专利名称：基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法
基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法技术领域
本发明主要涉及到全光路像差校正系统及数据融合领域，特指一种基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法。
背景技术：
在高能激光系统中，分光镜是用来连接强光光路和弱光测量系统的重要光学器件，系统依据分光镜透射出来的弱光来感知强光光路中高功率激光的波前像差，并采用自适应光学技术实施校正使系统出口光束质量达到最佳。在采用常规自适应光学技术的高能激光系统中，分光镜像差，包括自身静态像差和在高功率激光辐照下产生的动态像差，处于系统波前传感器的探测“盲区”，是影响系统出口光束质量的重要因素之一。
目前，扫除分光镜像差探测盲区，实现全光路像差校正的途径之一是采用共光路/ 共模块(CP/CM)自适应光学技术。1999年，Kenneth ff. Billman首次发表CP/CM技术原理文章[Kenneth W. Billman, “Airborne laser system common path/common mode design approach”，SPIE 3706,196-203 (1999) ] 0后续资料表明，CP/CM技术减小了分光镜像差影响，对提高机载激光武器(ABL)系统的集成性和可靠性都发挥了重要作用。但由于保密原因，公开文献资料比较少。中科院光电技术研究所和国防科学技术大学联合开展了 CP/CM 技术研究，在国内首次实现了基于CP/CM技术的自适应光学全系统像差校正。CP/CM技术在原理上较为成熟，但是实际工作效能受器件质量影响较大，系统中关键器件一一角反射器的构造误差是阻碍该技术广泛应用的主要因素。角反射器的二面角误差、面形精度等都会使出射波的保真度下降，而CP/CM系统对角反射器自身构造缺陷引入的像差是无法探测的，这使得自适应系统的波前探测数据可信度变差，波前校正盲目性增加。特别在中红外激光波段，构造保真度高、衍射效应小的角反射器件是国内仍未攻破的技术难题。
在自适应光学系统中，当波前校正器的控制信号来自两台或多台波前传感器时， 传感器之间的数据融合方式就尤为重要。但是，传统的数据融合方法都需要用到波前传感器与校正器之间的响应矩阵，对于结构布局不同的哈特曼来说，就需要分别测量多个响应矩阵并在此基础之上进行转换运算。这种融合方式数据处理过程较为复杂，且融合精度受到响应矩阵测量精度的影响。发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、实现简便、能够解决现有技术受器件构造工艺制约的问题、可提高多传感器之间的数据融合效率、可有效提升高能激光系统出口光束质量的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案
一种基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，它包括高能激光器、波前校正器、分光镜、光束质量评价系统、内光路哈特曼传感器、第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器、数据融合组件和高压放大器；所述波前校正器包括倾斜镜和变形镜，所述高能激光器发出的高功率激光依次先后入射至倾斜镜和变形镜，再以一定角度入射至分光镜的前表面， 其中一部分能量被分光镜反射至光束质量评价系统中，另一部分能量透射光被内光路哈特曼传感器接收并用于探测高能激光器的内部像差；所述第一哈特曼传感器和第二哈特曼传感器置于分光镜的前、后两侧并用于协同探测分光镜的透射和反射像差，探测数据实时传送给数据融合组件，所述数据融合组件完成数据预处理后与内光路哈特曼传感器的测量数据融合进而计算控制电压输出给高压放大器，从而驱动波前校正器完成全光路像差校正。
作为本发明系统的进一步改进
所述数据融合组件包括第一计算机和第二计算机，所述第一哈特曼传感器和第二哈特曼传感器探测的数据传送给第一计算机，所述第一计算机完成数据预处理并将数据传递给第二计算机，所述第二计算机用于将预处理数据与内光路哈特曼测量数据融合。
所述第一哈特曼传感器与第二哈特曼传感器的工作波长相同。
所述第一哈特曼传感器位于分光镜的前方，采用自准直工作模式；所述第二哈特曼传感器位于分光镜后方，采用接收外来信号光工作模式。
本发明进一步公开了一种采用上述校正系统的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，步骤为
(I)、测量第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器相对内光路哈特曼传感器的子孔径光斑偏移量比例因子；
(2)、打开高能激光器可见导引光源，调整光路，使导引光穿过主光路后被光束质量评价系统接收，使两台哈特曼传感器分别位于分光镜的前后两侧；
(3)、标定内光路哈特曼传感器、第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器；
(4)、测量内光路哈特曼传感器与波前校正器之间的响应矩阵，计算波前重构矩阵 R；
(5)、打开高能激光器以及光束质量评价系统，所述第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器测量分光镜像差并传递给数据融合组件，所述数据融合组件完成数据预处理后与内光路哈特曼传感器的测量数据融合进而计算控制电压输出给高压放大器；
(6)所述高压放大器驱动波前校正器完成闭环校正；
(7)所述光束质量评价系统对系统终端光束质量进行评价。
作为本发明方法的进一步改进
所述步骤(I)中子孔径光斑偏移量比例因子的测量步骤为
(I. I)内光路哈特曼传感器采用自准直方式测量倾斜镜，在倾斜镜不加载电压的条件下进行标定；
(I. 2)向倾斜镜加载X方向控制电压Vx ;
(I. 3)内光路哈特曼传感器测量倾斜镜面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在 X方向的平均偏移量dx，并取100帧平均得到X方向的多帧平均偏移量石
(I. 4)清除X向电压Vx，向倾斜镜加载Y方向控制电压Vy ；
(I. 5)内光路哈特曼传感器测量倾斜镜面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在 Y方向的平均偏移量dy，并取100帧平均得到Y方向的多帧平均偏移量石；
(I. 6)分别更换内光路哈特曼传感器为第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器，重复步骤(1.1)到(1. 5),分别记录光点偏移量屯，dy, , dx2 , Jy
(1.7)计算第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器相对内允路哈 特曼传感器的X 向和 Y 向偏移量比例因子βχ! = dxj/dx ,Py1 = Ciy1 /dy ,βχ2 = dx2 /dx,βν2 = dy2/dy。
所述步骤(3)的具体流程为
(3.1)第一哈特曼传感器采用自准直工作模式，发出与接收系统共光路的探测光束，通过自准直测量标准平面镜的方式标定子孔径光斑零点位置；
(3. 2)第一哈特曼传感器发出的探测光束垂直入射至分光镜的前表面，经分光镜分光后的透射光束被第二哈特曼传感器接收，第二哈特曼传感器采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并标定子孔径光斑零点位置；
(3. 3)打开高能激光器内部的导引光源，使其以角度Θ入射至分光镜的前表面； 经分光镜分光后的透射光束被内光路哈特曼传感器接收，所述内光路哈特曼传感器采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并进行标定。
所述步骤(5)中的预处理过程为
(5.1)第一哈特曼传感器和第二哈特曼传感器采集原始点阵数据，根据步骤(3) 中确定的子孔径光斑零点位置，计算原始点阵在X和Y方向的相对偏移量矩阵ΛΧ和Ay;
(5. 2)设高能激光器出口为半径为A的圆形，则高能激光以角度Θ入射至分光镜表面产生的投影为一个短轴为A、长轴为r2的椭圆,其中r2 = a/cos Θ，在Δχ和Ay中截取椭圆区域内数据ΛΧ'和Ay'，设矩阵规模为NXM(MSN)；
(5.3)设内光路哈特曼传感器在半径为Γι的圆内有NXN个子孔径，将上述Λχ' 和Λ太矩阵进行仿射变换和尺度缩放，得到规模为NXN的新矩阵ΛΧ"和Ay"。
所述步骤(5. 3)中的仿射变换和尺度缩放步骤如下
(5. 3.1)设(x，y)为NXN新矩阵Λχ"中的任意一点P，P点从圆域投影到椭圆域后坐标变为(x/COS0，y)，并“落在” NXM矩阵Λχ'中以AB⑶四点为角点的方格内；
(5. 3. 2)设四个角点的坐标分别为(i，j)、(i+1，j)、(i，j+1)和(i+1，j+1)，对应有效数据分别记为f (A)、f (B)、f (C)和f(D)，设P(x/COS0，y)点在AB线段和CD线段上的投影点为E和F ;
(5. 3. 3)采用双线性插值算法进行仿射变换，方法如下首先根据下列公式计算E 和F两点的有效数据值f (E)和f (F)
f (E) = (x-1) [f (B) -f (A) ] +f (A)
f (F) = (x-1) [f (D) -f (C) ] +f (C)
然后得出P(x, y)点的有效数据值应为
f (x, y) = (y-j) [f (F)-f (E)]+f (E)；
(5. 3. 4)按照(5. 3.1)至(5. 3. 3)步骤，可计算得到新矩阵Λχ"中所有点数值， Ay"的计算过程同理。
所述步骤(5)中的数据融合方法和电压信号计算方法为
(5.4)设得到的第一哈特曼传感器和第二哈特曼传感器预处理数据为Λχ" i， Ay" 1和八1" 2，Ay" 2，内光路哈特曼传感器自身测得信号为Λ X "^，根据光路传输布局，计算X和Y方向各子孔径光斑的有效偏移量分别为ΛΧ和ΛΥ:
Δ X = Δ X " 0+ ( Δ X "丄· β X1- Δ χ " 2 · β χ2) · cos θ
权利要求
1.一种基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，其特征在于它包括高能激光器(I)、波前校正器、分光镜(4)、光束质量评价系统(5)、内光路哈特曼传感(6))、第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)、数据融合组件和高压放大器(11);所述波前校正器包括倾斜镜(2)和变形镜(3)，所述高能激光器(1)发出的高功率激光依次先后入射至倾斜镜(2)和变形镜(3)，再以一定角度入射至分光镜(4)的前表面，其中一部分能量被分光镜(4)反射至光束质量评价系统(5)中，另一部分能量透射光被内光路哈特曼传感器(6)接收并用于探测高能激光器(1)的内部像差；所述第一哈特曼传感器(7)和第二哈特曼传感器(8)置于分光镜(4)的前、后两侧并用于协同探测分光镜(4)的透射和反射像差，探测数据实时传送给数据融合组件，所述数据融合组件完成数据预处理后与内光路哈特曼传感器(6)的测量数据融合进而计算控制电压输出给高压放大器(11)，从而驱动波前校正器完成全光路像差校正。
2.根据权利要求1所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，其特征在于所述数据融合组件包括第一计算机(9)和第二计算机(10)，所述第一哈特曼传感器(7)和第二哈特曼传感器(8)探测的数据传送给第一计算机(9)，所述第一计算机(9)完成数据预处理并将数据传递给第二计算机(10)，所述第二计算机(10)用于将预处理数据与内光路哈特曼测量数据融合。
3.根据权利要求1所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，其特征在于所述第一哈特曼传感器(7)与第二哈特曼传感器(8)的工作波长相同。
4.根据权利要求1所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统，其特征在于所述第一哈特曼传感器(7)位于分光镜(4)的前方，采用自准直工作模式；所述第二哈特曼传感器(8)位于分光镜(4)后方，采用接收外来信号光工作模式。
5.一种米用权利要求1 4中任意一项所述校正系统的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，步骤为 (1)、测量第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)相对内光路哈特曼传感器(6)的子孔径光斑偏移量比例因子； (2)、打开高能激光器(1)可见导引光源，调整光路，使导引光穿过主光路后被光束质量评价系统接收，使两台哈特曼传感器分别位于分光镜(4)的前后两侧； (3)、标定内光路哈特曼传感器(6)、第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)； (4)、测量内光路哈特曼传感器(6)与波前校正器之间的响应矩阵，计算波前重构矩阵R； (5)、打开高能激光器(1)以及光束质量评价系统(5)，所述第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)测量分光镜像差并传递给数据融合组件，所述数据融合组件完成数据预处理后与内光路哈特曼传感器￠)的测量数据融合进而计算控制电压输出给高压放大器(11); (6)所述高压放大器(11)驱动波前校正器完成闭环校正； (7)所述光束质量评价系统(5)对系统终端光束质量进行评价。
6.根据权利要求5所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，所述步骤(1)中子孔径光斑偏移量比例因子的测量步骤为 (1. 1)内光路哈特曼传感器(6)采用自准直方式测量倾斜镜，在倾斜镜(2)不加载电压的条件下进行标定； (1.2)向倾斜镜⑵加载X方向控制电压Vx; (I. 3)内光路哈特曼传感器(6)测量倾斜镜面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在X方向的平均偏移量dx，并取100帧平均得到X方向的多帧平均偏移量石； (I. 4)清除X向电压Vx，向倾斜镜加载Y方向控制电压Vy ； (I. 5)内光路哈特曼传感器(6)测量倾斜镜面形，计算单帧图像中所有子孔径光点在Y方向的平均偏移量dy，并取100帧平均得到Y方向的多帧平均偏移量; (I. 6)分别更换内光路哈特曼传感器(6)为第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8),重复步骤(I. I)到(I. 5),分别记录光点偏移量办;，dy,，dx2，dy2 ； (1.7)计算第一哈特曼传感器(7)、第二哈特曼传感器(8)相对内光路哈特曼传感器(6)的X向和Y向偏移量比例因子Jix1 = dxjdx PI = dyj/dy，/3x2 = dxjdx ,Py2 = dy2 / dy。
7.根据权利要求5所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体流程为 (3. I)第一哈特曼传感器(7)采用自准直工作模式，发出与接收系统共光路的探测光束，通过自准直测量标准平面镜的方式标定子孔径光斑零点位置； (3. 2)第一哈特曼传感器(7)发出的探测光束垂直入射至分光镜(4)的前表面，经分光镜(4)分光后的透射光束被第二哈特曼传感器(8)接收，第二哈特曼传感器(8)采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并标定子孔径光斑零点位置； (3.3)打开高能激光器(I)内部的导引光源，使其以角度0入射至分光镜(4)的前表面；经分光镜(4)分光后的透射光束被内光路哈特曼传感器(6)接收，所述内光路哈特曼传感器(6)采用接收外来信号光工作模式探测入射光束并进行标定。
8.根据权利要求5所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，所述步骤(5)中的预处理过程为 (5. I)第一哈特曼传感器(7)和第二哈特曼传感器(8)采集原始点阵数据，根据步骤(3)中确定的子孔径光斑零点位置，计算原始点阵在X和Y方向的相对偏移量矩阵Ax和Ay ；(5.2)设高能激光器(I)出口为半径为F1的圆形，则高能激光以角度0入射至分光镜(4)表面产生的投影为一个短轴为A、长轴为r2的椭圆,其中r2= r/cos 0 ,在Ax和Ay中截取椭圆区域内数据Ax'和Ay'，设矩阵规模为NXM(MSN)； (5. 3)设内光路哈特曼传感器(6)在半径为ri的圆内有NXN个子孔径，将上述Ax'和Ay'矩阵进行仿射变换和尺度缩放，得到规模为NXN的新矩阵Ax"和Ay"。
9.根据权利要求8所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于，所述步骤(5. 3)中的仿射变换和尺度缩放步骤如下 (5.3. I)设(x，y)为NXN新矩阵Ax"中的任意一点P，P点从圆域投影到椭圆域后坐标变为(x/cos 0，y)，并“落在” NXM矩阵Ax'中以AB⑶四点为角点的方格内；(5. 3. 2)设四个角点的坐标分别为(i，j)、(i+1，j)、(i，j+1)和(i+1，j+1)，对应有效数据分别记为f(A)、f(B)、f(C)和f(D)，设P(x/COS0，y)点在AB线段和CD线段上的投影点为E和F ;(5. 3. 3)采用双线性插值算法进行仿射变换，方法如下首先根据下列公式计算E和F 两点的有效数据值f (E)和f (F) f(E) = (x-i) [f(B)-f(A)]+f(A) f(F) = (x-i) [f(D)-f(C)]+f(C)然后得出P(x，y)点的有效数据值应为 f (x, y) = (y-j) [f (F) -f (E)]+f (E)；(5. 3. 4)按照(5. 3. 1)至(5. 3. 3)步骤，可计算得到新矩阵Ax"中所有点数值，Ay" 的计算过程同理。
10.根据权利要求5所述的基于双哈特曼传感器的全光路像差校正方法，其特征在于， 所述步骤(5)中的数据融合方法和电压信号计算方法为(5. 4)设得到的第一哈特曼传感器(7)和第二哈特曼传感器(8)预处理数据为AX" p Ay" Ax" 2，Ay" 2，内光路哈特曼传感器(6)自身测得信号为Ax" Q，Ay"。，根据 光路传输布局，计算X和Y方向各子孔径光斑的有效偏移量分别为AX和AY:
全文摘要
一种基于双哈特曼传感器的全光路像差校正系统及校正方法，该校正系统包括高能激光器、波前校正器、分光镜、光束质量评价系统、内光路哈特曼传感器、第一哈特曼传感器、第二哈特曼传感器、数据融合组件和高压放大器；该校正方法基于上述校正系统，它利用两台哈特曼传感器同时测量分光镜的反射和透射像差，并采用不依赖于响应矩阵的数据融合方法将分光镜像差传递给内光路哈特曼传感器，从而控制波前校正器实现全光路像差校正。本发明具有原理简单、实现简便等优点，能够解决现有技术受器件构造工艺制约的问题，可提高多传感器之间的数据融合效率，可有效提升高能激光系统出口光束质量。
文档编号G01M11/02GK102980743SQ20121041508
公开日2013年3月20日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者宁禹, 舒柏宏, 杜少军, 侯静, 许晓军, 刘泽金 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学