用于波前校正的空间光调制器

利用机器学习克服基于混合模式选择光子灯笼的波前校正中的低信噪比问题

Overcoming the low signal-to-noise problem for hybrid mode-selective photonic lantern-based wavefront correction using machine learning

研究混合模式选择光子灯笼波前校正的低信噪比问题，用神经网络将波前传感核心强度映射为估计波前校正并应用于上游变形镜，探索不同神经网络架构评估性能以解决信噪比权衡。

高对比度焦平面波前校正系统的辨识与自适应控制

Identification and adaptive control of a high-contrast focal plane wavefront correction system

所有用于系外行星高对比度成像的日冕仪都需要波前校正系统来抑制光学像差并产生足够暗的黑洞。由于最有效的波前校正算法（控制器和估计器）通常是基于模型的，系统的建模精度影响最终的波前校正性能。目前，波前校正系统通常近似为使用傅立叶光学的线性系统。然而，傅立叶光学模型通常是有偏见的，由于在布局测量的不准确性，固有的光学像差的不完善的诊断，以及缺乏知识的可变形反射镜（致动器增益和影响函数）。此外，由于仪器的不稳定性和环境的影响，望远镜的光学系统会随着时间的推移而变化。在本文中，我们提出了一个期望最大化（E-M）的方法来识别和实时适应线性望远镜模型的数据。通过在E步骤（卡尔曼滤波器和Rauch平滑器）和M步骤（分析或基于梯度的优化）之间迭代，该算法能够恢复系统，即使模型取决于电场，其是不可测量的隐藏变量。在普林斯顿大学高对比度成像实验室的仿真和实验表明，该算法提高了模型的精度，提高了波前校正的效率和速度。

Forecasting Wavefront Corrections in an Adaptive Optics System

We use telemetry data from the Gemini North ALTAIR adaptive optics system to investigate how well the commands for wavefront correction (both Tip/Tilt and high-order turbulence) can be forecasted in order to reduce lag error (due to wavefront sensor averaging and computational delays) and improve delivered image quality. We show that a high level of reduction ($\sim$ 5 for Tip-Tilt and $\sim$ 2 for high-order modes) in RMS wavefront error can be achieved by using a "forecasting filter" based on a linear auto-regressive model with only a few coefficients ($\sim$ 30 for Tip-Tilt and $\sim$ 5 for…

基于相位恢复的高对比度冠状照相波前测量

Phase-Retrieval-Based Wavefront Metrology for High Contrast Coronagraphy

我们讨论了使用参数相位不同的相位恢复作为一种原位高保真波前测量方法来表征和优化的高对比度日冕仪的透射波前。我们应用我们的方法来校正的HiCAT（高对比度成像仪的复杂孔径望远镜）日冕实验台的透射波前。这种校正需要一系列的校准步骤，我们描述。校正将系统波前从16 nm RMS改善到3.0 nm RMS。

用于星载红外望远镜波前校正的低温变形镜的实验室演示

Laboratory demonstration of a cryogenic deformable mirror for wavefront correction of space-borne infrared telescopes

本文介绍了一种基于微机电系统（MEMS）技术的具有1,020个致动器的低温变形镜（DM）。低温星载红外望远镜由于镜面形状误差会产生波前误差，使成像性能变差。为了解决波前在轨校正问题，我们研制了一种MEMS加工的静电微镜，该微镜具有特殊的低温环境结构。我们进行了一个实验室演示其操作在3个冷却循环之间的5 K和295 K。利用激光干涉仪，我们首次检测到了低温下外加电压所对应的变形。根据静电位移机的工作原理，将电压与位移之间的关系定性地用二次函数表示。我们还发现，它有一个高的操作重复性的几纳米RMS和没有显着的滞后。利用重复性的测量值，我们模拟了用我们的DM进行波前校正对PSF的改善。这些结果表明，我们开发的DM是有效的，以提高成像性能和PSF对比度的星载红外望远镜。

高阶自适应光学系统的焦平面波前传感

Focal-plane wavefront sensing with high-order adaptive optics systems

我们研究了在具有波前校正装置的自适应光学系统中校准非共路像差的方法，该波前校正装置以极高的分辨率（大于150 × 150）工作。我们使用连续收集的焦平面图像，相应的相位分集信息和数值有效的算法来计算所需的波前更新。迭代地应用波前校正，直到算法收敛。研究了不同的方法。除了标准的Gerchberg-Saxton算法之外，我们还测试了Fast & Furious算法的扩展，该算法使用三幅图像并创建瞳孔幅度的估计。我们还测试了最近提出的相位恢复方法的基础上凸优化。结果表明，在我们考虑的框架中，使用类似于Fast & Furious的算法，校准任务是最简单的。

部分校正模式下Shack-Hartmann波前传感器灵敏度损失因子的估计

Shack-Hartmann wavefront sensor sensitivity loss factor estimation in partial correction regime

针对自适应光学中波前传感器闭环与衍射极限校准下灵敏度存在差异的问题，提出一种基于闭环传递函数参数、从闭环数据估计Shack-Hartmann波前传感器灵敏度损失因子的算法，且该算法可推广至其他波前传感器。

基于非线性曲率传感器的波前相位恢复

Wavefront Phase Retrieval with Non-linear Curvature Sensors

越来越多的兴趣在天文应用中的非线性曲率波前传感器的湍流检测和校正，使得重要的是要了解如何最好地处理它们产生的数据，特别是在低光水平。本文提出并比较了四平面曲率波前传感器的波前相位恢复算法，以期在自适应光学和Lucky Imaging相结合的仪器中用于低阶相位补偿。迭代算法的收敛速度和质量进行了比较，他们的步长和技术的相位恢复在低光子计数进行了探讨。计算机模拟表明，在低光照水平下，通过将测量信号与高斯函数卷积进行预处理，可以将低阶误差的精确相位恢复所需的光子通量减少一个数量级。这有助于在具有非常微弱的参考星的大型望远镜上进行波前校正。

使用HAPA的Robo-AO-2模拟结果：一种改善较暗恒星自适应光学校正波前传感技术

Simulation results for Robo-AO-2 using HAPA: a wavefront sensing technique for improving the adaptive optics correction of fainter stars

针对系外行星直接成像，提出结合激光导星与自然导星的HAPA方法，通过模拟验证在Robo-AO-2上实现较暗导星的高斯特列尔比校正，增加可观测目标。

基于扩展卡尔曼滤波的高对比度成像星光和偏差递推估计

Recursive Starlight and Bias Estimation for High-Contrast Imaging with an Extended Kalman Filter

为了拍摄暗淡的系外行星和盘，配备日冕仪的天文台需要焦平面波前校正以恢复高对比度。最有效的校正方法是迭代地估计恒星电场，并用有源光学器件抑制它。该估计每次迭代需要来自科学相机的若干图像。为了最大限度地提高科学产出，需要进行快速波前校正并利用所有校正图像进行科学目标检测。系外行星和盘与它们的恒星是不相干的，因此需要一个非线性估计器来估计非相干强度和恒星电场。这种技术具有高度稳定性，只有在天基观测站和可能的地面望远镜上才能找到这种稳定性，这些望远镜具有极强的自适应光学。在本文中，我们实现了一个非线性估计，迭代扩展卡尔曼滤波器（IEKF），使快速波前校正和递归，近最佳估计的非相干光。在普林斯顿大学的高对比度成像实验室，我们证明，IEKF允许波前校正至少与卡尔曼滤波器一样快，并提供最准确的检测微弱的同伴。非线性IEKF形式主义允许我们追求其他策略，如参数估计，以提高波前校正。

用于极端自适应光学的极快速焦平面波前传感

Extremely fast focal-plane wavefront sensing for extreme adaptive optics

我们提出了一种非常有前途的方法来快速检测和校正小波前误差的自适应光学系统。由于我们的算法的计算复杂度大致与执行器的数量成正比，因此它特别适合于具有10，000到100，000个执行器的系统。我们的方法是基于顺序相位分集和简单的关系之间的点扩散函数和波前误差的情况下，小的像差。由可变形反射镜本身引入的相位分集的特定选择使波前误差以及计算复杂度最小化。该方法非常适合点源的高对比度天文成像，例如直接检测和表征恒星周围的系外行星，即使在存在抑制衍射图案的日冕的情况下也能工作。Korkiakoski等人在这些会议记录中的随附论文描述了使用数值模拟和实验室测试的算法性能。

Tempestas ex machina：机器学习方法在波前控制中的综述

Tempestas ex machina: A review of machine learning methods for wavefront control

本文综述了机器学习方法在波前控制中的应用，旨在解决经典积分控制器的时间滞后和动态误差问题，以支持下一代自适应光学系统对类地行星的成像。

使用光子灯笼进行光谱色散波前传感的实验及在轨演示

Experimental and on-sky demonstration of spectrally dispersed wavefront sensing using a photonic lantern

本研究利用8米Subaru望远镜的SCExAO平台，首次在轨演示了基于光子灯笼的光谱色散波前传感器，证明其能提高校正保真度，为未来开发紧凑型统一波前传感光谱仪奠定基础。

Sunrise III：波前校正系统

Sunrise III: The Wavefront Correction System

本文描述了为Sunrise III气球载荷望远镜开发的波前校正和图像稳定系统，介绍了其在集成到望远镜和2024年科学飞行中的性能。

焦平面波前校正的卡尔曼滤波估计

Kalman Filter Estimation for Focal Plane Wavefront Correction

用于未来类地行星探测的天基日冕仪将需要焦平面波前控制技术来实现必要的对比度水平。这些校正算法是迭代的，并且控制方法需要对科学相机处的电场进行估计，这需要拍摄的几乎所有图像用于校正。我们展示了一个卡尔曼滤波估计器，使用先验知识来创建的电场的估计，大大减少了估计图像平面电场所需的曝光次数。除了显着减少曝光，我们讨论了这种算法的相对优点，其他估计方案，特别是在估计误差和协方差。作为减少曝光的一部分，我们还讨论了一种新的方法来产生估计图像平面中的场所需的多样性。这使用行程最小化控制算法来选择可变形反射镜上的探头形状，从而为问题增加了一定程度的最优性，并再次减少了校正所需的曝光总数。到目前为止，选择探头形状在很大程度上还没有被探索过，这对于为估计产生一组良好的测量结果至关重要。最终，滤波器将导致一个自适应算法，可以估计物理参数在实验室和优化估计。

通过可变形透镜在非共路像差校正模式中恢复金字塔WS增益

Recovering pyramid WS gain in non-common path aberration correction mode via deformable lens

现在众所周知的是，基于金字塔的波前传感器一旦处于闭环中，就具有随着金字塔销上的参考自然星图像尺寸变得越来越小而越来越多地提高增益的能力。特别是在极端的自适应光学应用中，为了校正科学通道和感测通道之间的非公共路径像差，通常使用将一定量的偏移波前变形注入DM中，同时使金字塔偏离最佳工作条件。在本文中，我们详细说明的可能性，以纠正低阶非共路像差的金字塔波前传感器的水平，通过放置在光路上的自适应折射透镜之前的金字塔本身，允许减轻增益损失。

采用马赫-曾德尔波前传感器的ELT XAO试验台的研制：变形镜的标定

Development of an ELT XAO testbed using a Mach-Zehnder wavefront sensor: calibration of the deformable mirror

极自适应光学（XAO）在满足未来超大望远镜的高速度（> 1 kHz）、高精度和高次要求方面遇到了严重的困难。一种创新的高阶自适应光学系统使用自参考马赫-曾德尔波前传感器（MZWFS）允许抵消这些限制。该传感器通过测量两个输出之间的强度差来非常精确地估计小空间尺度下的波前相位，其中在其两个支路之间具有$λ/4$路径长度差，但是由于相位模糊而在动态范围中受到限制。在过去的几年里，我们的团队在8米级望远镜的框架内研究了这样一个XAO系统。在这项工作中，我们报告了我们最近在实验室安装的XAO测试平台的最新结果，并致力于使用30米级望远镜（如E-ELT或TMT）进行高对比度成像。在回顾了MZWFS的原理并描述了我们实验的光学布局之后，我们将展示低音-高音相位校正器的评估结果，即，Boston Micromachine连续膜可变形反射镜（DM）和Boulder非线性系统液晶空间光调制器（SLM）。特别是，我们将详细介绍使用Zygo干涉仪计量的DM的校准。我们的方法包括在膜变形的精确测量，同时施加恒定的变形9出140致动器在同一时间。通过在DM工作范围内改变戳电压，我们提出了一种简单而有效的方法，使用高斯模型建模DM影响函数。最后，我们展示了允许补偿低阶像差的MZWFS上的DM平坦化。

Battle of the Predictive Wavefront Controls: Comparing Data and Model-Driven Predictive Control for High Contrast Imaging

Ground-based high contrast exoplanet imaging requires state-of-the-art adaptive optics (AO) systems in order to detect extremely faint planets next to their brighter host stars. For such extreme AO systems (with high actuator count deformable mirrors over a small field of view), the lag time of the correction (which can impact our system by the amount the wavefront has changed by the time the system is able to apply the correction) which can be anywhere from ~1-5 milliseconds, can cause wavefront errors on spatial scales that lead to speckles at small angular separations from the central star …

GPI校准装置的空中低阶非共径修正

On-sky low order non-common path correction of the GPI Calibration Unit

双子座行星成像仪（GPI）进入天空调试阶段，并于2013年11月在双子座南望远镜首次亮相。同时，XAO（Extreme自适应光学）系统的大气校正快速环路在不同星等（I=4-8）、仰角和视宁度条件下对几十颗恒星进行了闭合，并从一开始就实现了稳定的环路性能。最终的对比度性能需要非常低的残余波前误差（设计目标60 nm RMS），而行星发现仪器在不同末端的优化才刚刚开始加深和扩大其黑洞区域。实验室原始对比度基准值为10^-6或更小。在望远镜环境和标准操作中，面临着新的挑战（改变重力，温度，振动），这些挑战可以通过各种技术来解决，例如卡尔曼滤波，开环模型，以保持对准在5个质量内，散斑归零和校准单元（CAL）。CAL装置是由喷气推进实验室专门设计的，通过两个波前传感器来控制变迹Lyot日冕仪焦平面上缓慢变化的波前误差：1）7 × 7低阶Shack-Hartmann SH波前传感器（LOWFS），和2）用于中阶空间频率（HOWFS）的特殊Mach-Zehnder干涉仪。非典型性在于光束通过针孔在焦平面中分裂，但在光瞳平面中用分束器重新组合。最初的设计目标是在几纳米的水平上进行传感和校正，这在望远镜环境中极具挑战性。本文主要研究了通过天空校正单元实现非共路低阶波前校正。我们将介绍所取得的成果，并解释我们面临的挑战。

通过随机光瞳平面相位探针恢复波前：Gerchberg-Saxton方法

Wavefront retrieval through random pupil plane phase probes: Gerchberg-Saxton approach

提出了一种基于焦平面图像序列的光瞳面波前重建方法，该焦平面图像序列对应于随机光瞳面相位探针序列。所开发的方法提供了独特的非平凡的波前恢复问题的解决方案，并显示出全局收敛到这个解决方案证明使用Gerchberg-Saxton实现。该方法是通用的，并且可以用于任何包括用于主动/自适应波前校正的可变形反射镜的光学系统。数值模拟和实验结果表明，该方法具有较低的噪声敏感性、较高的可靠性和鲁棒性，可实现高质量的光学波前复原。实验室实验表明，$λ$ /14 rms的准确性，在检索的戳DM致动器基准图案的空间分辨率为20-30 $~μ$ m，这是可比的直接高分辨率干涉测量的准确性。

用自相干相机估算和校正波前像差：实验室结果

Estimation and correction of wavefront aberrations using the self-coherent camera: laboratory results

对系外行星的直接成像需要非常高的对比度，这是使用日冕仪获得的。但是残留的准静态像差在日冕下游的焦平面上产生了斑点，掩盖了行星。这个问题出现在地面仪器和空间望远镜中。在日冕镜上游使用可变形反射镜对这些波前误差进行主动校正是强制性的，但是传统的自适应光学受到差分路径像差的限制。必须采用专用技术直接在科学焦平面上测量相位和振幅误差。首先，我们提出了一种方法，用于估计相位和振幅像差上游的日冕从散斑复杂的领域在下游焦平面。然后，我们提出了自相干相机，它利用光的相干性对焦平面散斑进行空间编码，并恢复相关的复场。这使我们能够在闭环中估计和补偿日冕上游的像差。我们进行了数值模拟以及实验室测试，使用四象限相位掩模和32 x32致动器变形镜。我们在实验室中展示了我们实现稳定闭环并补偿相位和幅度准静态像差的能力。我们确定了最适合的参数值来实现我们的技术。在焦平面中，在2和12 λ/D之间的对比度优于10-6，在7和11 λ/D之间的对比度甚至达到3.10-7（RMS）。对比度水平似乎主要受到可变形镜表面产生的振幅缺陷和检测器动态的限制。这些结果是有希望的未来应用到一个专门的空间任务的系外行星的特性。已经确定了一些可能的改进。

大型蜂窝镜主动光学校正分析

Analysis of active optics correction for a large honeycomb mirror

针对空间大型蜂窝主镜热致波前误差，本文结合有限元、Zemax光线追迹和作动器弯曲模态分析主动光学校正，在物理限制内实现30小时低于25 nm RMS面形误差。

前景黯淡：通过超参数优化改进数据驱动的预测波前控制以提升高对比度成像性能

The future looks dark: improving high contrast imaging with hyper-parameter optimization for data-driven predictive wavefront control

本研究针对极端自适应光学系统的时间误差导致系外行星直接成像灵敏度受限的问题，探索经验正交函数预测波前控制的最优超参数空间，验证其大气稳定性，为现有及极大望远镜的高对比度成像优化提供方案。

未来系外行星直接成像仪器：模拟基于空间光调制器的像素化焦平面日冕仪

Future exoplanet direct imaging instruments: Simulating spatial light modulator-based pixelated focal-plane coronagraphy

针对未来系外行星直接成像，开发了基于SLM像素化焦平面相位日冕仪的Python模拟器，评估采样与相位分辨率影响，支持PLACID仪器操作及CDI成像。

用于罗曼日冕仪真实高阶波前校正的模拟工具

Simulation tools for realistic high-order wavefront correction with the Roman Coronagraph

本文介绍了可配置模拟框架corgihowfsc，用于罗曼日冕仪真实高阶波前校正研究，可保留参考工作流程并结合高保真图像模型，支持受控对比研究。

探索强化学习以增强涡日冕仪的焦平面波前控制

Exploring reinforcement learning to enhance focal-plane wavefront control for vortex coronagraphs

本研究针对地面望远镜高对比度成像的非共光路像差问题，采用强化学习与焦平面波前传感，测试PO4NCPA算法在不同涡日冕仪上的性能，验证其灵活性。

用自相干照相机直接探测系外行星的多色光散斑校正

Speckle correction in polychromatic light with the self-coherent camera for the direct detection of exoplanets

直接探测是系外行星科学中一个非常有前途的领域。它允许检测具有大分离的同伴，并允许它们的光谱分析。一些行星已经被探测到，并正在进行光谱分析。但是，更小和更冷的行星的完整光谱特征需要在大光谱带宽上具有更高的对比度。日冕仪可以用来达到这些对比度，但它们的效率受到波前像差的限制。这些变形在日冕物质抛射后的焦平面上引起散斑，即星光泄漏。波前像差应直接在科学图像中估计，以避免经典自适应光学中的微分像差的通常限制。在此背景下，我们介绍了自相干相机（SCC）。SCC利用恒星光的相干性在焦平面上产生散斑的空间调制，并估计相关的复电场。用变形镜控制波前，这种技术已经在单色光中达到了高对比度。当前版本SCC的性能在加宽频谱带宽时受到限制。我们将对这些问题及其可能的解决方案进行理论分析。最后，我们将介绍测试台在多色光下的性能。