一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器

摘要

本发明提供一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器，包括单模光纤激光器、准直透镜、波前倾斜调制器、光强控制器、波前倾斜控制器和共轭透镜组；其特征在于：在传统的平行光管中加入了光强控制器、波前倾斜调制器、波前倾斜控制器和共轭透镜组，利用光强控制器调整出射波前的光强；利用波前倾斜控制器和波前倾斜调制器动态控制出射波前的倾斜角度；利用共轭透镜组在模拟器外的波前倾斜调制器共轭面处得到光强和倾斜角度均受控的波前。本发明能够模拟不同星等的天体透过大气后的波前倾斜扰动，为实验室测试天文自适应光学中基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系统提供了条件。

说明书

技术领域

本发明涉及大气湍流模拟器的技术领域，特别是一种光强可调的波前倾 斜扰动误差模拟器，其为可以模拟多个星等的天体目标在经过大气扰动后的 波前倾斜扰动模拟器。

背景技术

天文望远镜是观测天体的重要手段，没有天文望远镜的诞生和发展，就 没有现代天文学。目前，随着天文望远镜各方面性能的改进和提高，天文学 也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识，从而帮助人类对自 身和社会的认识。

由于天体发出的平面波需要透过了20千米的大气湍流层这一随机信道 后才能被望远镜接收，大气湍流在时间和空间的不稳定会造成平面波扭曲， 导致天文望远镜在成像过程中的相位错误，从而影响天文望远镜的角分辨 率。1953年，H.W.Babcock提出了能够动态补偿由大气湍流或其他因素造 成的成像过程中波前畸变的自适应光学技术，其核心就是使光学系统具有自 动适应环境变化，克服动态扰动，保持理想性能的能力。

在光波波前相位误差中，波前整体倾斜占全部相位误差的87%左右， 通常采用波前倾斜校正系统来消除由于波前整体倾斜引起的天体目标图像 抖动。在波前倾斜校正系统实际应用在望远镜之前，需要在实验室内测试系 统的波前倾斜校正性能。传统的波前倾斜校正系统的性能测试方法如图3所 示，在高压放大器前输入扰动信号，然后通过测试系统闭环校正该扰动信号 的能力来得到系统的性能（如：闭环带宽和闭环误差等指标）。

然而，近年来出现了基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系统，所谓的内 闭环倾斜镜是在传统的倾斜镜内加装了镜面倾斜量传感器和内闭环控制器。 内闭环控制器通过接收跟踪控制器输出的倾斜镜需求偏转量与镜面倾斜量 传感器输出的倾斜镜的实际镜面偏转量相比较，计算得出需要加载到倾斜镜 上的电压修正量，从而实时修正倾斜镜的实际偏转量误差。由于内闭环的采 样频率远大于跟踪控制器输出控制信号的频率，所以基于内闭环倾斜镜的波 前倾斜校正系统具有比传统波前倾斜校正系统的闭环误差小。然而，在测试 基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系统性能时，由于内闭环单元的存在，如 果在跟踪控制器后输入扰动量，内闭环单元会认为扰动量是跟踪控制器的实 际输出量而跟随，并不会校正扰动量；如果在高压放大器前输入扰动量，内 闭环单元会认为是高压放大器产生的误差而修正，仅能测试内闭环单元的性 能，而无法测试系统的整体性能。

因此，需要研究一种波前倾斜扰动模拟器，在基于内闭环倾斜镜的波前 倾斜校正系统的前端输入波前倾斜扰动，系统才能正确识别并校正，完成系 统性能的测试。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种光强可调的波前倾斜扰动误差模 拟器，克服采用传统在高压放大器前加扰动的方法无法测试基于内闭环倾斜 镜的波前倾斜校正系统性能的缺点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种光强可调的波前倾 斜扰动误差模拟器，包括单模光纤激光器、准直透镜、全反射镜、波前倾斜 调制器、共轭透镜组、波前倾斜控制器、光强控制器和控制计算机，其特征 在于：在传统的平行光管中加入了光强控制器、波前倾斜调制器、波前倾斜 控制器和共轭透镜组；单模光纤激光器的出射光经准直透镜准直后形成平面 波，平面波经全反射镜反射至波前倾斜调制器被动态调制后再反射进入共轭 透镜组，最后在模拟器外的波前倾斜调制器的共轭面处得到光强由光强控制 器控制和倾斜角度由波前倾斜控制器动态控制的波前；计算机用于给光强控 制器和波前倾斜控制器发送参数并监控系统的状态。

所述的波前倾斜调制器既能够是倾斜镜，也能够是液晶调制器这样能够 在电压信号控制下调整入射波前整体斜率的器件。

本发明的原理是：基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系统的校正对象是 输入波前的倾斜扰动量，所以可以在倾斜跟踪传感器前输入受控的扰动波 前，从而测试基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系统的性能。所以可以在传 统的平行光管中加入了光强控制器、波前倾斜调制器、波前倾斜控制器和共 轭透镜组，利用光强控制器调整出射波前的光强；利用波前倾斜控制器和波 前倾斜调制器动态控制出射波前的倾斜角度；利用共轭透镜组在模拟器外的 波前倾斜调制器共轭面处得到光强和倾斜角度均受控的波前，可以为实验室 测试天文自适应光学中基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系统提供了条件。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明可以产生光强和倾斜扰动量都可以受控的波前，克服传统在 高压放大器前加扰动的方法无法测试基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系 统性能的缺点，为实验室测试天文自适应光学中基于内闭环倾斜镜的波前倾 斜校正系统提供了条件。

2、本发明采用共轭透镜在模拟器外得到波前倾斜调制器的共轭面，可 以消除波前倾斜调制器在调制波前倾斜量时产生的波前位移。

3、本发明结构简单，在现有的工艺上容易实现。

附图说明

图1为一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器；

图2为传统的平行光管示意图；

图3为传统的波前倾斜校正系统性能测试示意图；

图4为基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系统性能测试示意图。

图中：1：单模光纤激光器，2：准直透镜，3：全反射镜，4：波前倾斜 调制器，5：共轭透镜组，6：波前倾斜控制器，7：光强控制器，8：控制 计算机，9：全反射镜，10：倾斜镜，11：分光镜，12：波前倾斜探测器， 13：跟踪控制器，14：高压放大器，15：全反射镜，16：平行光管，17： 内闭环控制器，18：镜面倾斜量传感器，19：一种光强可调的波前倾斜扰 动误差模拟器。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明具体实施方式。

如图1所示，一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器18由单模光纤 激光器1，准直透镜2，全反射镜3，波前倾斜调制器4，共轭透镜组5，波 前倾斜控制器6，光强控制器7和控制计算机8组成。与传统的平行光管 16相比，一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器18增加了光强控制器7、 波前倾斜调制器4、波前倾斜控制器6和共轭透镜组5。传统的平行光管（如 图2所示）仅由单模光纤激光器1和准直透镜2构成，由于缺少本发明中的 波前倾斜调制器4，波前倾斜控制器6，光强控制器7和控制计算机8，所 以只能输入平面波前，而无法控制平面波前的倾斜量和光强量。

一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器18在工作时，控制计算机8 首先给光强控制器7发送指令，控制单模光纤激光器1输出激光的光功率， 单模光纤激光器1的出射光经准直透镜2准直后形成平面波，平面波经全反 射镜3反射至波前倾斜调制器4处后再反射进入共轭透镜组5并出射。在波 前倾斜扰动误差模拟器18外，波前倾斜调制器4经共轭透镜组5后在形成 共轭面处，可以得到倾斜量受到波前倾斜控制器6（由控制计算机8给波前 倾斜控制器6发送调制参数）控制的平面波前。

一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器18主要用于基于内闭环倾斜 镜的波前倾斜校正系统性能测试系统。

如图3所示，传统的波前倾斜校正系统通常由倾斜镜10、分光镜11、 波前倾斜探测器12、跟踪控制器13、高压放大器14和全反射镜15组成。 其中，波前倾斜探测器12用于探测波前的倾斜误差，跟踪控制器13根据 波前倾斜探测器12输出的波前倾斜误差计算需要加载到倾斜镜10上的高 压量并输出给高压放大器14，高压放大器14根据跟踪控制器13的输出的 控制量输出高压并加载到倾斜镜10上，倾斜镜10在高压的作用下偏转一 定的角度从而补偿被测波前的倾斜误差。由于波前倾斜校正系统需要工作在 动态条件下，因此需要实验室内测试整套波前倾斜校正系统的性能。传统的 测试方法是在倾斜镜10前加入平行光管16和全反射镜9，从而为系统输入 平面波，然后在高压放大器14前加入扰动信号，通过扰动信号动态改变输 入平面波的倾斜误差量，最后通过测试系统对平面波的倾斜误差的校正能力 从而得到波前倾斜校正系统的性能。

随着波前倾斜校正技术的发展，如图4所示，近年来出现了基于内闭环 倾斜镜的波前倾斜校正系统。与传统的波前倾斜校正系统相比，基于内闭环 倾斜镜的波前倾斜校正系统在倾斜镜10的内部添加了镜面倾斜量传感器18 和在外部添加了内闭环控制器17。内闭环控制器17通过接收跟踪控制器 13输出的倾斜镜10需求偏转量与镜面倾斜量传感器18输出的倾斜镜10 的实际镜面偏转量相比较，计算得出需要加载到倾斜镜10上的电压修正量， 从而实时修正倾斜镜10的实际偏转量误差。由于内闭环的采样频率远大于 跟踪控制器13输出控制信号的频率，所以基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校 正系统具有比传统波前倾斜校正系统的闭环误差小。然而，在测试基于内闭 环倾斜镜的波前倾斜校正系统性能时，由于内闭环单元的存在，如果在跟踪 控制器13后输入扰动量，内闭环单元会认为扰动量是跟踪控制器13的实 际输出量而跟随，并不会校正扰动量；如果在高压放大器14前输入扰动量， 内闭环单元会认为是高压放大器14产生的误差而修正，仅能测试内闭环单 元的性能，而无法测试系统的整体性能。

如图4所示，将一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器18放置在基 于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系统之前，基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校 正系统中的倾斜镜10位于一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器18中 波前倾斜调制器4的共轭面上。由于一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟 器18可以在控制计算机8的控制下，动态产生倾斜量和光强都受控的平面 波前，因此，通过测试基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正系统中的倾斜镜 10对一种光强可调的波前倾斜扰动误差模拟器18产生的不同频率、幅度以 及光强的波前误差量的校正能力来得到基于内闭环倾斜镜的波前倾斜校正 系统的整体性能。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围， 对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和 确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构 思的发明创造均在保护之列。