一种地表层自适应光学系统性能评价方法技术方案

本发明专利技术公开了一种地表层自适应光学系统性能评价方法，该方法根据地表层自适应光学系统中导星分布，以目标视线方向上均方根误差最小为判据计算每颗导星的权重，对地表层湍流波前进行加权平均波前重构。结合空间频谱滤波理论，将权重因子引入系统误差传递函数。在计算各层湍流的相位结构函数后，得到望远镜系统的光学传递函数，从而通过解析的方式评价系统性能。本方法基于大气分层理论、空间频谱滤波理论和最优估计理论，对地表层湍流波前探测效果进行解析计算，避免数值仿真分析的局限性；引入不同导引星的权重因素，较传统平均算法提升了系统校正性能。对后续大视场地表层自适应光学系统研制具有应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种地表层自适应光学系统性能评价方法
本专利技术专利属于自适应光学领域，具体涉及到一种地表层自适应光学系统性能评价方法。
技术介绍
自适应光学(AdaptiveOptics,AO)技术可以解决大气湍流对大口径望远镜影响，但是存在一些原理性的限制。首先，受大气非等晕性的影响，AO系统校正视场有限，不能满足某些场合的运用需求；其次，AO系统需要足够亮的星体作为信标为波前传感器供信息，天文观测中很多区域都无法找到满足条件的亮星，导致利用AO系统进行天文观测时，其空域覆盖率较低。激光导引星虽然可以解决这一问题，但是其有限的高度又会带来“锥效应”问题。传统AO系统的校正视场大小主要受角度非等晕性限制，而角度非等晕误差主要来自于两个方面:一是参考星和目标星不在同一位置时，参考星光波与目标星的光波传输路径不同，校正的像差并非目标星光波传输路径上的像差，只有当观测目标本身亮度足以作为导引星时，这种误差才可以避免；另一方面传统AO系统的变形镜一般位于望远镜入瞳或其共轭的位置，而湍流层则多位于不同高度的大气层中，对于扩展目标来说，只有探测视场对应的区域附近可以很好的校正大气湍流的影响，对于距离稍远的区域，由于不同视场在高层湍流处经过不同的区域，单个变形镜无法对不同视线方向上的湍流引起的波前像差进行完全的校正，导致校正视场有限。多层共轭自适应光学(Multi-ConjugateAdaptiveOptics,MCAO)技术针对这两方面突破等晕角的限制。该技术由J.M.Beckers于1988首先出。根据波前探测方式的不同，又分为层向多层共轭自适应光学(LayerOrientedMCAO,LOMCAO)和星向多层共轭自适应光学(StarOrientedMCAO,SOMCAO)。地表层自适应光学(GroundLayerAdaptiveOptics,GLAO)可以成是MCAO的一种特例，是Rigaut等人在2002年提出的。它通过多颗引导星探测，但只使用一面变形镜校正校正近地表层的湍流。GLAO原理示意图如图1所示。GLAO技术主要基于大气湍流的分层特性，不少天文观测站点大气湍流观测数据表明，大部分大气扰动都集中在地表层，而不同视场的光波在近地表层收到的影响几乎一样，通过对地表层的探测和校正，可以在更大视场范围内获得可观的校正效果。国外在夜天文研究领域分析表明，GLAO可以在最大8’左右的视场内提高成像质量，对于某些特殊的系统，其校正视场也可以达到几十角分。由于GLAO只校正地表层大气湍流，因此其校正后的成像一般达不到衍射极限的校正效果。这点限制了GLAO在部分应用场合的应用，但是也填补了另外一些应用中传统AO的不足。目前，国内外对GLAO的研究和实验都在如火如荼的进行中，在建的大口径天文望远镜也都装配实验系统的计划。对GLAO系统的性能评价就成为了一项关键环节，无论是科学研究还是工程需要，通过系统本身的一些参数入手，对系统进行科学的评价是一项有待解决和完善的工作。鉴于太阳地表层自适应光学系统的复杂性，对其进行理论的建模与仿真研究至关重要。目前GLAO系统通常使用平均算法进行波前重构，平均算法的原理如图2所示，平均算法运用到了在不同位置的湍流彼此之间在统计上相互独立故而多个不同位置的大气湍流均值为0的假设，对多个导星视线方向上的探测信息进行累加平均，基于前面的假设，高层波前信息均值为0，而不同方向在通过地表层时具有绝大部分重合的区域，假设一个GLAO系统有k个导星，则其中表示平均算法重构出的底层畸变波前，表示各导星的平均畸变波前，为各导星探测到的畸变波前。这也表示在平均算法中，无论导星位置和目标位置如何，每颗导星都具有相同的权重但是在实际系统中，由于每颗导星位置与目标位置的不同，导星经过的大气湍流与目标经过的大气湍流并不一致，每颗导星的权重并不会严格相等，平均算法在原理上存在一定的局限性。当前对于地面层自适应光学系统进行的性能评价中，大多在典型大气湍流模型下，采用蒙特卡洛模拟相位屏的方法进行仿真分析，模拟相位屏仅代表当前时刻大气湍流情况，且分析结果不是通过解析计算得到，会具有一定的特殊性与偶然性，大量模拟相位屏的过程也会耗费很多的计算资源。
技术实现思路
本专利技术专利的目的在于解决上述现有技术的不足，提出一种地表层自适应光学系统性能评价方法。本专利技术采用的技术方案为：一种地表层自适应光学系统性能评价方法，该方法包括如下步骤：步骤(1)、根据地表层自适应光学系统中不同导星数量以及分布，计算每颗导星权重。如系统中只有一颗导星(传统AO系统)，步骤(1)可省略。步骤(2)、根据导星权重情况，得到相应的信标类型(BS)因子；根据大气分层理论，可将大气湍流分为不同高度薄层组合，计算此种情况下的每层湍流的误差传递函数(ETF)。步骤(3)、根据步骤(2)所求的每层湍流的误差传递函数(ETF)，计算每层湍流的相位结构函数(SF)。步骤(4)、根据步骤(3)所求的每层湍流的相位结构函数(SF)，计算系统的光学传递函数(OTF)。步骤(5)、根据步骤(4)所求的光学传递函数(OTF)，进行傅里叶变换(FT)可得系统的点扩散函数(PSF)。步骤(6)、根据步骤(5)所求的点扩散函数(PSF)，可得到评价指标，对系统进行性能评价。其中步骤(1)获取系统中各导星权重的计算原理及过程如下：首先建立起GLAO系统中导星与目标相对位置的模型，如图3所示，假设在望远镜上方高度为H的天空区域中，有k颗导星，导星在任意位置，以望远镜瞳面中心为原点建立三维坐标系，则第i个导星在xy平面的投影为ri，目标位置在xy平面的投影为r。由几何关系可以得到，虚线上高度为z的任一点在xy平面的投影为用表示在高度z处沿光束方向的折射率波动，则由第i个导星测得的畸变波前即为：同理通过几何关系可以得到点划线上高度为z的任一点在xy平面的投影为则由目标传入望远镜的畸变波前可表示为：由k个导星探测得到的畸变波前进行加权平均可以表示为校正波前理论上我们需要令校正波前与目标传入望远镜的畸变波前的差异最小才可以实现良好校正，令两者符合无偏估计约束，即：均方根误差可表示为：由于湍流场是局部均匀且各向同性的场，其统计特性与空间位置无关，同一高度上任意点的波前相位的一阶矩相等。故而RMSE可以表示为：其中令均方根误差RMSE最小，采用拉格朗日乘数法，约束条件为求解wi(i＝1,2…k),即为每颗导星的权重。其中步骤(2)根据不同导星情况计算误差传递函数(ETF)的计算原理及过程如下：根据GLAO基本理论，如图4所示，我们假设高于DM共轭水平高度h处仅有一个薄的湍流层，即为地表层湍流，信标的高度为H，设a是从孔径中心观察的信标与物体之间的角度，x是孔径平面中的坐标矢量，从简单的几何形状，从孔中x看，物体和信标波前的相对位移b是由于从无限远目标传至望远镜的光束可看成是圆柱体，信标传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地表层自适应光学系统性能评价方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n步骤(1)、根据地表层自适应光学系统中不同导星数量以及分布，计算每颗导星权重；/n如系统中只有一颗导星(传统AO系统)，步骤(1)可省略；/n步骤(2)、根据导星权重情况，得到相应的信标类型(BS)因子；根据大气分层理论，可将大气湍流分为不同高度薄层组合，计算此种情况下的每层湍流的误差传递函数(ETF)；/n步骤(3)、根据步骤(2)所求的每层湍流的误差传递函数(ETF)，计算每层湍流的相位结构函数(SF)；/n步骤(4)、根据步骤(3)所求的每层湍流的相位结构函数(SF)，计算系统的光学传递函数(OTF)；/n步骤(5)、根据步骤(4)所求的光学传递函数(OTF)，进行傅里叶变换(FT)可得系统的点扩散函数(PSF)；/n步骤(6)、根据步骤(5)所求的点扩散函数(PSF)，可得到评价指标，对系统进行性能评价。/n

【技术特征摘要】
1.一种地表层自适应光学系统性能评价方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤(1)、根据地表层自适应光学系统中不同导星数量以及分布，计算每颗导星权重；
如系统中只有一颗导星(传统AO系统)，步骤(1)可省略；
步骤(2)、根据导星权重情况，得到相应的信标类型(BS)因子；根据大气分层理论，可将大气湍流分为不同高度薄层组合，计算此种情况下的每层湍流的误差传递函数(ETF)；
步骤(3)、根据步骤(2)所求的每层湍流的误差传递函数(ETF)，计算每层湍流的相位结构函数(SF)；
步骤(4)、根据步骤(3)所求的每层湍流的相位结构函数(SF)，计算系统的光学传递函数(OTF)；
步骤(5)、根据步骤(4)所求的光学传递函数(OTF)，进行傅里叶变换(FT)可得系统的点扩散函数(PSF)；
步骤(6)、根据步骤(5)所求的点扩散函数(PSF)，可得到评价指标，对系统进行性能评价。


2.根据权利要求1所述的一种地表层自适应光学系统性能评价方法，其特征在于，步骤(1)获取系统中各导星权重的计算原理及过程如下：
假设在望远镜上方高度为H的天空区域中，有k颗导星，导星在任意位置，以望远镜瞳面中心为原点建立三维坐标系，则第i个导星在xy平面的投影为ri，目标位置在xy平面的投影为r；
由几何关系可以得到，虚线上高度为z的任一点在xy平面的投影为用表示在高度z处沿光束方向的折射率波动，则由第i个导星测得的畸变波前即为：



同理通过几何关系可以得到点划线上高度为z的任一点在xy平面的投影为则由目标传入望远镜的畸变波前可表示为：



由k个导星探测得到的畸变波前进行加权平均可以表示为校正波前理论上我们需要令校正波前与目标传入望远镜的畸变波前的差异最小才可以实现良好校正，令两者符合无偏估计约束，即：






均方根误差可表示为：



由于湍流场是局部均匀且各向同性的场，其统计特性与空间位置无关，同一高度上任意点的波前相位的一阶矩和一阶矩相等；
故而RMSE可以表示为：



其中
令均方根误差RMSE最小，采用拉格朗日乘数法，约束条件为求解wi(i＝1，2...k)，即为每颗导星的权重。


3.根据权利要求1所述的一种地表层自适应光学系统性能评价方法，其特征在于，步骤(2)根据不同导星情况计算误差传递函数(ETF)的计算原理及过程如下：
假设高于DM共轭水平高度h处仅有一个薄的湍流层，即为地表层湍流，信标的高度为H，设a是从孔径中心观察的信标与物体之间的角度，x是孔径平面中的坐标矢量，从简单的几何形状，从孔中x看，物体和信标波前的相对位移b是



由于从无限远目标传至望远镜的光束可看成是圆柱体，信标传至望远镜的光束是圆锥体，因此，在湍流层的采样区域上，由信标采样的区域直径比实际目标采样的区域直径小γ倍；即LGS感测到的像差相对于来自物体的像差减少了γ倍它通过减小的补偿相位幅度取代空间“拉伸”；



对来自多个信标的信号进行平均，为了针对不同信标的情况，引入“信标类型(BS)”因子，它描述了信标在天空上的分布；相应的空间滤波器是：
X(f，x)＝R(f)S(hf)exp[-2πi...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵梓旭，马晓燠，饶长辉，刘会龙，张兰强，樊志华，杨奇龙，李成平，贾天豪，游双慧，
申请(专利权)人：重庆连芯光电技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50