一种用于大视场巡天望远镜的自适应光学集成系统及方法与流程

本发明涉及大气光学领域，具体涉及一种用于大视场巡天望远镜的自适应光学集成系统及方法。

背景技术：

1、对于光学望远镜，大视场与高分辨是一对固有矛盾，大视场与高分辨做到兼得较为困难。大气湍流是限制天文望远镜分辨本领的主要因素。自适应光学（ao）技术是解决这一问题的唯一有效方案，自适应光学（ao）技术通过自适应光学系统来实现。当前技术主要存在以下问题：

2、1、校正阶次有限：传统技术多集中于倾斜校正，仅能补偿波前的低阶模式（倾斜和散焦）。而大气湍流产生的波前畸变包含大量高阶像差，严重影响成像分辨力。

3、2、在实验时进行湍流模拟时，湍流模拟保真度低：传统相位片模拟方法中，频率域法（如功率谱反演）计算快但易缺失低频信息且具有周期性；空间域法（如zernike多项式）虽符合统计规律，但状态不连续，其本质是“静态”或“准静态”的模拟，无法还原大气湍流随时间连续、平滑演变的“动态”特性，导致实验室验证结果与外场实际效果存在显著偏差。

4、因此，现有技术中自适应光学技术存在校正阶次有限、湍流模拟保真度低的主要痛点。同时，现有的自适应光学系统集成程度不高，测量、校正、评估涉及的各个模块独立；也无法在实验室完备模拟外场环境；也无法实现调焦和校准同时进行。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种用于大视场巡天望远镜的自适应光学集成系统及方法，以解决现目前校正阶次有限的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一方面，采用如下技术方案：一种用于大视场巡天望远镜的自适应光学集成系统，包括倾斜镜、变形镜和第一分光镜；还包括，

4、波前探测模块，波前探测模块包括用于获得倾斜斜率的第一探测模块和用于获得高阶斜率矩阵数据的第二探测模块；含有湍流的光束经过倾斜镜、变形镜与第一分光镜后分别进入第一探测模块和第二探测模块。

5、本方案的原理及优点是：含有湍流的光束经过倾斜镜进入到变形镜中，光束经过变形镜进入到第一分光镜中，第一分光镜将光束分为两部分，一部分光束进入到第一探测模块，另一部分光束进入到第二探测模块。波前探测模块用于波前探测，其中进入到第一探测模块的光束经过第一探测模块的探测用于获得倾斜斜率，进入到第二探测模块的光束经过第二探测模块的探测用于获得高阶斜率矩阵数据。获得的倾斜斜率以及高阶斜率矩阵数据用于后续波前复原与像差分解，为后续波前复原与像差分解阶段将波前误差分解为倾斜像差和高阶像差提供一定的基础。倾斜像差和高阶像差可分别用于倾斜校正（通过控制倾斜镜实现）和高阶校正（通过控制变形镜实现）。

6、因此，通过本方案，为实现双级（倾斜+高阶）校正奠定了一定的基础，这样不仅能够实现倾斜校正，还能够实现对高阶像差的校正，可提升望远镜等效分辨率，显著提升了望远镜在恶劣大气条件下的成像质量。因此，通过本方案，解决了现目前校正阶次有限的问题。

7、优选的，作为一种改进，还包括波前复原与像差分解模块，其用于将倾斜斜率与高阶斜率矩阵数据输入复原矩阵，将波前误差分解为倾斜像差和高阶像差。

8、优选的，作为一种改进，还包括倾斜像差控制模块以及高阶像差控制模块；

9、倾斜像差控制模块采集倾斜像差，并根据倾斜像差控制调整倾斜镜实现光束倾斜校正；

10、高阶像差控制模块采集高阶像差，并根据高阶像差控制调整变形镜实现光束高阶校正。

11、优选的，作为一种改进，还包括成像模块，其用于采集校正后的光束，并输出校正后的图像。由此，通过成像模块，可以对校正后的图像进行输出，这样后续对校正后的图像进行观察或者检测，从而有利于评估判断校正后的光束是否符合要求。

12、优选的，作为一种改进，还包括第二分光镜，经过第一分光镜的光束经过第二分光镜后分别进入第二探测模块和成像模块。

13、由此，含有湍流的光束通过第一分光镜分为两部分，其中一部分光束进入到第一探测模块，另一部分光束进入到第二分光镜，第二分光镜将光束又分为两部分，其中一部分光束进入到第二探测模块，另一部分光束进入到成像模块。这样，通过第一分光镜、第二分光镜便可实现光束分别进入到第一探测模块、第二探测模块和成像模块。

14、优选的，作为一种改进，还包括用于评估光束校正结果的评估模块，评估模块将评估结果反馈给倾斜像差控制模块以及高阶像差控制模块。

15、由此，成像模块输出的图像传给评估模块，评估模块评估光束校正结果从而判断校正后的光束是否符合标准，若不符合标准，则将评估结果反馈给倾斜像差控制模块以及高阶像差控制模块，倾斜像差控制模块及高阶像差控制模块继续分别对倾斜镜、变形镜进行控制，从而实现进一步的光束校正，以此循环，使系统最终达到稳定校正状态，保证校正后的光束符合要求。

16、因此通过本方案，构建了“测量、校正、评估”全链路一体化闭环系统，实现了测量与控制、倾斜跟踪控制、高阶校正、像差校准评估集成于一套系统，测量、校正、评估过程涉及的各个模块联系在一起，从而解决了现有技术中测量、校正、评估的各个模块孤立的问题。同时，本方案能够实现倾斜镜、变形镜的控制根据光束校正情况进行实时调整，解决了现有技术中调焦与校准相互独立，无法实现调焦和校准同时进行的问题。因此通过本方案，有利于将望远镜等效分辨率进一步提升，进一步提升了望远镜在恶劣大气条件下的成像质量。

17、优选的，作为一种改进，还包括相位屏。

18、由此，通过设置相位屏，相位屏可以模拟大气环境，可以使本系统用于实验室进行模拟研究。相位屏可以为静态相位屏或者动态相位屏。

19、优选的，作为一种改进，相位屏为动态相位屏。

20、由此，相位屏为动态相位屏，动态相位屏为旋转的相位屏，而不是静态的相位屏，通过相位屏转动，从而能够模拟大气湍流，实现了高保真动态湍流模拟，实现了在实验室环境下高精度复现外场大气湍流进行相关研究，有利于减少实验室验证结果与外场实际效果存在的偏差，解决现有技术中无法在实验室完备模拟外场环境的问题。

21、优选的，作为一种改进，相位屏基于功率谱反演法结合低频次谐波叠加的方法进行设计。

22、现有技术中，传统低频缺失的相位屏无法真实模拟大气湍流动态演变与低频大尺度扰动，由于受相位屏大小、取样间隔、取样点个数等限制，由功率谱反演法生成的相位屏不包括低频率分量对应的功率谱，从而使相位大尺度起伏产生误差。而通过本方案，通过低频次谐波叠加，能够对功率谱反演法产生的相位屏进行低频补偿，从而改善相位屏的大尺度统计特性，从而得到相位屏的全相位分布，能够还原大气湍流随时间连续、平滑演变的“动态”特性。另外，尤其对于旋转动态相位屏，不进行低频补偿会导致其在旋转时统计特性偏差更大，大气相干长度模拟值不准，也无法实现高保真动态湍流模拟。

23、优选的，作为一种改进，第一探测模块包括跟踪波前探测器。

24、优选的，作为一种改进，第二探测模块包括夏克-哈特曼传感器、金字塔波前传感器或曲率传感器。

25、优选的，作为一种改进，本系统还包括操作计算机和实时计算机，操控计算机与实时计算机连接。

26、由此，实时计算机的功能为ao图像采集、ao波前计算及校正计算、tk图像采集、tk波前计算及校正计算、变形镜加电、倾斜镜加电。操控计算机的功能为ao系统操控人机交互、ao计算状态显示、tk计算状态显示、远场图像采集及显示、ao系统标定、tk系统标定。操控计算机将控制命令发送给实时计算机，接收实时计算机的应答信息，将应答信息中的处理状态进行显示。

27、另一方面，为了解决现目前校正阶次有限的问题，采用如下技术方案：一种用于大视场巡天望远镜的光束校正方法，包括以下步骤：

28、s1、波前探测：通过波前探测获得倾斜斜率、高阶斜率矩阵数据；

29、s2、波前复原与像差分解：将倾斜斜率与高阶斜率矩阵数据输入复原矩阵，将波前误差分解为倾斜像差和高阶像差；

30、s3、双级校正：根据倾斜像差控制调整倾斜镜实现光束校正；根据高阶像差控制调整变形镜实现光束校正。

31、优选的，作为一种改进，还包括：s4、闭环评估：采集校正后的光束，输出校正后的图像，同时实时计算波前残差rms，根据评估结果，重复步骤s1-s3，直至符合校正标准。

32、由此，通过本方案实现光束的循环校正，能够达到稳定校正状态，保证校正后的光束符合要求。

33、综上，通过上述方案，解决了现目前校正阶次有限的问题。现有技术中无法解决此问题，具有一定的难度：1、实时性要求极高：高阶探测帧频需≥2000hz，跟踪探测帧频需≥1000hz，探测、校正、评估三模块需在同一时间基准下协同运行，全链路延迟需控制在毫秒级以内，任一环节延迟都会导致闭环失效。2、现有技术中两镜耦合冲突：变形镜本身会产生倾斜像差，与倾斜镜任务冲突，需在控制层面实现功能解耦。若不加约束，变形镜会与倾斜镜“争夺”同一校正任务，导致系统震荡。3、系统集成复杂：大行程倾斜镜与高空间分辨率变形镜需协同工作，两者性能参数差异大，联合标定与闭环控制难度高。4、控制算法复杂：需额外设计解耦约束算法，避免两镜相互干扰。因此现有技术中传统系统中均是测量、校正、评估通常由各自独立的模块完成，各模块相互独立设计，缺乏统一的协同机制。同时，现有方案通常只研究单一校正器，缺乏有效的双级协同控制策略；简单的约束算法无法实现完全解耦，且会严重影响校正效果。

34、而本方案中，发明人通过以下手段结合，大大克服了上述难度，从而实现了现目前校正阶次有限的问题，具体手段为：

35、1、算法解耦：采用zernike模式法将波前分解为倾斜系数与高阶系数，前2阶驱动倾斜镜，其余高阶系数驱动变形镜，从算法层面避免功能耦合。

36、2、双级架构：倾斜镜负责大行程低阶校正，变形镜负责高阶校正，功能分离。

37、3、高速并行处理：采用分布式计算架构，实时计算与操控分离，实时计算机真没负责图像采集与校正计算，操控计算机负责人机交互与状态显示，从而能够将波前复原等任务并行加速，满足实时需求。

38、4、闭环验证：通过评估模块实时监测校正残差，确保系统稳定收敛。