夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)通常要求每个子透镜的对应光斑必须在其相应的子孔径范围内,以方便确认光斑与子孔径间的对应关系。提出了一种基于软件的识别方法即迭代外推法,可以在光斑跑出其对应子孔径范围时,仍能确认每一个光斑对应的子孔径,使SHWS具有更大的动态范围。该方法首先找到一个可排序的3×3光斑阵列,并建立关于光斑质心坐标与其行列序号间关系的多项式函数,以预估和搜索相邻光斑;然后利用已搜索光斑区边缘处的3×3光斑阵列,继续向外搜索,直到找到所有光斑,完成所有光斑的行列排序;最后通过调整光斑行列序号的整体偏移,确认光斑与子孔径间的对应关系。仿真研究了该迭代外推法的性能,并通过实验进一步验证了该方法的实用性。

相位恢复法是一种利用多个离焦面光强分布采用基于傅里叶变换的迭代变换恢复瞳面相位分布的波前传感方法。采用改进的傅里叶迭代变换算法, 当波前传感范围超过1个波长时, 需要在迭代过程中采用相位解包裹算法。针对18块正六边形拼接的复杂光瞳, 提出采用路径无关和最小二乘相结合的混合相位解包裹算法, 提高了波前传感精度和动态范围。通过仿真比较了所提方法与单独采用一种相位解包裹方法时的波前传感性能, 分析了所提方法的动态范围及噪声对算法精度的影响。仿真结果表明, 当波前PV值为3.5λ时, 算法的精度为λ/43; 当噪声RMS值为10(图像为12Bit量化)时, 算法的精度优于λ/40。

扩展目标夏克-哈特曼波前传感器子图像之间偏移量的计算是影响波前传感精度的关键,通常采用相关算法来实现,并通过抛物线插值等方法来达到亚像元精度。子图像相对偏移量的计算也可以采用计算相关函数质心的方法来实现,其主要步骤是先计算子图像间的相关函数,在此基础上计算相关函数的质心,达到亚像元精度。通过仿真研究表明这种算法的精度与进行相关运算时的图像大小、计算质心时的相关函数窗口大小以及相关函数阈值的设定有关;同时,图像的信噪比也会影响算法的精度。研究表明,图像的信噪比小于1时,质心算法的计算误差相对较大;当图像的信噪比高于2时,相关函数质心算法的误差大约是抛物线插值法误差的一半。实验结果与仿真结果也基本吻合。

应用液晶空间光调制器加载螺旋相位片的方法可以高效地生成涡旋光束, 但由于液晶空间光调制器分辨率有限, 在加载高阶螺旋相位片时其中心会出现相位失真, 造成涡旋光束质量不高。通过在螺线相位片中心区域引入闪耀光栅的方法, 得到了光束质量较高的高阶单模涡旋光束和多模涡旋光束, 为生成高阶涡旋光束提供了一种很好的方法。

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束, 其特点是其光强分布为环形, 携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数, 同时不同角量子数的光束之间相互正交, 因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响, 进而产生波前畸变, 因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述, 重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用SPGD算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。

针对同轴偏场三反射镜系统,提出了一种宽视场波前误差检测方法.通过3个视场的波前误差检测,得到相应视场像差的Zernike多项式系数,利用该Zernike多项式系数减去设计误差后,随视场的变化为二次曲线,通过抛物线插值即可得到任一视场的Zernike多项式系数.仿真研究了Zernike多项式系数随视场的变化以及拟合精度等问题.仿真结果表明:对于原始设计误差,其Zernike系数随视场的变化需要用3次或4次曲线拟合;对于由主镜面形误差、次镜位置误差、次镜面形误差和三镜面形误差等引起的各视场波前误差,其Zernike系数随视场的变化可用直线或2次曲线拟合.通过事先存贮设计误差,仅需3个波前传感器即可实现全视场波前误差估计.Zernike系数估计误差在10-5量级.

在高分辨率天文观测和空间测绘过程中,高速流场效应会造成目标光学波前畸变,影响探测器分辨率。从高 速流场造成光学效应对空间观测的影响入手,研究分析了自适应光学技术及其关键器件-光学 变形镜的技术特点,提出了一种基于光波波面调制技术和光程差(OPD)数据的高速流场光学传输 效应模拟方法,并完成了初步验证实验。其中,通过光线追迹法和物理光学方法计算高速流场光 学传输效应而获得的体现目标光束波面畸变程度的光程差(OPD)数据,该数据用于光学变形镜的 控制驱动。这种模拟方法可用于空间对地观测过程中流场环境造成的透射光斑抖动、偏移等 光学波面畸变效应仿真,实现在实验室环境下对光学传感器性能和空间光学探测系统高速流 场效应半实物仿真和高速流场扰动校正能力的测试评估。

扩展目标夏克-哈特曼波前传感器(SH-WFS)子图像之间偏移量的计算是影响波前传感精度的关键，通常采用相关算法来实现，并通过抛物线插值达到亚像元精度。子图像间的相对偏移量计算也可采用频域相移量估算的方法进行计算，频域算法还可通过迭代进一步提高算法精度。对频域迭代算法进行了理论分析、仿真和实验研究，结果表明，频域迭代算法在信噪比高于41时，具有比抛物线插值法更高的计算精度；在信噪比较低时，与抛物线插值法精度相近。

高分辨率空间光学遥感器在轨工作时，由于受到各种因素的影响，无法清晰成像，目前多采用自适应光学方法与技术进行校正。传统自适应光学系统体积较大，结构复杂，难以应用于高分辨率空间光学系统的在轨校正。无波前传感器自适应光学系统去除了传统自适应光学中的波前传感器，大大简化了系统结构，具有体积小、易于实现等优势，特别适用于高分辨率空间光学遥感器的在轨校正。提出了一种利用无波前传感器自适应光学解决高分辨率空间光学遥感器大口径面形误差校正以及宽视场校正等问题的方法。通过对典型的三反射式空间光学遥感器进行仿真研究，验证了利用无波前传感器方法校正大口径主镜面形误差的有效性。搭建了宽视场校正原理性实验平台，通过实验验证了宽视场无波前传感器校正方法的有效性。

高分辨率空间遥感器要求大系统口径，然而单块大口径主镜的制造非常困难，而且受到运载火箭整流罩尺寸的限制，主镜口径增大程度有限，所以人们采用分块子镜拼接成一个整镜的方案来解决这一问题，但是分块子镜面形误差和曲率半径的不一致性会影响到整个系统的性能。提出利用位于出瞳处的变形镜对上述误差进行校正的方案，替代了现行的利用分块镜自身致动器进行校正的方法，并且进行了仿真分析，结果表明，该方案在一定条件下可以很好的补偿上述两种误差。