适用于大口径光电探测系统的波前光学抖动分析方法技术方案

适用于大口径光电探测系统的波前光学抖动分析方法，涉及光学系统检测领域，解决了现有功率谱方法不适用于大口径光电探测系统的光学抖动分析的问题。用法方程对原始波前信息进行拟合，求解波前Zernike多项式系数，得去除低阶波像差的波前像差数据；用周期图法计算二维功率谱估计及功率谱频域平均半径，并进行功率谱坍陷；将二维功率谱一维形式代入式(4)反演计算，得与实际光学抖动具有相同统计规律的数值波前，并将其用于光学系统的性能分析与误差分配；ΔxΔy为两个方向的取样间隔，φ(m,n)为服从正态分布的相位矩阵，m和n为变量，A为孔径面积。利用式(4)得到的数值模拟波前可以为系统的抖动评价以及误差分配提供较好的指导。

【技术实现步骤摘要】
适用于大口径光电探测系统的波前光学抖动分析方法
本专利技术涉及光学系统检测
，具体涉及一种适用于大口径光电探测系统的波前光学抖动分析方法。
技术介绍
随着人类对宇宙探知需求的增长，作为探索宇宙的主要手段之一的天文望远镜技术也越来越被各国科学家所重视。为了实现对宇宙更深远更详细的探索，天文望远镜的口径也制作得越来越大。随着新一代大口径光电探测系统的复杂程度与尺寸的增加，为了获得更加稳定的图像、更长的曝光时间，对于系统的抖动误差的要求也随之增加，如果不使用专门的评价与抑制方法，系统可能无法达到预计的成像质量与科学指标。系统的抖动指的是光电探测系统在利用控制策略修正指向误差之后的残余波前误差。一般来说，系统的抖动分为整体刚体位置抖动与波前光学参数抖动，对应的评价方法也不尽相同。整体刚体位置抖动(刚体抖动)指的是由于风载与惯性载荷引起机械的颤动使系统光轴发生几何位置上的偏移，主要造成波前整体斜率及低阶像差的变化；而波前光学参数抖动(光学抖动)是由于大气视宁的影响以及光源本身的参数变化，使系统波前的中高频特性发生改变。一般的光电探测系统，由于口径较小，大多只考虑刚体抖动问题，如美国JetPropulsion实验室一米口径的地基望远镜OpticalCommunicationsTelescopeLaboratory(OCTL)，为了使系统在观测时视轴不会偏出大气等晕角，在考虑风载以及外部激励的情况下利用状态观察/预测器，利用地基望远镜各部分的刚体位移，来合成系统的刚体抖动，进而修正控制信号，以达到抑制刚体抖动在1″之内的目的。但是随着地基望远镜的口径增大，其波前内部的起伏也越来越明显，如果不能对其进行合理的评价与抑制，将对系统的功能实现造成巨大的影响。功率谱(PSD)是上个世纪由美国NIF实验室提出在频域中的评价波前的方法，但受其时代限制，当时的主要应用对象口径偏小，同时具体的算法也有待改进，因此，为了获得真实确切的光学抖动分析，对于大口径光电探测系统，一方面需要引入功率谱作为频域评价指标，另一方面，现有的功率谱(PSD)方法也需要一定的改进。
技术实现思路
为了解决现有功率谱(PSD)方法不适用于大口径光电探测系统的光学抖动分析的问题，本专利技术提供一种适用于大口径光电探测系统的波前光学抖动分析方法。适用于大口径光电探测系统的波前光学抖动分析方法，该方法包括以下步骤：步骤一、利用法方程对原始波前信息进行拟合，求解波前Zernike多项式系数，并得到去除低阶波像差的波前像差数据；所述法方程如下：式(1)中，a4,a5,a6表示波前Zernike多项式系数，φ表示检测到的实际波前；步骤二、利用周期图法计算环形区域上的波前光学抖动的二维功率谱估计以及功率谱频域平均半径，二维功率谱估计如下：式(2)中，N为二维功率谱环形区域中的点的数量，为二维功率谱频域平均半径，ρl为第l个二维功率谱频域半径值，Ni-1和Ni为第i个环带对应的二维功率谱频域半径起止序号，i,l均为整数；将二维功率谱坍陷为一维形式，如下：式(3)中，N为二维功率谱环形区域中的点的数量，为二维功率谱频域平均半径，ρl为第l个二维功率谱频域半径值，Ni-1和Ni为第i个环带对应的二维功率谱频域半径起止序号，i,l均为整数；步骤三、将式(3)代入式(4)进行反演计算，得到与实际光学系统的光学抖动具有相同统计规律的数值波前，并将该数值波前用于光学系统的性能分析与误差分配；式(4)中，ΔxΔy为两个方向的取样间隔，φ(m,n)为服从正态分布的相位矩阵，m和n为变量，A为孔径面积。在进行步骤一之前，还包括如下步骤：波前光学抖动分析装置由高分辨率波前传感器和与其电连接的计算机组成，将高分辨率波前传感器放置在光学系统光路的合适位置，并连接至计算机。本专利技术的有益效果是：本专利技术中，将功率谱(PSD)方法应用于系统波像差的中高频成分的分析之中，以分析系统的光学抖动特性，可以得到系统波前抖动的周期图，对于系统光学抖动的定量评价，可以仿照NIF实验室给出的中频域NTP(nottopass)曲线，将周期图曲线与其交点所对应频率为衡量系统的重要指标，利用式(4)得到的数值模拟波前可以为系统的抖动评价以及误差分配提供较好的指导。具体实施方式本专利技术的适用于大口径光电探测系统的波前光学抖动分析方法，由以下步骤实现：步骤一、波前光学抖动分析装置由高分辨率波前传感器和与其电连接的计算机组成，将高分辨率波前传感器放置在光学系统光路的合适位置，并连接至计算机。步骤二、利用法方程对原始波前信息进行拟合，求解波前Zernike多项式系数，并得到去除低阶波像差的波前像差数据；法方程如下：式(1)中，a4,a5,a6表示波前Zernike多项式系数，φ表示检测到的实际波前。步骤二、对步骤一获得的波前像差数据进行分析，实现待测波前的光学抖动分析。将光学系统的波前若干阶波像差去除之后，剩余的就是光学系统的中高频特性，为了描述光学系统在该频段内的光学抖动，在此引入功率谱方法，功率谱方法是功率谱密度方法的简称，其定义为序列自相关序列的傅里叶变换，但是由于实际的随机序列长度有限，得到的功率只是对于真实功率的一种估计，这种估计方法被称为周期图法，通过周期图法可以得到的每个子序列的修正周期图。利用周期图法计算环形区域上的波前光学抖动的二维功率谱估计以及功率谱频域平均半径，将二维功率谱坍陷为一维形式；二维功率谱估计如下：式(2)中，N为二维功率谱环形区域中的点的数量，为二维功率谱频域平均半径，ρl为第l个二维功率谱频域半径值，Ni-1和Ni为第i个环带对应的二维功率谱频域半径起止序号，i,l均为整数。二维功率谱坍陷后的一维形式如下：式(3)中，N为二维功率谱环形区域中的点的数量，为二维功率谱频域平均半径，ρl为第l个二维功率谱频域半径值，Ni-1和Ni为第i个环带对应的二维功率谱频域半径起止序号，i,l均为整数。步骤三、将式(3)所示的功率谱代入式(4)进行反演计算，得到与实际光学系统的光学抖动具有相同统计规律的数值波前，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
适用于大口径光电探测系统的波前光学抖动分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、利用法方程对原始波前信息进行拟合，求解波前Zernike多项式系数，并得到去除低阶波像差的波前像差数据；步骤二、利用周期图法计算环形区域上的波前光学抖动的二维功率谱估计以及功率谱频域平均半径，二维功率谱估计如下：ρ‾i=1NΣNi-1Niρl---(2)]]>式(2)中，ρl均为功率谱频域平均半径；将二维功率谱坍陷为一维形式，如下：PSD1D(ρ‾i)=1NΣNi-1NiPSD2D(ρl)---(3)]]>式(3)中，ρl均为功率谱频域平均半径；步骤三、将式(3)代入式(4)进行反演计算，得到与实际光学系统的光学抖动具有相同统计规律的数值波前，并将该数值波前用于光学系统的性能分析与误差分配；h(x,y)=1ΔxΔyIFFT[eiφ(m,n)A×PSD(m,n)]---(4)]]>式(4)中，ΔxΔy为两个方向的取样间隔，φ(m,n)为服从正态分布的相位矩阵，m和n为变量，A为孔径面积。...

【技术特征摘要】
1.适用于大口径光电探测系统的波前光学抖动分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、利用法方程对原始波前信息进行拟合，求解波前Zernike多项式系数，并得到去除低阶波像差的波前像差数据；步骤二、利用周期图法计算环形区域上的波前光学抖动的二维功率谱估计以及功率谱频域平均半径，二维功率谱估计如下：式(2)中，N为二维功率谱环形区域中的点的数量，为二维功率谱频域平均半径，ρl为第l个二维功率谱频域半径值，Ni-1和Ni为第i个环带对应的二维功率谱频域半径起止序号，i,l均为整数；将二维功率谱坍陷为一维形式，如下：式(3)中，N为二维功率谱环形区域中的点的数量，为二维功率谱频域平均半径，ρl为第l个二维功率谱频域半径值，Ni和Ni-1为计算得到的第i个环带对应的二维功率谱值起止序号，i,l均为整数；步骤三、将式(3)代入式(4)进行反...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨飞，安其昌，赵宏超，苏燕芹，郭鹏，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22