一種基于反射鏡陣列的自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償裝置和補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于反射鏡的光學(xué)補(bǔ)償裝置和補(bǔ)償方法，特別是一種基于反射鏡陣列的自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償裝置和補(bǔ)償方法，屬于自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在相干激光通信和激光雷達(dá)等采用相干探測(cè)方式的系統(tǒng)中，接收端需要將發(fā)射的激光進(jìn)行聚焦用于光學(xué)相干。但由于激光在傳輸過程中出現(xiàn)了相位的畸變，導(dǎo)致激光聚焦之后出現(xiàn)光斑的發(fā)散，以及到達(dá)時(shí)間的分散。一方面降低了接收光的能量，一方面降低了激光的相干性。特別是在相干激光通信和激光雷達(dá)時(shí)，信息裝載于激光的相位中，如果相位出現(xiàn)抖動(dòng)，會(huì)直接導(dǎo)致激光通信的終止和探測(cè)信號(hào)的無法識(shí)別。
[0003]目前常用的相位補(bǔ)償方式是，先利用接收望遠(yuǎn)光路進(jìn)行聚焦，再利用夏克-哈特曼傳感器和透射式變形鏡、基于光學(xué)透鏡陣列、采用自適應(yīng)反饋控制的方式，補(bǔ)償相位畸變。這種方式得到了實(shí)際應(yīng)用，但是由于采用的是變形透鏡陣列，價(jià)格昂貴，因此目前難以推廣，極大限制了其應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于反射鏡陣列的自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償裝置和補(bǔ)償方法，包括分光鏡、參考鏡、第一 CCD、自適應(yīng)反饋控制電路、陣列反射式補(bǔ)償鏡和第二 CCD，分光鏡將接收到的信號(hào)光反射分出一部分用于波前檢測(cè)，其余部分透射進(jìn)入探測(cè)光路；參考鏡將接收到的畸變信號(hào)聚焦到第一 CCD后發(fā)送給自適應(yīng)反饋控制電路；自適應(yīng)反饋控制電路據(jù)此反演波前畸變并控制陣列反射式補(bǔ)償鏡的動(dòng)作，補(bǔ)償接收信號(hào)的波前畸變；同時(shí)將第二 CCD測(cè)量的補(bǔ)償后的焦斑圖像與參考焦斑進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償，采用反射鏡陣列取代變形透鏡陣列，利用CCD進(jìn)行波前畸變檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的光學(xué)補(bǔ)償，成本大幅下降，易于推廣，大幅擴(kuò)展了自適應(yīng)光學(xué)的應(yīng)用范圍。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于反射鏡陣列的自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償裝置，包括分光鏡、參考鏡、第一 CCD、自適應(yīng)反饋控制電路、陣列反射式補(bǔ)償鏡和第二 CCD ;
[0006]所述分光鏡位于接收望遠(yuǎn)鏡中繼光路前端，信號(hào)光的一部分經(jīng)分光鏡反射進(jìn)入?yún)⒖脊饴酚糜诓ㄇ皺z測(cè)，信號(hào)光的剩余部分經(jīng)分光鏡透射進(jìn)入探測(cè)光路，所述參考光路包括參考鏡和第一 CCD，所述探測(cè)光路包括陣列反射式補(bǔ)償鏡和第二 CCD ;
[0007]所述參考鏡將接收到的信號(hào)光聚焦到第一 CCD上，第一 CCD對(duì)接收到的信號(hào)光波前進(jìn)行記錄，并將記錄得到的圖像信號(hào)發(fā)送給自適應(yīng)反饋控制電路；
[0008]所述自適應(yīng)反饋控制電路根據(jù)第一 CCD記錄的圖像信號(hào)，將圖像信號(hào)中的光斑圖像形狀與標(biāo)準(zhǔn)理想?yún)⒖紙D像進(jìn)行比對(duì)，反演信號(hào)光波前畸變，并根據(jù)信號(hào)光波前畸變產(chǎn)生控制陣列反射式補(bǔ)償鏡動(dòng)作的指令；
[0009]所述陣列反射式補(bǔ)償鏡根據(jù)自適應(yīng)反饋控制電路的控制指令進(jìn)行動(dòng)作，從而補(bǔ)償接收信號(hào)光的波前畸變，并將補(bǔ)償后的信號(hào)光匯聚后注入到第二CCD中；所述第二CCD對(duì)補(bǔ)償后的信號(hào)光形成的焦斑圖像進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果送入自適應(yīng)反饋控制電路中與標(biāo)準(zhǔn)理想?yún)⒖紙D像進(jìn)行比對(duì)，并根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)控制指令進(jìn)行調(diào)整，使得第二 CCD測(cè)量到的焦斑圖像逼近標(biāo)準(zhǔn)理想?yún)⒖紙D像，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償。
[0010]所述參考鏡為焦距為100mm的聚焦透鏡。
[0011]所述第一 (XD為電荷轉(zhuǎn)移器件，位于參考鏡的焦面位置。
[0012]所述第二 (XD位于陣列反射式補(bǔ)償鏡構(gòu)成的透鏡的焦面位置。
[0013]所述陣列反射式補(bǔ)償鏡包括多個(gè)陣列排布的面元，各個(gè)面元之間相互獨(dú)立，單獨(dú)進(jìn)行三軸指向控制和位置控制。
[0014]所述各個(gè)面元均與3個(gè)壓電陶瓷柱相連，利用3個(gè)壓電陶瓷柱，采用三點(diǎn)推拉方式控制面元的角度和距離。
[0015]所述將圖像信號(hào)中的光斑圖像形狀與標(biāo)準(zhǔn)理想?yún)⒖紙D像進(jìn)行比對(duì)，反演信號(hào)光波前畸變，并根據(jù)信號(hào)光波前畸變控制陣列反射式補(bǔ)償鏡動(dòng)作；具體為:
[0016]米用柵格化方式反演信號(hào)光的波前畸變情況，依據(jù)每個(gè)柵格對(duì)應(yīng)的X軸、Y軸和Z軸的畸變量控制對(duì)應(yīng)陣列反射式補(bǔ)償鏡的俯仰、偏轉(zhuǎn)、翻滾和平移動(dòng)作，通過控制單個(gè)補(bǔ)償鏡的動(dòng)作，使得信號(hào)光波前畸變最小化。
[0017]所述根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)控制指令進(jìn)行調(diào)整，采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)。
[0018]—種自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法，步驟如下:
[0019](1)接收望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)光的一部分經(jīng)分光鏡反射，并經(jīng)參考鏡聚焦后進(jìn)入第一 (XD，第一 (XD以成像的方式記錄各像元的信息；
[0020](2)自適應(yīng)反饋控制電路接收第一 (XD的成像像素信息，依據(jù)光斑圖像形狀，將其與標(biāo)準(zhǔn)理想?yún)⒖冀拱邎D像進(jìn)行比對(duì)，反演信號(hào)光的波前畸變信息；
[0021](3)自適應(yīng)反饋控制電路根據(jù)步驟(2)中反演的波前畸變信息，產(chǎn)生控制陣列反射式補(bǔ)償鏡進(jìn)行俯仰、偏轉(zhuǎn)、翻滾和平移動(dòng)作的控制信息；
[0022](4)陣列反射式補(bǔ)償鏡根據(jù)自適應(yīng)反饋控制電路的控制信息，對(duì)相應(yīng)的反射鏡進(jìn)行控制，控制角度和前后距離的變化，實(shí)現(xiàn)光學(xué)補(bǔ)償；
[0023](5)第二 CCD對(duì)補(bǔ)償后的焦斑圖像進(jìn)行測(cè)量，獲取監(jiān)控焦斑圖像，并將監(jiān)控焦斑圖像送入自適應(yīng)反饋控制電路，自適應(yīng)反饋控制電路利用監(jiān)控焦斑圖像與標(biāo)準(zhǔn)理想?yún)⒖冀拱邎D像的偏差對(duì)控制信息進(jìn)行調(diào)整；
[0024](6)重復(fù)步驟(1)?步驟(5)，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)控焦斑圖像與標(biāo)準(zhǔn)理想?yún)⒖冀拱邎D像的逼近，完成自適應(yīng)補(bǔ)償，保持探測(cè)光路的相干性。
[0025]所述步驟(2)中反演信號(hào)光的波前畸變信息；具體為:采用柵格化方式，體現(xiàn)每個(gè)柵格上X軸、Y軸和Z軸的畸變，提取出特征差異，反演每個(gè)柵格的波前畸變信息。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0027](1)本發(fā)明采用反射鏡陣列技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償，可以取代現(xiàn)有的變形鏡陣列，簡(jiǎn)化了控制方式和降低了研制難度；
[0028](2)本發(fā)明中的裝置采用反射鏡陣列，相比于變形鏡陣列，具有成本低、生產(chǎn)研制容易、性價(jià)比高的特點(diǎn)，解決了自適應(yīng)光學(xué)價(jià)格昂貴的難題，可廣泛應(yīng)用于相干探測(cè)系統(tǒng)，尤其是激光通信和激光雷達(dá)系統(tǒng)，可滿足低成本系統(tǒng)構(gòu)建的需要；
[0029](3)本發(fā)明利用兩個(gè)CCD分別對(duì)參考光路和探測(cè)光路波前進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以通過第一 CCD成像情況實(shí)現(xiàn)波前畸變情況的快速監(jiān)測(cè)，第二 CCD成像情況實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)補(bǔ)償效果的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過雙CCD光路監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)波前實(shí)時(shí)補(bǔ)償和反饋，相對(duì)于昂貴精密的波前傳感器實(shí)現(xiàn)成本很低。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明中自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償裝置示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償裝置中的反射鏡陣列結(jié)構(gòu)圖；
[0032]圖3為本發(fā)明自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償裝置中單個(gè)反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4為本發(fā)明自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法中的自適應(yīng)陣列反射式聚焦相位補(bǔ)償?shù)墓饴肥疽鈭D，其中(a)為理想情況下無波前畸變的光路情形，(b)為存在波前畸變時(shí)的光路情形，(c)為采用相位補(bǔ)償時(shí)的光路情形，(d)為在相位補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)一步采用位移補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)波前畸變消除時(shí)的光路情形；
[0034]圖5為本發(fā)明自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法的工作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0036]如圖1所示為本發(fā)明中自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償裝置示意圖，從圖1可知，本發(fā)明中的光學(xué)補(bǔ)償裝置包括分光鏡、參考鏡、第一 CCD、自適應(yīng)反饋控制電路、陣列反射式補(bǔ)償鏡和第二CCD ;
[0037]所述分光鏡位于接收望遠(yuǎn)鏡中繼光路前端，