Kalman-filter control schemes for fringe tracking. Development and application to VLTI/GRAVITY
当需要最佳利用仪器能力时，光学干涉仪条纹跟踪的实现是不可避免的。条纹跟踪允许连续的条纹观察，大大增加了干涉系统的灵敏度。除了大气路径长度差异的校正，一个体面的控制算法应该纠正仪器振动引入的干扰，并处理在光学列车中传播的其他错误。我们试图构建基于卡尔曼滤波器的控制方案。卡尔曼滤波是用于跟踪和校正对其执行观测的系统的最佳数据处理算法。作为一个直接的应用程序，控制方案的重力，未来的四望远镜近红外光束组合器的甚大望远镜干涉仪（VLTI）的设计。我们的研究基础上，最近的工作在自适应光学控制。该技术是描述扰动的条纹相位的先验模型。该模型使我们能够优化条纹的跟踪，因为它适合于普遍的扰动。由于该模型具有参数性质，因此需要包括参数识别。存在不同的可能性，以推广到四望远镜条纹跟踪是有用的重力。在双望远镜卡尔曼滤波控制算法的基础上，构造了一套适用于四望远镜条纹跟踪的两种控制算法。控制方案的设计考虑到通量问题和低信号基线。第一次模拟的条纹跟踪过程表明，所定义的计划满足重力的要求，并允许我们区分的性能。在未来的论文中，我们将比较经典的条纹跟踪我们的卡尔曼滤波器控制的性能。
2012-03-20 astro-ph.IM
Optimal filtering techniques for the adaptive optics system of the LBT
本文将讨论最佳滤波技术在LBT望远镜自适应光学系统中的应用。我们研究了卡尔曼滤波器和H $_\infty$滤波器的应用，以估计由于大气湍流和倾斜/倾斜模式的望远镜振动的相位扰动的时间演化。我们将重点讨论H $_\infty$滤波器及其相对于卡尔曼滤波器的优点和缺点。
2023-01-12 astro-ph.IM
Advances in control of a Pyramid Single Conjugate Adaptive Optics system
自适应光学系统是现代天文学地基望远镜的一项基本技术。在该领域的最新革命之一是金字塔波前传感器的引入。该装置的更高性能是以增加的控制复杂性为代价的。在这项工作中，我们报告的进展，在AO系统的控制与SOUL在大型双目望远镜。第一种是改进的尖端/尖端时间控制，即使在存在高时间频率共振的情况下也能够恢复标称校正。第二个是模态增益优化，已成功地在天空上的第一次。金字塔波前传感器是所有ELT的第一光AO系统的关键技术，所报道的进展可以为此类系统做出相关贡献。
2021-10-06 astro-ph.IM
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。
2016-02-05 astro-ph.IM
Wave-front error breakdown in LGS MOAO validated on-sky by CANARY
CANARY是从超大望远镜多目标摄谱仪的角度出发研制的多目标自适应光学（MOAO）天空寻路器。2013年，CANARY在威廉·赫歇尔望远镜（WHT）上运行，使用3颗离轴自然导星（NGS）和4颗离轴瑞利激光导星（LGS），开环运行，并使用H波段成像相机和Truth波前传感器（TS）观测轴上补偿湍流，以进行诊断。我们的目的是建立一个可靠的和准确的波前误差分解LGS MOAO。这将能够对\cana的天空结果进行全面分析，并为ELT验证MOAO系统的模拟提供工具。为了评估MOAO的性能，我们比较了在MOAO、单共轭自适应光学~（SCAO）和地面层自适应光学~（GLAO）模式下运行的CANARY在天空中的结果，这些结果都是在2013年获得的大量数据上进行的。我们提供了一个统计研究的视线。我们还评估了波前误差故障从两个分析计算，一个基于MOAO系统建模，另一个从加那利TS的测量。重点讨论了层析成像误差，并对其垂直误差进行了分解.结果表明，CANARY在SCAO、MOAO和GLAO上获得的H波段Strehl比分别为30.1%、21.4%和17.1%，平均视宁度为0.66”，其中地面视宁度为0.59”。此外，我们得到了99%的相关性超过4,500个样本，任何AO模式，两个剩余相位方差的解析计算之间。在此基础上，通过与实测红外图像对比，得到了合理的Strehl-ratio~（SR）估计，并对MOAO…
2016-10-20 astro-ph.IM
Large Binocular Telescope Adaptive Optics System: New achievements and perspectives in adaptive optics
大双目望远镜（LBT）是一种独特的望远镜，具有两个共同安装的光学系统，主镜为8.4米。望远镜的自适应光学（AO）系统使用两个创新的关键部件，即一个自适应次镜与672致动器和一个高阶金字塔波前传感器。在天空调试期间，这样的系统达到了大型地面光学望远镜从未达到过的性能。在H波段（1.6微米）获得了分辨率为40 μ s、斯特列尔比大于80%的图像。这样的图像显示出高达10 e-4的对比度。基于这些结果，我们比较了使用最先进技术升级的自然导航星（NGS）系统和现有激光导航星（LGS）系统提供的性能。在天空覆盖和性能方面的比较表明，重新思考NGS和LGS在下一代8-10米级望远镜和超大望远镜（ELT）AO系统中的作用。
2012-03-13 astro-ph.IM
First laboratory demonstration of real-time multi-wavefront sensor single conjugate adaptive optics
本文首次在实验室演示了结合SHWFS与FAST的多波前传感器单共轭自适应光学实时控制，在SEAL平台上以200 Hz环路速度验证其消除散斑噪声、提升ELT宜居带系外行星成像能力的潜力。
2023-08-10 astro-ph.EP astro-ph.IM
Application of Adaptive Optics for Illumination Stability in Precision Radial Velocity Measurements in Astronomical Spectroscopy
自适应光学（AO）已被用于校正波前，以实现衍射限制点扩散函数在广泛的光学应用，突出的地面天文望远镜在近红外线操作。虽然大多数AO系统不能在光学通带（400 nm - 900 nm）中提供衍射限制性能，但AO可以在AO馈电摄谱仪内提高图像集中度以及近场和远场图像稳定性。增强的近场和远场稳定性增加了高色散光谱仪的波长尺度稳定性。在这项工作中，我们描述了在超大型望远镜上实现的稳定性改进的详细建模。这些性能的改进可能使通过精确径向速度方法测量地球双胞胎的质量成为可能，并通过下一代超大望远镜（ELT）发现系外行星大气中外星生物活动的证据。在本文中，我们报告的数值模拟的影响，AO的性能的GMT联盟大地球仪（G-CLEF）仪器的未来巨麦哲伦望远镜（GMT）。本研究的直接原因是评估AO通过精确径向速度（PRV）方法和发现系外行星大气中的生物标志物为系外行星质量测定提供了哪些改进。提出了一种改进的AO系统，即使在变化的条件下也能够实现这种改进的稳定性。
2018-10-02 astro-ph.IM
Extreme Adaptive Optics in the mid-IR: The METIS AO system
中红外波长的自适应光学一直被认为是不必要或不容易的。大气湍流对8-10米级望远镜中红外性能的影响与天空背景和望远镜发射等其他性能问题相比相对较小。使用相对低阶的AO系统，在6-8米级望远镜上，Strehl比大于95%。使用30-42米级的望远镜会极大地改变这幅图像。高斯特列尔比需要目前认为的高阶AO系统。此外，即使是一个温和的AO系统，一阶模拟表明，这样的系统的性能显着下降时，不考虑的活动影响和大气成分的变化。在L、M和N波段达到超过90%的斯特列尔比将需要特殊考虑，并将影响ELT上中红外AO系统的系统设计和控制方案。在本文中，我们提出了一个概述的影响，在中红外波长的AO系统的性能ELT和模拟的性能，我们将提出一个一阶系统的概念，这样的AO系统METIS，中红外仪器的E-ELT。
2009-09-18 astro-ph.IM
The Fast Atmospheric Self-Coherent Camera Technique: Laboratory Results and Future Directions
使用极端自适应光学（ExAO）直接探测和详细描述系外行星是未来超大望远镜（ELT）的一个关键科学目标。然而，波前误差将限制这种努力的灵敏度。地面望远镜的局限性来自准静态和残余AO校正的大气波前误差，后者产生短暂的像差，在长时间曝光后会平均成光晕。我们已经开发和测试了框架，用于解决这两个问题，使用自相干相机（SCC），应用于地面望远镜，称为快速大气SCC技术（FAST）。在本文中，我们提出了更新的新的和正在进行的工作FAST，无论是在数值模拟和实验室。我们首先提出了数值模拟，说明了FAST的科学潜力，包括目前的10米望远镜，直接探测系外行星的反射光和热发射中的系外行星，以及未来的ELTs，探测可居住的系外行星。在实验室中，我们提出了我们的建议，现在制造，冠状面具的第一个特征。
2019-10-08 astro-ph.EP astro-ph.IM
ELT-scale Adaptive Optics real-time control with the Intel Xeon Phi Many Integrated Core Architecture
针对超大望远镜（ELT）规模自适应光学（AO）实时控制日益增长的计算需求，我们提出了一种采用英特尔至强融核Knights Landing（KNL）多集成核心（MIC）架构的解决方案。AO实时控制器（RTC）的计算需求是望远镜直径的四次方，因此下一代ELT需要比现有系统更大数量级的RTC管道处理能力。Xeon Phi包含大量（> 64）低功耗x86 CPU内核和高带宽内存，集成到单个插槽服务器CPU包中。增加的并行性和存储器带宽对于提供具有ELT尺度AO所需精度的重构波前的性能至关重要。在这里，我们证明了Xeon Phi KNL能够在超过1.0 kHz的频率下执行ELT规模的单共轭AO实时控制计算，RMS抖动小于20 μs。我们还表明，通过连接波前传感器相机，KNL可以以高达966 Hz（相机的最大帧速率）处理实时控制环路，抖动保持在20 μs RMS以下。未来的研究将涉及探索使用一组至强Phis对AO的MCAO和MOAO制度进行实时控制。我们发现，至强融核是非常适合ELT AO实时控制。
2018-05-24 astro-ph.IM
Modelling astronomical adaptive optics performance with temporally-filtered Wiener reconstruction of slope data
我们建立在一个长期的传统，在天文自适应光学（AO）指定的性能指标和误差预算使用线性系统建模的空间频率域。我们的目标是提供一个全面的工具来计算误差预算的残留时间滤波相位功率谱密度和方差。此外，该方法提供的AO校正点扩散函数（PSF）的快速模拟可用作下一代仪器和望远镜科学观测模拟的输入，特别是用于预测行星发现系统的日冕照相后对比度的改善。我们扩展了以前的结果，并提出了一个分布式卡尔曼滤波器的合成，以减轻两个aniso-servo-lag和混叠的错误，同时最大限度地减少整体残差方差。我们讨论的应用程序（一）分析AO校正PSF建模的空间频率域，（二）后coronagraphic对比度增强，（三）实时波前重建的滤波器优化，和（四）PSF重建系统遥测。在完全了解风速的情况下，我们表明，$\sim$ 60 nm rms误差减少可以实现与分布式卡尔曼滤波器体现抗混叠重建10米级高阶AO系统，导致在很少的$λ/D$分离下高达三个数量级的对比度改善因子（$\sim1-5λ/D$），达到接近一个数量级的12等恒星。
2017-09-15 astro-ph.IM
Comparison of fringe-tracking algorithms for single-mode near-infrared long-baseline interferometers
为了使光学长基线干涉测量对微弱的物体，长的积分是必要的，尽管大气湍流。条纹跟踪器需要稳定的条纹，从而增加条纹的可见性和相位信噪比（SNR），与有效的控制器鲁棒仪器振动，并随后的路径波动和通量脱落。我们报告的模拟，分析和比较的经典积分控制器和卡尔曼控制器的性能，都优化到跟踪条纹在现实的观测条件下，不同的源幅度，干扰条件和采样频率。我们的模拟（仪器光度性能，检测噪声，湍流和振动统计）的关键参数是基于典型的观测条件在甚大望远镜天文台和重力仪器，4望远镜单模长基线干涉仪在近红外线的设计，下一个在线安装在甚大望远镜干涉仪。我们发现，这两个控制器的性能遵循两个政权的法律与恒星的星等，一个恒定的干扰限制制度，和一个发散的探测器和光子噪声限制制度。此外，我们发现，卡尔曼控制器是最佳的，在高和中等信噪比制度，由于其预测命令的基础上准确的干扰模型。在低SNR状态下，该模型不够精确，不能比积分器控制器更鲁棒。从高信噪比测量中识别干扰提高了在强光程差干扰情况下的卡尔曼性能。
2014-06-28 astro-ph.IM
Simulation of Wavefront-based Disturbance Observers for Large Telescopes
针对极大望远镜受大气湍流和结构振动限制的问题，提出仅基于NGS和LGS数据的两种扰动观测器方案，通过卡尔曼滤波和高斯过程回归估计扰动，仿真验证表明其可作为现有LQG控制器的有效替代或扩展。
2025-09-16 astro-ph.IM
Kalman filtering techniques for focal plane electric field estimation
对于日冕探测器来说，它需要焦平面波前控制技术来继续达到更小的角间距和更高的对比度水平。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。使这种算法对科学曝光的破坏性最小的最好方法是减少估计场所需的数量。我们展示了一个卡尔曼滤波器估计器，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，同时稳定对不良的信号噪声（SNR）的抑制所需的曝光次数。除了一个显着减少曝光，我们讨论了这种算法的相对优点，估计方案，不包括以前的状态估计的历史，特别是在估计误差和协方差。最终，滤波器将导致一种自适应算法，该算法可以在实验室中估计物理参数，以便对光学训练中的方差具有鲁棒性。
2013-01-16 astro-ph.EP astro-ph.IM
Overview of multi-conjugate adaptive optics reconstructors
Institute of Mathematical and Computational Engineering, Pontificia Universidad Católica de Chile（智利天主教大学数学与计算工程研究所）
本文概述了四类多共轭自适应光学重构器，分析了其优缺点，为相关研究提供了系统性梳理。
2026-09-03 astro-ph.IM
Detection Limits of Thermal-Infrared Observations with Adaptive Optics: I. Observational Data
本研究调查了热背景对地基热红外观测的影响，通过分析VLT/NACO和KECK/NIRC2数据，发现自适应光学系统的活动与背景波动相关，其镜面瞳孔调制引入的高频波动可能限制探测极限。
2024-08-27 astro-ph.EP astro-ph.IM
Cassiopée, towards technological development for XAO on ELT: the e-APD infrared detector
Cassiopée 项目为未来 ELT 开发极高性能自适应光学关键技术，本文介绍用于波前传感器的快速大型红外 e-APD 相机开发，集成 512x512 阵列，面临自主运行、振动控制等多重挑战。
2024-06-01 astro-ph.IM
US Adaptive Optics Roadmap to Achieve Astro2020
该路线图基于Astro2020报告，确定自适应光学（AO）为关键技术，提出发展优先事项，以支持美国极大望远镜（ELT）项目及现有望远镜升级，并强调可见光AO的潜力与挑战。
2024-02-09 astro-ph.IM
On-sky performance during verification and commissioning of the Gemini Planet Imager's adaptive optics system
Gemini Planet Imager仪器的自适应光学（AO）子系统是专门为促进高对比度成像而设计的。它具有几项新技术，包括傅里叶变换的计算效率波前重建，每8秒的模式增益优化，以及空间滤波波前传感器。它还使用线性二次高斯（LQG）控制器（又名卡尔曼滤波器）进行指向和聚焦。我们展示了从2013年12月到2014年5月的验证和调试运行的空中性能结果。有效的重构和模态增益优化按设计进行。LQG控制器可有效消除振动。空间滤波器可以去除混叠，但由于稳定性问题，我们通常使用尺寸超过60%的空间滤波器。
2014-07-08 astro-ph.IM
The Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics system: enabling high-contrast imaging on solar-system scales
斯巴鲁Coronagraphic Extreme自适应光学（SCExAO）仪器是一种多用途高对比度成像平台，旨在发现和详细表征系外行星系统，并作为ELT高对比度成像技术的测试平台。它是一个多波段仪器，利用600至2500纳米的光，可以直接对恒星宿主内部3 λ/D的系外行星进行日冕照相成像。波前传感和控制是SCExAO操作的关键。由Subaru的设施自适应光学系统提供低阶模式的部分校正，最终校正包括高阶模式，通过可见金字塔波前传感器和2000元件可变形反射镜的组合在下游实现。然后可以将良好校正的NIR（y-K波段）波前注入任何可用的日冕仪中，包括但不限于相位诱导振幅变迹和矢量涡旋日冕仪，这两者都提供低至1 λ/D的内部工作角。非共光路，低阶像差感测与日冕低阶波前传感器在红外（IR）。低噪声、高帧率的近红外探测器可实现主动散斑消除和相干差分成像，而HiCIAO成像仪和/或CHARIS积分场摄谱仪（2016年中期开始）中的HAWAII 2 RG探测器可进行更深的曝光和/或执行角度、光谱和偏振差分成像。可见光科学由两个干涉测量模块提供：VAMPIRES和FIRST，它们分别具有偏振和光谱测量能力，能够在可见光区域进行亚衍射极限成像。我们详细描述了仪器，并提出了初步的结果在天空和实验室。
2015-06-30 astro-ph.IM
An H-band Vector Vortex Coronagraph for the Subaru Coronagraphic Extreme-Adaptive Optics System
矢量涡旋是最近在8米斯巴鲁望远镜上委托的斯巴鲁日冕极限-自适应光学（SCExAO）平台的日冕成像模式。这种多用途高对比度可见光和近红外（R至K波段）仪器不仅打算作为北半球的甚大望远镜级“行星成像仪”，而且还打算作为ELTS时代之前的技术演示试验台，特别强调小内工作角日冕照相能力。小IWA成像的优先考虑导致早期的设计选择，包括焦平面相位掩模日冕仪。在这方面，测试H波段矢量涡旋液晶聚合物波片提供给SCExAO，允许一对一的比较不同的小IWA技术在同一望远镜仪器，然后再考虑进一步的步骤。在这里，我们详细介绍了矢量涡旋日冕仪的概况，从它在SCExAO光学工作台上的安装和性能，到2016年底/2017年初极端AO状态下的天空结果。为此，我们还提供了一些最近的天空成像的例子，特别是高对比度的ADI检测的行星质量的同伴κ仙女座b，信噪比超过100达到在不到10 mn的曝光时间。
2017-12-06 astro-ph.IM physics.ins-det
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。
2018-10-07 astro-ph.IM
First on-sky results of a FIOS prototype, a Fabry Perot Based Instrument for Oxygen Searches
针对极大望远镜探测系外行星大气氧气所需的高分辨率，提出基于链式法布里-珀罗阵列的FIOS原型，实现R=250,000-350,000，并设计八臂配置以超过R=300,000，可插入现有光谱仪提升分辨率。
2023-07-27 astro-ph.EP astro-ph.IM
Towards Precision Photometry with Extremely Large Telescopes: the Double Subgiant Branch of NGC 1851
目前正在建造的极大望远镜的收集面积比目前最大的光学望远镜大一个数量级。对于视见受限的观测，性能将与收集面积成比例，但是随着自适应光学的成功使用，对于许多应用，性能将与$D^4$成比例（其中$D$是主镜的直径）。因此，ELT成功的核心是成功使用多共轭自适应光学（MCAO），其在比限制经典自适应光学系统的几个角秒大的视场上应用高度校正。在这封信中，我们报告的分析拥挤的领域采取的银河系球状星团NGC 1851的中心区域的$K_s$波段使用GeMS在双子座南望远镜，唯一的科学级的MCAO系统的操作。我们使用这个集群作为基准，以验证实现精确的近红外测光的能力，提出最深的$K_s$测光在拥挤的领域曾经从地面获得。我们结合HST/ACS的F606 W波段构造了一个色星等图。除了探测到$K_s\simeq20.5$低序带的“膝”外，我们还探测到NGC 1851的双子巨星分支，这表明GeMS在拥挤的领域具有很高的测光精度。
2015-09-06 astro-ph.GA astro-ph.IM
A laboratory demonstration of an LQG technique for correcting frozen flow turbulence in adaptive optics systems
我们提出了一种使用线性二次高斯（LQG）控制器（也称为卡尔曼滤波器）消除冻结流大气湍流影响的方法的实验室验证。这种方法，我们称之为“预测傅立叶控制”，可以识别相关的大气运动，由于冻结流湍流层，并可以预测性地消除这些相关运动的影响，在实时。我们的实验室验证表明，RMS剩余波前误差的3倍的改善和10%的改善，在测量Strehl的系统。我们发现，由于使用预测傅立叶控制，RMS残余波前误差被抑制从35.0 nm到11.2 nm，并且远场Strehl从0.479提高到0.520。
2015-04-14 astro-ph.IM physics.optics
High-contrast imaging at first-light of the GMT: the wavefront sensing and control architecture of GMagAO-X
GMagAO-X是GMT首光高对比度成像仪器，通过21,000促动器控制、分段镜相位调整及全息色散边缘传感器等创新，解决ELT高对比度成像的波前控制挑战。
2024-07-17 astro-ph.IM physics.optics
A generalised non-linear reconstructor for all Fourier-type wavefront sensors
本研究提出一种基于Nesterov加速非线性Landweber迭代的广义重构器，适用于所有傅里叶型波前传感器，在非线性区域优于线性方法，尤其对金字塔波前传感器有效。
2025-06-23 astro-ph.IM math-ph math.MP
