[发明专利]基于最优像质评价函数的自适应光学轨道角动量光束波前修复方案

权利要求书

1.一种基于最优像质评价函数的自适应光学系统，用于修复OAM光束波前畸变，其特征在于，该系统由探测装置和修复装置组成:

所述探测装置使用像质传感器和像质分析器来实现；所述像质传感器主要包括用来测量成像面上光强分布的光电转换器件以及配套的数据处理与传输设备；所述像质分析器用于计算像质评价函数的数值，得到像质评价函数的瞬态值；

所述修复装置利用变形镜，扰动生成器，梯度估计器，凸透镜和控制器来实现；所述变形镜是自适应光学系统最重要的器件，通过改变镜面面形可以消除大气湍流信道带来的相位畸变；所述扰动生成器是对变形镜的所有控制单元同时施加扰动电压；所述梯度估计器是根据扰动电压进行梯度估计；所述凸透镜将传输光束汇聚到像质传感器；所述控制器用于判断控制梯度下降算法的迭代次数，优化控制电压并驱动变形镜产生形变补偿畸变波前像差。

2.根据权利要求1所述的基于最优像质评价函数的自适应光学系统，其特征在于，所述探测装置包括：

像质传感器，主要包括用来测量成像面上光强分布的光电转换器件以及相应配套的数据处理与传输设备。像质传感器是像清晰化自适应光学系统的关键部件，在一定程度上决定了系统的性能和工作带宽。

像质分析器，像质传感器的测量结果输出到像质分析器用于计算像质评价函数的数值。

3.根据权利要求1所述的基于最优像质评价函数的自适应光学系统，其特征在于，所述修复装置包括：

变形镜，自适应光学系统最重要的器件，在外加电压控制下，通过改变镜面面形，消除大气湍流信道带来的相位畸变，使激光传输系统的光束质量得到改善；

凸透镜，用来将传输光束汇聚到像质传感器；

扰动生成器，对所有的控制变量同时施加随机扰动,改变电压从而引起变形镜形变；

梯度估计器，通过施加扰动的电压，利用像质评价函数值的改变量进行梯度估计；

控制器，用于判断控制梯度下降算法的迭代次数，优化控制电压并驱动变形镜产生形变补偿畸变波前像差。

4.一种基于最优像质评价函数的自适应光学系统，其特征在于，该方法包括：

A.通过大气湍流后，具有相位奇点特性的OAM光束产生波前畸变，变形镜对其进行修复后，像质传感器将测得的数值输出到像质分析器用于计算像质评价函数的数值；

B.修复装置基于梯度算法得到最优像质评价函数，最终利用最优变形镜镜面形貌有效地消除畸变OAM光束波前误差。

5.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A所述探测装置的实现方案包括：

A1、畸变的OAM光束经过用于波前校正的变形镜后，通过像质传感器测量成像面上的光强分布I(x,y)；

A2、所得结果经像质分析器来计算像质评价函数J的数值，J＝∫∫|I(x,y)-I₀(x,y)|²dxdy，其中I₀(x,y)表示OAM光束的初始光强分布，得到像质评价函数J的瞬态值，记为J₁；

A3、根据最优化控制理论，J是施加在变形镜所有校正单元上的控制电压信号u_j的函数，J＝J(u)＝J(u₁,...,u_j,...,u_N)，其中N是变形镜的校正单元数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤B所述修复装置的实现方案包括：

B1、扰动生成器对目标函数J₁的所有控制变量同时施加扰动各个扰动电压的统计特性均满足Bernoulli分布并且各个扰动电压是相互统计独立；

B2、加扰动的电压分两路传送，一路传送到控制器：控制器将扰动电压加在变形镜上，通过像质传感器和像质分析器进行新一轮J值的计算，记为J₂；

B3、另一路传送到梯度估计器：梯度估计器利用直接传送来的扰动电压和加完扰动之后的像质评价函数值之差，即改变量ΔJ＝J₂-J₁，进行电压的更新其中γ_n为第n步迭代计算的步长，σ为扰动电压的方差；

B4、梯度估计器将迭代电压传送到控制器，控制器判断像质评价函数值是否有变小趋势，如果有，则通过变形镜镜面实现基于最优像质评价函数自适应光学对OAM光束进行的波前修复；如没有，则重复上述步骤，直至得到最优控制电压组合。