近地层自适应光学系统大气湍流补偿方法研究

Ground layer adaptive optics (GLAO) is a new generation of a adaptive optics technique for wide field imaging, which can improve the resolution of the telescope over a large field, and provide better conditions for astronomical observations through scientific instruments. The measurement noises of the wavefront snsors, the delay errors of the control system and the actuator saturation of the deformable mirror are three key factors, which have serious effects on the control of the GLAO system. The state-space model of the GLAO control system is built according to the modern control theory. On the basis of a stochastic process theory and a statistical model of atmospheric turbulence, the effects of measurement noises and delay errors can be reduced by the prediction of the phase of atmospheric turbulence near the ground by a Kalman filter algorithm. The cut-off error can be eliminated by a Linear Quadratic Gaussian(LQG) controller combined with a penalty function method, through which a constrained problem can be transformed to an unconstrained one. At last, the compensation method for atmospheric turbulence for GLAO system is developed. The research results provide a theoretical foundation for the design of the adaptive optics system of the large-aperture Antarctic telescope in China.

近地层自适应光学（GLAO）是新一代大视场自适应光学技术，可在较大视场内提高望远镜系统的分辨率，从而为科学仪器的天文观测提供更好的条件。本项目针对GLAO系统中波前探测噪声大、延迟误差和变形镜电极饱和影响严重等关键问题，按照现代控制理论，建立控制系统的状态空间模型；根据随机过程理论，结合大气湍流的统计模型,利用卡尔曼预测方法对近地层大气湍流相位进行预测，降低探测噪声和延迟误差的影响；通过线性二次高斯控制中引入罚函数的方法，将有约束的变形镜电极控制信号求解问题转化为无约束优化问题，消除截止误差的影响，最终建立近地层自适应光学系统大气湍流补偿方法的理论体系。该项目研究成果可应用于我国未来极大望远镜的设计和建造，特别是可为我国下一步在南极建造大口径望远镜的自适应光学系统提供理论支持。

自适应光学（Adaptive Optics，AO）已经成为天文地基望远镜克服大气湍流、达到衍射极限观测效果的必备手段，但是传统单共轭自适应光学系统，由于仅对特定方向的波前畸变进行补偿，望远镜仅能在很小的视场（红外波段约十几角秒）内获得较好的观测效果，这远远不能满足天文观测的要求。近地层自适应光学（GLAO）是新一代大视场自适应光学技术，可以在更大视场内（红外波段约十几角分）提高望远镜的分辨率，从而进一步提高天文观测的效率。目前，我国正在开展口径为20米～30米级极大望远镜的预研究，但是，与望远镜相配套的大视场AO系统的理论研究还没有展开。因此，开展基于GLAO系统的大气湍流补偿方法的研究具有前瞻性，该课题的成果将为我国发展极大望远镜AO系统提供技术储备和理论支持，具有较强的理论价值和工程意义。. 项目近地层自适应光学系统大气湍流补偿方法研究针对GLAO系统中波前探测噪声大、延迟误差和变形镜电极饱和等关键问题，围绕大气湍流波前重建、补偿方法进行了相关技术探索，基本完成了项目计划书中的研究工作，执行情况可归纳为：1）按照现代控制理论，建立了包含大气湍流动态特性的GLAO控制系统的状态空间模型，提高了控制系统的稳定性；2）利用卡尔曼预测方法对大气湍流相位进行预测，以预测得到的状态为依据进行控制信号的计算，有效降低了探测噪声和延迟误差对系统性能的影响；3）在模式控制方法中，提出了一种模式项数动态优化方法，大大提高了控制系统的空间拟合能力；4）通过引入罚函数到线性二次高斯控制方法中，将有约束的变形镜电极控制信号求解问题转化为无约束求解问题，降低了截止误差对系统控制性能的影响；5）在大气湍流波前探测算法方面，提出了一种基于Shack－Hartmann波前传感器波前探测的新方法，能大大提高波前探测的精度；6）在波前补偿控制算法方面，研究了增加安排过渡过程的PID控制方法，大大降低了AO控制系统的调节时间，且控制方法对控制参数具有较好的鲁棒性；7）在系统控制算法方面，为有效抑制压电陶瓷触动器迟滞等非线性特性的影响，研究了自抗扰控制器设计方法，提高了系统的跟踪性能；8）提出了一种基于双波长数值全息的望远镜像差测量方法，方法精确且鲁棒性较好。项目研究可为我国未来极大口径望远镜搭建自适应光学系统提供技术储备和理论支持。