實驗名稱：自適應光學系統閉環實驗

測試設備：高壓放大器、波前控制器、波前傳感器、變形鏡、計算機等。

實驗過程：

圖1：自適應光學系統實物圖

用于測試歸一化互相關斜率算法有效性的實驗在如圖1所示的自適應光學系統平臺上進行，圖中展示了適應光學系統中除高壓放大器和計算機外的所有器件。

圖2：自適應系統光路示意圖

該自適應光學系統的光路結構如圖2所示。中心波長λ為650nm的激光束通過直徑為70μm的尾纖輸出后，經過一口徑為55mm、焦距為300nm的雙膠合透鏡L1準直為平行光。該平行光通過口徑為20mm的變形鏡小角度反射后進入L2、L3組成的縮束系統。縮束后的光通過分光鏡P，一部分進入傳感器進行像差探測，另一部分通過焦距為300mm的透鏡L4，在CCD上進行成像以觀測P處波前的遠場。這兩者將采集的圖像傳輸到計算機中，進行圖像顯示及實時數據處理。

計算機接收到波前傳感器采集到的圖像后，利用優化后的歸一化互相關斜率程序進行斜率提取，產生斜率向量。斜率向量通過波前復原和控制運算，得到控制信號。控制信號經過D/A轉換從計算機輸出到高壓放大器中進行電壓放大，進而控制變形鏡進行波前校正，校正后的圖像由傳感器和CCD成像系統反饋給計算機，實現系統閉環。

實驗結果：

圖3：校正前的光斑圖像

圖4：校正后的光斑圖像

圖5：（a）閉環前的波面圖;（b）閉環后的波面圖（圖中數據皆以波長λ為單位）

圖3是進行系統閉環校正之前CCD探測到的遠場光斑，其中圖（a）是光斑圖像的二維圖，圖中的橫縱坐標表示像素在圖像中的位置；圖（b）為光斑光強分布的三維圖，橫縱坐標表示像素在圖像中的位置，豎直方向的坐標表示像素點的亮度值。從圖3中可以看出，由于相差影響，校正前光斑形狀彌散，中心能量不集中。圖4是經過系統校正后的激光光斑圖像，其中圖（a）為靶面采集到的光斑圖像，圖（b）是相應的三維光強分布圖，圖中坐標意義與圖3相同。從圖4中可以看出，校正后的光斑圖像中可清晰分辨出中心光斑和衍射作用產生的同心圓環，而且相比于校正前的光斑，校正后的光斑能量更為集中。

圖5展示了校正前后的波前相面及具體參數的變化。由圖可知，通過系統校正，波前相面的峰谷值PV由原來的1.958λ降為了0.350λ，均方根值RMS從0.496λ減小為0.056λ（λ為上述激光束的中心波長，即650nm），校正后的波前起伏更小，已接近理想平行光。

通過圖3和圖4的對比，以及圖5的分析，可以看出，優化后的歸一化互相關斜率探測程序確實可以進行有效的波前斜率探測，并且這一探測方式能夠很好地在偽光斑干擾的環境下工作，有良好的抗干擾性能。在偽光斑情況下，用質心算法進行計算時，必須通過減閾值將偽光斑減掉才能進行有效的目標探測，但是在減掉偽光斑的同時，真實光斑的信號量也會被減掉，特別是當偽光斑與真實光斑的強度差別不大，甚至超過真實光斑的強度時，減閾值的質心算法將無法正常工作。

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審核編輯 黃宇