传统基于圆阵列标靶的相机标定方法通常把椭圆中心作为控制点坐标，忽略了透视投影造成的畸变，给相机标定引入了系统性误差。针对此，提出了一种基于透视畸变矫正的高精度相机标定方法。首先，利用椭圆中心进行相机粗标定；其次，用粗标定参数求相机纯旋转对应的射影变换，直接对椭圆参数进行变换，求取真实的圆心投影；最后，用真实的圆心投影进行相机精标定。仿真和实验结果证明，所提方法有效降低了相机标定的重投影误差与参数标准差，能满足工业视觉测量对相机标定的简便、高精度的要求。

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求, 本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统, 该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500 Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器, 报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果, 实验中对模拟大气相干长度r0为6 cm, 格林伍德频率为160 Hz的大气湍流实现有效校正, 自适应光学系统闭环后, 波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600 nm, 后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500 Hz 的波前校正频率下有较高的成像质量, 波前处理延时优于235 μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100 Hz 以下的波前畸变具有明显的校正效果。

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。

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。

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理器在输出规模、处理速度和控制带宽方面的要求，研制了千单元级自适应光学系统。设计了一种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合，输出规模最大可达1 200单元的自适应光学系统波前处理器。采用大规模逻辑器件作核心处理芯片，用多线并行流水算法缩短波前处理延时，提高系统控制带宽。对设计完成的波前处理器进行了基于961单元变形镜的开环展平实验以及基于137单元变形镜的闭环校正实验。实验结果显示：系统最高采样帧频为2 000 frame/s 时，波前运算延时为20.96 μs,表明文中提出的硬件扩展和多路并行流水算法对于大规模自适应光学系统波前处理可行且有效。