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基于自适应光学技术的差分波前传感性能提升方法研究

宋威 刘靖翰 高瑞弘

宋威, 刘靖翰, 高瑞弘. 基于自适应光学技术的差分波前传感性能提升方法研究[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2026-0028
引用本文: 宋威, 刘靖翰, 高瑞弘. 基于自适应光学技术的差分波前传感性能提升方法研究[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2026-0028
SONG Wei, LIU Jing-han, GAO Rui-hong. Research on the method for improving the performance of differential wavefront sensing based on adaptive optics technology[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2026-0028
Citation: SONG Wei, LIU Jing-han, GAO Rui-hong. Research on the method for improving the performance of differential wavefront sensing based on adaptive optics technology[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2026-0028

基于自适应光学技术的差分波前传感性能提升方法研究

cstr: 32171.14.CO.2026-0028
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(No. 12305074)
详细信息
    作者简介:

    宋 威(2002—),男,河南信阳人。2019-2023,郑州大学,计算机科学与技术,本科。2023-至今,中国科学院大学,计算机技术,硕士。研究方向为引力波探测。E-mail:songwii@qq.com

    刘靖翰(2000—),男,湖北十堰人。2018-2022,武汉大学,自动化,本科。2022-2025,中国科学院大学,电子信息,硕士。2025-至今,科研助理。主要从事激光干涉测量、激光捕获跟瞄等方面的研究。E-mail:liujinghan22@mails.ucas.ac.cn

    高瑞弘(1994—),男,辽宁大连人。2011.09-2015.07,北京理工大学,光电信息工程,本科。2015.09-2020.12,中国科学院大学/中国科学院力学研究所,一般力学与力学基础,硕博,工学博士。2021.01-2023.01,国科大杭州高等研究院,基础物理与数学科学学院,博士后。2023.02-至今,中国科学院力学研究所,NML引力波实验中心,助研。主要从事空间引力波探测超高精度测量技术方面的研究。E-mail:gaoruihong@imech.ac.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Research on the method for improving the performance of differential wavefront sensing based on adaptive optics technology

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 12305074)
More Information
  • 摘要:

    空间引力波探测计划拟在太空中使用3颗卫星建立等边三角形的星座结构,通过激光外差干涉的方法实现中低频段引力波信号的探测。激光捕获跟瞄技术用于实现卫星间光束的高精度对准,实现三条双向激光链路的构建。差分波前传感(DWS)技术是激光跟瞄阶段的核心,是实现纳弧度级角度分辨的关键。为充分验证激光捕获跟瞄系统的在轨可行性,需对原理样机开展地面长距离验证实验。然而光束在大气中的传输会严重影响DWS技术的角度测量能力,亟需寻求干扰的抑制方案。为此本文首先通过数值仿真的手段,系统分析了大气对DWS的影响,首次提出引入自适应光学技术补偿大气对DWS信号的干扰,之后设计并搭建了基于DWS信号及波前测量的双控制回路激光跟瞄实验系统。引入了像差扰动开展实验,实验结果表明,在0.1 Hz−1 Hz频段,同频段性能可提升约10倍,充分说明了自适应光学系统可以有效提高DWS在大气环境下的测量能力,为后续的激光捕获跟瞄系统长距离大气环境地面验证奠定了基础。

     

  • 图 1  DWS技术原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of the DWS technique

    图 2  自适应光学系统原理图

    Figure 2.  Schematic diagram of adaptive optics system

    图 3  Shack-Hartmann波前传感器原理图

    Figure 3.  Schematic diagram of Shack-Hartmann wavefront sensor

    图 4  测角误差与像差系数的关系

    Figure 4.  Relationship between angular error and aberration coefficient

    图 5  真实湍流中DWS波动水平

    Figure 5.  DWS fluctuation level in real turbulence

    图 6  实验光路示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of the experimental lightpath

    图 7  实验光路实物图

    Figure 7.  Physical picture of the experimental lightpath

    图 8  上位机软件逻辑图

    Figure 8.  Upper computer software logic diagram

    图 9  yaw方向相角转化系数标定

    Figure 9.  Calibration of yaw direction phase Angle conversion coefficient

    图 10  pitch方向相角转化系数标定

    Figure 10.  Calibration of pitch direction phase Angle conversion coefficient

    图 11  Zernike系数控制效果

    Figure 11.  Zernike coefficient controls the effect

    图 12  共轭位置Z9阶跃响应

    Figure 12.  Conjugate position Z9 step response

    图 13  共轭位置Z10阶跃响应

    Figure 13.  Conjugate position Z10 step response

    图 14  角度指向控制时域图

    Figure 14.  Angle tracking aiming time domain diagram

    图 15  角度指向控制频域图

    Figure 15.  Angle tracking aiming frequency domain plot

    图 16  无干扰内环频谱对比图

    Figure 16.  Comparison of spectrum in the inner loop without interference

    图 17  无干扰外环频谱对比图

    Figure 17.  Comparison of spectrum of the outer loop without interference

    图 18  有干扰内环频谱对比图

    Figure 18.  Comparison of spectrum of strong interference inner loop

    图 19  有干扰外环频谱对比图

    Figure 19.  Comparison of spectrum of strong interference outer loop

    表  1  Zernike多项式的前15项

    Table  1.   The first 15 terms of Zernike polynomials

    j n m Zj(ρ,θ)
    1 0 0 1
    2 1 1 $ 2\rho \text{cos}\theta $
    3 1 1 $ 2\rho \text{sin}\theta $
    4 2 0 $ \sqrt{3}(2{\rho }^{2}-1) $
    5 2 2 $ \sqrt{6}{\rho }^{2}\sin 2\theta $
    6 2 2 $ \sqrt{6}{\rho }^{2}\cos 2\theta $
    7 3 1 $ \sqrt{8}(3{\rho }^{3}-2\rho )\text{sin}\theta $
    8 3 1 $ \sqrt{8}(3{\rho }^{3}-2\rho )\text{cos}\theta $
    9 3 3 $ \sqrt{8}{\rho }^{3}\sin 3\theta $
    10 3 3 $ \sqrt{8}{\rho }^{3}\cos 3\theta $
    11 4 0 $ \sqrt{5}(6{\rho }^{4}-6{\rho }^{2}+1) $
    12 4 2 $ \sqrt{10}(4{\rho }^{4}-3{\rho }^{2})\cos 2\theta $
    13 4 2 $ \sqrt{10}(4{\rho }^{4}-3{\rho }^{2})\sin 2\theta $
    14 4 4 $ \sqrt{10}{\rho }^{4}\cos 4\theta $
    15 4 4 $ \sqrt{10}{\rho }^{4}\sin 4\theta $
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    表  2  实验系统基本参数

    Table  2.   Table of key parameters of the experimental system

    参数数值
    激光波长(λ)1064 nm
    测量光扩束倍数3
    扩束后光斑大小7.8 mm
    光阑大小5 mm
    WFS光斑大小3.3 mm
    QPD光斑大小1.5 mm
    DM光斑大小10 mm
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    表  3  哈特曼波前传感器基本参数

    Table  3.   Hartmann wavefront sensor parameter

    参数 数值
    RMS值(波前敏感性) l/100 rms @ 633 nm
    子孔径数目 47×35
    CCD的分辨率 1440×1080 Pixels
    像元尺寸 5.0 µm×5.0 µm
    通光孔径 9 mm
    每个微透镜对应的子孔径大小 7.20 mm×5.40 mm
    微透镜阵列间距 150 µm
    微透镜阵列焦距 5.6 mm
    微透镜阵列的几何形状 圆形
    最高采样率 880 fps
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    表  4  变形镜基本参数

    Table  4.   Deformable mirror parameters

    参数 数值
    口径大小及形状 圆形,直径为14 mm
    镜面分段数 一共40个,24个在瞳孔内,16个在瞳孔外
    镜面涂层
    驱动电压 0~300 V
    平均反射率
    450 nm - 2 µm
    2 - 20 µm

    >97.5%
    >96.0%
    相对于参考球面初始均方值 200 nm
    初始主要畸变 直径为18 mm的凹球面
    最大冲程 24.5 µm
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    表  5  快速反射镜基本参数

    Table  5.   Basic parameters of the fast mirror

    参数数值
    角度变化范围2 mrad
    分辨率0.05 μrad
    重复精度(10%偏摆角)0.15 μrad
    重复精度(100%偏摆角)1.5 μrad
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-03-02
  • 录用日期:  2026-04-21
  • 网络出版日期:  2026-05-27

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