【摘要】：自適應(yīng)光學(xué)(AO)系統(tǒng)能夠補償由于大氣湍流以及光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部擾動造成的隨機波前畸變,其控制過程主要包括對變形鏡和傾斜鏡的控制。AO優(yōu)化控制技術(shù)是使系統(tǒng)發(fā)揮最大校正性能的有效手段。然而,采用經(jīng)典比例積分控制方法的常規(guī)AO系統(tǒng),由于系統(tǒng)延時以及校正器件特性的限制,對寬譜的大氣湍流以及高頻振動校正能力不足。針對上述問題,本文主要開展了以下幾項研究:優(yōu)化信標及波前探測工作模式,從根本上減小時間延遲;設(shè)計高頻窄帶擾動的抑制算法,優(yōu)化傾斜鏡控制回路;提出嵌套雙AO系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu),優(yōu)化其匹配工作方式;提出一種基于風(fēng)速估計的預(yù)測控制方法,提高系統(tǒng)校正帶寬。AO系統(tǒng)需要信標光來探測波前信息,不同的信標及波前探測模式對系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定性等性能指標有較大影響。研究系統(tǒng)的性能對合理設(shè)計與評價AO系統(tǒng)具有重要意義。本文根據(jù)系統(tǒng)工作時序以及信標光波特性和波前傳感器的曝光讀出方式,通過機理分析方法建立了AO系統(tǒng)在連續(xù)光幀轉(zhuǎn)移,連續(xù)光行轉(zhuǎn)移以及脈沖光幀轉(zhuǎn)移和脈沖光行轉(zhuǎn)移等四種工作模式下的傳遞函數(shù)模型。推導(dǎo)了系統(tǒng)有效帶寬以及相位裕量的計算公式。研究了系統(tǒng)采樣頻率與控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。分析結(jié)果表明,信標與波前探測模式的不同造成系統(tǒng)時間延遲的不同,從而使得系統(tǒng)帶寬和穩(wěn)定性存在差異。合理設(shè)計系統(tǒng)的工作模式有助于提高系統(tǒng)的性能。由于光學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)性諧振以及風(fēng)吹抖動等因素造成的光軸抖動在很大程度上會降低AO系統(tǒng)的性能。采用常規(guī)控制方法很難抑制這種高頻窄帶的擾動信號。本文以實際系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了該擾動的頻域特性。針對該擾動的峰值頻率以及帶寬,借助Smith預(yù)測器,提出了一種穩(wěn)定高效且易于實施的控制器設(shè)計方法,討論了控制器參數(shù)與其濾波特性之間的關(guān)系,分析了這種控制器對控制對象參數(shù)變化的魯棒性。仿真結(jié)果表明,采用新型控制器可以將由光軸抖動引起的單軸傾斜像差的方差降低約60%,彌補了常規(guī)控制器的不足。實驗結(jié)果表明,通過簡單地系統(tǒng)辨識確定控制回路的主要參數(shù),算法可以在實際系統(tǒng)中實施,并達到預(yù)期的濾波效果。望遠鏡等光學(xué)系統(tǒng)常常同時受到大氣湍流以及內(nèi)部像差擾動的影響,常規(guī)AO系統(tǒng)被證明是消除大氣湍流引起的像差的有效手段,然而當存在大幅度的內(nèi)部像差擾動時,常規(guī)AO系統(tǒng)的校正效果不理想。因此,有時需要兩套AO系統(tǒng)協(xié)同工作。本文提出一種嵌套雙AO系統(tǒng)結(jié)構(gòu),用內(nèi)部獨立嵌套AO系統(tǒng)校正內(nèi)部像差擾動,用常規(guī)AO系統(tǒng)校正外部大氣湍流擾動。進一步分析對比了它與常規(guī)AO系統(tǒng)的校正能力,數(shù)值仿真了當同時存在上述兩種像差時二者的校正效果。結(jié)果表明,嵌套雙AO系統(tǒng)對內(nèi)部像差擾動的抑制能力約為常規(guī)AO系統(tǒng)的兩倍。在內(nèi)通道信噪比很高,外通道信噪比很低的工作條件下,當內(nèi)擾動強度較大,嵌套雙AO系統(tǒng)的校正殘差比常規(guī)AO系統(tǒng)的要小10%~50%。AO系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)讀出以及控制計算等過程引起的時間延遲造成補償波前滯后于畸變波前的變化,這種由于校正帶寬不足引起的時域誤差嚴重限制了系統(tǒng)的性能。除提高系統(tǒng)采樣頻率外,預(yù)測控制是增加系統(tǒng)校正帶寬的重要手段。根據(jù)凍結(jié)湍流假設(shè),大氣湍流的主要化趨勢是橫向風(fēng)速主導(dǎo)的。若能根據(jù)風(fēng)速信息預(yù)測大氣湍流變化將有利于降低時間延遲的影響。本文提出了一種基于風(fēng)速估計的預(yù)測控制方法。該方法主要包括基于光流計算對大氣橫向風(fēng)速的實時估計以及基于估計風(fēng)速的預(yù)測過程。分別采用127單元AO系統(tǒng)斜率測量數(shù)據(jù)以及復(fù)原電壓對風(fēng)速估計算法進行了仿真分析,并對后者進行了實驗驗證。結(jié)果表明,風(fēng)速大小估計相對誤差約為10%,風(fēng)向估計誤差在10°以內(nèi)。風(fēng)速估計算法被應(yīng)用到對127單元AO系統(tǒng)的開環(huán)控制結(jié)構(gòu)和閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中,仿真結(jié)果表明,采用風(fēng)速預(yù)測控制的校正殘差比采用合理設(shè)計的常規(guī)控制方法得到的殘差降低了大約10%。本文對信標及波前探測模式和嵌套雙AO系統(tǒng)的研究為實際系統(tǒng)設(shè)計和性能分析提供了依據(jù),提出的光軸抖動的抑制方法具有重要的實用價值。本文還建立了基于風(fēng)速估計的預(yù)測控制算法,初步仿真結(jié)果證明了算法對大風(fēng)速大氣湍流擾動的抑制能力優(yōu)于常規(guī)比例積分控制器。未來將進行風(fēng)速預(yù)測控制的實驗驗證。
【圖文】：

鏡鏡主要校正波前整體傾斜（波前斜率在兩個方向的平均值），O 系統(tǒng)的重要組成部分，因為消除傾斜像差對于提高長曝光圖顯著效果，同時可以減輕變形鏡的校正負擔，降低系統(tǒng)設(shè)計成TM 控制回路獨立于變形鏡控制回路。由于 TTM 結(jié)構(gòu)設(shè)計等只有一百到幾百赫茲。也就是說，對于目前很多工作在一千或的 AO 系統(tǒng)，由于 TTM 的控制存在諧振現(xiàn)象，這對系統(tǒng)穩(wěn)定。所以，在設(shè)計傾斜校正回路的控制器時，必須對 TTM 的諧鏡鏡是 AO 系統(tǒng)中主要的波前像差校正器件。波前校正，即是產(chǎn)相共軛的波前，從而使得受擾動的光波經(jīng)過 DM 后幾乎變?yōu)槠搅?DM 對輸入畸變波前的校正示意圖。

使得 AO 系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，盡可能地消除大氣湍流擾動并抑制聲。同控制理論的發(fā)展類似，AO 系統(tǒng)的控制算法也從經(jīng)典控制方法走向控制技術(shù)。這一節(jié)主要回顧了經(jīng)典的 AO 優(yōu)化控制方法。雖然 AO 系統(tǒng)采用多子孔徑的 WFS 和多個驅(qū)動器的 DM，是典型的多輸出（Multi-InputMulti-Output，MIMO）控制系統(tǒng)，但是經(jīng)典 AO 控制將是多路并行的單輸入單輸出（SingleInputSingleOutput，SISO）的系統(tǒng)，控制算法時，，每個控制回路采用獨立的控制器，然后針對各回路設(shè)計優(yōu)化參數(shù)。常規(guī) AO 系統(tǒng)的控制器一般為比例積分（Proportional and Integral，制器。雖然控制算法簡單，需要控制參數(shù)較少，但需要同時考慮控制回路動態(tài)特性，探測噪聲以及大氣湍流條件等因素，所以設(shè)計一個好的優(yōu)化控是比較困難的。C.Boyer[22, 23]與李新陽[24]等根據(jù) AO 系統(tǒng)的工作流程，采用機理分析方了 AO 系統(tǒng)的控制模型，并分析了回路增益系數(shù)與控制帶寬的關(guān)系，指出中的系統(tǒng)延遲是限制控制性能的重要因素。圖 1-4 給出了李新陽在對常規(guī)統(tǒng)進行控制帶寬分析時的方框圖。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O439

【參考文獻】

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本文編號：2568159