自适应光学系统中倾斜镜的自适应逆控制

为了克服自适应光学系统中倾斜镜的迟滞响应,提高响应的线性度,改善倾斜镜的控制精度,研究了倾斜镜的迟滞非线性效应。提出了一个基于频率相关的Mutified-Prandtl-Ishlinskii(MPI)模型的补偿方法来在线自适应逆补偿倾斜镜的迟滞非线性。结合反馈PID控制构成了自适应逆前馈复合控制方案,其中自适应逆前馈克服了由于频率等因素引起的迟滞曲线变化,反馈PID则改善了整体的控制性能。建立了倾斜镜二阶系统模型来估计倾斜镜系统的输出,解决了MPI模型参考信号的问题,避免了增加额外前馈传感器,保证了光能量的利用率。实验结果表明,倾斜镜系统15 Hz非线性迟滞率由原来的24.28%降为1.17%,线性度提高了约95%,控制精度较传统PID方法提高了约60%。该方法能够有效补偿倾斜镜的迟滞非线性,提高了自适应光学系统中倾斜镜的校正精度。     

液晶自适应光学系统中控制矩阵的精度分析和优化

为了提高自适应光学系统的校正精度,提出了一种新的通过改变测量响应矩阵时的调制波长来准确计算控制矩阵的方法。首先,测量去除平移项的前35项Zernike模式在不同调制波长下的实际光波位相调制曲线。然后,对每个调制波长,依次计算相对于原点的位相调制曲线,最终将找到一个与实际光波位相调制曲线斜率相差最小的位相调制曲线。其所对应的调制波长,就是测量响应矩阵时,在相应的Zernike模式下应该施加在液晶波前校正器上的调制波长。这样,对于35个Zernike模式,便可以找到35个调制波长。最后,对于每个Zernike模式即响应矩阵的每一列对相应的调制波长进行归一化,最终得到准确的控制矩阵。实验表明,用此方法后,液晶自适应光学系统的校正精度由73%提高到了95%以上。校正误差为常规方法的1/5,且此比例系数与系统的最大畸变补偿位相的大小无关。此方法极大地提高了液晶自适应光学系统的校正精度。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

自适应光学系统中非共轭问题对波前校正的影响

在常规的自适应光学系统中,变形镜与波前传感器满足共轭位置关系以保证最好的校正效果。现基于角谱理论,通过对光场线性传输过程的仿真,分析了波前传感器偏离与变形镜共轭的位置的情况下波前校正效果所受到的影响。结果表明,波前传感器偏离共轭位置的距离增大和共轭位置波前的增大,均会导致校正效果变差。     

冻结大气湍流下自适应光学系统的预测校正性能

针对自适应光学系统的校正滞后问题,提出预测校正方法,并对预测校正的鲁棒性进行了分析。冻结湍流假设下,Shack-Hartmann波前传感器的探测斜率一定程度保留了湍流的时域演变模式。利用横向风信息对斜率进行傅里叶平移,能实现斜率的预测。采用直接斜率法计算变形镜面形,能实现预测校正。仿真结果表明,提出的波前预测方法在横向风已知时,几乎能完全克服延迟导致的性能损失;当横向风需要估计时,该方法在风向估计准确的条件下能容忍1倍于自身的风速估计误差,或者在风速估计准确的条件下60°的风向估计误差,均能实现校正性能的提升;在风速和风向误差同时存在时,在较大的误差范围内依然能够提升系统的校正能力。     

基于FPGA的自适应光学系统波前处理机

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理规模的需求,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速大单元自适应波前处理系统,给出了设计方案,实施过程和测试结果.提出的基于FPGA的自适应光学系统波前处理机,在软件上采用FPGA对整个系统进行数据配置和调控,实现多路D/A数据同时传输和转换.同时,采用FPGA...     

星地相干激光通信中的自适应光学系统边界参数设计

分析了星地相干激光二进制相移键控(BPSK)通信系统中自适应校正波前残差与相干效率的关系;讨论了自适应校正下相干效率和误码概率的动态特征;然后,研究了大气闪烁对相干效率和通信误码率的影响。在假设接收强度均匀分布的前提下建立了波前残差均方根值与相干效率的理论关系,采用频率直方图方法仿真了相干效率以及相应的误码概率的概率分布函数,计算了不同校正残差和闪烁条件下的通信平均误码率。结果表明:波前残差大于1rad时,相干效率主要受波前残差影响,自适应校正性能达到衍射极限时才能获得10-8的误码率,但此时大气闪烁可能会使误码率增大两个数量级。     

惯性稳定平台自适应前馈控制

结合反馈控制提出了一种自适应前馈控制方法来提高惯性稳定平台稳定控制的指令跟踪性能。应用子空间辨识算法,由输入输出数据辨识稳定平台动态模型的状态空间描述;采用频域回路成型方法设计反馈回路控制器,用于抑制外部扰动。应用递推最小二乘(RLS)自适应滤波器构建反馈控制回路逆模型,构造指令信号的全通特性,提高指令跟踪能力。针对不同的指令信号进行跟踪实验,验证了自适应前馈控制方法的有效性。实验结果表明:提出的自适应前馈方法对阶跃指令响应快,超调量可由反馈控制的30%降低至4.5%,对30 Hz正弦信号的响应幅值无衰减,相位滞后由反馈控制的90°降低至54°。得到的结果显著提高了系统的暂态性能,控制性能优于单独的反馈控制回路。     

相位检测法定镜自适应校正技术

为保持傅里叶变换光谱仪在动镜运动和外界震动等恶劣条件下动镜和定镜间的准直性,采用了相位检测法检测准直性误差的定镜自适应校正技术。介绍了相位检测法的基本原理和实现自适应校正的途径以及自适应校正系统的基本结构。采用高速压电倾斜镜作为驱动补偿元件,分析了相位检测精度对校正精度的影响。实验结果表明,采用自适应校正后系统干涉效率明显提高。     

压电倾斜镜的高压驱动及高速控制

由于压电倾斜镜的机械谐振会降低自适应光学伺服控制系统的校正带宽,本文研究了补偿压电倾斜镜谐振特性的方法。根据压电倾斜镜机械谐振频率特性的动态模型和实测数据,提出了利用压电倾斜镜高压驱动器中现有的可编程逻辑门阵列(FPGA)设计多阶双二次型数字滤波器来优化系统的动态频率响应特性。基于多阶双二次型数字滤波器,高压驱动器能实时补偿驱动对象的频率特性,完成压电倾斜镜的正谐振和反谐振的同时补偿。将其与压电倾斜镜作为一体,可实现平坦的幅频特性,从而避免机械谐振,提高伺服控制带宽。实验结果表明:相对于传统的高带宽高压驱动器,提出的具有频率特性补偿功能的高带宽高压驱动器可在同样超调量下使系统误差带宽从56 Hz提高到了80 Hz,并且低频抑制能力也得到提高。实验显示提出的具有频率特性补偿功能的高带宽高压驱动器更适合压电倾斜镜的高速动态应用。     

自由空间光通信ATP系统中精瞄偏转镜的设计

二维精瞄偏转镜是自由空间光通信中捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统的关键组成部分,对偏转镜进行了机构设计和有限元模态分析,偏转镜采用压电陶瓷驱动器驱动,采用柔性铰链传动。研制了集驱动、检测、主控模块为一体的数字式精密定位控制器,在实验室构建了两套测试系统,对偏转镜的频率和静态性能进行了测试,并着重介绍了频率的两种测量方法及其优缺点分析。仿真和测试结果表明,偏转镜的频率约为1.5 kHz,转角范围约为±2 mrad,精度约为1 μrad,分辨率约为0.1 μrad。     

恒星光干涉仪波前方向校正系统的研究

利用波前方向校正技术实现两相干光束的平行性控制 ,进而保证干涉条纹可见度损失最小 ,是恒星光干涉仪中的关键技术之一。进行了波前方向校正系统的原理分析和设计探讨 ,详细讨论了该系统中的 80 98控制单元、高压驱动电源、摆镜结构设计及压电陶瓷堆 (PZT)的驱动机理 ,并介绍了用于测试摆镜响应频率等参数的高速 CCD相关检测法     

高精度大范围的光学晶体温度控制系统

为解决固体激光器工作时光学晶体产生的热沉积问题,保证其工作性能稳定,提出了一种基于半导体制冷器(TEC)的高控温精度、大控温范围光学晶体温度控制方案。分析了TEC的工作特性和光学晶体的热效应与传热机理,将TEC工作过程中自身温度变化引起的电气特性改变与光学晶体温度的变化同时纳入控制环节,建立了温度-电流双闭环温度控制模型,设计并完成了一套高控温精度、大控温范围的光学晶体温度控制系统。实验结果表明:本系统在-15~120℃的温度控制范围内,可以迅速稳定在任一设定的温度点,其控温精度优于±0.002℃;当设定温度和实际温度之间的偏差在20℃以内时,其收敛稳定时间小于60s,可以满足固体激光器中光学晶体对控温范围与精度的要求。     

液晶投影机光棒照明系统的分析与设计

提出了一种采用光棒为光积分元件、PBS棱镜为偏振转换元件的液晶投影机照明系统,分析了影响照明系统性能的主要因素,进而提出了相应的设计方法,设计与实际取得了良好的一致。     

大视场液晶自适应视网膜成像系统

设计了大视场眼底自适应成像系统,用于扩大现有视网膜自适应成像系统的视场。对人眼等晕角视场下的自适应像差校正成像进行分析,确定了波前探测与成像校正两个过程对视场的不同要求。在共光源像差探测及成像光学系统中,采用切变视场光阑的方式先后在波前探测和自适应校正成像过程中进行小-大视场切换,避免了大视场中眼波像差探测失真问题,使成像区域由200 μm扩展到500 μm。利用人眼等晕角大视场使眼底液晶自适应成像系统在不降低成像质量的前提下将成像区域扩展了2.5倍,大幅提升了该自适应成像系统在临床上应用的可行性。