一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，該方法通過微變形鏡控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對光波波面的控制，引入所需畸變。該方法利用波前傳感器、微變形鏡及上位機(jī)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。利用微變形鏡對光波整形，HS波前傳感器接收整形后的光波后，將子孔徑陣列圖像傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算圖像質(zhì)心偏移得到波前傾斜向量并得到波前相位的Zernike多項(xiàng)式系數(shù)，由探測與目標(biāo)波前的差異，采用SPGD算法調(diào)整微變形鏡的控制電壓。本發(fā)明具有一定的光路放置靈活性，通過計(jì)算機(jī)的軟件平臺進(jìn)行控制，具有高效率、便于調(diào)試開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)用中有重要的使用價(jià)值。
【專利說明】
一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明專利涉及波前畸變的引入，特別是一種基于微變形鏡的引入波前畸變光學(xué) 閉環(huán)控制方法。結(jié)合波前測量和計(jì)算機(jī)編程閉環(huán)控制的手段，控制微變形鏡面形變化，方便 靈活的實(shí)現(xiàn)對大氣光學(xué)效應(yīng)引起的波前畸變仿真。
【背景技術(shù)】
[0002] 光波在大氣中傳播時(shí)，由于湍流、激波、氣動熱引起氣流密度變化、組成變化、溫度 變化等，引起空氣折射率的隨機(jī)變化、光學(xué)窗口的變形，導(dǎo)致波面的振幅和相位的快速隨機(jī) 起伏變化，從而對光學(xué)成像探測造成干擾，使目標(biāo)圖像發(fā)生偏移、抖動、模糊，造成大氣光學(xué) 效應(yīng)。在現(xiàn)代地基、空間光學(xué)系統(tǒng)探測成像領(lǐng)域，研究步驟為理論分析、建模仿真、小型化的 模型仿真空間光學(xué)效應(yīng)的測試以及最終的成像探測系統(tǒng)開發(fā)等。對大氣光學(xué)效應(yīng)及其產(chǎn)生 的波相差進(jìn)行仿真、模擬，可以更好的完成光學(xué)系統(tǒng)成像探測的研究與改善，避免消耗大量 的資金。因此，仿真是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。
[0003] 大氣光學(xué)效應(yīng)的仿真手段尚未有系統(tǒng)化的辦法，同時(shí)大氣復(fù)雜流場的模擬具有高 精度、高實(shí)時(shí)性的要求，因此在研究上存在一定的難度。基于此，本發(fā)明提出一種方法，即利 用微變形鏡對空間光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行仿真，通過對微變形鏡的控制改變反射面型，從而使光波 波前相應(yīng)產(chǎn)生特定的波前畸變。
[0004] 現(xiàn)代微變形鏡發(fā)展越來越實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格的要求:工作帶寬高、自然諧振頻率高、波前 校正動態(tài)范圍、適配誤差小、小型化以及抗疲勞、低電壓、低能耗、高致動單元密度。因此常 用在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域，作為波前校正器件校正波前誤差以獲得良好的成像質(zhì)量。本發(fā)明方 法應(yīng)用微變形鏡的目的與之相反，在于精確引入波前畸變。
[0005] 為精確控制微變形鏡面型，本發(fā)明中使用隨機(jī)并行梯度下降（SPGD)算法閉環(huán)控制 系統(tǒng)，控制變量即為微變形鏡電極電壓。SPGD算法是一種特殊的梯度下降算法，同時(shí)對所有 的控制變量施加隨機(jī)擾動，有效提高梯度估計(jì)精度，兼具高效的特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為實(shí)現(xiàn)氣動光學(xué)效應(yīng)的仿真，而提出一種基于微變形鏡的引入波 前畸變的方法，可以在光學(xué)效應(yīng)分析、模擬研究光學(xué)成像等方面提供有效的幫助。
[0007] -種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于通過微變形鏡控制系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)對光波波面的控制，引入所需畸變。該方法利用波前傳感器、微變形鏡及上位機(jī)組成閉環(huán) 控制系統(tǒng)。通過微變形鏡對波前進(jìn)行控制，并利用波前傳感器對波前面型進(jìn)行檢測，然后比 較檢測到的波前信息與目標(biāo)波前的差異，建立目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)結(jié)合隨機(jī)并行梯度下降算法 (SPGD)控制微變形鏡面型變化，最終使引入波前與目標(biāo)畸變波前趨于一致。
[0008] 所述的基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，將微變形鏡放置在光束相匹配的光 路中，對光波波面進(jìn)行整形；
[0009] 所述的基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，利用哈特曼-夏克(HS)波前傳感器 對所述整形后的波前進(jìn)行檢測；
[0010] 所述的基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，通過計(jì)算機(jī)控制所述檢測圖像的采 集處理并獲得CCD子孔徑圖像陣列；
[0011] 所述的基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，利用Zernike多項(xiàng)式表示和分析波 前，計(jì)算所述子孔徑圖像陣列的重心偏差，獲得檢測光波的波前斜率信息，進(jìn)一步得到檢測 波前相位信息Φ ;
[0012] 所述的基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，計(jì)算所述檢測波前Φ與參考目標(biāo)波 前Φο的相位差Α φ，建立目標(biāo)函數(shù)J，即對目標(biāo)波前畸變與檢測波前的波面差異的定量描 述；
[0013] 所述的基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，采用SPGD閉環(huán)控制算法，根據(jù)所述 檢測波前與目標(biāo)波前的相位差實(shí)時(shí)修正控制電壓，使其沿目標(biāo)函數(shù)梯度反向變化；
[0014] 所述的基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生控制電壓信號輸入到相 連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，經(jīng)放大器放大后輸入到變形鏡致動器，驅(qū)動鏡面形狀改變；
[0015] 所述的基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，閉環(huán)控制最終使所述波面差異Δ φ 滿足設(shè)定的閾值要求，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波前畸變的精確引入。
[0016] 有益效果
[0017]本發(fā)明具有以下顯著特點(diǎn)和積極效果：
[0018] 1.在上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用多種算法工具進(jìn)行運(yùn)算，采用適當(dāng)?shù)膱D像采集處理及微變形 鏡閉環(huán)控制算法，實(shí)時(shí)性好、效率較高，并且便于試驗(yàn)、調(diào)試與二次開發(fā)。
[0019] 2.采用常用的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)光路的安裝靈活方便。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明基于微變形鏡的引入波前畸變方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ]圖2為本發(fā)明方法的閉環(huán)算法程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)此限制本發(fā)明的保 護(hù)范圍。
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，利用光源、微變形鏡及 其控制系統(tǒng)(數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、放大器）、HS波前傳感器、計(jì)算機(jī)控制模塊組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 利用HS波前傳感器獲得波面圖像后，在上位機(jī)系統(tǒng)內(nèi)完成波前相位的計(jì)算、檢測與目標(biāo)波 前差異的比較以及微變形鏡控制信號的產(chǎn)生，驅(qū)動變形鏡面型改變和波前的調(diào)整。
[0024] 如圖2所示，本發(fā)明基于微變形鏡的波前畸變引入方法，閉環(huán)算法程序流程如下：
[0025] 第一步，初始化后，預(yù)置變形鏡電壓；
[0026] 第二步，在高頻控制過程的每個(gè)過程中，計(jì)算機(jī)控制采集并讀入波前傳感器探測 的子孔徑圖像陣列；
[0027]第三步，計(jì)算該圖像陣列的質(zhì)心偏移，得到單位Zernike多項(xiàng)式的波前斜率向量G; [0028]第四步，采用模式法復(fù)原波前，波前相位用Zernike多項(xiàng)式逼近：
[0029] Φ (x,y)=ao+ZakZk(x,y)+e(k = l,2, . . . ,η)
[0030]波前斜率用Zernike函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)來表示，矩陣表示
[0032] 記成G = DA+e，其中ε為測量誤差，m為子孔徑采樣數(shù)目，η為模式階數(shù)。用D的廣義逆 矩陣D+和所述波前斜率向量G求Zernike多項(xiàng)式的最小二乘解，即得波前相位信息Zernike 多項(xiàng)式系數(shù)向量：
[0033] A = D+G
[0034] 第五步，計(jì)算目標(biāo)評價(jià)函數(shù)J;
[0035] 第六步，比較檢測波前Φ與目標(biāo)波前Φ0的差異；
[0036] 第七步，判斷上述差異是否滿足閾值條件，如果滿足閾值條件則停止程序;如果不 滿足閾值條件則使用SPGD算法，根據(jù)檢測的波前相位差實(shí)時(shí)修正控制電壓，使其沿目標(biāo)評 價(jià)函數(shù)J梯度反向變化，有：
[0037] ui(k+1)=Ui(k)-u5j(k)5ui (k)
[0038] 其中，u為控制電壓變量，k為迭代次數(shù)；
[0039]雖然已參照典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是說明和示例性、 而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所 以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范 圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要 求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于通過微變形鏡控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 對光波波面的控制，引入所需畸變。該方法利用波前傳感器、微變形鏡及上位機(jī)組成閉環(huán)控 制系統(tǒng)。通過微變形鏡對波前進(jìn)行控制，并利用波前傳感器對波前面型進(jìn)行檢測，然后比較 檢測到的波前信息與目標(biāo)波前的差異，建立目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)結(jié)合并行梯度下降算法(SPGD) 控制微變形鏡面型變化，最終使引入波前與目標(biāo)畸變波前趨于一致。2. 權(quán)利要求1所述的一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于將微變形 鏡放置在光束相匹配的光路中，對光波波面進(jìn)行整形。3. 權(quán)利要求1所述的一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于利用哈特 曼-夏克(HS)波前傳感器對所述整形后的波前進(jìn)行檢測。4. 權(quán)利要求1所述的一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于通過PC機(jī) 控制所述檢測圖像的采集處理并獲得CCD子孔徑圖像陣列。5. 權(quán)利要求1所述的一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于利用 Zernike多項(xiàng)式表示和分析波前，計(jì)算所述子孔徑圖像陣列的重心偏差，獲得檢測光波的波 前斜率信息，進(jìn)一步得到檢測波前相位信息φ。6. 權(quán)利要求1所述的一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于計(jì)算所述 檢測波前Φ與參考目標(biāo)波前Φ0的相位差△ Φ，建立性能評價(jià)目標(biāo)函數(shù)J，對波面差異定量 描述。7. 權(quán)利要求1所述的一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于采用SPGD 閉環(huán)控制算法，根據(jù)所述檢測波前相位差實(shí)時(shí)修正控制電壓，使其沿目標(biāo)函數(shù)梯度反向變 化。8. 權(quán)利要求1所述的一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于計(jì)算機(jī)產(chǎn) 生控制電壓信號輸入到相連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，經(jīng)放大器放大后輸入到變形鏡致動器驅(qū)動 鏡面形狀改變； a)權(quán)利要求1所述的一種基于微變形鏡的引入波前畸變的方法，其特征在于閉環(huán)控制 最終使所述波面差異Α Φ滿足設(shè)定的閾值要求，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波前畸變的精確引入。
【文檔編號】G02B26/06GK105866939SQ201610424164
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】趙躍進(jìn), 王琳, 張勵, 田義, 李艷紅, 孔令琴, 劉明, 董立泉, 劉小華, 惠梅
【申請人】北京理工大學(xué), 上海機(jī)電工程研究所