發(fā)布時間：2020-10-27 12:54

　　 隨著現代天文望遠鏡通光口徑的不斷增大,在望遠鏡的運輸和發(fā)射過程中的振動,以及入軌后的重力卸載、工作環(huán)境變化等因素對望遠鏡自身結構的影響也越來越大。當被動支撐不能保證像質設計指標要求時,需要引入主動光學技術對光學系統(tǒng)實施自主校正,使入軌后望遠鏡的成像質量達到設計指標。主動光學調整技術主要包括三個環(huán)節(jié):波前檢測環(huán)節(jié)、系統(tǒng)矯正量解算環(huán)節(jié)和波前控制環(huán)節(jié)。其中,高精度的波前檢測是實現主動光學調整的前提和關鍵部分。目前常用的波前檢測手段主要包括兩大類:一種是測量波前的斜率,然后反解出系統(tǒng)的波前,如Shack-Hartmann傳感器;另一種是測量光學系統(tǒng)像面上的強度分布,然后根據相關算法求出系統(tǒng)的波前,如相位恢復(Phase Retrieval,PR)技術和相位差(Phase Diversity,PD)技術。由于基于測量波前斜率手段的波前檢測需要在成像光路中插入額外的光學器件,會占用設施上寶貴的空間資源,而基于測量光學系統(tǒng)像面上光強分布的波前檢測可直接利用設施上現有的設備,具有結構簡單、容易實現等優(yōu)點。其中,相位差技術由于能夠適用于被觀測物體為擴展目標時的波前檢測,適用范圍更廣,因此得到廣大學者的關注。根據天基大口徑天文望遠鏡的工作需求,本文圍繞基于相位差算法的波前檢測技術展開研究,論文的主要研究工作如下:1、研究了經典相位差算法的求解模型,結合泰勒展開技術,將光學系統(tǒng)的點擴散函數(Point Spread Function,PSF)或光學傳遞函數(Optical Transfer Function,OTF)進行一階泰勒展開,建立了像面圖像與系統(tǒng)像差之間的線性關系。通過構建實際圖像與重構圖像之間的差異度函數,推導出了像差系數關于像面光強分布的表達式,解決了傳統(tǒng)相位差算法計算量大、收斂性差的問題,并通過數值模擬仿真對改進的相位差算法進行了蒙特卡洛驗證。2、分析了相位差波前檢測算法在實際空間望遠鏡主動光學系統(tǒng)中可能遇到的誤差因素,如離焦距離誤差、噪聲擾動、圖像配準誤差、分光裝置誤差等,對相位差算法解算精度的影響,并針對部分誤差的影響,結合相位差算法的數學模型,給出了降低其影響的改進措施。3、針對離軸反射系統(tǒng),提出了一種基于復數域Zernike多項式的相位差算法。通過利用虛數Zernike多項式來描述光強分布,從而將光強分布參數視為一種像差參數,實現光強分布與系統(tǒng)像差的同時求解,能有效地降低光強分布不均勻對波前探測精度的影響。4、建立了微振動下系統(tǒng)成像的數學模型,分析了光學系統(tǒng)微振動對相位差算法的影響,提出根據微振動的功率譜預估振動算子,對焦面和離焦面的圖像進行處理后再進行波前解算的方法,提高了相位差算法的解算精度。5、以SNAP望遠鏡為例,利用ZEMAX軟件光線追跡得到的點擴散函數圖,代入改進的基于泰勒展開的相位差算法求解對應的系統(tǒng)像差,并與ZEMAX軟件給出的像差進行了對比,通過大量的蒙特卡洛仿真,驗證了基于泰勒展開技術的相位差算法的準確性。6、設計和搭建了波前探測的實驗平臺,驗證了基于泰勒展開技術的相位差算法的可行性和測量精度;設計了非均勻光照下波前探測的實驗方案,驗證了基于復數域Zernike多項式的相位差算法;利用快速擺動鏡設計了微振動環(huán)境下相位差算法的實驗系統(tǒng),驗證了基于振動算子對圖像逆卷積處理的方法對相位差算法的影響。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH751
【部分圖文】：

圖 1.1 望遠鏡口徑的發(fā)展Figure 1.1 Development of the aperture of telescopes美國宇航局研制的哈勃太空望遠鏡(Hubble Spac了人們太空觀測的新篇章。哈勃太空望遠鏡（如由兩個雙曲面反射鏡組成的 R-C 系統(tǒng)結構[4]，主6m，觀測波段從紫外波段一直延伸到近紅外波段層的上方，沒有大氣湍流的干擾，哈勃太空望遠像，極大地推動了天文學的發(fā)展。

第 1 章 緒論為了進一步提高天文觀測能力，美國宇航局研制了新一代太空望遠鏡—-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）。JWST 的主光同軸反射式結構，其主鏡的有效口徑達 6.5m，由 18 個六邊形的子鏡拼聚光面積大于 25m2，工作波段為 600~2700nm，如圖 1.3 所示[5]。為了和地球紅外輻射對望遠鏡觀測的影響，JWST 的工作軌道選擇在日地的朗日點處。

技術和拼接鏡技術的新一代的天文望遠鏡層出不窮[11]。然而這些望遠鏡主基天文望遠鏡，其主動光學矯正的主要是重力導致的主鏡鏡面面型變化（鏡系統(tǒng)）或各子鏡之間的共相誤差（拼接主鏡系統(tǒng)）。對于主動光學技術望遠鏡中的應用，目前研究較少。.2 主動光學技術概述當望遠鏡系統(tǒng)中的鏡面存在面型誤差或光學元件存在位置或姿態(tài)的失調望遠鏡所成圖像的像質達不到設計要求時，主動光學調整技術通過檢測系像差，計算系統(tǒng)中可調節(jié)機構的調節(jié)量，再由執(zhí)行機構調節(jié)相關元件的位態(tài)，以矯正鏡面的面型誤差或光學元件的位姿失調，保證望遠鏡的成像質圖 1.4 所示，主動光學系統(tǒng)主要包括以下幾個關鍵環(huán)節(jié)：系統(tǒng)波前檢測Wavefront Sensing，WFS）[12-18]、調節(jié)量解算環(huán)節(jié)[19-20]和波前控制環(huán)Wavefront Control，WFC）[21-24]。
【參考文獻】

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1 王超;張新;王靈杰;張建萍;張繼真;;離軸自由曲面三鏡反射系統(tǒng)的裝調技術[J];光學學報;2013年12期

2 王鈺;張新;王靈杰;王超;;基于人工神經網絡方法的自由曲面光學系統(tǒng)裝調[J];光學學報;2013年12期

3 張麗敏;張斌;楊飛;明名;;主動光學系統(tǒng)力促動器的設計和測試[J];光學精密工程;2012年01期

4 李斐;饒長輝;;相位差法波前傳感系統(tǒng)自身誤差的分析及消除方法[J];強激光與粒子束;2011年03期

5 周武;胡躍明;;基于相位相關和重采樣的亞像素圖像配準算法[J];華南理工大學學報(自然科學版);2010年10期

6 張繼偉;;保守修正BFGS算法及全局收斂性[J];集美大學學報(自然科學版);2010年03期

7 姜宗福;習鋒杰;許曉軍;汪曉波;陸啟生;;光柵型波前曲率傳感器原理和應用[J];中國激光;2010年01期

8 李宏壯;林旭東;劉欣悅;王富國;楊飛;明名;王建立;韓昌元;;400mm薄鏡面主動光學實驗系統(tǒng)[J];光學精密工程;2009年09期

9 王欣;趙達尊;;圖像噪聲對相位變更波前傳感的影響研究[J];光學學報;2009年08期

10 李宏壯;王建立;林旭東;劉欣悅;陳寶剛;韓昌元;;薄反射鏡主動光學實驗系統(tǒng)[J];光電工程;2009年06期

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3 程強;基于PD方法的空間相機位相信息反演技術研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2013年

4 羅群;相位差波前探測技術及其在拼接鏡共相檢測中的應用研究[D];國防科學技術大學;2012年

5 黃盛煬;波前曲率傳感器特性與重構算法研究[D];國防科學技術大學;2012年

6 吳頡爾;正則化方法及其在模型修正中的應用[D];南京航空航天大學;2007年

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2 汪宗洋;基于相位差異法的圖像復原技術研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2010年

3 盧小亭;多目標優(yōu)化遺傳算法選擇方法的研究與改進[D];安徽理工大學;2008年

4 楊磊;Phase diversity波前重構的研究及在高分辨圖像復原中的應用[D];中國科學院研究生院（云南天文臺）;2007年

5 沈洪斌;光柵型波前曲率傳感器相位恢復算法研究[D];國防科學技術大學;2005年

本文編號：2858549