相位干涉測量的信息理論分析.pdf

1、慣性約束核聚變(ICF)是當今基礎科學前沿領域之一，對國防事業(yè)和新能源開發(fā)有著極為重要的科學意義和應用價值。高功率固體激光裝置作為ICF的驅動器，對所使用的大口徑光學元件的中、低頻制造誤差提出了嚴格的要求。目前我國大口徑光學元件中、低頻位相信息的檢測理論及其檢測手段遠不能滿足工程需要。所以本文從信息論出發(fā)，建立了一套基于信息論的位相干涉檢測理論，優(yōu)化設計了干涉檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了大口徑光學元件中、低頻制造誤差的精密檢測，得到了若干有意義的結

2、果。
　　利用Wigner分布函數(shù)建立了光學元件波前信息量的理論模型，該模型用空間帶寬積描述波前的信息量、用基于Wigner分布函數(shù)的局部功率譜密度(PSD)評價局部波前畸變，結合全孔徑PSD分析，可更全面地描述和評價波前信息，并能具體指導光學元件的返修。
　　根據(jù)信息論建立了干涉成像系統(tǒng)信息容量的理論模型，該模型表明干涉成像系統(tǒng)的信息容量由系統(tǒng)的空間帶寬積和信噪比決定，它有效地彌補了系統(tǒng)傳遞函數(shù)不能表征系統(tǒng)噪聲的缺陷。根據(jù)

3、統(tǒng)計光學建立了干涉成像系統(tǒng)信噪比的理論模型，以信噪比最大化為目標，優(yōu)化設計了旋轉毛玻璃、環(huán)形光源和CCD等關鍵器件。理論計算和實驗結果表明:(1)為了獲得高信噪比，應增大CCD的占空比和曝光時間;應控制旋轉毛玻璃參數(shù)使旋轉周期小于或等于CCD曝光時間、使光源相干長度為測試光和參考光間光程差的2至5倍。(2)環(huán)形光源的面積會影響系統(tǒng)的信噪比，當光源面積一定時環(huán)形光源抑制相干噪聲的能力隨內(nèi)外徑之比的增大而提高;利用環(huán)形光源可將平均信噪比從傳

4、統(tǒng)點光源模式下的5.2dB提高到8.6dB。
　　從參數(shù)的統(tǒng)計估計理論出發(fā)，建立了位相估計精密度與干涉條紋光強數(shù)據(jù)Fisher信息量的關系，分析了現(xiàn)有算法的位相估計精度。為了提高位相估計精度，提出了基于最小二乘迭代的抗振時域相移算法、多光束相移算法和空間載波相移算法，分別有效地補償了環(huán)境振動引入的隨機平移和傾斜相移誤差、多光束或多表面干涉引入的高階諧波誤差和隨機空間載波頻率引入的空間相移誤差。數(shù)值計算和實驗結果表明本文提出的算法精

5、度優(yōu)于現(xiàn)有同類算法。應用本文算法，降低了大口徑干涉儀對環(huán)境穩(wěn)定性和相移器性能的要求，節(jié)約了制造成本。
　　為了測量光學元件中頻段信息，以信息容量為目標函數(shù)，優(yōu)化設計并研制了Φ100mm干涉儀系統(tǒng)，測試結果表明該系統(tǒng)一維空間帶寬積大于100mm×2.5mm-1、平均信噪比大于4dB。提出了采用子孔徑PSD加權平均得到全孔徑PSD的測量方法和干涉儀系統(tǒng)Wigner分布函數(shù)的標定及大口徑光學元件中頻信息的校準方法，實現(xiàn)了小口徑干涉儀準確