一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于完整二阶系统响应的DM‑SHWS建模方法，该方法基于变形镜非线性响应的特性，构建了自适应光学系统的完整二阶系统响应模型，表征了由变形镜指令到夏克哈特曼波前传感器光斑点偏移量的转换关系；使用自适应光学系统实验测试数据进行模型校准，并给出了常数项的噪声均衡方法。考虑到传统自适应光学系统模型精确度受限，本模型包括变形镜指令的二阶、一阶和常数项。完整二阶系统响应模型表现出与实际偏移量更好的拟合结果，对随机指令偏移量误差占比小于10％的准确率高于95％。本发明专利技术的完整二阶系统响应模型具备有效性和准确性，对于自适应光学波前校正的激光通信、激光雷达领域具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法
本专利技术涉及激光通信、激光雷达领域，尤其涉及一种自由空间激光通信、激光雷达系统中用于大气湍流矫正的基于完整二阶系统响应的DM-SHWS(变形镜-夏克哈特曼波前传感器)建模方法。
技术介绍
激光技术具有高符号速率，频带资源丰富，高安全性的优点：应用于无线通信领域，可实现超高速千兆位以上大容量无线通信；应用于雷达领域，可实现高精度距离测量。而激光信号受到大气湿度、温度、风速等环境因素的影响，光信号受到强度和相位扰动，严重降低了传输光束的信号质量，导致通信和雷达系统性能下降。自适应光学技术是一种在光学接收路径中加入可产生与畸变相位共轭的校正模块，从而抑制大气湍流效应，改进光学子系统性能的技术。空间自适应光学技术的出现，将有效改善激光传输信道大气湍流效应引起的接收光束相位和幅值畸变问题，在激光通信、激光雷达领域具有巨大的工程应用价值和前景。变形镜(DeformableMirror,DM)和夏克哈特曼波前传感器(Shack-HartmannWavefrontSensor,SHWS)是自适应光学系统中最关键的两个器件，两者结合组成了最常见的闭环自适应校正系统之一，系统简易架构如图3所示，具备体积小，磁滞效应低，精度高等优点。当处于理想状态时，入射光束通过微透镜聚焦在电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)相机平面上形成二维光斑阵列，每个光斑点位于子孔径的中心，并且该位置被设定为参考位置。当输入光束携带畸变相差时，光斑点较于参考位置发生偏移，可以测量得到x和y坐标的偏移量并传输至控制器，其原理如图4所示。控制器将配置变形镜构造与输入畸变相差光学共轭的反射平面来校正相差，产生大小相等，方向相反的偏移量使光斑点回至参考位置。如果无法正确实施自适应光学补偿，那么激光通信系统的性能将大大下降。因此，建立光斑点偏移量和变形镜配置指令之间的转换模型对于自适应光学系统的实施至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是区别于传统自适应光学系统建模方法，提供一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法，在光斑点偏移量与变形镜指令平方项相关的转换关系的基础上，在模型内引入一阶和常数项，并用实验数据拟合校准方法获得模型内的相关系数。本模型用于表征变形镜的响应特性，展现出更好的拟合特性和误差抵抗能力。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法，包括以下步骤：(1)建立自适应光学系统的DM-SHWS完整二阶系统响应模型：P＝[P1,P2,…,PM]其中，P表示完整二阶系统响应模型，Pj表示第j个电极通道的响应函数，M表示变形镜的通道数，N表示光斑点数，ai,j,bi,j,ci,j分别表示二阶、一阶和常数项系数，下标i、j分别表示光斑点偏移量和电极通道的编号；模型多电极通道系统响应矩阵P是每个单电机通道响应函数的组合，所有通道耦合组合在一起可形成固定边界内地反射镜表面形状地整体调制。(2)按编号依次给每个电极通道施加循环校准电压指令，通过最小二乘拟合方法获得每一个电极通道的响应函数Pj，最终将得到的M个电极通道的响应函数线性组合并进行常数项均衡；(3)任一组包含变形镜归一化指令的二阶、一阶和常数项的向量stotal＝[s12,s1,1,s22,s2,1,…sM2,sM,1]T，伴随系统响应模型一阶和常数项的引入，模型中变形镜归一化指令向量的维度扩展了2倍；结合步骤(2)得到的完整二阶系统响应模型P，重构任一组归一化指令下的光斑点偏移向量d＝P×stotal；其中sj2、sj分别表示第j个电极通道归一化指令的平方和一次项，M表示变形镜的通道数。进一步的，步骤(2)中施加的循环校准电压指令区间为其中为使变形镜反射面有双向移动校正的能力，初始参考面电压指令设置为变形镜可施加的最大电压指令的一半vmax/2，可实施的电压指令区间较参考面正负2vmax/5。进一步的，在施加循环校准电压指令时，以vmax/20为步长，以vmax/2为起始点。进一步的，在步骤(3)中，将电压指令作归一化，使变形镜每一个电极通道归一化指令分布于-1至1之间，公式如下：sj＝(vj-vmax/2)/(2vmax/5)其中，vj表示第j个电极通道上施加的电压指令，vmax表示变形镜可施加的最大电压指令。进一步的，任意光斑点偏移量di表示为：进一步的，步骤(2)中多通道响应函数线性组合时，若简单的选定拟合常数项，会造成偏置估计的重复累加，组合后的参考面偏置估计值会是实际值的通道数倍。所述的常数项均衡方法为：将每个通道的常数项响应均除以通道数，得到均衡化后的常数项ci,j′＝ci,j/M。与现有技术比，本专利技术具有的有益效果为：(1)基于完整二阶系统响应模型，光斑点偏移量和变形镜指令的函数曲线的拟合结果与硬件响应属性更加匹配，表现出对光束抖动和膜面漂移更好的噪声抵抗能力。(2)自适应光学系统模型通过实验数据拟合，不需要变形镜精确参数的先验信息，且考虑到系统噪声和膜面漂移的影响，具有更强的实用性。(3)更精确的自适应光学系统响应模型对于实际系统波前校正应用中，保证了变形镜控制指令的准确性，增强了自适应光学系统的有效性。(4)所述的完整二阶系统响应模型既可应用于固定相差校正，又可以应用于动态跟踪系统。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为自适应光学系统的完整二阶系统响应模型结构图；图2为循环校准电压指令和变形镜反射面响应；图3为自适应光学闭环系统简易架构；图4为夏克哈特曼波前传感器的原理图；图5为采用本专利技术具体实施例和另外两种传统建模方法下，第361个光斑点偏移量和第1个电极通道归一化指令的拟合曲线；图6为OKO37通道微机械膜变形镜电极通道PCB结构图；图7为1000组随机指令误差占比分布图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。本专利技术提出的一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法，包括以下步骤：一、建立自适应光学系统的DM-SHWS完整二阶系统响应模型：P＝[P1,P2,…,PM]其中，P表示完整二阶系统响应模型，Pj表示第j个电极通道的响应函数，M表示变形镜的通道数，N表示光斑点数，ai,j,bi,j,ci,j分别表示二阶、一阶和常数项系数，下标i、j分别表示光斑点偏移量和电极通道的编号。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)建立自适应光学系统的DM-SHWS完整二阶系统响应模型：/nP＝[P

【技术特征摘要】
1.一种基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立自适应光学系统的DM-SHWS完整二阶系统响应模型：
P＝[P1,P2,…,PM]



其中，P表示完整二阶系统响应模型，Pj表示第j个电极通道的响应函数，M表示变形镜的通道数，N表示光斑点数，ai,j,bi,j,ci,j分别表示二阶、一阶和常数项系数，下标i、j分别表示光斑点偏移量和电极通道的编号；
(2)按编号依次给每个电极通道施加循环校准电压指令，通过最小二乘拟合方法获得每一个电极通道的响应函数Pj，最终将得到的M个电极通道的响应函数线性组合并进行常数项均衡；
(3)任一组包含变形镜归一化指令的二阶、一阶和常数项的向量stotal＝[s12,s1,1,s22,s2,1,…sM2,sM,1]T，结合步骤(2)得到的完整二阶系统响应模型P，重构任一组归一化指令下的光斑点偏移向量d＝P×stotal；其中sj2、sj分别表示第j个电极通道归一化指令的平方和一次项，M表示变形镜的通道数。


2.根据权利要求1所述的基于完整二阶系统响应的DM-SHWS建模方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：虞温豪，钟杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33