非阵列光敏传感器天文波前探测方法研究

目前天文自适应光学波前探测主要基于阵列光敏传感技术，在高帧频、弱光和红外波段等特定条件下探测波前严重依赖高性能二维阵列光敏传感器，为此本课题开展波前探测新技术和理论研究，探索利用非阵列光敏传感器探测天文波前的新方法。该方法利用数字光调制技术建立波前正交模式系数滤波器，以单元光敏传感器探测模式系数信息，反演各阶模式系数重构波前，打破对高端阵列光敏传感器的依赖。主要研究波前正交模式滤波系统数理模型，分析其求解复杂性，寻求各阶模式系数的有效反演方法；研究典型大气湍流畸变特征，确定天文波前正交展开的具体需求，进而指导波前正交模式系数滤波器的主要参数设计，并开展高帧频波前探测验证实验。本课题将二维波前阵列探测问题转化为一维波前正交模式系数获取和反演问题，与二维光敏波前传感相比，更有利于在高帧频、微光和红外等条件下的天文波前探测，可能为天文波前探测提供一种更先进的技术手段，促进天文观测技术的发展。

本课题为了适应天文观测技术发展的要求，探索基于非阵列光敏传感器的天文波前探测新方法。相对于二维阵列光敏波前探测方法，更有利于在高帧频、微光和红外等条件下的天文波前探测，有利于提高天文自适应光学系统引导星等级，扩大天空覆盖率。可能为天文波前探测提供一种更先进的技术手段，促进天文观测技术的发展。主要研究内容有四个方面。. ⑴研究波前正交模式系数联立非线性方程组的求解复杂性，和高效、稳定和准确的求解方法；通过数值仿真，验证了超分辨波前复原算法在不同子孔径分割排布密度条件下，对比经典复原算法，在复原精度和空间分辨率上都有巨大的优势， 表明提出的超分辨复原算法能够在利用光斑质心偏移信息的基础上，从光斑强度分布中提取有效信息，促进波前探测性能提升。此外，通过在算法执行过程中引入像差模式分解，对超分辨复原算法的探测精度和收敛速度进行了优化，并讨论了复原算法中的相位解缠绕问题，最终使提出波前传感器超分辨复原算法理论模型。 .（2）研究高速波前Walsh正交模式系数滤波器光学结构的实现；研究了夏克-哈特曼波前传感器超分辨复原算法对初值选取及实现硬件的需求。通过研究表明虽然超分辨复原算法在没有初值参考情况下也能实现收敛和超分辨波前复原。此外，实验分析了微透镜阵列焦距、光电探测器灰度位深和信号噪声对超分辨复原算法的影响，明确了超分辨复原算法青睐相对长的微透镜阵列焦距和高位深、低噪声的探测器，从而为超分辨复原算法的实际实现和集成提供了理论指导。.（3）探索适应于微光、高帧频和红外波段条件下的非阵列光敏传感器天文波前探测规律。明晰了影响其波前探测空间分辨率的关键因素，从打破将子孔径内波前分布视为简单倾斜像差的思维定势出发，以波前复原算法为突破点，以子孔径内波前二次曲率为代表，研究了子孔径内波前高阶信息对复原算法空间分辨率的提升作用。