基于泰勒展开的相位差波前检测技术研究

CIOMP OpenIR

	基于泰勒展开的相位差波前检测技术研究
	张东
学位类型	博士
导师	徐抒岩
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	主动光学技术波前检测相位差算法 Taylor展开复数Zernike多项式
摘要	随着现代天文望远镜通光口径的不断增大,在望远镜的运输和发射过程中的振动,以及入轨后的重力卸载、工作环境变化等因素对望远镜自身结构的影响也越来越大。当被动支撑不能保证像质设计指标要求时,需要引入主动光学技术对光学系统实施自主校正,使入轨后望远镜的成像质量达到设计指标。主动光学调整技术主要包括三个环节:波前检测环节、系统矫正量解算环节和波前控制环节。其中,高精度的波前检测是实现主动光学调整的前提和关键部分。目前常用的波前检测手段主要包括两大类:一种是测量波前的斜率,然后反解出系统的波前,如Shack-Hartmann传感器;另一种是测量光学系统像面上的强度分布,然后根据相关算法求出系统的波前,如相位恢复(Phase Retrieval,PR)技术和相位差(Phase Diversity,PD)技术。由于基于测量波前斜率手段的波前检测需要在成像光路中插入额外的光学器件,会占用设施上宝贵的空间资源,而基于测量光学系统像面上光强分布的波前检测可直接利用设施上现有的设备,具有结构简单、容易实现等优点。其中,相位差技术由于能够适用于被观测物体为扩展目标时的波前检测,适用范围更广,因此得到广大学者的关注。根据天基大口径天文望远镜的工作需求,本文围绕基于相位差算法的波前检测技术展开研究,论文的主要研究工作如下:1、研究了经典相位差算法的求解模型,结合泰勒展开技术,将光学系统的点扩散函数(Point Spread Function,PSF)或光学传递函数(Optical Transfer Function,OTF)进行一阶泰勒展开,建立了像面图像与系统像差之间的线性关系。通过构建实际图像与重构图像之间的差异度函数,推导出了像差系数关于像面光强分布的表达式,解决了传统相位差算法计算量大、收敛性差的问题,并通过数值模拟仿真对改进的相位差算法进行了蒙特卡洛验证。2、分析了相位差波前检测算法在实际空间望远镜主动光学系统中可能遇到的误差因素,如离焦距离误差、噪声扰动、图像配准误差、分光装置误差等,对相位差算法解算精度的影响,并针对部分误差的影响,结合相位差算法的数学模型,给出了降低其影响的改进措施。3、针对离轴反射系统,提出了一种基于复数域Zernike多项式的相位差算法。通过利用虚数Zernike多项式来描述光强分布,从而将光强分布参数视为一种像差参数,实现光强分布与系统像差的同时求解,能有效地降低光强分布不均匀对波前探测精度的影响。4、建立了微振动下系统成像的数学模型,分析了光学系统微振动对相位差算法的影响,提出根据微振动的功率谱预估振动算子,对焦面和离焦面的图像进行处理后再进行波前解算的方法,提高了相位差算法的解算精度。5、以SNAP望远镜为例,利用ZEMAX软件光线追迹得到的点扩散函数图,代入改进的基于泰勒展开的相位差算法求解对应的系统像差,并与ZEMAX软件给出的像差进行了对比,通过大量的蒙特卡洛仿真,验证了基于泰勒展开技术的相位差算法的准确性。6、设计和搭建了波前探测的实验平台,验证了基于泰勒展开技术的相位差算法的可行性和测量精度;设计了非均匀光照下波前探测的实验方案,验证了基于复数域Zernike多项式的相位差算法;利用快速摆动镜设计了微振动环境下相位差算法的实验系统,验证了基于振动算子对图像逆卷积处理的方法对相位差算法的影响。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61635
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张东. 基于泰勒展开的相位差波前检测技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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基于泰勒展开的相位差波前检测技术研究.c（6233KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文