的准静态镜面面形误差引起的散斑噪声将是制约成像对比度的主要因素，面形误差引起散斑噪声将比行星亮度高104倍（假设行星和恒星对比度为10-9），必须采取有效措施对散斑噪声进行消除或抑制。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种星冕仪系统散斑噪声的校正系统，通过采用两个变形镜分别对波前振幅误差和波前相位进行校正，从而在像面探测器的暗洞区域实现星冕仪系统的散斑噪声抑制；同时，本发明还提供了一种星冕仪系统散斑噪声的校正方法，通过采用随机梯度下降算法校正波前误差，能够提高星冕仪的成像对比度。

本发明的一种抑制星冕仪系统散斑噪声的波前误差校正系统，星冕仪系统前方放置望远镜光瞳，星冕仪系统后方放置该校正系统，其特征在于，该校正系统包括第一透镜、第一变形镜、第二变形镜、分束镜、第二透镜、像面探测器、第三透镜、第四透镜、振幅探测器以及处理器，其中：

所述第一透镜置于星冕仪系统的后焦面的后方光路中，第一变形镜置于第一透镜的透射光路中，第一透镜用于将从星冕仪系统出射的光线平行投射到所述第一变形镜的反射面上；第二变形镜位于第一变形镜的后方光路中，并且第二变形镜与望远镜的光瞳共轭；第一变形镜对透射光线进行菲涅尔衍射后供第二变形镜进行接收；所述分束镜位于所述第二变形镜的反射光路中，所述第三透镜、第四透镜和振幅探测器依次排列在分束镜的反射光路中，其中第三透镜和第四透镜的组合对从分束镜反射的光束大小进行调整后投射到振幅探测器的接收面上，振幅探测器与第二变形镜共轭，用于探测第二变形镜上的光强分布；所述第二透镜和像面探测器依次位于分束镜的透射光路中，其中第二透镜将从分束镜透射的光线成像在所述像面探测器的接收面上；

所述处理器分别与第一变形镜、第二变形镜、振幅探测器和像面探测器相连：所述处理器根据从振幅探测器接收的光强信息向第一变形镜内的致动器输出控制电压信号，从而驱动第一变形镜对波前振幅误差进行校正；所述处理器根据从像面探测器接收的光强信息向第二变形镜的致动器输出控制电压信号，从而驱动第二变形镜对波前相位误差进行校正，从而使得振幅探测器接收到的光强分布符合其所在的星冕仪系统理想情况下的光强分布，最终在像面探测器的暗洞区域内实现对星冕仪系统散斑噪声的抑制。

本发明的一种抑制星冕仪系统散斑噪声的波前误差校正方法，包括如下步骤：

步骤一、设定评价函数J为第一变形镜和第二变形镜中各个致动器控制矢量u＝(u₁,u₂,...u_j,...,u_N)的函数，其中u_j为第一变形镜或第二变形镜中第j个致动器的控制电压，j∈(1,N)，N为致动器个数；

步骤二、校正系统进行初始化，处理器将第一变形镜和第二变形镜中各个致动器的控制电压设置为最大允许控制电压的中值u⁰；

步骤三、采用随机并行梯度下降法控制第一变形镜的致动器校正波前振幅误差，具体步骤如下：

S300、选择评价函数：

如果星冕仪的理想瞳面光强分布为均匀分布，则采用振幅探测器接收的实际瞳面光强分布I的起伏方差作为评价函数J，即有：J＝<I²>-<I>²；