自适应光学系统的带宽及稳定性分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 自适应光学系统的带宽及稳定性分 析 【摘 要】通常情况下，影响自 适应光学系统的带宽和稳定性的因素有 以下三个方面：Hartmann-Shack 波前传 感器的积分时间、信号采集与处理时间 和环路增益。在这三者中，环路增益与 信号采集与处理时间对自适应光学系统 产生比较重要的影响：信号采集与 处理时间大于或等于积分时间时，自适 应光学系统就会显得不稳定，这时使环 路增益适当减小便可使系统重归于稳定 状态。本文通过对自适应光学系统的带 宽及传递函数进行分析，从而研究自适 应光学系统的稳定性，以期为今后的研 究工作提供一定的参考价值。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中国论文网 /8/view-12928087.htm 【关键词】自适应光学；带宽； 稳定性 自适应光学最早在 20 世纪 50 年 代由海尔天文台的一名学者提出的，它 是一项具有划时代意义的光学系统性能 的技术。自适应光学系统一般情况下是 对大气湍流或者其他光波前的畸变时起 到实时校正的功能，其依据是在进行输 入波前的功率谱时对自适应光学系统进 行校正带宽，分析其带宽及稳定性和其 他部件的性能参数的关系。在对系统的 带宽和稳定性分析中，主要以离散系统 的传递函数曲线为研究对象，而它是通 过计算机数值计算能力得来的。此外， 本文还根据自适应光学系统的模拟试验， 对在不同条件下的自适应光学系统的阶 跃扰动的回应结果。 1 对系统的带宽和传递函数的分 析 一般情况下，自适应光学系统的 主要部分是由波前传感器、计算机控制 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 处理器和波前校正器三者所构成的。其 中在波前传感器中最为常见的是 Hartmann-Shack 波前传感器，在目前来 说也是应用最多的一种，它是由 ICCD 相机和微阵列透镜这两个部分构成的， 其主要性能是能够对质心的探测的精度 较高，而且能够使 CCD 图像数值的选 择上具有较大的作用。波前传感器经过 图像的收集和处理后，由计算机控制处 理器进行处理，然后根据波前处理的实 际情况的需求，构建不同模式的计算机 控制单元。波前校正器在自适应光学系 统中与波前传感器有着互补的联系，它 可以使测量后出现的误差能够以一个面 形进行补充。在目前的市场中，有各种 各样型号不同的波前校正器，而选择一 种适合的型号对自适应光学系统的带宽 和稳定性是非常重要的。 在进行自适应光学系统的传递中， 在一般情况下波前校正镜对其反映的效 率是比较好的，这样反馈支路中的计算 机控制处理器和波前传感器对系统的稳 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 定性就起到决定性的作用。此外，在自 适应光学系统中，H-S 波前传感器是系 统噪声的主要源头，特别是在光线较弱 的情况下，影响波前传感器进行监测精 确度的原因主要是 CCD 的噪声、信号 散粒噪声和像增强器。在一般情况下， 系统的计算的方式为等效波差，即将波 前传感器将波前传感器的噪声折合至输 入端。 在不同情况下，随着归一化频率 不断升高，其传统函数也在不断地变化， 呈现曲线状态。若传递函数的幅值不足 1 时，自适应系统则具有校正的功能； 若传统函数的幅值超过 1 时，这时对系 统的扰动则越来越大。此外，当传递函 数的幅值不足 0.7 时，此时信号采集与 处理时间为 0，环路增益为 1，CCD 帧 频占 H-S 波前传感器中的十分之一。自 适应光学系统带宽减小是因为环路增益 的减小和信号采集与处理时间的增大所 导致的，譬如当波前传感器的积分时间 与信号采集与处理时间相等，环路增益 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 为 1 或者是信号采集与处理时间为零、 环路增益为 0.5 时，其系统的校正带宽 就会减少百分之三十左右；波前传感器 的积分时间与信号采集与处理时间相等、 环路增益为 0.5 时，则减少百分之五十 左右 此外，出现较好的带宽拟制效果 一般是当自适应光学系统对在其频率范 围内进行扰动的情况下，而此时的系统 传递函数的幅值则不足 0.3。在这个频 率范围内，虽然随着信号采集与处理时 间的增大，但其对传递函数的幅值影响 却很小，而环路增益的减小则会使自适 应光学系统的传递函数幅值有一点增大。 2 对系统的稳定性分析 在自适应光学系统中，最重要的 一个动态性能的表现形式是对阶跃扰动 的反映情况，经过 simulink 的系统模型 分析，它是一种能够对系统动态性能分 析的模型，其中 H-S 波前传感器是由积 分与延迟积分的差值组成的。而环路增 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 益、离散时间积分器和信号采集与处理 时间这三者则构成了计算机控制处理器。 此外，根据相关的数据表明，当 Hartmann-Shack 波前传感器和信号采集 与处理时间的积分时间相等，环路增益 为 1 时，自适应光学系统将会产生震荡 效应，此时减小环路增益就能使系统恢 复稳定状态。而当信号采集与处理时间 大于 Hartmann-Shack 波前传感器的积分 时间，环路增益为 1 时，自适应光学系 统将会产生发散效应，也就是说震荡的 幅度会随之不断增大。 此外，当 CCD 相机在自适应光 学系统的工作中达到最高时，它的 Hartmann-Shack 波前传感器的积分时间 相同则与输出一帧的图像产生的时间， 这时信号采集与处理时间就会大于积分 时间，这对自适应光学系统的稳定性是 不好的。所以，在系统工作中，在带宽 的条件满足的情况时，应尽量使 CCD 处于比较低的帧频的状态下。而如果这 样做的话，必须要使 CCD 具备很高的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 输出频率才行，在市场上可以达到这种 要求的相机有条状像元型、低分辨率型 和多路输出型等。 3 结语 综上所述，若使自适应光学系统 带宽及稳定性处于合理的状态，这与信 号采集与处理时间、波前传感器的积分 时间和环路增益这三个因素有着不可分 割