基于传统光学成像系统的质心定位原理的角度测量技术一般存在测量精度的上限,约为像素的1/100。因此,要提高角度测量精度一般需要采用更长的镜头焦距和更大靶面的相机,增加了体积、重量和功耗,不利于设备的小型化,也不利于在对体积、重量和功耗有限制的平台(例如卫星和飞机等)上应用。基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术,利用光学干涉的方法将目标光的角度变化转换为干涉条纹相位变化。因相位变化的测量精度可通过成熟的插值方法实现1/1000周期的精度,故干涉测量的角度精度相比传统光学方法大大提高。本文主要介绍基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术的基本原理、主要特点、研究进展和存在的难点,希望通过该文引起广大同行的研究兴趣,一起推动该技术的快速发展和工程应用。

由于差分像运动监测法测量大气相干长度需要多帧统计, 本文应用波前结构函数法, 提出了一种大气相干长度的瞬时测量方法。该方法通过Shack-Hartmann波前探测器测量单帧短曝光畸变波前的Zernike系数;然后减去光学系统初始像差的Zernike系数, 去除倾斜项, 计算波前结构函数;最后,与满足Kolmogorov湍流理论的大气短曝光理论波前结构函数进行最小二乘拟合, 得到瞬时大气相干长度。利用湍流相位板构造了相应的测试系统, 并进行了外场实测对比。结果表明: 提出的基于波前结构函数法的测量结果与差分像运动监测法的测量结果基本吻合; 不同格林伍德频率下, 标准差与均值之比小于4.1%, 稳定性较好; 外场比对累计16个夜晚, 得到的平均偏差小于0.45 cm。该方法可以实现空间目标大气相干长度的单帧瞬时测量, 并可用于观测站点的视宁度、自适应光学系统内部大气湍流强度和地基大口径望远镜主镜视宁度的监测。

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统，用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成，分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正，得到了系统的静态校正精度。然后，测试了精密跟踪系统的校正能力。最后，利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件，以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标，在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示: 该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20; 两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz; 系统在强湍流情况下，动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明，97单元自适应光学系统能够有效地校正像差，提高成像分辨率。

地基大口径望远镜自适应光学系统对空间目标的校正性能相对天文目标明显退化.为有针对性地优化观测参数, 获取空间目标最佳校正效果, 需要对自适应光学系统对空间运动目标校正性能进行合理地预测.以波前探测器测量的校正后波前残差为度量标准, 通过对空间目标轨道分析, 推导了空间目标最佳自适应观测仰角的存在和计算方法.以长春光机所自研的1.23m望远镜为例, 分析了空间目标随轨道变化的大气相干长度对空间拟合像差、格林伍德频率对时域拟合像差、目标信号强度对波前测量误差的影响.结果表明: 时域拟合像差相对空间拟合像差占主要成分; 目标信号强度变化对波前测量误差的影响不大; 目标、轨道、系统参数不同, 对应的最佳自适应观测仰角亦不同.另外, 通过改变湍流相位板通光尺寸、转速以及光源亮度分别模拟大气相干长度、格林伍德频率以及目标信号强度的变化, 构造了可用于测试自适应光学系统对不同轨道状况空间目标的校正性能的实验系统.

提出了一种适合硬件形式波前处理器的非共光路像差校正方法.讨论了非共光路像差的产生原因和运用相位差异技术检测非共光路像差的方法.根据波前处理器的工作流程, 推导了将非共光路像差折算到波前探测器参考点偏移量的算法, 编写了实现算法的主控计算机软件模块.在望远镜光路中以光源为目标开展实验, 用本文算法校正后, 目标能量集中度提高了17.6%, 证明了该方法的可行性.

为了评价地基大口径望远镜对空间目标自适应光学系统校正后的实际分辨率，提出了可分辨单元数比指标。结合123 m自适应光学望远镜的观测数据，对可分辨单元数比的物理意义、适用范围、误差影响因素以及大气弥散的影响进行了分析。结果表明: 可分辨单元数比能全面反映望远镜系统对空间目标自适应校正后的实际分辨率，且物理意义更直观; 适用于所有可获取波前特征的望远镜自适应校正后实际分辨率的评估; 其误差主要依赖于波前探测器的测量误差; 大气弥散对其影响可忽略。

为了开展自适应光学技术研究，研制了一系列的基于压电陶瓷促动器的连续镜面变形镜，促动器控制单元数分别为21、97、137 和961。利用变形镜作为自适应光学波前校正器，进行了多个室内、室外的自适应光学校正实验，取得了很好的实验效果，其中137 单元变形镜在1.23 m 望远镜上面的自适应光学系统中取得了对0.2″双星的校正效果，在700~900 nm 波段接近望远镜的衍射极限。介绍了变形镜的基本结构，各变形镜的主要参数测试及关键性能指标，列举了各变形镜在自适应光学系统中的应用情况。最后对变形镜的研制进展及应用进行了展望。

针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的若干实际问题, 设计了基于多通道相位差异法的波前探测器, 用于在不对光路进行任何改变的前提下定量测量自适应光学系统的第一像面到成像相机之间的像差。与前人的双通道相位差异波前探测器相比, 该方法对波前具有更强的约束力, 从而能够对目标光源的形状容忍力更强, 理论上对波前求解的精度更高。将该方法应用于1.23 m口径自适应光学系统的非共光路的静态像差测量, 取得了良好的效果, 为光路装调带来了极大的方便。将测得的像差直接用于变形镜的初始偏置, 大大提高了成像质量。

建立了大气湍流模拟的时域模型，用于在自适应光学系统的测试中模拟大气湍流的时域变化。讨论了时域模型下随机相位屏平滑帧数和刷新频率与平均风速的关系。结果表明: 对表征随机波前的随机相位屏进行时域平滑可使随机波前的变化更符合大气湍流对入射波前连续平滑渐变的影响; 随机相位屏的平滑帧数仅与系统口径和大气相干长度相关，而与风速无关; 随机相位屏的刷新频率与平均风速成正比，平滑后的刷新频率还与平滑帧数成正比。最后，构造了一套大气湍流模拟装置，应用功率谱分析法对时域模型的有效性进行了验证。

自制了一个137单元分立促动器的连续镜面式变形镜, 用于自适应光学相关技术的研究。首先, 利用Zygo激光干涉仪对变形镜的静态性能进行了测试, 包括面形测试、单个促动器的响应测试和耦合测试; 然后, 针对变形镜的校正能力, 分别进行了Zernike多项式拟合和展平测试, 并利用自适应光学实验平台实验验证了变形镜的校正能力; 最后, 利用搭建的快速响应测量平台测试了变形镜及其驱动电路的动态响应性能。测试及实验表明, 137单元变形镜静态展平后的面形RMS值优于λ/50, PV值优于0.18λ(λ=632.8 nm); 能够对前7阶Zernike多项式进行较好的拟合和校正; 变形镜及其高压驱动器的动态响应优于1 kHz; 该变形镜能使系统的Strehl ratio从小于0.1提高到优于0.9, 明显改善了系统的成像能力。