[发明专利]一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法

说明书

技术领域

本发明涉及自适应光学技术领域，特别是一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法。

背景技术

自适应光学系统的波前校正能力受到波前传感器测量误差的影响。由于大气湍流波前畸变在空间频率域分布广泛，波前传感器的空间采样率越高，重构出的波前畸变越接近实际。然而，在对扩展目标进行观测时，受到信标(比如黑子或米粒)对比度的影响，空间采样率越高，则子孔径越小，子孔径内图像的对比度越低，波前斜率测量误差越大；在对点源目标进行观测时，空间采样率越高，则子孔径内的信号光越弱，波前斜率的测量噪声越大。因此，根据大气湍流强弱和信标的对比度与亮度选择合适的空间采样率可以有效减小自适应光学系统的测量误差，提升自适应光学系统的波前校正能力。

针对太阳观测中自适应光学系统空间采样率受限的问题，饶长辉等提出一种基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统(饶长辉等，基于复合型夏克-哈特曼波前传感器的太阳自适应光学系统，中国发明专利，2015)。该波前传感器拥有两套微透镜阵列，能够根据不同强度的大气湍流和不同的探测信标，选择相应子孔径数的微透镜阵列进行波前探测与校正；当大气湍流较弱时，使用太阳米粒组织作为探测信标，选择子孔径较少的微透镜阵列像进行波前探测，当大气湍流较强时，使用太阳黑子作为探测信标，此时选择子孔径数较多的微透镜阵列像进行波前探测。在基于四棱锥波前传感器的自适应光学系统中，可以根据观测目标的亮度，对传感器相机的像素进行合并与拆分，从而增加或降低子孔径的数目：当湍流较弱或观测目标较暗时，可以对传感器相机像素进行合并，降低传感器的空间采样率，提升传感器的信噪比；当湍流较强或观测目标较亮时，可以将合并的像素进行拆分，提高传感器的空间采样率。

在复合波前传感自适应光学系统中，使用了高空间采样频率传感器(这里称之为高阶传感器)与低空间采样频率传感器(这里称之为低阶传感器)两套传感器，一套与高阶传感器空间采样率匹配的波前校正器。一般而言，波前校正器的驱动器单元数目n_a与高阶传感器的子孔径数目n_h相当，而高阶传感器的子孔径斜率数目2n_h大于n_a，因此在高阶传感器与波前校正器搭配工作时，通过2n_h数目的子孔径斜率计算自适应光学系统复原电压的方程存在最小二乘解(Jiang Wenhan,Li Huagui,Hartmann-Shack wavefront sensing and wavefront control algorithm,SPIE,1990,1271:8293)。但是在低阶传感器与波前校正器搭配工作时，通常波前校正器的驱动器单元数目n_a不仅大于低阶传感器的子孔径数目n_l，甚至还大于低阶传感器的子孔径斜率数目2n_l。这就导致计算复原电压的方程存在欠定问题，即存在多解的情况。如果随意地选择一个解，则可能导致波前校正器在校正低阶像差时产生低阶传感器无法探测的高阶波前。这个高阶波前在闭环过程中会逐渐积累，导致闭环波前残差变大，甚至不稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出了一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，可以克服复合波前传感自适应光学系统中低阶传感器子孔径数目与变形镜驱动器数目不匹配导致的校正电压欠定的问题，有效防止波前校正器产生低阶波前传感器无法探测的高阶像差，提升系统的稳定性和闭环精度。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种计算复合波前传感自适应光学系统复原电压的方法，当选择高阶波前传感器与波前校正器组成高阶自适应光学系统时，使用直接斜率波前复原矩阵R₀乘以高阶波前传感器测得的波前斜率s₀得到复原电压v；当选择低阶波前传感器与波前校正器组成低阶自适应光学系统时，计算复原电压v有以下步骤：

步骤(1)、利用低阶自适应光学系统的模式重构矩阵W₁乘以低阶波前传感器测得的波前斜率误差s₁得到波前误差系数a₁；

步骤(2)、利用高阶自适应光学系统的模式响应矩阵M₀乘以a₁得到高阶波前传感器在模式系数为a₁的像差下对应的波前斜率s₂；