一種基于反射鏡陣列的自適應光學補償裝置和補償方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于反射鏡的光學補償裝置和補償方法，特別是一種基于反射鏡陣列的自適應光學補償裝置和補償方法，屬于自適應光學領域。
【背景技術】
[0002]在相干激光通信和激光雷達等采用相干探測方式的系統中，接收端需要將發射的激光進行聚焦用于光學相干。但由于激光在傳輸過程中出現了相位的畸變，導致激光聚焦之后出現光斑的發散，以及到達時間的分散。一方面降低了接收光的能量，一方面降低了激光的相干性。特別是在相干激光通信和激光雷達時，信息裝載于激光的相位中，如果相位出現抖動，會直接導致激光通信的終止和探測信號的無法識別。
[0003]目前常用的相位補償方式是，先利用接收望遠光路進行聚焦，再利用夏克-哈特曼傳感器和透射式變形鏡、基于光學透鏡陣列、采用自適應反饋控制的方式，補償相位畸變。這種方式得到了實際應用，但是由于采用的是變形透鏡陣列，價格昂貴，因此目前難以推廣，極大限制了其應用范圍。
【發明內容】
[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供了一種基于反射鏡陣列的自適應光學補償裝置和補償方法，包括分光鏡、參考鏡、第一 CCD、自適應反饋控制電路、陣列反射式補償鏡和第二 CCD，分光鏡將接收到的信號光反射分出一部分用于波前檢測，其余部分透射進入探測光路；參考鏡將接收到的畸變信號聚焦到第一 CCD后發送給自適應反饋控制電路；自適應反饋控制電路據此反演波前畸變并控制陣列反射式補償鏡的動作，補償接收信號的波前畸變；同時將第二 CCD測量的補償后的焦斑圖像與參考焦斑進行比較，實現自適應光學補償，采用反射鏡陣列取代變形透鏡陣列，利用CCD進行波前畸變檢測和監測，實現了自適應的光學補償，成本大幅下降，易于推廣，大幅擴展了自適應光學的應用范圍。
[0005]本發明的技術解決方案是:一種基于反射鏡陣列的自適應光學補償裝置，包括分光鏡、參考鏡、第一 CCD、自適應反饋控制電路、陣列反射式補償鏡和第二 CCD ;
[0006]所述分光鏡位于接收望遠鏡中繼光路前端，信號光的一部分經分光鏡反射進入參考光路用于波前檢測，信號光的剩余部分經分光鏡透射進入探測光路，所述參考光路包括參考鏡和第一 CCD，所述探測光路包括陣列反射式補償鏡和第二 CCD ;
[0007]所述參考鏡將接收到的信號光聚焦到第一 CCD上，第一 CCD對接收到的信號光波前進行記錄，并將記錄得到的圖像信號發送給自適應反饋控制電路；
[0008]所述自適應反饋控制電路根據第一 CCD記錄的圖像信號，將圖像信號中的光斑圖像形狀與標準理想參考圖像進行比對，反演信號光波前畸變，并根據信號光波前畸變產生控制陣列反射式補償鏡動作的指令；
[0009]所述陣列反射式補償鏡根據自適應反饋控制電路的控制指令進行動作，從而補償接收信號光的波前畸變，并將補償后的信號光匯聚后注入到第二CCD中；所述第二CCD對補償后的信號光形成的焦斑圖像進行測量，并將測量結果送入自適應反饋控制電路中與標準理想參考圖像進行比對，并根據對比結果對控制指令進行調整，使得第二 CCD測量到的焦斑圖像逼近標準理想參考圖像，從而實現自適應光學補償。
[0010]所述參考鏡為焦距為100mm的聚焦透鏡。
[0011]所述第一 (XD為電荷轉移器件，位于參考鏡的焦面位置。
[0012]所述第二 (XD位于陣列反射式補償鏡構成的透鏡的焦面位置。
[0013]所述陣列反射式補償鏡包括多個陣列排布的面元，各個面元之間相互獨立，單獨進行三軸指向控制和位置控制。
[0014]所述各個面元均與3個壓電陶瓷柱相連，利用3個壓電陶瓷柱，采用三點推拉方式控制面元的角度和距離。
[0015]所述將圖像信號中的光斑圖像形狀與標準理想參考圖像進行比對，反演信號光波前畸變，并根據信號光波前畸變控制陣列反射式補償鏡動作；具體為:
[0016]米用柵格化方式反演信號光的波前畸變情況，依據每個柵格對應的X軸、Y軸和Z軸的畸變量控制對應陣列反射式補償鏡的俯仰、偏轉、翻滾和平移動作，通過控制單個補償鏡的動作，使得信號光波前畸變最小化。
[0017]所述根據對比結果對控制指令進行調整，采用PID控制算法實現。
[0018]—種自適應光學補償方法，步驟如下:
[0019](1)接收望遠鏡接收到的信號光的一部分經分光鏡反射，并經參考鏡聚焦后進入第一 (XD，第一 (XD以成像的方式記錄各像元的信息；
[0020](2)自適應反饋控制電路接收第一 (XD的成像像素信息，依據光斑圖像形狀，將其與標準理想參考焦斑圖像進行比對，反演信號光的波前畸變信息；
[0021](3)自適應反饋控制電路根據步驟(2)中反演的波前畸變信息，產生控制陣列反射式補償鏡進行俯仰、偏轉、翻滾和平移動作的控制信息；
[0022](4)陣列反射式補償鏡根據自適應反饋控制電路的控制信息，對相應的反射鏡進行控制，控制角度和前后距離的變化，實現光學補償；
[0023](5)第二 CCD對補償后的焦斑圖像進行測量，獲取監控焦斑圖像，并將監控焦斑圖像送入自適應反饋控制電路，自適應反饋控制電路利用監控焦斑圖像與標準理想參考焦斑圖像的偏差對控制信息進行調整；
[0024](6)重復步驟(1)?步驟(5)，最終實現監控焦斑圖像與標準理想參考焦斑圖像的逼近，完成自適應補償，保持探測光路的相干性。
[0025]所述步驟(2)中反演信號光的波前畸變信息；具體為:采用柵格化方式，體現每個柵格上X軸、Y軸和Z軸的畸變，提取出特征差異，反演每個柵格的波前畸變信息。
[0026]本發明與現有技術相比的有益效果是:
[0027](1)本發明采用反射鏡陣列技術手段，實現了自適應光學補償，可以取代現有的變形鏡陣列，簡化了控制方式和降低了研制難度；
[0028](2)本發明中的裝置采用反射鏡陣列，相比于變形鏡陣列，具有成本低、生產研制容易、性價比高的特點，解決了自適應光學價格昂貴的難題，可廣泛應用于相干探測系統，尤其是激光通信和激光雷達系統，可滿足低成本系統構建的需要；
[0029](3)本發明利用兩個CCD分別對參考光路和探測光路波前進行監測，可以通過第一 CCD成像情況實現波前畸變情況的快速監測，第二 CCD成像情況實現自適應補償效果的實時監測；通過雙CCD光路監測可以實現波前實時補償和反饋，相對于昂貴精密的波前傳感器實現成本很低。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明中自適應光學補償裝置示意圖；
[0031]圖2為本發明自適應光學補償裝置中的反射鏡陣列結構圖；
[0032]圖3為本發明自適應光學補償裝置中單個反射鏡的結構示意圖；
[0033]圖4為本發明自適應光學補償方法中的自適應陣列反射式聚焦相位補償的光路示意圖，其中(a)為理想情況下無波前畸變的光路情形，(b)為存在波前畸變時的光路情形，(c)為采用相位補償時的光路情形，(d)為在相位補償的基礎上進一步采用位移補償實現波前畸變消除時的光路情形；
[0034]圖5為本發明自適應光學補償方法的工作流程圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0036]如圖1所示為本發明中自適應光學補償裝置示意圖，從圖1可知，本發明中的光學補償裝置包括分光鏡、參考鏡、第一 CCD、自適應反饋控制電路、陣列反射式補償鏡和第二CCD ;
[0037]所述分光鏡位于接收望遠鏡中繼光路前端，