[发明专利]一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法

说明书

本发明公开了一种基于完整二阶系统响应的DM‑SHWS建模方法，该方法基于变形镜非线性响应的特性，构建了自适应光学系统的完整二阶系统响应模型，表征了由变形镜指令到夏克哈特曼波前传感器光斑点偏移量的转换关系；使用自适应光学系统实验测试数据进行模型校准，并给出了常数项的噪声均衡方法。考虑到传统自适应光学系统模型精确度受限，本模型包括变形镜指令的二阶、一阶和常数项。完整二阶系统响应模型表现出与实际偏移量更好的拟合结果，对随机指令偏移量误差占比小于10％的准确率高于95％。本发明的完整二阶系统响应模型具备有效性和准确性，对于自适应光学波前校正的激光通信、激光雷达领域具有重要意义。

技术领域

本发明涉及激光通信、激光雷达领域，尤其涉及一种自由空间激光通信、激光雷达系统中用于大气湍流矫正的基于完整二阶系统响应的DM-SHWS(变形镜-夏克哈特曼波前传感器)建模方法。

背景技术

激光技术具有高符号速率，频带资源丰富，高安全性的优点：应用于无线通信领域，可实现超高速千兆位以上大容量无线通信；应用于雷达领域，可实现高精度距离测量。而激光信号受到大气湿度、温度、风速等环境因素的影响，光信号受到强度和相位扰动，严重降低了传输光束的信号质量，导致通信和雷达系统性能下降。

自适应光学技术是一种在光学接收路径中加入可产生与畸变相位共轭的校正模块，从而抑制大气湍流效应，改进光学子系统性能的技术。空间自适应光学技术的出现，将有效改善激光传输信道大气湍流效应引起的接收光束相位和幅值畸变问题，在激光通信、激光雷达领域具有巨大的工程应用价值和前景。

变形镜(Deformable Mirror,DM)和夏克哈特曼波前传感器(Shack-HartmannWavefront Sensor,SHWS)是自适应光学系统中最关键的两个器件，两者结合组成了最常见的闭环自适应校正系统之一，系统简易架构如图3所示，具备体积小，磁滞效应低，精度高等优点。当处于理想状态时，入射光束通过微透镜聚焦在电荷耦合器件(Charge CoupledDevice,CCD)相机平面上形成二维光斑阵列，每个光斑点位于子孔径的中心，并且该位置被设定为参考位置。当输入光束携带畸变相差时，光斑点较于参考位置发生偏移，可以测量得到x和y坐标的偏移量并传输至控制器，其原理如图4所示。控制器将配置变形镜构造与输入畸变相差光学共轭的反射平面来校正相差，产生大小相等，方向相反的偏移量使光斑点回至参考位置。如果无法正确实施自适应光学补偿，那么激光通信系统的性能将大大下降。因此，建立光斑点偏移量和变形镜配置指令之间的转换模型对于自适应光学系统的实施至关重要。

发明内容

本发明的目的是区别于传统自适应光学系统建模方法，提供一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法，在光斑点偏移量与变形镜指令平方项相关的转换关系的基础上，在模型内引入一阶和常数项，并用实验数据拟合校准方法获得模型内的相关系数。本模型用于表征变形镜的响应特性，展现出更好的拟合特性和误差抵抗能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法，包括以下步骤：

(1)建立自适应光学系统的DM-SHWS完整二阶系统响应模型：

P＝[P₁,P₂,…,P_M]

其中，P表示完整二阶系统响应模型，P_j表示第j个电极通道的响应函数，M表示变形镜的通道数，N表示光斑点数，a_i,j,b_i,j,c_i,j分别表示二阶、一阶和常数项系数，下标i、j分别表示光斑点偏移量和电极通道的编号；

模型多电极通道系统响应矩阵P是每个单电机通道响应函数的组合，所有通道耦合组合在一起可形成固定边界内地反射镜表面形状地整体调制。