一種基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)光學(xué)控制方法，特別是一種基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自適應(yīng)光學(xué)控制方法是自適應(yīng)光學(xué)實現(xiàn)高精度波前控制的關(guān)鍵，對自適應(yīng)光學(xué)控 制方法的研宄一直以來都是一個熱門的話題。目前對自適應(yīng)光學(xué)控制方法的研宄上主要集 中在：常規(guī)的直接斜率法，模式控制方法，預(yù)測控制方法等，每一種控制方法對應(yīng)著一種控 制場景，本發(fā)明專注在部分子孔徑缺光條件下，以及波前傳感器無法探測的外圍驅(qū)動器的 自適應(yīng)光學(xué)控制。
[0003] 在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)缺光模式下的控制，一般考慮的是模式控制方法，因為這種控 制方法可以容忍部分子孔徑缺光，但是，帶來的問題是校正能力的損失。
[0004] 國內(nèi)外同行針對上述矛盾的解決方法是：采用局部平均的方法，即對于因缺光而 無法控制的驅(qū)動器，采樣臨近驅(qū)動器電壓求和取平均的方法進(jìn)行替換，或者是將其置零；
[0005] 這些做法雖然在一定程度上能夠解決缺光問題，但是，可以肯定的是閉環(huán)控制效 果必然下降，這是因為：一方面，采用局部平均的方法僅參考了周圍驅(qū)動器電壓，而缺光的 原因必然導(dǎo)致周圍驅(qū)動器也誤差較大，由此計算獲得的平均電壓誤差也是較大的；另一方 面，對于周圍驅(qū)動器電壓均無法參考的情況不能進(jìn)一步解決。電壓置零其誤差將更大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對上述問題困難和矛盾，提供一種高精度的自適應(yīng) 光學(xué)控制方法。本方法利用模式方法對部分驅(qū)動器電壓進(jìn)行控制，既能保持其他驅(qū)動器高 精度的閉環(huán)，同時能夠獲得模式閉環(huán)的穩(wěn)定性和精度。
[0007] 基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法，由模式分解模塊1和驅(qū)動器電壓替換模塊 2組成。該方法的工作原理是：模式分解模塊1對從自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器輸出的波前分 布數(shù)據(jù)進(jìn)行模式分解，分解過程采用最小二乘求解法，求取各階模式的系數(shù)A i, i = 1~N， N為模式階數(shù)，N為大于0的正整數(shù)；然后，變形鏡驅(qū)動器電壓匕.=之為* j=l~M，M ? = 1 為驅(qū)動器總數(shù)，M為大于0的正整數(shù)，k為采用模式的階數(shù)，F(xiàn)k為第k階模式對應(yīng)的電壓分 布，'為第j個驅(qū)動器電壓輸出。驅(qū)動器電壓替換模塊2判斷每個驅(qū)動器控制電壓^在常 規(guī)控制方法下的電壓輸出是否需要替換，判斷標(biāo)準(zhǔn)為：閾值法（即計算周圍臨近驅(qū)動器電 壓平均值，如果該驅(qū)動器電壓絕對值大于平均值的3倍，則認(rèn)為該驅(qū)動器需要進(jìn)行替換）， 或，預(yù)先指定（人工指定該驅(qū)動器必須進(jìn)行替換處理），而后對選中的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行模式電 壓替換。
[0008] 所述的模式分解方法是Zernike模式分解或變形鏡本征模式。
[0009] 所述的各階模式電壓分布，采用理想變形鏡影響函數(shù)或?qū)崪y影響函數(shù)，通過最小 二乘的方法求取，具體求取過程可以描述如下：？」〇1)=(正8"*11，」_ = 1~111 = 1~]\1 其中，h(n)為第j階模式的電壓分布，η為變形鏡驅(qū)動器標(biāo)號，IFs為變形鏡M個影響函數(shù) 圖像分布組成的矩陣（即將大小為K*L的圖像變成一維，長度為K*L的數(shù)據(jù)，再將M個一維 的影響函數(shù)圖像組成一個大矩陣，行為M，列為K*L)，（Γ 1為矩陣的廣義逆，為第j模式的 一維圖像分布（即將大小為K*L的圖像變成行長度為K*L的一維數(shù)據(jù)）。
[0010] 所述的常規(guī)控制方法下的電壓輸出是指利用直接斜率法獲得的電壓。
[0011] 本發(fā)明的原理是：
[0012] a、在獲得波前傳感器波前分布后，自適應(yīng)光學(xué)可以通過模式控制方法進(jìn)行閉環(huán)校 正，但是閉環(huán)校正效果較直接斜率法差；
[0013] b、針對同一個輸入波前數(shù)據(jù)，在模式法的模式階數(shù)足夠條件下，模式法與其他控 制方法（如直接斜率法）應(yīng)具有一致的求解結(jié)果，當(dāng)模式階數(shù)較小時，模式法將損失對高階 像差的校正能力，但是獲得更好的穩(wěn)定性和控制波面的連續(xù)性；
[0014] c、利用模式法的控制特點(diǎn)，對于缺光區(qū)域驅(qū)動器的控制采用模式法，其他區(qū)域采 用直接斜率法等高精度控制方法，確保對整個輸入波前的完整校正，從而獲得高精度的波 前控制效果。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] (1)本發(fā)明采用模式法對缺光區(qū)域驅(qū)動器進(jìn)行控制，是一種全局求解局部驅(qū)動器 電壓的控制方法，能夠減少傳統(tǒng)局部求解局部驅(qū)動器電壓所帶來誤差，同時提高穩(wěn)定性；
[0017] (2)本發(fā)明求解缺光區(qū)域驅(qū)動器電壓過程和直接斜率法等求解電壓過程是相互獨(dú) 立的，可以利用多核DSP或者CPU進(jìn)行并行處理，因此不會造成額外的時間開銷；
[0018] (3)本發(fā)明可以對外圍驅(qū)動器或中心孔徑驅(qū)動器進(jìn)行控制，通常情況下，這些驅(qū)動 器可能會因輸入光束口徑和中心遮攔而無法獲得控制信息，增加對上述驅(qū)動器的控制可以 進(jìn)一步提高自適應(yīng)光學(xué)的校正效果。
【附圖說明】
[0019] 圖1為基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法；
[0020] 圖2為基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法閉環(huán)控制效果；
[0021] 圖3為對無光區(qū)域變形鏡驅(qū)動器采取置零控制效果；
[0022] 圖4本發(fā)明的方法流程框圖。
【具體實施方式】
[0023] 如圖1所示，以一套265單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)為例，并采用21階的模式分解方法。 模式分解模塊2對從自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器1輸出的波前分布數(shù)據(jù)進(jìn)行模式分解，求取各 階模式的系數(shù)A i, i = 1~21 ;然后通過下式獲得變形鏡驅(qū)動器在模式輸出條件下的電壓 6 j+265, Fi為第i階模式對應(yīng)的電壓分布，V」為第j個驅(qū)動器電壓 y=i 輸出，同時利用直接斜率法獲得變形鏡控制電壓Vzj，j = 1~265。驅(qū)動器電壓替換模塊2 計算周圍臨近驅(qū)動器電壓平均值，并判斷每個驅(qū)動器控制電壓 '電壓絕對值是否大于平均 值絕對值的3倍，如果是則利用模式電壓 '替換利用直接斜率法計算獲得的電壓V #最后， 將修正后的電壓發(fā)送到高壓放大器4,控制波前校正器5校正輸入波前誤差。圖4給出了本 發(fā)明的方法流程框圖。
[0024] 圖2和圖3分別給出了是否采用基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法的閉環(huán)效 果，可以看到，采用了模式控制方法后，遠(yuǎn)場閉環(huán)光斑較沒有采用的能量更集中。
【主權(quán)項】
1. 一種基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法，包括模式分解模塊（1)和驅(qū)動器電壓替 換模塊（2)，其特征在于： 先由模式分解模塊（1)對從自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器輸出的波前分布數(shù)據(jù)進(jìn)行模式分 解，分解過程采用最小二乘求解法，求取各階模式的系數(shù)化，i= 1~N，N為模式階數(shù)，N為 大于0的正整數(shù)；然后，變形鏡驅(qū)動器電壓
，j= 1~M，M為驅(qū)動器總數(shù)， M為大于0的正整數(shù)，匕為第i階模式下對應(yīng)的電壓分布，為第j個驅(qū)動器電壓輸出； 然后驅(qū)動器電壓替換模塊（2)判斷每個驅(qū)動器控制電壓'在常規(guī)控制方法下的電壓 輸出是否需要替換，判斷標(biāo)準(zhǔn)為：閾值法，即計算周圍臨近驅(qū)動器電壓平均值，如果該驅(qū)動 器電壓絕對值大于平均值絕對值的3倍，則認(rèn)為該驅(qū)動器需要進(jìn)行替換，或，預(yù)先指定該驅(qū) 動器必須進(jìn)行替換處理，而后對選中的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行模式電壓替換。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法，其特征在于：所 述的模式分解的方法是Zernike模式分解或變形鏡本征模式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法，其特征在于：所 述的各階模式電壓分布，采用理想變形鏡影響函數(shù)或?qū)崪y影響函數(shù)，通過最小二乘的方法 求取，具體求取過程可以描述如下：Fj(n) = (IFs"5!^，j= 1~N，n= 1~M其中，F(xiàn)j(n) 為第j階模式的電壓分布，n為變形鏡驅(qū)動器標(biāo)號，IFs為M個變形鏡影響函數(shù)圖像數(shù)據(jù)組 成的矩陣，即將大小為K*L的一個影響函數(shù)圖像數(shù)據(jù)變成一維，長度為K*L的數(shù)據(jù)，再將M 個上述轉(zhuǎn)換后的一維影響函數(shù)數(shù)據(jù)組成一個大矩陣，這個矩陣的行為m，列為k*l; (r1為矩 陣的廣義逆運(yùn)算符號，W；%第j模式的一維圖像分布，即將大小為K*L的圖像變成行長度為 K*L的一維數(shù)據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法，其特征在于：常 規(guī)控制方法下的電壓輸出是指利用直接斜率法獲得的電壓。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模式分解的自適應(yīng)光學(xué)控制方法，其中包括模式分解模塊，驅(qū)動器電壓替換模塊。模式分解模塊將自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器獲得的波前進(jìn)行模式分解并生成相應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，驅(qū)動器電壓替換模塊對輸出異常的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，并輸出最終的電壓數(shù)據(jù)。該控制方法在驅(qū)動器電壓保護(hù)和自適應(yīng)光學(xué)波前傳感器部分子孔徑缺光條件下具有較好的控制效果。
【IPC分類】G02B26-06
【公開號】CN104777607
【申請?zhí)枴緾N201510202918
【發(fā)明人】黃林海, 凡木文
【申請人】中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月27日