（信号与信息处理专业论文）基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学研究.pdf

摘要 应用自适应光学技术进行光束大气传输波前畸变校正时，希望系统能同时 对激光进行光束净化和大气湍流造成的波前畸变进行补偿，并且能够同时有效地 克服发射系统制造误差、重力变形以及光路内部气体扰动的影响，得到接近衍射 极限的输出激光光束。常规自适应光学系统仅能有针对性校正其中一部分，而共 光路共模块自适应光学正是针对以上弱点提出的自适应光学新技术，实现了全光 路像差的探测与校正，对提高系统的集成性和可靠性都有十分重要的意义。 本文研究了共光路共模块自适应光学原理，介绍了采用双哈特曼作为共模 块传感器的共光路共模块自适应光学系统。围绕该系统讨论了主机控制程序的设 计和基于u s b 的接口卡的设计，同时对整个系统的误差进行了分析，提出了改 进方法，并对改进方法进行了研究，最终成功实现了闭环。 主机控制程序采用了基于类的面向对象的思想，同时参照了目前软件设计 的先进模型：组件对象模型，既降低了主机控制程序的复杂性，同时又有利于主 机控制程序模块的调试。 采用基于u s b 的接口技术能够有效地抑制噪声对传输线路的干扰，保证数 据的有效传输。 本文对探测噪声对波前复原带来的误差进行了分析，认为测试传递矩阵的 电压对复原电压有影响，基于h a d a m a r d 模式和噪声滤波的方法能够有效地降低 系统噪声对复原电压的影响，并对目前存在的几种方法进行了数值仿真分析和实 验验证。 目前，基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统已经能够闭环工作。 关键词：自适应关学，共光路共模块，哈特曼波前传感器，c o m ，u s b ，组件 对象模型，h a d a m a r d 模式 论文作者签名： a b s t r a c t a d a p t i v eo p t i c si sw i d l yu s e dt oc o r r e c tt h ee r r o r si no p t i c a ls y s t e m ，s u c ha s l a s e rb e a m ，a t m o s p h e r i ct u b u l e n c ec o m p e n s a t i o n an o r m a la d a p t i v eo p t i c ss y s t e m c a l lo n l yd ot h eb e a mc l e a n u po rt h ec o m p e n s a t i o ne a c ht i m e ，c o m m o np a t h c o m m o n m o d ea d a p t i v eo p t i c si st h en e ww a yw h i c hc a l ld oa l lt h ec o r r e c t i o n si no n e s y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ec o m m o np a t h c o m m o nm o d ea d a p t i v eo p t i c ss y s t e mb a s e d o nt w os h a c k - h a t m a n nw a v e f r o n ts e n s o r si sp r e s e n t e dt h es y s t e mf u n c t i o n sa r e d i s c u s s e di nt w op a r t ：h o s tc o n t r o ls o f t w a r ea n dt h ei n t e r f a c ec a r db a s e d0 i tu s b t h ed e s i m ao fh o s tc o n t r o ls o f t w a r ei sb a s e do no b j e c to r i e n t e dp r o g r a m i n g ， a n dt h em o d u l a r i z e ds t r c t u r ei sa d o p t e di nt h ed e s i g n ，r e f e r i n gt ot h ec u r r e n ta d v a n c e d m o d e lo fs o f t w a r ed e s i g n ：c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l i tn o to n l yr e d e u c e s i t s c o m p l e x i t y ，b u ta l s ob e n e f i t st h ed e b u g g i n g u s bt e c h n i q u ec a r ld e c r e a s et h ed i s t u r b a n c eo fc i r c u i ts i g n a lr e s u l tf r o mn o i s e ， t h e nc a nt r a n s f e rd a t af r o mp ct od e v i c es u c c e s s f u l l y t h ew a v e f r o n tr e c o n s t r u c t i o ne r r o rw h i c hi si n d u c e db y d e t e c t i n gn o i s ei s a n a l y z e di n d e t a i li nt h i sa r t i c l e ，t h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h er e c o n s t r u c t i o n v o l t a g e sa r ea f f e c t e db yt h ev o l t a g e sw h i c ht e s tt h et r a n s f e rm a t r i xg r e a t l yt h e m e t h o db a s e do nh a d a m a r dm o d ea n dn o i s ef i l t e r i n gc a ns u p p r e s st h ei m p a c to f s y s t e m n o i s eo nr e c o n s t r u c t i o n v o l t a g e se f f e c t i v e l y , a n dc u r r e n t m e t h o d sa r e s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f o r m st h et h e o r yg r e a t l y t h ec o m m o np a t h c o m m o nm o d ea d a p t i v e o p t i c ss y s t e mb a s e do i lt w o s h a r c k h a r t m a r mu a x e f r o n ts e n s o r sc a nw o r ks u c c e s s f u l l yi nc l o s el o o p k e y w o r d ：a d a p t i v eo p t i c s ，c o m m o np a t h c o m m o nm o d e ，s h a c k h a t m a n n w a v e - f r o n ts e n s o r ，c o m ，u s b ，h a d a m a r dm o d e 本人申明 本人郑重申明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：2 垒碰日期：坦鱼： ：! 二 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国科学院光电技术研究所有关保留、使用学位论文的 规定，同意中国科学院光电技术研究所保留或向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国科学院光 电技术研究所可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 曼蔓趁导师签名日期：哩! ：2 ：! ： 第一章引言 第一章引言 1 1 基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学简介 自适应光学( a d a p t i v eo p t i c s ) 是一门集科学性和工程性为一体的综合学 科，它是研究实时自动改善光波波前质量的理论，系统，技术和工程。自适应光 学【2 】利用光电子器件实时测量波前动态误差，用快速的电子系统进行计算和控 制，用能动器件进行实时波前校正，使光学系统具有自动适应外界条件变化，始 终保持良好工作状态的能力，在高分辨率成像观测【4 】和激光大气传输 3 1 等方面有 重要应用。自适应光学系统【5 1 1 6 1 主要由波前传感器，波前校正器件和波前控制器 组成，波前探测器用于探测波前信息，波前校正器件是用于实时校正光波波前误 | 差的光学器件，常用的有变形反射镜等。波前控制器通过一定的算法，从波前探 测器探测得到的波前信息获取施加给波前校正器的信号，以便使波前误差得到校 正，从而获取高清晰图像或高集中度能量。 在激光发射系统中，一方面需要用自适应光学系统校正大气湍流和光学系统 带来的光学畸变，同时由于从激光器出来的激光，本身带有像差，因此也需要校 正。而自适应光学系统制造困难，费用高昂，常规的系统只能针对大气湍流或激 光光束等分别校正，无法使用一套自适应光学系统同时校正内外光路的像差，导 致系统庞大，费用昂贵，严重影响了系统的集成性和稳定性。为了解决这个问题， 1 9 9 9 年，由k e n n e t h w b i l l m a n 首次公开了一种新的自适应光学技术方案，即共 光路共模块自适应光学技术1 7 。共光路共模块自适应光学系统( c p c m ) 通过对 系统光路采用新的设计方案，使用共模块传感器探测内外光路像差之差，能够使 用一套校正装置同时校f 内外光路的像差，提高了系统的集成度和稳定性。 中科院光电所2 0 0 6 届硕士毕业论文 由于该工作还有许多原理性问题需要解决，因此设计了一种基于双哈特曼的 共光路共模块自适应光学系统，该系统采用两个哈特曼传感器作为共模块传感器 来实现内外光路像差的探测。 1 2 课题的研究任务 基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统是一个复杂的系统，从课题的 任务需求上考虑，可以把基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统分为以下 几个部分： 1 ) 系统的光机设计： 2 ) 系统的硬件设计： 3 ) 主机控制程序的设计。 本人承担的主要任务是：主机控制程序的设计和硬件的接口电路部分。论文 的讨论重点就是这一部分。 1 3 国内外研究动态 1 3 1 共光路共模块自适应光学及波前复原发展动态 1 9 9 9 年k e n n e t hw b i l l m a n 发表关于共光路共模块自适应光学系统原理性文 章后，2 0 0 1 年m e t r o l o g i ci n s t r u m e n t s 公司宣布研制成功c p c m 的共模块传感器， 该传感器由两个不同波长的夏克哈特曼传感器组成。另外，美国空军试验室a b l 小组利用c p t c m 系统实现了光束稳定【l ”，在未校正之前，系统的倾斜误差的 r m s 值为1 8 1u r a d ，采用常规系统补偿后达到o 2 9 u r a d ，采用c p c m 的系统补 偿后达到o 1 7 u r a d 。由于傈密的原因，关于c p c m 的文献极少。 在国内，侯静博士丌展了对c p c m 方面的理论研究工作9 ，并且建立 了用一个哈特曼传感器分时探测内外光路的像差的自适应光学系统”，采达到用 第一章 引言 一套自适应光学系统实现全光路像差校正的目的。 波前复原是指从波前传感器的信号转换到波前校正器所需信号的这一过程， 它是自适应光学中重要的一个环节。 目前主要的波前复原方法有区域法，模式 法和直接斜率法吐其中于1 9 9 0 年提出的直接斜率法【1 2 】由于使用简单，复原精 度高等特点被广泛应用在自适应光学系统中。2 0 0 4 年m a r k u s k a d p e r 在直接斜率 法的基础上提出一种新的获取复原矩阵的方法f 1 2 】，在保证精度的同时，能够有效 地降低获取复原矩阵的时间。 1 3 2 软件设计的先进模型i ：c o m ( 组件对象模型) 面向对象的模式是一种基于软件复用的软件开发模式。软件复用在一定程度 上提高了软件生产率，解决了软件危机，在面向对象的语言中，面向对象的程序 是由可复用软构件对象构造起来的。在面向对象的技术中，对象和类是积木 块，方法、消息和继承体现了积木块之间的信息传递关系。由于对象封装了数据 和数据操作方法，因而具有良好的可复用成份。由继承关系组织起来的类的层次 关系，使子类可以方便地复用父类信息。 然而传统的面向对象模式在提高软件复用的程度上是有限的。首先，由于不 存在链接二进制对象的标准，使用某种c + + 编译器编译的对象，只能与使用该 编译器编译的c + + 程序链接，这就使得难以创建可以发布的二进制对象库，在 发布对象库时不得不附上源代码。其次，要跨越语言平台重用对象是很困难的， c + + 并不是唯一的面向对象的语言，使用c + + 编写的对象很难用于s m a l l t a l k 等其它的编程环境。第三个问题是当使用如c + + 编写的应用程序中，某个对象 要改变时，你将不得不重新链接甚至重新编译整个程序，而理想的情况应该是只 生成该对象的新版本，应用程序就能够自动使用这个新的版本。 在传统面向对象技术基础上人们提出了组件软件工程模式。组件是可用来构 中科院光电所2 0 0 6 届硕士毕业论文 成软件系统的即插即用( p l u g a n dp l a y ) 的软件成分，是可以独立地制造、分发、 销售、装配的二进制软件单元。组件是有一定的功能，能够独立工作和能同其他 组件装配起来协同工作的程序体，组件的使用和它的开发、生产无关。组件在应 用开发方面有如下特点：组件与开发工具语言无关、即插即用、接口与实现相分 离、接口标准化、组件通过市场进行销售与分发组件软件工程是指用装配可重用 软件组件的方法来构造应用程序。它包括了系统分析、构造、维护和扩展的各个 方面，在这些方面中都是以组件为核心的。这种开发模式有如下优点： 从根本上改变了软件开发模式，在基于组件的软件工程中，开发者只需将可 重用组件适当组合或集成，就可构成新的目标系统，大大提高了开发效率；提高 了软件重用率，保护了已有的投资；使开发者将更多的注意力放到业务流程和业 务规则上去；使开发出的系统更加灵活，便于维护和升级；降低了开发人员的要 求，在组件装配时不需要有很高的编程技巧，仅仅在构造组件时才需要对编程语 言的熟悉和高超的技巧。 1 4 论文安排 本文是基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的总结，文章讨论了系 统软，硬件部分的开发，并且针对系统的误差进行了分析，提出了改进意见。本 论文章节安排如下： 第一章：论文的引言部分，包括课题的研究任务，基于双哈特曼的共光路共模块 自适应光学系统简介与国内外相关技术研究动态： 第二章：讨论共光路共模块自适应光学系统原理和系统布局，它涉及的内容有发 射式自适应光学实现的目的，工作原理，光路主要部件和控制系统的实现方案； 第三章：主机控制程序的设计与实现； 第四章：基于u s b 的接口卡的设计： 第一章引言 第五章：系统的误差分析及复原算法的改进，对探测噪声在直接斜率法中对系统 的影响，并结合目前的方法提出改进方法，并进行仿真和实验验证了这一方法； 第六章：基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的实验，对系统的闭环结 果进行分析。 中科院光i u 所2 0 0 6 届硕士毕业论文 第二章基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系 统的工作原理和系统架构 针对常规自适应光学系统的弱点，1 9 9 9 年k e n n e t h w b i l l m a n 提出了共光路共 模块自适应光学的概念f ”。常规的自适应光学系统只能对大气湍流或激光自身造 成的位相畸变进行分别校正，使得系统庞大和复杂，系统稳定性差，而共光路 共模块( c p c m ) 自适应光学系统对全光路的像差进行校正，对提高系统的稳定 性和可靠性都有十分重要的意义。 本章介绍了采用两个哈特曼传感器作为共模块传感器，单变形镜控制的 c p c m 自适应光学系统。首先介绍c p c m 自适应光学的工作原理，及c p c m 自适应光学系统相对于常规自适应光学系统的优点。然后，介绍基于双哈特曼的 c p c m 自适应光学的控制算法。 2 1 发射式自适应光学及共光路共模块自适应光学原理 共光路共模块自适应光学是应用在发射式自适应光学系统中，发射式自适应 光学系统通过校正系统中的像差，使出射激光会聚在目标上，下面介绍发射式自 适应光学的工作原理以及常规自适应光学系统的架构。 2 1 1 发射式自适应光学系统1 发射式自适应光学的工作原理是基于相位共轭原理，按照相位共轭原理，首 先测定回波波前形状，然后控制发射波前形状，使二者波丽形状相同，但传输方 向相反，这样到达物体上的光波就自动抵消了大气湍流的影响。图2 1 说明了这 一原理，图中( a ) 兑明从发射机射出的具有任意形状波前的激光 第二章基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的工作原理和系统架构 e ( x ，y ) e x p j o o ( x ，y ) 】，经过湍流大气到达物体上时，波前成为 e ( x ，) ，) e x p j q ，o ( x ，y ) + 仍( j ，y ) ) ( 2 - 1 ) 这里他( x ，y ) 是由湍流大气引起的波前相位畸变。因为波前的相位 ( x ，j ，) + 仍( z ，) ，) 0 ，所以发射的激光不能会聚在物体上。图中( b ) 中的情况是 从小目标反射的光波可以认为是球面波e ( x ，j ，) e x p j 妒2 ( x ，州，回波光束通过湍 流大气到达发射机时，光波变成为： l ( x j ，) e x p 够( ，j ，) + 呸( 工，j ，) ( 2 - 2 ) 即到达发射机的回波光束已经不是球面波。图( c ) 是进行相位共轭校正的情 况。在测定了回波光束的波前相位后，控制发射波前形状，使之与回波波前形状 相同但传播方向相反，即发射的光波的相位与回波的相位相反，成为： 0 ( x ，y ) e x p 一锻( x ，j ，) 一呸( x ，j ，) ) ( 2 - 3 ) 到达目标后变为 厶( x ，) j ) e x p 一j 1 5 0 2 ( x ，y ) ( 2 - 4 ) 即到达目标时的波面为一球面波，它的球心在物体上，即发射的激光会聚在 物体上。 在利用自适应光学技术进行光束大气传输波前畸变校正时，系统的主要像差 来自于( 1 ) 激光器内腔镜的制造误差、热变形和工作介质的不均匀性：( 2 ) 外部发射通道中大气湍流和热晕；( 3 ) 分光镜及其他光学元件的制造误差和热变 形，内部光路气体的扰动，因此要求自适应光学系统能够消除激光本身的像差和 校f 大气湍流造成的波前畸变，并且能够消除( 3 ) 中的像差。其中( 2 ) 引起的 像差称为外光路像差，一般由外光路的信标光辅助进行像差探测，而将( 1 ) 和 ( 3 ) 造成的像差称为内光路像差。常规的自适应光学系统对内外光路各采用一 套系统校正。 中科院光电所2 0 0 6 届母i q - 毕业论文 ( a ) 任意形状波前发射 匪丑簧 ( b ) 球面波反射 ( c ) 共轭波发射 图2 1 相位共轭原理 图2 2 为一发射式自适应光学系统的布局图，图中d m ( 变形镜) 代表波前 校正器件，内光路部分用一套自适应光学系统校正内光路的像差，也就是光束净 化，光束净化的目的是校正出射激光( 带有像差) ，在得到标准的平面光后通过 外光路的自适应光学系统将出射激光校正成信标光的波前的共轭，在这个常规的 自适应光学系统中，引用了两套系统来校正内外光路的像差，但是由于分光镜引 起的像差探测器并不能探测，因此由分光镜带来的像差不能校f 。另一方面由于 系统庞大，导致系统维护困难，可靠性差。 由于常规的自适应光学系统存在的这个问题，1 9 9 9 年k e n n e t hw b i l l m a n 提 出了共光路共模块( c p c m ) 鲁适应光学的概念。在c p c m 系统中利用光路共 第二章基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的工作原理和系统架构 轭器件，改变光路结构，从而实现一套自适应光学系统校正内外光路像差，同时 能够校正分光镜的变形，在简化系统的同时，又实现了对全光路像差的校正。 图2 2 发射式自适应光学系统的布局 2 1 2 共光路共模块自适应光学原理川 世；! i 共光路共模块自适应技术将两套系统合成，系统原理图如2 3 所示。系统主 要由激光器，共模块哈特曼夏克( h s ) 波前传感器，波前校正器件变形镜( d m ) ， 相位共轭器件，外光路信标光，控制系统等组成。其中共模块h s 波前传感器包 括两个h s 传感器，一个用于探测内光路的波前像差，另一个用于探测外光路信 标光的波前像差。波前校正器件包括两块变形镜，一个用于光束净化，一个用于 大气补偿，该系统同时具有光束净化，校f 大气湍流，自准直，校f 分光镜热变 形，校f 内部光路的扰动引起的像差和降低光学器件制造精度等功能。下面对系 统的功能原理进行分析。 中科院光电所2 0 0 6 届g i - 1 ：毕业论文 图2 3 共光路共模块自适应光学原理图【7 1 大气湍流的校正 为了图示简便，在图2 4 中用一个变形镜表示系统中的所有波前校正器件。 如图2 4 ( a ) 和( b ) 所示，大气湍流对于发射光束的影响通过目标处返回的外 光路信标光得到测量，共模块哈特曼传感器中外光路信标哈特曼的信号作用于变 形镜，可以使得系统具有校正大气湍流的作用。 光束净化功能 当只存在内光路像差时，如图2 4 ( c ) 和( d ) 所示，主激光经过分光镜，大部分 能量被反射，一小部分透过分光镜，经角反射器阵列沿原路返回，再次经分光镜 反射进入共模块哈特曼传感器，经内光路的信标哈特曼传感器探测可以得到主激 光的波前畸变。共模块波前传感器中内光路信标哈特曼传感器的信号形成相应的 信号控制变形镜，从而达到光束净化的目的。 第二章基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的工作原理和系统架构 光路内部的波前畸变校正 光路内部由于光学元件或者光路中的气体扰动带来的波前畸变都会被内光 路信标光或内光路信标光所携带，在实现大气湍流的校正和光束净化也就能够实 现光路内部的波前畸变校正。这样增加了系统对于光学元件的制造和调整误差的 冗余度，同时系统对于恶劣环境的适应性也得到很大的提高。 分光镜的热变形的校正 分光镜由于受到高能激光的辐照，镜面容易发生变性。分光镜的变形一度成 为激光发射中难以克服的波前畸变因素。在c p c m 自适应光学系统中这一像差 也是可以得到探测和校正的，如图2 4 ( g ) 和( h ) ，内光路信标透过分光镜，经 角反射器阵列沿原路返回，再次经分光镜反射进入共模块哈特曼传感器中，实现 了对分光镜热变形的探测，于是通过控制变形镜可以得到相应校正。 共光路部分波前畸变的自动消除 共光路部分，即分光镜到共模块波前传感器的光路上，如果存在波前畸变， 会同时影响内外光路信标光，当实现闭环控制时，由于所做运算是减法运算，所 以存在共光路中的像差会自动消除。 相位共轭器件分光路的波前畸变自动校正 在c p c m 中，相位共轭器件是用一个角反射器阵列实现的。利用角反射器 的反射特性，使之成为伪相位共轭波有较好的波前畸变校j 下效果，角反射器阵列 在一定的条件下与相位共轭波相似，能够校f 大部分的波前畸变，且响应速度很 快。相位共轭器件的反射波是入射波的相位共轭波，因此经过相同的扰动，相位 共轭器件分光路上的波前畸变可以自动校f 。 在c p c m 系统中，运用相位共轭器件，改变了系统中光路路线，使用共模 中科院光电所2 0 0 6 届硕士毕业论文 块哈特曼传感器分别探测内外光路像差，从而实现了一个自适应光学系统校正全 光路的波前畸变的目的。 2 1 3 基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统架构 用两个哈特曼传感器来代替c p c m 中的共模块传感器，实现对内外光路的 波前畸变的探测，系统的架构如图2 5 ，图中用一个变形镜( d m ) 代替波前校正器 件，用两个哈特曼传感器分别探测内外光路像差，用角反射器阵列作为伪共轭器 件，内光路出射激光经过变形镜，反射到分光镜1 ，大部分被反射，小部分经过 风光镜1 ，到达角反射器阵列，被角反射器这列反射回来后，再经分光镜1 反射， 达到分光镜2 ，反射至哈特曼传感器，探测内光路的波前畸变。目标信标光透射 分光镜后，到达用于探测外光路的哈特曼传感器，经过控制系统对内外光路信息 的处理，控制变形镜来实现相位共轭的目的，使出射激光大部分能量到达目标。 ( a ) 第二帝基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的工作原理和系统架构 ( c ) ( e ) ( g ) ( d ) ( f ) ( h ) 中科院光l 乜所2 0 0 6 届硕士毕业论文 图2 4 共光路共模块自适应光学误差探测及校正图【7 】 ( a ) 和( b ) 大气湍流波前畸变的探测和消除： ( c ) 和( d ) 激光波前畸变的探测和消除 ( e ) 和( f ) 激光和大气波前畸变的探测和消除 ( g ) 和( h ) 分光镜热变形波前畸变的探测和消除； ( i ) 共光路部分的波前畸变的探测和消除； a ) 共轭光路部分波前畸变的探测和消除 基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统主要有哈特曼传感器，波前校 正器( 变形镜) ，角反射器阵列，和控制系统组成，下面逐一介绍这些器件。 波前传感器：哈特曼传感器 波前传感器的主要作用是探测光波的波前畸变，目前应用最广泛的波前传感 器为哈特曼传感器，该传感器主要由微透镜和c c d 光电传感器组成，是一种以 波前斜率测量为基础的波前测试仪器。它以高的时间和空间分辨率提供光束相位 和振幅的动态时间一空恻分布。哈特曼传感器具有以下优点：一个探测器可以同 时测量两个方向的波前斜率，光能利用率较高：结构简单，没有运动部件，既适 合连续光又适合脉冲光。由于上述优点，今年来大多数的自适应光学系统都采用 这种哈特曼传感器。 第二章基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的工作原理和系统架构 图2 5 基于双哈特曼传感器的共光路共模块自适应光学系统光路 哈特曼传感器的一个核心部件是微阵列透镜。利用微透镜阵列将入射光束分 剀2 6 哈特曼传感器原理幽1 1 成许多子光束，每个子光束聚焦在c c d 靶面上，形成一个光斑阵列。c c d 探测 到光斑后，计算各个光斑的中心坐标。为了探测某一有像差的波前，必须先进行 标定。标定的目的是为了消除c c d 与入射光束之间的光学器件引入的像差。标 中科院光电所2 0 0 6 届硕士毕业论文 r 爹 陋， 胪皆 ”。 其中e ( x ，y ) = e x p i 2 q b ( x ：，成) ) r ( x x 0 ，y 一) ，。) ，( ，成) 是第i 个角反射器 单元的中心位置，t ( x ，y ) 是角反射器的孔径函数。如果忽略平移效应，则有 e 2 = e e ：称为伪共轭波，研究证明利用角反射器阵列进行波前自动校正的剩余 贱差与形成的伪相位共轭波和理想相位共轭波的波面差值相等。而角反射器阵列 形成的伪相位共轭波与理想的楣位共轭波的等值与角反射器卒暗j 分粕和像筹种 类有关，角反射器阵列数目越多，残差越小，奇函数形式的像差波面，伪相位共 第二章基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的工作原理和系统架构 轭波与理想相位共轭波完全相同。 波前校正器件：变形反射镜 在自适应光学系统中对波前误差的补偿是由波前校正器完成的，在上哈特曼 共光路共模块自适应光学系统中采用变形反射镜校正波前误差，采用高速倾斜反 射镜校正波前整体倾斜误差。 变形反射镜( 变形镜) 通过对它本身的驱动器施加电压来实现对波前误差的 校正，对一个驱动器施加电压时，引起镜面变形的分布函数，叫做面形影响函数。 变形镜驱动器的光学影响函数一般近似为高斯或超高斯函数形式： i ，( 引，) ：唧 i nh 业型生掣) 。 ( 2 - 7 ) a 其中( x im 为第i 个驱动器的位置，d 为驱动器间距，为高斯影响指数，为 驱动器交连值。其中交连值定义为一个驱动器工作时，相邻驱动器中心的变形量 与工作驱动器中心的最大变形量之比。交连值和面形影响函数会影响系统工作的 稳定性和对波前的拟合能力。当各个驱动器施加电压时，所产生的面形在一定的 范围内，满足叠加原理，即产生的面形变化为： e ( x ，j ) = 、o _ ( z ，j ，) ( 2 8 ) i = 1 2 2 双哈特曼共光路共模块自适应光学复原算法和控制系统 在自适应光学系统中，从哈特曼探测到的斜率到给变形镜控制电压这个过 程，是在控制系统中完成的。在共光路共模块自适应光学系统中，控制系统通过 对内外光路哈特曼传感器数据的处理，计算出加在变形镜上的电压值，这个过程 主要包括复原算法和控制算法这两个过程，在我们采用的波前复原算法主要是直 接斜率法，直接斜率法解耦出加在每个变形镜上的电压，控制算法主要实现闭环， 中科院光电所2 0 0 6 届硕士毕业论j 以及实现数字滤波功能。自适应光学的框图如图2 7 所示。图中w f s 表示波前 传感器，w f c 表示波前复原，c c 表示控制算法，d a c 表示数模转换，h v a 表示 t c o m p e n s a t i o n 图2 7自适应光学原理图 高压放大器，大气湍流经过哈特曼传感器后，经过复原算法，解耦出相应的电压， 经过控制算法得到闭环后的加在驱动器上的电压值，通过数模转换后，经高压放 大器加在变形镜上。下面介绍波前复原算法和控制算法。 2 2 1 波前复原算法 在自适应光学系统中，波前传感器只能测量各子孔径的波前平均斜率数据， 为了校正波前相位误差，需要得到波前校正器的每个驱动器上施加的电压值。将 波前传感器所测的量转换成每个驱动器上的校正值或波前相位误差，这个过程， 叫作波前复原。目前主要应用的波前复原算法为直接斜率法 直接斜率法 对于哈特曼传感器和变形反射镜一起工作的时候，直接斜率法利用哈特曼传 感器探测得到的斜率和变形反射镜的电压之间的关系，从探测的斜率直接计算得 到变形镜的电压。利用探测到的斜率s ，驱动器的电压与探测器斜率之间的关系矩 阵即复原矩阵，就可以求得控制电压1 j 1 一d s( 2 - 9 ) d 称为复原矩阵。通过测试驱动器中爪和哈特鲁子孔径斜率之间的关系可以 获得复原矩阵。对驱动器施加电压，改变变形镜面形会引起探测器斜率的变化， 第二章蔡于双哈特璺的共光路共模块自适虚光学系统的工作原理和系统架构 利用这种关系可以求出复原矩阵。在一定的线性区间内，变形镜的电压v 和探测 器的斜率g 存在线性关系： g = r v ( 2 - 1 0 ) 在直接斜率法中，r ，称为传递矩阵，通过施加变形镜电压v ，用哈特曼传 感器探测对应的斜率g ，就可以计算出传递矩阵。得到的最优拟合波面的复原矩 阵d 是通过传递矩阵计算得出： d = r + f 2 1 1 1 在得到复原矩阵后，就可以计算出相应的电压。通过控制算法就可以求出应 该加在变形镜上的电压值。 直接斜率法在双哈特曼共光路共模块自适应光学系统中的应用 如果将变形镜的影响函数在光瞳空间内离散化，对于n 个驱动器的系统，将 n 个影响函数离散后得到的矩阵转换成列向量，则可以得到n 个影响函数列向量 托，z ：，_ ，) ，对于任意离散化后的像差向量妒，计算使拟合后的残差最小的 问题可以归结为，在由影响函数向量组成的空间l ( x ，) 内，寻找一个向量 j ，使它与像差向量距离最短。设j ，= 口，+ + a n x n ，那么( 口，口。) 为加在变 形镜上的电压的最优值。 由前述共光路共模块自适应光学系统的原理可知，应该校正的相位为内外光 路像差之差竹。，- ( a o 。，因此，驱动器上施加的电压为应该为两者电压之差。由内 光路的像差引起的电压v i 。，= 巩；5 k ，外光路引起的电压为v 。= d o 。s o 因此校 f 电压、，= 1 。0 。，。 在实际系统中，分别计算出内外光路电压然后相减就可以得到应该相应的电 压值，该电压值经过控制运算得到闭环的控制电压。 中科院光r 乜所2 0 0 6 届硕l 毕业论文 控制算法 自适应光学的控制主要是解决变形镜的耦合和时间延迟问题，耦合问题在直 接斜率法中已经得到解决，关于时间延迟，采用简单的比例积分控制，可以基 本满足控制要求。比例积分型控制器传函为： c(s)：篓(2-12) o 比例一积分控制器具有对阶跃相应稳态无静差的优点，可以满足精确跟踪的 要求。现在数据处理主要在数字信号处理器完成的，在数字处理器上的形式为： p c ( z ) 。青( 2 - 1 3 ) 在双哈特曼共光路共模块自适应光学系统中采用这种控制算法。 2 2 2 控制系统架构 双哈特曼共光路共模块自适应光学系统的控制系统主要由计算机，数模转换 器件( d a 板) ，高压放大器等组成。计算机主要完成哈特曼子孔径斜率的计算， 波前复原以及控制算法，计算所得到的电压经d a 板输出，在高压放大器放大后， 输出高压电压给校正器件，也就是变形镜和倾斜镜。 i 内咒路岭特曼 _ 一 汁 机 一叵h - t m 恒 廿) 匕啉i 制丝l 一 幽28 控制系统框幽 计算机晕的功能通过软件实现，主要算法用组件实现，在a t l 中丌发，界 第二章基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的工作原理和系统架构 面部分在m f c 开发环境中实现。d a 板由基于u s b 接 1 1 的接口卡和d a 转换卡 实现。 本章小结 本章介绍了基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统的工作原理，系统 布局，复原算法及控制算法等等，这些都是工程实现的依据。 中科院光电所2 0 0 6 届硕士毕业论文 第三章基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学 系统软件开发 自适应光学的复原算法和控制算法等都是在软件中实现的，因此软件是整个 系统中一个重要环节。由于在系统中采用两套哈特曼传感器，因此算法具有相似 性，代码的可重用程度很高，组件技术能够在二进制级别提供重用，已经广泛应 用在各种软件开发中。本章介绍软件的基本架构和基于组件的自适应光学软件开 发技术。 3 1 主机控制程序的功能，构成及工作流程 主要功能 ( 1 ) 具有定标的功能，定标的主要作用是消除哈特曼传感器的光学器件所引起 的光学畸变。 ( 2 ) 测试传递矩阵，传递矩阵是计算复原矩阵的重要依据，而复原矩阵是直接斜 率法中的重要部分。 ( 3 ) 向d a 板卡发送电压及计算电压，自适应光学最终的目标是消除光学畸变， 最终只有通过施加给波前校正器电压才能实现。 ( 4 ) 哈特曼图象的采集和斜率波前信息分析和结果的显示。 主要部件： ( 1 ) 主机控制程序界面模块 负责与用户进行交互，并控制其他模块的工作状态 ( 2 ) 测试传递矩阵模块 ( 3 ) 与u s b 接口卡进行通信 第三章 基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统软件开发 ( 4 ) 哈特曼图象的采集，存储 ( j ) 哈特曼图象，斜率，波前的离线重放。 由于系统实时性的要求，在实现主机控制程序时，采用多线程编程，主要有 以下几个线程： ( 1 ) 主机控制程序界面模块：主线程 ( 2 ) 测试传递矩阵：传递矩阵测试模块线程 ( 3 ) 闭环部分：闭环模块线程 主机控制程序启动后，对软硬件进行初始化，软件的初始化指从文件中载入 复原矩阵，同时计算每个哈特曼的斜率和波前像差，波前像差用z e m i k 多项式 表示，同时显示图像：硬件的初始化指分别下载固件代码到图像采集卡的u s b 以及用于d a 的接口卡的u s b 芯片中去，同时发送电压0 到各个驱动器。 当需要测试传递矩阵的时候，主线程创建传递矩阵测试线程，在该线程中调 用函数测试传递矩阵，传递矩阵测试完成后，销毁该线程。闭环时，主线程创建 闭环模块线程，利用计算所得到的斜率和复原矩阵，经过复原和控制算法就可以 得到最终加在驱动器上的电压。机控制程序工作流程图如图3 】所示。 主机控制程序的界面如图3 2 所。图中，初始化按钮用于载入复原矩阵，以 及输出电压值为零，闭环结束等。传函按钮用于测试传递矩阵，启动用于闭环， 定标h s 按钮用于哈特曼传感器的定标。u s b 固件用于载入图像采集卡的固件代 码，读数按钮用于离线重现储存的图像，斜率和像差信息。左右两边图像分别为 内外光路的哈特曼子孔径成像图。右下角显示图像的像差信息，通过点击右键可 以打开弹出菜单，通过菜单的选择可以更改为子孔径斜率和电压驱动器的位置排 布图，通过排布图可以选择具体的子孔径或驱动器，左下角的图像显示相应的 x , 3 ，方向斜率或电压值。 整个界面是在v c 的m f c 环境下丌发的。整个应用程序的主窗口为对话框， 中科院光也所2 0 0 6 届硕士毕业论文 其他共六个子窗c i ，分别是：内外光路哈特曼成像窗口，像差窗口，子孔径选择 图3 1 主机控制程序工作流程圈 窗口，斜率显示窗口，电压显示窗口。这些窗口都是派生于c w n d 类。都是派生 于c w n d 类。为了实现各个窗口的图像的实时显示，通过创建一个线程，在线程 中循环调用r e d r a w w i n d o w ( ) i 蚕数，通过不停地发送w mp a i n t 消息，来实现各 个窗口的实时更新。采用这种方法的图像能够在屏幕上实时地显示图像，并且不 i 为烁。 由于在哈特曼传感器计算斜率以及复原电压的过程大量地用到了矩阵运算 和图像处理算法，并且这些算法在某种程度上具有相似性。如果采用m f c 开发， 不便于扩展，出于组件技术在构件复用方面的优势，因此对于这些算法采用基于 组件对象模型的开发技术这些功能在a t l ( a c t i v e t e m p l a l el i b a r a r y ) 中开发。 第三章 基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统软件开发 图3 2 主机控制程序界面 下面介绍基于组件的自适应光学软件的开发。 3 2 基于组件技术的共光路共模块的软件开发 3 2 1 构件复用及组件对象模型 目前软件开发采用的普遍模式是企业开发了第一套软件系统后，在碰到第二 个软件项目的时候，修改第一套系统，供客户使用，这样的软件开发模式往往开 发第三套软件需要更长的开发时间，开发出来的软件具有更多的不可靠性，维护 困难。 为了降低软件丌发时间，提高软件的可靠性，构件复用作为一种现实有效的 软件丌发方法f 受到越来越多的重视和研究。构件即软件中可重用的最小模块， 中科院光电所2 0 0 6 届硕士毕业论文 近年来，随着d n a ，中间件等三层体系结构和分布式对象的兴起，为基于可复用构 件的软件体系结构赋予了更大的内涵。从而使我们在评价构件复用的意义时，不 应只局限于开发周期的缩短，软件质量的可靠提高，更要认识到构件组装式的开发 在系统维护( 如版本更新，功能增删等) ，分布式计算等方面所带来的极大便利。由 于维护阶段占软件开发周期总成本的6 7 左右，因此构件重用对整个软件产业的 重要意义就不言而喻了从维护和分布计算的角度考虑，构件复用就是要实现“即 插即用” 传统的面向对象编程语言中，基于继承机制的类的复用，只是源代码级的重用， 在源代码不可得的情况下( 构件产业化的发展趋势下，这种情况很普遍) ，就变得毫 无意义了由于在源代码级别的划分太细，致使软件开发效率提高不大，并且局 限于某种具体的开发平台。而基于构件的软件开发就能解决这些问题。 构件目前主要由三种实现方式，m m 的j a v e ，m i c r o s o f t 的c o m 和o m g 的 c o r b a 其中，c o m 由m i c r o s o f t 自9 0 年代初就进行了开发，历经o l e l ，v b x 组 件，o l e 2 ，a c t i v e x ，c o m + 的不断完善，现己成为一个相当成熟的组件模型，对构件 复用提供了有力的底层支持 c o m 即组件对象模型，是个二进制的标准，它详细规定了一个c o m 组件 所应具有的内存结构c o m 对象间的交互完全基于对此内存结构的操作因此可 以在很大程度上忽略不同编程语言，应用环境之间的差别，解决了重新编译重新发 行的问题。 c o m 用接口的概念对组件的功能属性进行完全的封装。与组件的通信必须 通过接口进行接口不仅是一个逻辑上的概念，而且也存在着与相对应的物理内存 结构( v t a b l e ) 一个对象可以对应多个接口，一个接口也可以由多个对象所实现， 表现出灵活的多态性同时也为版本管理提供了方便当使用新版本的组件替换老 版本时，只要该组件实现了旧版本的接口( 通过包容，聚合等手段) ，就保证了其与原 第三章基于双哈特曼的共光路共模块自适应光学系统软件开发 用软件系统的兼容同时新增功能( 新的接口) 又可被自然的使用接口完全封装了 内部功能，属性的具体实现，使得c o m 对象对外表现为”黑盒”结构，完全吻合面向