一种基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统

1.本发明涉及白天工作的高分辨成像望远镜，具体涉及一种基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统。

背景技术：

2.自适应光学技术是70年代才发展起的新技术，是通过探测大气湍流对波前扰动造成的畸变进而对观测目标进行补偿矫正，被广泛运用于地基望远镜系统中。当前大多数地基望远镜仅工作在夜间或晨昏线附近，望远镜的工作时段有限，严重影响可望远镜的工作效率。中国专利“一种适合于白天工作的高分辨力成像自适应光学望远镜”，公开号为cn1908722a，以及中国专利“一种适用于白天观测的全波段高分辨力成像光学望远镜”，公开号为cn106019562a均将白天自适应光学系统运用于地基望远镜系统中，从而获得目标的高分辨图像。但这两个专利申请均只能对哈特曼子孔径光斑的整体倾斜进行校正，无法对光瞳的倾斜进行实时校正。光瞳的位置偏移会对自适应光学系统的闭环效果产生影响，目前只能设法通过光学系统的装调来弥补这一问题。此外，两个专利申请均只采用了一个变形镜，导致系统的校正能力有限。大气湍流在白天正午时段最强，其气相干长度只有3cm左右，使用一个变形镜的系统无法有效的补偿大气湍流带来的波前误差，因此无法获得目标的高分辨率图像。

技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是：目前白天自适应光学系统无法对光瞳的倾斜进行实时校正，因此成像效果依赖于前端系统的装调精度。此外，现有的白天自适应光学系统的校正能力有限，无法在较强湍流条件下获得目标的高分辨图像。
4.本发明采用的技术方案是：一种基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统，包括第一平面镜、第一倾斜校正器、第二平面镜、第一分光镜、精跟踪探测器、第一倾斜校正器、第一变形镜、第二变形镜、第二分光镜、中长波红外探测器、第三分光镜、短波红外探测器和哈特曼传感器，其中，
5.从外进入的目标光线经过第一平面镜到达第一倾斜校正器发生反射，再经过第二平面镜到达第一分光镜进行分光，一束光线透射进入精跟踪探测器，另一束光线反射后经第二倾斜校正器、第一变形镜、第二变形镜、到达第二分光镜后再次分光，中长波红外光线透射进入中长波红外探测器进行成像，其余光线反射后到达第三分光镜再次进行分光，短波红外光线透射进入短波红外探测器进行成像，其余光线反射后进入哈特曼传感器对大气湍流造成的波前误差进行探测，并控制第一倾斜校正器、第二倾斜校正器、第一变形镜和第二变形镜同时进行实时校正，从而获得目标不同波段的高分辨率图像。
6.进一步地，所述的第一倾斜校正器位于系统焦点位置附近，可对光瞳的倾斜进行校正。
7.进一步地，所述的第二倾斜校正器位于系统瞳面位置附近，可对哈特曼光斑的整体倾斜进行校正。
8.进一步地，所述的第一变形镜用于校正低级zernike像差、第二变形镜用于校正高阶zernike像差。
9.进一步地，所述的第一变形镜、第二变形镜可同时对大气湍流造成的波前误差进行校正。
10.本发明与现有技术相比具有的优点是：
11.(1)本发明中第一倾斜校正器可使自适应系统不受前端系统装调精度的影响，对光瞳的倾斜进行实时校正。
12.(2)本发明中的第一变形镜用于校正低级zernike像差、第二变形镜用于校正高阶zernike像差，可以实现白天自适应光学系统的稳定闭环。
13.(3)本发明中的第一变形镜、第二变形镜可同时对大气湍流造成的波前误差进行校正，提高了白天自适应光学系统的校正能力。
附图说明
14.图1为基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统结构示意图；图1中包括1为第一平面镜、2为第一倾斜校正器、3为第二平面镜、4为第一分光镜、5为精跟踪探测器、6为第一倾斜校正器、7为第一变形镜、8为第二变形镜、9为第二分光镜、10为中长波红外探测器、11为第三分光镜、12为短波红外探测器、13为哈特曼传感器。
15.图2为自适应系统的哈特曼图像，整个哈特曼图像由多个子孔径拼接组成，部分子孔径中有一个光斑。
16.图3为第一变形镜单独工作、第二变形镜协同工作时前105项zenike像差的校正效果，横坐标为zernike阶数，纵坐标为相对误差方差。
17.图4为第一变形镜单独工作、第二变形镜单独工作以及两者协同工作时的校正能力，大气相干长度r0为3cm和5cm时系统正常工作所需要的校正能力的图像，横坐标为zernike阶数，纵坐标为每阶像差校正能力的均方根值。
具体实施方式
18.下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
19.如图1所示，本发明一种基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统，包括第一平面镜1、第一倾斜校正器2、第二平面镜3、第一分光镜4、精跟踪探测器5、第一倾斜校正器6、第一变形镜7、第二变形镜8、第二分光镜9、中长波红外探测器10、第三分光镜11、短波红外探测器12、哈特曼传感器13。
20.本实例的白天自适应光学成像系统工作过程如下：
21.从外进入的目标光线经过第一平面镜1到达第一倾斜校正器2发生反射，再经过第二平面镜3到达第一分光镜4进行分光，一束光线透射进入精跟踪探测器5，另一束光线反射后经第二倾斜校正器6、第一变形镜7、第二变形镜8、到达第二分光镜9后再次分光，中长波红外光线透射进入中长波红外探测器10进行成像，其余光线反射后到达第三分光镜11再次进行分光，短波红外光线透射进入短波红外探测器12进行成像，其余光线反射后进入哈特
曼传感器13对大气湍流造成的波前误差进行探测，并控制第一倾斜校正器2、第二倾斜校正器6、第一变形镜7和第二变形镜8同时进行实时校正，从而获得目标不同波段的高分辨率图像。
22.第一倾斜校正器位于白天自适应光学系统的焦点位置附近，信号处理系统根据哈特曼上的光瞳图像计算得到第一倾斜校正器的控制电压，高压驱动系统将计算得到的电压转换为高电压信号，其工作步骤如下：
23.步骤一：如图2所示，可以根据哈特曼探测器上的整个光瞳的图像计算出此时的光瞳中心位置；
24.步骤二：根据光学系统预设的光瞳中心位置为基准，计算此时光瞳位置在x和y两个方向上的误差；
25.步骤三：将步骤二得到的目标位置误差利用pid控制算法计算第一倾斜校正器的控制电压，控制参数是由设计人员根据倾斜镜的参数事先测量得到的。
26.第二倾斜校正器位于白天自适应光学系统的瞳面位置附近，信号处理系统根据子孔径中的光斑计算得到第二倾斜校正器的控制电压，高压驱动系统将计算得到的电压转换为高电压信号，其工作步骤如下：
27.步骤a：如图2所示哈特曼图像被分为若干子孔径，根据哈特曼探测器上的每个格子中的光斑图像，可计算出此时的每个光斑的质心位置，
28.步骤b：以光学系统预设的光斑位置为基准计算每个光斑的位置误差，再对x和y两个方向所有误差取平均；
29.步骤c：将步骤b得到的目标位置误差利用pid控制算法计算第二倾斜校正器的控制电压，控制参数是由设计人员根据倾斜镜的参数事先测量得到的。
30.自适应光学系统中的变形镜用来实时校正大气湍流带来的波前误差，是整个系统的核心部件。在本发明中，两个变形镜均位于系统的瞳面位置附近，为了使能两个变形镜能够互不干扰，分别将第一变形镜用于校正低级zernike像差、第二变形镜用于校正高阶zernike像差。两者协同工作时，系统对于前105项zenike像差的校正效果如图3所示。由图可知当两块变形镜同时工作时，前105项zenike像差都得到了校正，因此两者能够同时稳定工作。
31.与单变形镜相比，双变形镜协同工作可使系统拥有更强的校正能力。可以利用程序仿真得到第一变形镜单独工作、第二变形镜单独工作以及两者协同工作时的校正能力，并与大气相干长度r0为3cm和5cm时系统正常工作所需要的校正能力进行比较，如图4所示。当双变形镜一同工作时，可使系统即使在大气湍流最强的白天正午时段也能正常工作，而单变形镜不具备这样的能力。
32.综上所述，本自适应光学系统就同时控制第一倾斜校正器、第二倾斜校正器、第一变形镜和第二变形镜对大气湍流造成的倾斜和波前误差进行实时校正，再利用短波红外探测器和中长波红外探测器进行成像，从而获得目标的多波段高分辨率图像。
33.这样就能实现基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统。

技术特征：

1.一种基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统，其特征在于：包括第一平面镜(1)、第一倾斜校正器(2)、第二平面镜(3)、第一分光镜(4)、精跟踪探测器(5)、第一倾斜校正器(6)、第一变形镜(7)、第二变形镜(8)、第二分光镜(9)、中长波红外探测器(10)、第三分光镜(11)、短波红外探测器(12)和哈特曼传感器(13)，其中，从外进入的目标光线经过第一平面镜(1)到达第一倾斜校正器(2)发生反射，再经过第二平面镜(3)到达第一分光镜(4)进行分光，一束光线透射进入精跟踪探测器(5)，另一束光线反射后经第二倾斜校正器(6)、第一变形镜(7)、第二变形镜(8)、到达第二分光镜(9)后再次分光，中长波红外光线透射进入中长波红外探测器(10)进行成像，其余光线反射后到达第三分光镜(11)再次进行分光，短波红外光线透射进入短波红外探测器(12)进行成像，其余光线反射后进入哈特曼传感器(13)对大气湍流造成的波前误差进行探测，并控制第一倾斜校正器(2)、第二倾斜校正器(6)、第一变形镜(7)和第二变形镜(8)同时进行实时校正，从而获得目标不同波段的高分辨率图像。2.根据权利要求1所要求的基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统，其特征在于：第一倾斜校正器(2)位于系统焦点位置附近，可对光瞳的倾斜进行校正。3.根据权利要求1所要求的基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统，其特征在于：第二倾斜校正器(6)位于系统瞳面位置附近，可对哈特曼光斑整体倾斜进行校正。4.根据权利要求1所要求的基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统，其特征在于：第一变形镜(7)用于校正低级zernike像差、第二变形镜(8)用于校正高阶zernike像差。5.根据权利要求1所要求的基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统，其特征在于：第一变形镜(7)、第二变形镜(8)可同时稳定工作，提高白天自适应系统的校正能力。

技术总结

本发明公开了一种基于双倾斜校正器及双变形镜的白天自适应光学成像系统，包括第一倾斜校正器、第二倾斜校正器、第一变形镜、第二变形镜、哈特曼传感器、短波红外探测器、中长波红外探测器。哈特曼传感器能够实时探测大气带来的波前误差，第一倾斜校正器用来校正光瞳位置的偏差，第二倾斜校正器用于哈特曼光斑位置的偏差，第一变形镜和第二变形镜可以实时对波前误差进行动态补偿，短波红外探测器和中长波红外探测器从而能够得到目标不同波段的高分辨率图像。率图像。率图像。