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题名	提高基于色散条纹传感器的共相误差检测性能
作者	张春悦
答辩日期	2018
文献子类	硕士
授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
导师	徐抒岩
关键词	色散条纹传感器 活塞误差检测 主动光学 拼接式主镜
学位名称	硕士
英文摘要	随着天文观测需求的不断牵引,天文学界对大型光学望远镜的分辨能力提出更高的要求。根据衍射成像的光学原理,望远镜的分辨能力与其主镜的光学口径成正比,满足天文观测需求的望远镜口径已达到甚至超过10m量级,如果望远镜延续传统的整体式单口径(Single Aperture)主镜的设计方案,则必然给大口径主镜的制造和应用带来巨大的困难。针对该问题,有研究者提出了采用有多块子镜组成的“拼接式”主镜(Segmented Mirror)满足光学望远镜不断增大的口径需求。拼接式主镜面临的重要难点之一是如何实现子镜间nm量级的共相位检测精度,尤其是如何测量子镜间的“活塞误差”(piston)已成为国际光学工程界广泛关心的问题。有研究者提出基于“色散条纹传感技术”(Dispersed Fringe Sensing,DFS)作为活塞误差的检测手段,该方法相比四棱锥传感法、Shack-Hartmann法等方法,具有结构可靠、检测范围大,检测精度高等优势,是目前最具应用前景的活塞误差检测方法。然而,国内对于色散条纹传感技术的研究起步较晚,在算法可靠性、传感器检测范围、检测精度等方面尚不充分。针对上述问题,本文开展了以下几方面工作:首先,根据成像光学系统的原理、拼接域子孔径衍射原理以及棱栅色散原理,从理论层面分析了色散条纹传感器的工作原理,搭建了仿真模型,并基于该模型,对最小二乘正弦拟合法、主峰位移提取法、频域次峰提取法等三种色散条纹图像的处理方法进行了初步仿真分析,为下文研究子镜间相对活塞误差测量奠定了理论基础。其次,根据色散条纹传感器工作原理建立了理论模型,并对三种基于色散条纹图像的共相误差检测方法检测过程进行了仿真分析与误差分析。结合三种检测方法,存在高斯白噪声的情况下,仿真检测共相误差精度可达λ/10(λ=632.8nm),检测范围覆盖±100μm。针对检测范围受限于色散条纹图像可见度的问题,对影响色散条纹图像可见度的诸多因素进行了分析:包括光源视场与波长、衍射孔径参数、衍射方向与色散方向存在夹角、色散条纹传感器色散角度;针对检测精度依赖于色散条纹图像精准标定的问题,分析了图像标定误差对三种检测方法的影响效果。然后,针对色散条纹传感器活塞误差检测范围较小、检测精度较低的问题开展了研究:a)采用长波段光源、矩形孔衍射、色散本领强的棱栅透镜组合提高条纹可见度,进而提高检测范围的方法;b)针对检测精度依赖于色散条纹图像标定的问题,采用了基于包络线拟合峰值位置提取,以及非拼接域孔径衍射色散图像扫描的色散条纹图像标定方法,标定方法的RMS值小于0.03像元;c)通过研究图像标定对检测误差影响的内在机理,修正了标定误差的影响,提高了三种检测方法的检测精度;d)在色散条纹图像信息提取过程中,采用条纹开窗多路采集、条纹开窗多频段信号采集、条纹开窗多频段傅里叶变换等方法,提高了检测精度至λ/10(λ=632.8nm)。最后,搭建了拼接镜共焦共相实验平台,对基于色散条纹图像的共相误差检测过程、色散条纹图像标定方法、标定误差影响修正方法进行了验证。结果表明色散条纹中心位置标定方法的RMS值优于0.08°;结合三种共相误差提取算法,活塞误差量达到±100μm时,检测精度优于λ/5(λ=632.8nm);对于±1λ(λ=632.8nm)的活塞误差,经修正图像标定误差后,检测精度优于λ/10(λ=632.8nm)。上述实验结果充分验证了色散条纹中心位置标定方法的正确性,以及标定误差影响修正方法的有效性。实验结果表明,本文提出的方法可以有效提高色散条纹传感器的活塞误差检测范围、检测精度、抗干扰能力,对未来采用拼接式主镜的大口径望远镜波前传感技术的发展有重要意义。
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61689]
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张春悦. 提高基于色散条纹传感器的共相误差检测性能[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 2018.

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