Analysis of EMCCD and sCMOS readout noise models for Shack-Hartmann wavefront sensor accuracy
近年来，具有亚电子读出噪声的探测器在天文自适应光学系统中得到了非常有效的应用。在这里，我们比较读出噪声模型的两个关键的微弱通量水平探测器技术，常用的：EMCCD和科学CMOS（sCMOS）探测器。我们发现，在几乎所有的情况下，EMCCD技术是有利的，并且通常使用的简化模型EMCCD读出是适当的。我们还发现，常用的sCMOS读出噪声的简单模型是乐观的，并建议在仪器性能建模和开发过程中应考虑适当的处理sCMOS均方根读出噪声概率分布。
2015-06-26 astro-ph.IM
Artificial neural networks for centroiding elongated spots in Shack-Hartmann wavefront sensors
自适应光学在超大望远镜中的应用带来了新的挑战，其中之一就是夏克-哈特曼波前传感器图像的处理。当使用这种类型的传感器与激光导星结合用于对直径为30+ m的望远镜的瞳孔进行采样时，有必要计算细长光斑的质心，其伸长角和纵横比在望远镜瞳孔上变化。现有的技术，如匹配滤波器已被认为是最好的技术来计算细长的斑点的质心，然而，它们不善于应对钠分布的变化的影响。在这项工作中，我们提出了一种新的技术，使用人工神经网络，它利用神经网络的能力，以应付不断变化的条件，在这种情况下优于现有的技术。我们已经开发了全面的模拟来探索这种技术，并将其与现有的算法进行比较。
2014-04-08 astro-ph.IM
Atmospheric turbulence profiling with multi-aperture scintillation of a Shack-Hartmann sensor
自适应光学（AO）系统利用层析成像技术对大气湍流的三维结构进行估计，需要获得描述湍流强度随高度变化的垂直大气湍流剖面作为先验信息。提出了一种利用多孔径闪烁传感器（MASS）方法对夏克-哈特曼波前传感器（SH-WFS）获得的闪烁数据进行重构的新方法。与传统的MASS方法相比，该方法利用4个同心环形孔径内的大气闪烁，新方法利用了数百个空间图案中的闪烁，这些图案是由SH-WFS子孔径组合产生的。用贝叶斯推断对湍流廓线重建的精度进行了评价，证实了由于约束条件较多，可以重建10层以上的湍流廓线。我们用东北大学50厘米望远镜上的SH-WFS演示了这种新方法，并证实再现了大气湍流廓线的一般特征。
2021-01-12 astro-ph.IM
Miniaturized Shack-Hartmann Wavefront-Sensors for Starbugs
将多个小型化波前传感器精确定位在大焦面上的能力对于多目标自适应光学是有利的。澳大利亚天文台（AAO）已经制作了一个紧凑而轻便的Shack-Hartmann波前传感器原型，该传感器适合标准的Starbug并行光纤定位机器人。每个装置利用聚合物相干纤维成像束将放置在望远镜焦平面处的微透镜阵列产生的图像中继到安装在其他地方的重新成像相机。聚合物纤维束的优点是其高填充系数、高产量、低重量和相对低的成本。多个设备也可以多路复用到单个低噪声相机，以实现每个波前传感器的成本效率。光纤束的使用也开启了应用的可能性，如望远镜场采集，引导和看到由Starbugs定位的监视器。我们提出的设计方面，模拟和实验室测试结果。
2014-07-18 astro-ph.IM
Single-star optical turbulence profiling techniques for the SHIMM and other Shack-Hartmann instruments
Oxford University（牛津大学）；Durham University（杜伦大学）
本文提出改进的肖克-哈特曼光学湍流剖面技术，用于SHIMM仪器，包括Z倾斜加权函数的推导与验证、非零曝光时间的校正方法以及利用快速失焦法估计光学湍流相干时间，通过蒙特卡洛模拟验证了测量精度。
2026-04-28 astro-ph.IM
Denoising Shack Hartmann Sensor spot pattern using Zernike Reconstructor
夏克哈特曼传感器（SHS）受到严重的背景噪声，降低了波前重建的精度。本文提出了一种利用泽尼克多项式消除背景噪声的简单方法。通过计算Zernike矩，使用Zernike多项式独立地重建与放置在焦平面处的检测器处的SHS的各个阵列点相对应的图像。对图像应用适当的阈值处理。计算实验表明，使用Zernike重建与通常的阈值相比，直接阈值提高了质心精度。通过改变用于重建的Zernike阶数，在不同的信噪比下进行研究。该分析有助于我们在设置上限和下限在应用中的去噪过程。
2009-09-03 astro-ph.IM
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。
2023-10-08 astro-ph.IM
Accuracy of Shack-Hartmann wavefront sensor using a coherent wound fibre image bundle
使用缠绕光纤束的Shack-Hartmann波前传感器被期望用于多目标自适应光学系统，以提供由Starbugs定位的大复用。大尺寸缠绕光纤束的使用为ELT使用更多子孔径波前传感器提供了灵活性。这些紧凑的波前传感器利用大的焦面，如巨型麦哲伦望远镜。研究了缠绕光纤传像束结构缺陷对夏克-哈特曼波前传感器质心测量精度的影响。利用一阶矩质心法对模拟光束采样的聚焦高斯光束的质心进行了估计。讨论了缠绕光纤像束的光斑估计精度及其结构对波前测量精度统计的影响。结果表明，当测量信噪比较高时，缠绕纤维束的像束结构，如瓦片角和间隙间距，决定了质心测量精度。在低信噪比的测量中，影响测量精度的主要因素不是缠绕纤维束的结构缺陷，而是探测器的读数噪声。我们证明了这两个模拟和实验。本文给出了一个通过实验得到的缠绕光纤像束质心和波前误差的统计模型。
2018-02-01 astro-ph.IM
Radial thresholding to mitigate Laser-Guide-Star aberrations on Centre-of-Gravity-based Shack-Hartmann wavefront sensors
钠激光引导星（LGS）是细长的源，由于钠层的厚度和有限的距离。钠层高度和原子密度分布的波动会引起细长光斑质心测量的误差，并在闭环自适应光学（AO）系统中产生虚假光学像差。根据维多利亚大学LGS台架演示器获得的分析模型和实验结果，这些像差（称为LGS像差）的主要来源之一不是重心（CoG）算法本身，而是在计算光斑质心之前应用于图像像素的阈值处理。这里提出了一种新的阈值方法，称为“径向阈值”，可以在不改变质心测量精度的情况下消除大部分LGS像差。
2009-06-17 astro-ph.IM
Estimation of atmospheric turbulence parameters from Shack-Hartmann wavefront sensor measurements
大气湍流参数的估计与以下方面有关：a）场地评估和表征; b）点扩散函数的预测; c）误差预算的现场评估和自适应光学性能的优化; d）长基线光学干涉测量的条纹跟踪器的优化。Shack-Hartmann波前传感器在大型望远镜中的普遍部署使其成为通过自适应光学遥测进行大气湍流参数估计的核心。Fried参数和外尺度的估计方法有很多种，其中大部分是基于对遥测数据重建的Zernike多项式系数方差的拟合。Zernike多项式导数的非正交性引入了模态交叉耦合，这影响了方差。此外，传感器的有限分辨率引入了混叠。在这篇文章中，这些影响的大气湍流参数估计的模拟解决。结果表明，交叉耦合是主要的偏置。提出了一种迭代算法来克服它。对外尺度（4 ~ 32 m）、Fried参数（10 cm）和方差中的噪声（信噪比为10及以上）的典型范围进行了模拟。据发现，使用该算法，这两个参数都恢复子百分之精度。
2018-11-20 astro-ph.IM
Laser Guide Stars for Extremely Large Telescopes: Efficient Shack-Hartmann Wavefront Sensor Design using Weighted center-of-gravity algorithm
在过去几年中，人们越来越多地考虑研究激光引导星（LGS），以测量从地面进行光学和近红外天文观测时由大气引入的扰动。产生LGS的一种可能方法是在大约90公里高度的高层大气中激发钠层。由于钠层大约有10公里厚，所以人造参考源看起来很长，特别是从大孔径的边缘观察时。光斑伸长严重限制了最常见的波前传感器的性能。例如，Shack-Hartmann波前传感器中的质心精度与伸长成比例地降低（在光子噪声主导的状态中）。为了补偿这种效应，一个简单的解决方案是增加激光功率，即增加每个子孔径检测到的光子的数量。在本文中提出的工作范围是双重的：分析的加权重心算法的性能与细长的斑点和所需的光子数的测定，以达到一定的平均波前误差超过望远镜孔径。
2009-03-24 astro-ph.IM
Sensitivity improvements for Shack-Hartmann wavefront sensors using total variation minimisation
我们调查的改进，夏克哈特曼波前传感器图像处理，可以实现使用总变差最小化技术，以消除这些图像中的噪声。我们进行蒙特卡罗模拟，以证明在一定的信号噪声水平，灵敏度的提高，可实现高达一个天文量级。我们还提出了在天空中的测量与CANARY自适应光学系统，表现出改善性能时，采用这种技术，并表明，这种算法可以实现在一个实时控制系统。我们的结论是，总变差最小化可以导致灵敏度的改善，高达一个天文量级时，使用自适应光学系统。
2015-04-13 astro-ph.IM physics.ins-det
Peak-locking centroid bias in Shack-Hartmann wavefront sensing
Shack-Hartmann波前传感依赖于精确的光斑中心测量。为此目的开发了几种算法，主要集中在精度上，即最小化随机误差。在太阳能和扩展场景社区，质心确定的准确性（由于峰值锁定，量化或采样的偏差误差）的重要性得到了确认，并提出了解决方案。但这些解决方案只允许部分偏差校正。迄今为止，尚未对偏倚误差进行系统研究。本文通过量化不同相关峰值查找算法和子孔径图像类型的偏差误差，并提出一种实用的解决方案，以尽量减少其影响，从而弥补了这一差距。考虑了四类子孔径图像（点光源、细长激光引导星、密集场和太阳扩展场景）和五种峰值查找算法（一维抛物线、重心、高斯、二维二次多项式和金字塔），在各种信噪比条件下进行了计算。性能最好的峰值查找算法取决于子孔径图像类型，但没有一个是令人满意的偏差和随机误差。提出了一种实用的解决方案，依赖于反对称响应的偏差的子像素位置的真实中心。该解决方案将偏差降低约7倍，使其值< 0.02 pix。计算成本通常是当前互相关算法的两倍。
2018-01-21 astro-ph.IM
SHARPEST: The atmospheric turbulence profiling experiment using Shack-Hartmann sensor at the Subaru telescope
本研究在昴星团望远镜上开展SHARPEST实验，利用双夏克-哈特曼传感器测量大气湍流廓线，验证了闪烁法和斜率法的一致性，并建立了单传感器约束自由大气廓线、总视宁度与风廓线的方法。
2023-10-14 astro-ph.IM
Performance Comparison of the Nonlinear Curvature and Shack-Hartmann Wavefront Sensors in Strong Turbulence
University of Notre Dame（圣母大学）；Max-Planck-Institut für Astronomie（马克斯·普朗克天文学研究所）
本研究比较了非线性曲率波前传感器与夏克-哈特曼传感器在强湍流下的性能，发现前者在弱至中等闪烁下更优，但在强闪烁下因分支点而退化，需开发容忍分支点的算法。
2026-09-10 astro-ph.IM
A low-cost, high-speed, very high-order Shack-Hartmann sensor for testing TMT deformable mirrors
为测试TMT变形镜，作者开发了一种低成本、超高阶Shack-Hartmann波前传感器，使用商用器件实现高分辨率与高速采样，满足促动器间表面评估需求。
2024-10-15 astro-ph.IM
Improved shift estimates on extended Shack-Hartmann wavefront sensor images
影响太阳自适应光学（AO）系统性能的一个重要因素是波前传感器对扩展目标的跟踪精度。的质心的方法来图像偏移测量的准确性取决于阈值的记录图像中应用的参数，但是，不存在这些参数的扩展对象的分析预测。基于此，本文提出了一种新的图像位移测量算法的参数空间探索方法，并将其应用于图像位移测量算法的参数优化。使用阈值，窗口的质心，我们能够提高质心的精度相比，典型的抛物线拟合方法的一个因素为3，在一个典型的太阳AO的信号-噪声制度。参数的探索发生在初始图像与参考图像互相关之后，因此不需要相关图像的再生。所呈现的结果采用可实时用于估计质心误差的方法，从而允许系统使用真实数据来优化参数，而无需进入单独的校准模式。这种方法也可以应用于太阳AO以外的任何领域，需要跟踪的扩展对象。
2015-08-20 astro-ph.IM
Compressive Shack-Hartmann Wavefront Sensor based on Deep Neural Networks
College of Physics and Optoelectronics, Taiyuan University of Technology（太原理工大学物理与光电工程学院）；Department of Physics, Durham University（杜伦大学物理系）；College of Information and Computer Science, Taiyuan University of Technology（太原理工大学信息与计算机学院）
在自适应光学系统中，夏克-哈特曼波前传感器被广泛用于测量由大气湍流引起的像差。但如果存在强大气湍流或导星亮度较低，则会影响波前测量的精度。本文提出了一种压缩Shack-Hartmann波前传感方法。该方法利用具有高信噪比的光斑图像的子孔径的斜率测量来重建波前，而不是利用所有子孔径的斜率测量来重建波前。此外，我们进一步提出使用深度神经网络来加快波前重建速度。在深度神经网络的训练阶段，我们建议增加一个丢弃层来模拟压缩感知过程，这可以提高我们方法的开发速度。在训练之后，压缩Shack-Hartmann波前传感方法可以仅从少量子孔径利用斜率测量以高空间分辨率重建波前。将直接压缩的Shack-Hartmann波前传感方法与图像去卷积算法相结合，提出了一种高阶图像复原方法。我们使用高阶图像恢复方法恢复的图像来测试我们的压缩Shack-Hartmann波前传感方法的性能。结果表明，该方法可以提高波前测量的精度，适合于实时应用。
2020-12-31 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
Multiwavelength active optics Shack-Hartmann sensor for seeing and turbulence outer scale monitoring
望远镜焦点位置的实时视宁度和外尺度估计是自适应光学系统尺寸确定和性能预测以及仪器操作方面的基础。本研究试图利用多波长长曝光图像的优势，即时和同时获得湍流外尺度和看到的半峰全宽（FWHM）的看到有限的图像在望远镜的焦点。这些大气参数通常在大多数天文台通过远离望远镜平台的不同方法测量，因此与望远镜焦点处的有效估计不同，主要是因为指向方向，地面以上高度或局部视宁偏差（圆顶贡献）的差异。长曝光图像可以直接由任何多波长科学成像仪或摄谱仪提供，也可以由改进的有源光学夏克-哈特曼传感器（AOSH）提供。通过同时测量不同波长处的AOSH传感器光斑点扩散函数FWHM，除了视宁度之外，还可以估计瞬时外尺度。虽然AOSH传感器被指定测量的不是光斑大小，而是斜率，但可以在需要的关键位置获得光斑半高宽的实时r 0和L0测量值，这比科学仪器图像具有主要优势：对望远镜视场稳定性不敏感，并且连续可用。假设一个替代的光学设计，允许同时多波长图像，AOSH传感器收集所有的优势，实时看到和外部规模监测。由于人们对设计超大型望远镜非常感兴趣，这种系统可能具有相当大的重要性。
2014-08-21 astro-ph.IM
Evaluation of image-shift measurement algorithms for solar Shack-Hartmann wavefront sensors
上下文太阳能夏克-哈特曼波前传感器测量差分波前倾斜作为来自不同子孔径的图像之间的相对移位。有几种方法用于测量这些变化。目标。我们评估的方法和各种来源的误差，如噪声，偏差不匹配，和模糊的影响的固有精度。我们调查是否测量Z倾斜或G倾斜。方法.我们在两种人工数据集上测试了算法，一种对应于具有已知偏移的图像，另一种对应于具有不同r_0的图像。结果我们的研究结果表明，位移测量的最佳方法是基于平方差函数和绝对差函数平方，通过使用二维二次插值实现亚像素精度。这些方法测量Z倾斜而不是G倾斜。
2010-09-17 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.ins-det
Performance comparison of the Shack-Hartmann and pyramid wavefront sensors with a laser guide star for 40 m telescopes
针对40米级望远镜激光导星自适应光学系统，研究扩展噪声模型对比两种波前传感器性能，发现单传感器配置下金字塔波前传感器更优，层析系统中二者性能接近，搭配亚电子读出噪声探测器时性能几乎一致。
2024-10-07 astro-ph.IM
Near ground horizontal high resolution $C_n^2$ profiling from Shack-Hartmann slope and scintillation data
CO-SLIDAR是近地面$C_n^2$剖面测量的一种非常有前途的技术。它利用专用波前传感器获得的相位和闪烁测量值，并允许在瞳孔和光源之间的全视线上进行轮廓分析。这种技术被应用到一个相关的仪器的基础上的中红外Shack-Hartmann波前传感器，耦合到一个0.35米的望远镜，观察两个合作的来源。本文介绍了第一个全面的说明的CO-SLIDAR方法的背景下，近地面光学湍流计量。它包括介绍的物理原理的测量，我们的无监督的$C_n^2$轮廓重建策略连同重建值的误差条估计。在Lannemezan（法国）的实验活动期间，在一个异质的农村景观中获得的数据的应用程序表明，能够获得配置文件的采样间距约为220米，超过2.7公里的视线。检索的$C_n^2$配置文件，并讨论了它们在空间和时间的变化。
2021-11-13 astro-ph.IM physics.ao-ph physics.ins-det
The Focal-plane Actualized Shifted Technique Realized for a Shack Hartmann Wavefront Sensor (fastrSHWFS)
针对自适应光学环路中探测器读出延迟问题，本文提出fastrSHWFS，用光瞳平面相位掩模替代微透镜阵列以优化光斑排布，实验室验证其可将读出时间最多降低30倍。
2024-06-14 astro-ph.EP astro-ph.IM
Using the generalised-optical differentiation wavefront sensor for laser guide star wavefront sensing
激光导引星（LGS）被用于许多自适应光学系统中以扩大天空覆盖范围。与LGS组合使用的最常见的波前传感器是Shack-Hartmann波前传感器（SHWFS）。Shack-Hartmann对于扩展源波前传感具有主要缺点，因为它直接对图像进行采样。在这一过程中，我们提出使用广义光学差分波前传感器（g-ODWFS）的波前传感器的波前传感器的LGS。g-ODWFS每个子孔径仅使用4个像素，几乎没有混叠噪声，因此没有杂散低阶误差，并且不需要质心增益校准。在这一过程中，我们将展示g-ODWFS与SHWFS进行比较的模拟结果。
2020-12-03 astro-ph.IM
Multi-Conjugate Adaptive Optics Simulator for the Thirty Meter Telescope: Design, Implementation, and Results
介绍了一种多共轭自适应光学（MCAO）系统模拟平台HeNOS（Herzberg NFIRAOS Optical Simulator）。开发HeNOS是为了验证30米望远镜MCAO系统的性能，以及展示未来AO发展的关键技术。在本文中，我们专注于描述的30米望远镜AO系统的规模下降到一个实验台的参数的推导，并解释这些参数是如何实际实施的光具座。在参考其他论文了解使用HeNOS的AO技术开发的详细信息时，我们介绍了HeNOS的功能，特别是HeNOS目前提供的三种不同的单共轭AO模式：具有Shack-Hartmann波前传感器的激光引导星AO，具有金字塔波前传感器的自然引导星AO，以及激光引导星AO，其在Shack-Hartmann上具有通过在自然引导星上的真值波前感测校正的钠斑伸长。激光断层扫描AO和最终MCAO正在准备在不久的将来实施。
2018-09-14 astro-ph.IM
Estimation of the dome seeing from results of the optics quality tests with Shack-Hartman wavefront sensor
Shack-Hartman波前传感器是为2.5米SAI望远镜的最终验收而设计的，它允许使用明亮的恒星测量望远镜出射光瞳上的波前形状。波长为532 nm的参考激光源用于测量。在不同望远镜上测试该设备的过程中，人们发现了估计圆顶中气流的一些特性的可能性。对三个圆顶进行了这种估计：乌兹别克斯坦迈达纳克天文台的1.5米AZT-22和1.0米蔡司望远镜，以及乌克兰克里米亚天文台的2.6米望远镜ZTSh。对于圆顶中最慢的流，获得了以下结果：AZT-22的β=0.34”，Zeiss-1000的β=0.67”，ZTSh的β=0.69”。
2011-01-20 astro-ph.IM
Centroid Detection by Gaussian Pattern Matching in Adaptive Optics
夏克哈特曼波前传感器是一种二维小透镜阵列，它通过记录焦平面附近的光斑图来进行局部倾斜测量，从而检测入射的相位畸变波前。波前重建分两个阶段进行-（a）图像质心计算局部斜率，（b）从局部斜率测量形成波前形状。在具有读出噪声和背景噪声的基于夏克哈特曼传感器的自适应光学系统中，波前重构误差主要由质心精度引起。在大气自适应光学的情况下，这变得更加困难，其中闪烁效应也可能发生。在本文中，我们使用了基于阈值Zernike重建的去噪技术，以尽量减少由于读出和背景噪声的影响。在低信噪比下，可以通过利用光斑形状的优点来进一步改进这种去噪技术。假设高斯模式的个别斑点，它表明，质心的精度可以提高在存在强烈的背景和背景。
2009-10-18 astro-ph.IM
Generating Artificial Reference Images for Open Loop Correlation Wavefront Sensors
用于太阳和激光引导星自适应光学（具有细长光斑）的Shack-Hartmann波前传感器需要观察扩展对象。相关技术已成功地应用于太阳自适应光学系统的波前梯度测量，并已被提出用于激光制导星系统。在本文中，我们描述了一种方法，用于合成参考图像的相关夏克哈特曼波前传感器具有较大的视野比个别子孔径。然后，我们展示了这些超大的参考图像可以提高相关波前传感器的性能，在制度中，大的相对位移之间的子孔径，如开环波前传感器中观察到的。我们所描述的技术不需要波前传感器图像之外的外部知识，使其可作为现有自适应光学系统的完全“软件”升级。对于太阳自适应光学，我们表明，超大参考图像扩展的幅度的偏移，可以准确地测量从12%到50%的视场的子孔径和激光制导恒星波前传感器的质心，可以准确测量的幅度从12%增加到25%的子孔径的总视场。
2018-09-10 astro-ph.IM
Multiple spatial frequencies wavefront sensing
我们描述了将空间频率扰动分裂成某种光瞳平面波前传感器的概念。除了现有的丢弃较高空间频率以抑制混叠效应的方法（所谓的空间滤波的Shack-Hartmann）之外，我们指出，可以以适当的方式处理这些空间频率的分离和混合，以便表现出一些实际或基本的优点。在这个框架中，我们描述了这类概念背后的想法，我们推导出有用的关系，以确定是否，在何种程度上，在什么样的价值函数，这些设备可以优于现有的传统传感器。
2018-08-01 astro-ph.IM
Fried Parameter Estimation from Single Wavefront Sensor Image with Artificial Neural Networks
Australian National University（澳大利亚国立大学）；School of Computing（计算机学院）；Research School of Astronomy and Astrophysics（天文与天体物理研究学校）；Advanced Instrumentation Technology Centre（先进仪器技术中心）
大气湍流降低了地面望远镜的天文观测质量，导致图像失真和模糊。自适应光学（AO）系统被设计为抵消这些影响，使用波前传感器捕获的大气测量来对入射波前进行实时校正。Fried参数r0表征了大气湍流的强度，并且是优化AO系统和最近的自由空间光学（FSO）通信信道的天空轮廓的性能的基本控制参数。在本文中，我们开发了一种新的数据驱动的方法，适应机器学习方法从计算机视觉的Fried参数估计从一个单一的夏克哈特曼或金字塔波前传感器图像。使用这些数据驱动的方法，我们提出了一个详细的基于模拟的评估我们的方法使用开源的COMPASS AO模拟工具来评估夏克哈特曼和金字塔波前传感器。我们的评估是在一个范围内的指南星的星等，和现实的噪音，大气和仪器条件。值得注意的是，我们能够开发一个单一的基于网络的估计，是准确的开放和闭环AO配置。我们的方法准确地估计弗里德参数从一个单一的WFS图像直接从AO遥测到几毫米。我们的方法适用于实时控制，在零售NVIDIA RTX 3090 GPU硬件上显示出0.83ms的r0推理时间，从而展示了用于实时仪器控制的引人注目的经济解决方案。
2025-04-23 astro-ph.IM cs.AI
Impact of microlens shape on the performance of Laser Guide Star wavefront sensors for ELT-class telescopes
Aix Marseille University, CNRS, CNES, LAM（艾克斯马赛大学，法国国家科学研究中心，法国国家空间研究中心，天体物理与行星学实验室）；Aix Marseille Univ, CNRS, Centrale Med, Institut Fresnel（艾克斯马赛大学，法国国家科学研究中心，马赛中央理工学院，费斯奈尔研究所）；DOTA, ONERA（航空与航天技术研究院）；Space ODT – Optical Deblurring Technologies（太空光学去模糊技术公司）
本文以MORFEO-HARMONI LGS波前传感器为案例，量化微透镜形状缺陷对ELT级望远镜LGS波前传感的影响，提出相关模型并经实验验证，结果可推广至GMT、TMT等大型望远镜的LGS系统。
2026-07-30 astro-ph.IM
Laser Tomography Adaptive Optics (LTAO): A performance study
我们提出了一个解析推导的轴上性能的自适应光学系统使用给定数量的任意高度的引导星，分布在任意角度的位置在天空中。给出了连续和离散湍流大气廓线情况下的残差表达式。假设Shack-Hartmann波前传感与圆孔，我们证明了正式描述的误差的三个贝塞尔函数的产品的积分。我们比较了使用天然、钠或瑞利激光导星时自适应光学校正的性能。对于小直径类望远镜（~ 5米），我们表明，几个瑞利信标可以提供类似的性能，一个单一的钠激光器，仪器的整体成本较低。对于更大的孔径，使用瑞利星可能不是这样一个合适的选择，因为太严重的锥效应，大大降低了校正的质量。
2013-10-28 astro-ph.IM
Layer Oriented Wavefront sensor for MAD on Sky operations
多共轭自适应光学演示器（MAD）已成功地在天空中演示了星定向（SO）和层定向（LO）多共轭自适应光学技术。虽然SO已经实现了使用3夏克哈特曼波前传感器（WFS），我们设计了一个多金字塔WFS的LO。MAD工作台可容纳两个WFS和一个选择镜，允许选择使用哪种传感器。在LO方法中，多达8个金字塔可以放置在尽可能多的参考星上，并且它们的光在两个不同的CCD上光学地共同添加到地面和高层共轭。在本文中，我们讨论了LO调试阶段和天空操作。
2009-11-25 astro-ph.IM
Two NIRCam channels are Better than One: How JWST Can Do More Science with NIRCam's Short-Wavelength Dispersed Hartmann Sensor
詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）为凌日系外行星研究提供了前所未有的灵敏度、稳定性和波长覆盖范围，为测量大气丰度、结构和温度分布开辟了新的途径。然而，要充分利用JWST光谱仪对0.6微米到28微米的行星进行观测，需要结合使用NIRISS、NIRCam、NIRSpec和MIRI仪器进行多次观测。在本白皮书中，我们讨论了一种新的NIRCam模式（尚未批准或实施），该模式可以减少覆盖1.0 um至5.0 um波长范围所需的观测次数。尽管NIRCam主要是作为成像仪设计的，但它也包括几个用于定相和对齐JWST的18个六边形镜段的光栅。NIRCam的长波长通道包括覆盖2.4um到5.0um的光栅，分辨率为R = 1200 - 1550，使用两种单独的配置。长波长grisms已经被批准用于科学操作，包括宽场和单目标（时间序列）无狭缝光谱学。我们提出了一种新的模式，将同时测量光谱的科学目标在1.0微米至2.0微米的范围内使用NIRCam的短波长通道。这种模式，如果获得批准，将利用NIRCam的分散哈特曼传感器（DHS），它产生10个空间分离的光谱每个源在R ~ 300。我们讨论了DHS在限制系外行星大气丰度方面的额外好处，以及它观察最亮系统的能力。DHS基本上是免费的（没有时间成本）与任何NIRCam长波长棱镜观测，但探测器集成参数必须选择，以确保长波长棱镜观测不饱和，JWST数据量下行链路约束…
2016-10-06 astro-ph.EP astro-ph.IM
Mitigating the Non-Linearities in a Pyramid Wavefront Sensor
本文针对金字塔波前传感器线性范围受限的问题，通过仿真探索用非线性机器学习模型估计波前误差，发现轻量级模型即可显著优于线性重建。
2023-12-02 astro-ph.IM physics.optics
Phase sensor for solar adaptive-optics
太阳自适应光学中的波前感测目前是用相关的Shack-Hartmann传感器来完成的，尽管相位测量的空间和时间分辨率随后受到在白天大气波动的频率下相关传感器信号所需的极快计算的限制。为了避免这种限制，提出了一种新的波前传感技术，利用太阳亮度，适用于扩展源。波前通过修改的马赫-曾德尔干涉仪发送。波前的一个小的中心部分被用作参考，并与波前的其余部分干涉。两个同时测量的干涉图案的对比度提供了波前相位的直接估计，不需要额外的计算。所提出的光学布局显示精确的初始对准是实现新的波前传感方案的关键点。
2011-04-13 astro-ph.IM physics.optics
On-sky demonstration of matched filters for wavefront measurements using ELT-scale elongated laser guide stars
自适应光学系统的性能部分地取决于实时控制系统中用于计算波前斜率测量的算法。我们演示了使用匹配滤波器算法处理细长的激光导星（LGS）夏克-哈特曼图像，使用的是4.2米威廉赫歇尔望远镜和欧洲南方天文台Wendelstein LGS单位放置40米远的CANARY自适应光学仪器。这个算法已经被选择用于即将到来的30米望远镜，但直到现在还没有在天空中演示过。从第一次观测运行的结果，我们表明，匹配滤波的使用提高了我们的自适应光学系统的性能，增加在天空H波段Strehl测量到约1.1的因素，相对于传统的重心的方法。我们描述了所使用的算法，以及我们实现的方法，使天空演示。
2017-02-13 astro-ph.IM
Prototype of a laser guide star wavefront sensor for the Extremely Large Telescope
新型的大型望远镜，作为未来的ELT，被设计成与激光引导星（LGS）一起工作，激光引导星被调谐到大气钠原子的共振。由于主要与LGS的有限距离、发射角、尖端倾斜不确定性和聚焦非等晕性有关的许多原因，这种波前感测技术对于应用于大型望远镜提出了复杂的问题。在MAORY的相位研究开始时，LGS波前传感器（WFS）的实验室原型的实施，ELT第一光的多共轭自适应光学RelaY，对于研究LGS WFS问题的具体缓解策略是必不可少的。本文给出了LGS WFS样机在不同工况下的试验结果。在Shack-Hartmann（SH）WFS上生成的LGS图像的准确度已与MAORY模拟代码进行了交叉检查。实验研究了噪声对质心定位精度的影响、LGS图像截断对波前传感精度的影响以及钠浓度分布和LGS图像欠采样的时间演化规律。
2018-04-19 astro-ph.IM
MAORY/MORFEO and rolling shutter induced aberrations in laser guide star wavefront sensing
用于下一代超大望远镜（ELT）的激光导星（LGS）Shack-Hartmann（SH）波前传感器需要低噪声、大幅面（约1 Mpx）、快速的探测器，以满足大量子孔径和非常细长光斑的良好采样的需求。为满足这一需求而设想的一种途径是采用具有滚动快门读出方案的CMOS检测器，其允许以由于检测器行在不同时刻曝光而导致的图像失真为代价的低读出噪声和快速读出时间。在这项工作中，我们分析了滚动快门读出方案的影响时，用于LGS SH波前传感的多共轭自适应光学中继ELT观测（MORFEO，以前称为MAORY）用于ESO ELT;特别地，我们关注在快速变化像差的情况下由滚动曝光产生的畸变诱导像差对自适应光学校正的影响，像来自由于激光束的上行链路传播而引起的LGS倾斜抖动的那些。我们发现，LGS抖动引起的像差MORFEO可以高达100 nm rms，我们讨论了可能的缓解策略。
2022-08-04 astro-ph.IM
Cn2 and wind profiler method to quantify the frozen flow decay using wide-field laser guide stars adaptive optics
利用5个Shack-Hartmann波前传感器的斜率的时空互相关分析了不同高度上大气湍流层的时间演化。重点是冻结流假设的验证。这些数据来自Gemini South多共轭自适应光学系统（GeMS）。首先，介绍了Cn 2和风廓线技术。该方法为AO系统的操作提供了有用的信息，例如现有湍流层的数量，它们的相关速度，高度和强度，以及估计圆顶对总湍流的贡献的机制。接下来，通过识别湍流层，我们表明，它是可能的，以估计湍流测量之间的相关性的时间衰减率。我们减少了在2011年，2012年和2013年活动期间获得的天空数据，第一个结果表明，时间去相关率可以用一个独立于层高度和湍流强度的参数来表示。最后，我们表明，冻结流贡献的衰减率随层速度线性增加。观察到的衰减率的演变证实了预测控制的宽场AO系统的潜在利益。
2014-02-27 astro-ph.IM
Spatial frequency response and sensitivity of the nonlinear curvature wavefront sensor
非线性曲率波前传感器（nlCWFS）已被证明是一个有前途的替代现有的波前传感器设计。理论研究表明，与广泛使用的Shack-Hartmann波前传感器（SHWFS）相比，该器件的固有灵敏度可提高10倍。标称nlCWFS设计假设使用以光学系统光瞳平面为中心的对称配置中的四个检测器测量平面。然而，这些平面的精确布置可以潜在地被优化以提高像差灵敏度，并且最小化波前重建过程中涉及的迭代次数，并且因此减少延迟。我们提出了一个系统的探索优化nlCWFS设计的参数空间。使用一套仿真工具，我们研究了测量平面的位置上的nlCWFS和探测器像素采样的性能的影响。各种看到的条件进行了探讨，假设柯尔莫哥洛夫湍流。结果中提出的残留波前误差重建以及解决方案收敛所需的迭代次数。研究了对称四平面设计的替代设计，包括三平面和五平面构型。最后，我们进行了初步调查的宽带照明传感器性能相关的天文学和其他应用的影响。
2022-08-31 astro-ph.IM
Non-modulated pyramid wavefront sensor: Use in sensing and correcting atmospheric turbulence
针对非调制金字塔波前传感器线性范围受限的问题，提出一种考虑残余湍流工作条件的交互矩阵校准方法，仿真验证其可稳健感知并校正大气湍流。
2023-09-07 astro-ph.IM
KalAO the swift adaptive optics imager on 1.2m Euler Swiss telescope in La Silla, Chile
KalAO是一个天然导星自适应光学成像仪，将安装在智利拉西拉1.2米欧拉瑞士望远镜的第二个Nasmyth焦点上。该系统的初始设计灵感来自RoboAO，并进行了修改，以便在自然导航星（NGS）模式下运行。KalAO的建立是为了通过主要来自TESS卫星调查的后续候选者来搜索行星宿主恒星的双星。光学设计针对450 - 900 nm波长范围进行了优化，并配备了SDSS \emph{g,r,i,z}滤光片。该系统的设计波前控制到$I$-星等11星，以探测相同的参数空间的径向速度仪器，如HARPS和NIRPS。该系统的主要组成部分是一个11 × 11 10.9厘米的子孔径电子倍增CCD（EMCCD）夏克哈特曼波前传感器，140致动器微机电系统（MEMS）变形镜，快速翻转/倾斜镜，和图形处理单元（GPU）供电乙二醇冷却实时计算机。它的设计运行频率高达1.8kHz，以检测接近150mas可见光衍射极限的同伴。实时自适应光学控制使用在GPU上运行的CACAO软件。如果新冠病毒限制解除，该仪器计划于2021年初在智利投入使用。
2020-12-16 astro-ph.IM
Closing the loop as an inverse problem: the real-time control of THEMIS adaptive optics
本文提出将THEMIS太阳望远镜自适应光学控制环路建模为逆问题，通过实时估计波前斜率与噪声协方差并施加Kolmogorov时空约束求解最优指令，实现延迟低于300微秒的实时控制。
2023-11-29 astro-ph.IM physics.optics
Performance of the Nonlinear Curvature Wavefront Sensor as a Function of Scintillation Strength
本文通过搭建测试平台，对比了非线性曲率波前传感器与夏克-哈特曼波前传感器在不同闪烁强度下的重建性能，发现前者在闪烁条件下保持灵敏度并利用振幅像差提升重建效果。
2024-07-19 astro-ph.IM
The Holographic Dispersed Fringe Sensors (HDFS): phasing the Giant Magellan Telescope
下一代巨型分段镜望远镜（GSMT）的分段之间将有很大的间隙，这可能是由次镜（E-ELT和TMT）的机械结构的阴影造成的，也可能是设计本身造成的（GMT）。这些间隙足够大，可以将孔径分割成独立的片段，这些片段之间的间隔大于典型的Fried参数。这产生了活塞和花瓣模式，这些模式不能被诸如Shack-Hartmann波前传感器或金字塔波前传感器的常规波前传感器很好地感测。我们建议使用一种新的光学器件，全息色散条纹传感器（HDFS），感测和控制这些花瓣/活塞模式。HDFS使用单个光瞳平面全息图将片段干涉到焦平面中的不同空间位置上。数值模拟结果表明，HDFS是非常有效的，对于GMT/E-ELT/TMT，在J+H波段13星等以下的导星，HDFS的差分活塞均方根值小于10 nm。HDFS还在实验室中使用MagAO-X和HCAT（GMT定相测试平台）进行了验证。实验室实验在麦哲伦望远镜孔径上达到了5 nm rms的活塞误差。HDFS还达到了50 nm rms的活塞误差的分段GMT类孔径，而金字塔波前传感器补偿模拟大气下的中值视宁度条件。仿真和实验结果表明，HDFS作为一个优秀的活塞传感器的GMT。我们发现，一个金字塔的斜率传感器与HDFS活塞传感器的组合是一个强大的架构GMT。
2022-06-07 astro-ph.IM
Key wavefront sensors features for laser-assisted tomographic adaptive optics systems on the Extremely Large Telescope
激光导星波前传感器是层析自适应光学系统的关键部件。然而，当考虑到极大望远镜（ELT）尺度时，LGS光斑的伸长变得如此之大，以至于它挑战了设计LGSWFS的标准配方。对于经典的Shack-Hartmann波前传感器（SHWFS），其是所有ELT LGS辅助仪器的当前基线，需要在光瞳空间采样[子孔径（SA）的数量]、SA视场（FoV）和每个SA内的像素采样之间进行权衡。对于ELT尺度，这种权衡也受到强大的技术限制的驱动，特别是关于可用的检测器，特别是它们的像素数量。对于SHWFS，每个SA的较大视场允许减轻LGS光斑截断，这表示由于测量偏差而导致的严重性能损失。对于给定数量的可用检测器像素，SA FoV与LGS点的适当采样和/或SA的总数竞争。我们提出了一个敏感性分析，我们探讨这些参数如何影响最终的性能。特别是，我们引入了超分辨率的概念，它允许一个减少每个WFS的光瞳采样，并打开了一个机会，提出潜在的LGSWFS设计提供最佳性能的ELT规模。
2022-06-22 astro-ph.IM
Super-resolution wavefront reconstruction in adaptive-optics with pyramid sensors
本文提出并分析了在单传感器自然导星金字塔波前传感器中实现超分辨率波前重建的方法，证明其能超越探测器像素决定的Shannon-Nyquist频率并测量振幅像差，同时提升系统鲁棒性和性能。
2026-05-29 astro-ph.IM
Developing an Error Budget for the Nonlinear Curvature Wavefront Sensor
本文为非线性曲率波前传感器建立包含多种噪声源的空间域误差预算，证明其在多种环境下可优于夏克-哈特曼传感器，并指出主要挑战在于波前重建器的速度限制。
2023-12-03 astro-ph.IM physics.optics
Overview of focal plane wavefront sensors to correct for the Low Wind Effect on SUBARU/SCExAO
低风速效应（LWE）是指当望远镜圆顶内的风速低于$3$ m/s时发生的现象，在望远镜支架附近产生温度梯度。这在光瞳平面中产生相位不连续性，其不能被传统的自适应光学（AO）系统（诸如金字塔波前传感器或Shack-Hartmann）检测到。考虑到瞳孔被规则的蜘蛛分成4个象限，相位不连续对应于瞳孔的每个象限中的活塞、倾斜和倾斜像差。未经校正，它强烈降低了利用日冕照相术的高对比度成像仪器在小角距处探测系外行星的能力。多个焦平面波前传感器目前正在斯巴鲁望远镜的斯巴鲁日冕极限自适应光学（SCExAO）仪器上开发和测试：其中，泽尼克不对称光瞳（ZAP）波前传感器已经在天空中显示，它可以测量LWE引起的焦平面图像像差。快速和激烈的算法，使用以前的变形镜命令作为时间相位分集，在模拟中显示其效率，以改善波前质量的存在下LWE。用SCExAO遥测训练的神经网络算法显示出有希望的PSF预测。线性化解析相位分集（LAPD）算法是一种多孔径同相的解决方案，通过将斯巴鲁望远镜看作一个4子孔径仪器，研究了LAPD算法对LWE像差的校正。我们提出了不同的算法，显示最新的结果，并比较他们的实施SCExAO/SUBARU作为实时波前传感器的LWE补偿。
2019-12-21 astro-ph.IM
Atmospheric turbulence profiling using multiple laser star wavefront sensors
本文介绍了Gemini MCAO系统的数据预处理和数据处理方法，以及SLODAR分析和风廓线技术。五个GeMS的Shack-Hartmann传感器的波前梯度测量，每个传感器指向一个激光引导星，与DM命令相结合，发送到三个可变形镜光学共轭在0，4.5和9公里，以重建伪开环斜率。这些伪开环斜率，然后用来重建大气湍流廓线，基于SLODAR和风廓线方法。我们介绍了SLODAR方法，以及它如何适用于闭环多激光导星系统。我们表明，我们的方法可以表征湍流高达16层的高度从0到19公里。介绍了数据预处理和简化方法，并给出了2011年观测结果。风廓线分析是一种强大的技术，不仅用于表征湍流强度，风向和风速，而且还可以为SLODAR结果提供验证工具。最后，讨论了多激光系统中由于瑞利散射引起的兄弟效应、质心增益变化以及该方法的局限性等问题。
2012-10-06 astro-ph.IM physics.ins-det
Experimental Trials With The Optical Differentiation Wavefront Sensor For Extended Objects
通常使用的波前传感器，例如Shack Hartmann波前传感器和金字塔波前传感器，具有大的动态范围或高灵敏度，以一种状态交换另一种状态。一种新型的波前传感器正在开发中，目前正在亚利桑那大学天文自适应光学中心进行测试。该传感器建立在线性光学微分理论的基础上，通过在中间焦平面中使用线性的、空间变化的半波片。这些滤波器与偏振分束器一起将光束分成四个光瞳图像，类似于金字塔波前传感器产生的图像。然后从这些图像中包含的局部波前斜率信息重建波前。ODWFS非常适合扩展对象的波前传感，因为它的动态范围大，因为它在光瞳平面中工作，即使对于任意形状的源，也可以实现片上再现。我们已经组装的ODWFS上使用32 × 32平方1000致动器变形镜的试验台上引入像差到一个模拟的望远镜光束。我们目前正在测试系统的空间频率响应，并将所得数据与数值模拟进行比较。本文介绍了这些初步实验的结果。
2022-08-17 astro-ph.IM physics.optics
Reinforcement Learning-based Wavefront Sensorless Adaptive Optics Approaches for Satellite-to-Ground Laser Communication
University of Ottawa（渥太华大学）；National Research Council of Canada（加拿大国家研究委员会）；Dalhousie University（达尔豪斯大学）
卫星对地光通信有可能改善偏远地区使用快速和负担得起的互联网的情况。然而，大气湍流使光束变形，从而在耦合到单模光纤中时侵蚀数据率潜力。传统的自适应光学（AO）系统使用波前传感器来改善光纤耦合。这导致更高的系统尺寸、成本和复杂性，消耗入射光束的一部分并引入延迟，使得用于互联网服务的OSGC不切实际。我们建议使用强化学习（RL），以减少延迟，尺寸和成本的系统，通过$30-40\%$通过学习控制策略，通过与低成本的象限光电二极管，而不是波前相位轮廓相机的相互作用。我们开发并共享一个AO RL环境，该环境提供了一个标准化平台，用于根据Strehl比开发和评估RL，Strehl比与光纤耦合性能相关。我们的实证分析发现，近端策略优化（PPO）优于软演员批评和深度确定性策略梯度。在250次训练后，PPO收敛到由理想化的Shack-Hartmann传感器获得的最大奖励的$86\%$内，表明RL能够实现有效的波前无传感器OSGC的潜力。
2023-03-13 astro-ph.IM cs.LG eess.SP
Metasurface-based Toroidal Lenslet Array Design for Addressing Laser Guide Star Elongation
针对巨型麦哲伦望远镜激光导星拉长问题，提出基于纳米工程超光学元件的超透镜阵列设计，实现空间变化的变形图像比例压缩，在8mm焦距下提供约100%图像缩减，有效改善波前传感信息采样。
2024-04-29 astro-ph.IM physics.optics
