自适应光学千单元级高压驱动系统的设计和性能分析

邵蒙; 李洪文; 王建立; 杨乐强; 姚凯男; 邓永停

doi:10.37188/OPE.20233117.2493

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

自适应光学千单元级高压驱动系统的设计和性能分析

现代应用光学 | 更新时间：2023-09-22

- 自适应光学千单元级高压驱动系统的设计和性能分析
- Design and performance analysis of high-voltage drive system for thousand-element adaptive optics
- 光学精密工程 2023年31卷第17期页码：2493-2504
- 作者机构：
  
  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
- 作者简介：
  
  [ "邵蒙（1992-），男，吉林长春人，博士，2020年于中国科学院大学获得博士学位，主要从事望远镜光电跟踪控制及电子学设计方面的研究。E-mail： shaomeng0431@163.com" ]
  [ "杨乐强（1994-），男，吉林白山人，助理研究员，2015年于中国科学技术大学获得学士学位，2020年于中国科学院大学获得博士学位，主要从事自适应光学波前处理技术方面的研究。E-mail： yanglq23@126.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(11973041;12122304);国家重点研发计划资助项目(2020YFA 0406502);天文联合基金资助项目(U2031126)
- DOI：10.37188/OPE.20233117.2493
  中图分类号： TH743;TM133
- 收稿日期：2023-01-15，
  
  修回日期：2023-03-27，
  
  纸质出版日期：2023-09-10
- 稿件说明：
移动端阅览
邵蒙,李洪文,王建立等.自适应光学千单元级高压驱动系统的设计和性能分析[J].光学精密工程,2023,31(17):2493-2504.

SHAO Meng,LI Hongwen,WANG Jianli,et al.Design and performance analysis of high-voltage drive system for thousand-element adaptive optics[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(17):2493-2504.
邵蒙,李洪文,王建立等.自适应光学千单元级高压驱动系统的设计和性能分析[J].光学精密工程,2023,31(17):2493-2504. DOI： 10.37188/OPE.20233117.2493.

SHAO Meng,LI Hongwen,WANG Jianli,et al.Design and performance analysis of high-voltage drive system for thousand-element adaptive optics[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(17):2493-2504. DOI： 10.37188/OPE.20233117.2493.

摘要

自适应光学技术可以对大气湍流造成的波前误差进行实时校正，是实现大型地基望远镜高分辨率成像的关键技术。随着望远镜口径不断增大，自适应光学系统的校正单元数达到千单元量级。首先从自动控制角度建立了自适应光学系统各电控环节的等效模型，分析了系统延时对控制环节性能的影响。然后介绍了自适应光学电控环节中高压驱动系统的设计问题，从自动控制角度分析了自适应光学系统对高压放大器闭环带宽的需求，给出了分析结果。最后报道了千单元级自适应光学高压驱动系统的集成和测试工作。实验结果表明：本文所设计的高压放大器可以实现120 V输出，

3 dB带宽达到5 000 Hz，所设计的高压驱动系统经过集成后，利用湍流屏等效模拟60 Hz格林伍德频率，校正后的波前残差均值为0.16

，可以实现千单元级压电变形镜的校正控制。

Abstract

Adaptive optics technology can correct the wavefront error caused by atmospheric turbulence in real time and is the key technology to achieve high-resolution imaging of large ground-based telescopes. As the diameter of a telescope increases， the number of correction elements in the adaptive optics system can reach the order of one thousand. This paper first establishes the equivalent model of the control link of the adaptive optics system from the perspective of automatic control and analyzes the influence of the system delay on the performance of the control link. Then， it discusses the design of the high-voltage drive system in the control link of adaptive optics， analyzes the demand of the adaptive optics system for the closed-loop bandwidth of the high-voltage amplifier from the perspective of automatic control， and provides the analysis results. Finally， it describes the integration and test of the high-voltage drive system of the thousand-element adaptive optics system. The experimental results show that the designed high-voltage amplifier can achieve 120 V output， and the bandwidth of

3 dB can reach 5 000 Hz. After the integration of the designed high-voltage drive system， the turbulence screen is used to simulate the equivalent 60 Hz Greenwood frequency， and the corrected mean residual error of the wavefront is 0.16

. The designed high-voltage drive system can achieve calibration control of the thousand-element piezoelectric deformable mirror.

关键词

Keywords

references

董玉磊 . 基于GPU的自适应光学系统波前处理算法实时性研究［D］. 长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 2018 .

DONG Y L . Study of Real-time Wavefront Processing Algorithm for Adaptive Optics System Based on GPU ［D］. Changchun ： Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences ， 2018 . （in Chinese）

贾建禄，赵金宇，王建立，等 . 机动式车载自适应光学波前处理器的设计［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 1 ）： 48 - 54 . doi: 10.3788/ope.20182601.0048 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182601.0048

JIA J L ， ZHAO J Y ， WANG J L ， et al . Design of mobile vehicle-based adaptive optical wave-front processor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 1 ）： 48 - 54 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182601.0048 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182601.0048

ROBERTS J E ， DEKANY R G ， BURRUSS R S ， et al . Results from the PALM-3000 high-order adaptive optics system ［C］. SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation. Proc SPIE 8447 ， Adaptive Optics Systems III， Amsterdam， Netherlands . 2012 ， 8447 ： 373 - 380 . doi: 10.1117/12.926477 http://dx.doi.org/10.1117/12.926477

FUSCO T ， ROUSSET G ， SAUVAGE J F ， et al . High-order adaptive optics requirements for direct detection of extrasolar planets： application to the SPHERE instrument ［J］. Optics Express ， 2006 ， 14 （ 17 ）： 7515 - 7534 . doi: 10.1364/oe.14.007515 http://dx.doi.org/10.1364/oe.14.007515

ESPOSITO S ， TOZZI A ， FERRUZZI D ， et al . First-light adaptive optics system for large binocular telescope ［C］. Astronomical Telescopes and Instrumentation. Proc SPIE 4839 ， Adaptive Optical System Technologies II ， Waikoloa ， Hawai'i， USA . 2003 ， 4839 ： 164 - 173 . doi: 10.1117/12.458866 http://dx.doi.org/10.1117/12.458866

MARTIN H M ， CUERDEN B ， et al . Deformable secondary mirrors for the LBT adaptive optics system ［C］. SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation. Proc SPIE 6272 ， Advances in Adaptive Optics II， Orlando， Florida， USA . 2006 ， 6272 ： 274 - 283 . doi: 10.1117/12.672698 http://dx.doi.org/10.1117/12.672698

BENDEK E A ， HART M ， POWELL K B ， et al . Status of the 6.5m MMT Telescope laser adaptive optics system ［C］. SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation. Proc SPIE 7736 ， Adaptive Optics Systems II， San Diego， California， USA . 2010 ， 7736 ： 268 - 279 . doi: 10.1117/12.857663 http://dx.doi.org/10.1117/12.857663

SINQUIN J C ， LURCON J M ， GUILLEMARD C . Deformable mirror technologies for astronomy at CILAS ［C］. SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation. Proc SPIE 7015 ， Adaptive Optics Systems ， Marseille ， France . 2008 ， 7015 ： 151 - 162 . doi: 10.1117/12.787400 http://dx.doi.org/10.1117/12.787400

陈俊杰 . 基于天文应用的大口径压电变形镜技术研究［D］. 合肥：中国科学技术大学， 2017 .

CHEN J J . Large Aperture Piezoelectric Deformable Mirror for Astronomical Application ［D］. Hefei ： University of Science and Technology of China ， 2017 . （in Chinese）

林旭东，薛陈，刘欣悦，等 . 自适应光学波前校正器技术发展现状［J］. 中国光学， 2012 ， 5 （ 4 ）： 337 - 351 . doi: 10.3788/co.20120504.0337 http://dx.doi.org/10.3788/co.20120504.0337

LIN X D ， XUE CH ， LIU X Y ， et al . Current status and research development of wavefront correctors for adaptive optics ［J］. Chinese Optics and Applied Optics Abstracts ， 2012 ， 5 （ 4 ）： 337 - 351 . （in Chinese） . doi: 10.3788/co.20120504.0337 http://dx.doi.org/10.3788/co.20120504.0337

林旭东，刘欣悦，王建立，等 . 137单元变形镜的性能测试及校正能力实验［J］. 光学精密工程， 2013 ， 21 （ 2 ）： 267 - 273 . doi: 10.3788/ope.20132102.0267 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132102.0267

LIN X D ， LIU X Y ， WANG J L ， et al . Performance test and experiment of correction capability of 137-element deformable mirror ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2013 ， 21 （ 2 ）： 267 - 273 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20132102.0267 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132102.0267

林旭东，刘欣悦，王建立，等 . 961单元变形镜研制及性能测试［J］. 光学学报， 2013 ， 33 （ 6 ）： 1 - 6 . doi: 10.3788/AOS201333.0601001 http://dx.doi.org/10.3788/AOS201333.0601001

LIN X D ， LIU X Y ， WANG J L ， et al . Development and performance test of the 961-element deformable mirror ［J］. Acta Optica Sinica ， 2013 ， 33 （ 6 ）： 1 - 6 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS201333.0601001 http://dx.doi.org/10.3788/AOS201333.0601001

王建立，董玉磊，姚凯男，等 . 349单元自适应光学波前处理器［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 5 ）： 1007 - 1013 . doi: 10.3788/ope.20182605.1007 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182605.1007

WANG J L ， DONG Y L ， YAO K N ， et al . Three hundred and fourty-nine unit adaptive optical wavefront processor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 5 ）： 1007 - 1013 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182605.1007 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182605.1007

贾建禄，王建立，赵金宇，等 . 961单元自适应光学系统波前处理器［J］. 光学精密工程， 2013 ， 21 （ 6 ）： 1387 - 1393 . doi: 10.3788/OPE.20132106.1387 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20132106.1387

JIA J L ， WANG J L ， ZHAO J Y ， et al . 961-element adaptive optical wave-front processor ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2013 ， 21 （ 6 ）： 1387 - 1393 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20132106.1387 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20132106.1387

YANG L Q ， YAO K N ， WANG J L ， et al . Performance analysis of 349-element adaptive optics unit for a coherent free space optical communication system ［J］. Scientific Reports ， 2019 ， 9 （ 1 ）： 13150 . doi: 10.1038/s41598-019-48338-3 http://dx.doi.org/10.1038/s41598-019-48338-3

章承伟 . 基于GPU的自适应光学实时波前控制系统研究［D］. 合肥：中国科学技术大学， 2018 .

ZHANG C W . GPU-based Adaptive Optics Real-time Control System ［D］. Hefei ： University of Science and Technology of China ， 2018 . （in Chinese）

LI D Y ， HU L F ， MU Q Q ， et al . Wavefront processor for liquid crystal adaptive optics system based on Graphics Processing Unit ［J］. Optics Communications ， 2014 ， 316 ： 211 - 216 . doi: 10.1016/j.optcom.2013.11.052 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2013.11.052

杨乐强，王建立，姚凯男，等 . 基于GPU的961单元自适应光学系统波前处理器设计及其动态性能［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 23 ）： 3004 - 3012 . doi: 10.37188/ope.20223023.3004 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223023.3004

YANG L Q ， WANG J L ， YAO K N ， et al . Design and dynamic performance of wavefront processor for 961 element adaptive optics system based on GPU ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 23 ）： 3004 - 3012 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20223023.3004 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223023.3004

林旭东，刘欣悦，王帅，等 . 桌面97单元自适应光学系统性能测试［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24（ 6 ） 1272 - 1280 . doi: 10.3788/ope.20162406.1272 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162406.1272

LIN X D ， LIU X Y ， WANG SH ， et al . Performance testing of a desk-top 97-element adaptive optical system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2016 ， 24（ 6 ） 1272 - 1280 （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20162406.1272 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162406.1272

宋定安 . 自适应光学系统中鲁棒控制技术研究［D］. 成都：电子科技大学， 2018 .

SONG D A . Robust Control in Adaptive Optice System ［D］. Chengdu ： University of Electronic Science and Technology of China ， 2018 . （in Chinese）

林海奇 . 基于模型辨识的自适应光学系统控制技术研究［D］. 北京：中国科学院大学， 2019 . doi: 10.3788/CJL201946.0705004 http://dx.doi.org/10.3788/CJL201946.0705004

LIN H Q . Research on Adaptive Optics System Control Technology Based on Model Identification ［D］. Beijing ： University of Chinese Academy of Sciences ， 2019 . （in Chinese） . doi: 10.3788/CJL201946.0705004 http://dx.doi.org/10.3788/CJL201946.0705004

XU L S ， LI H W ， LI P Z ， et al . The application of classical control in the design and analysis of power amplifiers for driving piezoelectric stack actuators ［J］. Electronics ， 2021 ， 10 （ 6 ）： 720 . doi: 10.3390/electronics10060720 http://dx.doi.org/10.3390/electronics10060720

YANG C ， LI C L ， XIA F Z ， et al . Charge controller with decoupled and self-compensating configurations for linear operation of piezoelectric actuators in a wide bandwidth ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 7 ）： 5392 - 5402 . doi: 10.1109/tie.2018.2868321 http://dx.doi.org/10.1109/tie.2018.2868321

MADEC PP Y . Overview of deformable mirror technologies for adaptive optics and astronomy ［C］. SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation. Proc SPIE 8447 ， Adaptive Optics Systems III， Amsterdam， Netherlands . 2012 ， 8447 ： 22 - 39 . doi: 10.1117/12.924892 http://dx.doi.org/10.1117/12.924892

张雨东，饶长辉，李新阳 . 自适应光学及激光操控［M］. 北京：国防工业出版社， 2016 .

ZHANG Y D ， RAO CH H ， LI X Y . Adaptive Optics and Laser Manipulation ［M］. Beijing ： National Defense Industry Press ， 2016 . （in Chinese）

浏览量

701

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

0.05~0.1 MPa宽气压环境下校准光源光学系统设计

千单元自适应压电变形镜的高压放大器设计

基于GPU的961单元自适应光学系统波前处理器设计及其动态性能

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计