构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统，用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成，分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正，得到了系统的静态校正精度。然后，测试了精密跟踪系统的校正能力。最后，利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件，以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标，在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示: 该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20; 两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz; 系统在强湍流情况下，动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明，97单元自适应光学系统能够有效地校正像差，提高成像分辨率。

为提高波前传感器的波前探测速率，研究了基于全息术的无计算波前传感新方法。在薄全息图近似下，推导出基于快速傅里叶变换(FFT)算法的数值模型，并数值模拟了全息波前传感器对低8阶Zernike项像差的探测过程。结果表明，波前探测误差均方根值（RMS）为0.24 rad。搭建实验平台对数值模拟的结果进行了验证，波前探测误差RMS值达到0.29 rad。实验结果表明，基于全息术的无计算波前传感方法可以高效探测低阶Zernike像差。

为了验证相位恢复波前传感器的性能，搭建了相位恢复传感器和Zygo干涉仪对不同波前畸变进行比较测量的实验平台。采用液晶空间光调制器产生的单项像差来验证相位恢复传感器对各种像差的检测能力，把相位恢复测量结果与高精度的Zygo干涉仪测量结果进行比较分析，结果表明在面形误差分布及误差的峰谷(PV)值和均方根(RMS)值上，两者具有一致性，对于波前RMS的测量精度达到3λ/1000左右，这说明相位恢复测量方法的可行性和准确性。

针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的若干实际问题, 设计了基于多通道相位差异法的波前探测器, 用于在不对光路进行任何改变的前提下定量测量自适应光学系统的第一像面到成像相机之间的像差。与前人的双通道相位差异波前探测器相比, 该方法对波前具有更强的约束力, 从而能够对目标光源的形状容忍力更强, 理论上对波前求解的精度更高。将该方法应用于1.23 m口径自适应光学系统的非共光路的静态像差测量, 取得了良好的效果, 为光路装调带来了极大的方便。将测得的像差直接用于变形镜的初始偏置, 大大提高了成像质量。

提出了一种基于PIX总线的千单元可扩展波前探测图像恢复技术。采用波前探测与图像恢复相结合的方式来克服大气扰动和系统像差对图像分辨率的影响，满足大型地基望远镜高分辨率成像的需求。首先利用波前探测的方法得到波前相位畸变量，再由此恢复退化图像。其核心部件-波前处理器则采用波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合的方式来满足不同光学系统对波前处理规模的需求，波前空间采样数可扩展至千单元数量级。系统在室内进行了激光光源图像恢复实验，使激光光源的能量集中度提高50%左右；在室外对恒星和0.6″的双星图像进行了恢复，其半高全宽下降了约80%。系统采用大规模现场可编程门阵列(FPGA)作为波前处理的核心器件，实现了波前探测的实时处理和透过大气成像的退化图像的高分辨率图像恢复。

提出了一种用相位差异(PD)技术对自适应光学(AO)系统的非共光路静态像差进行校准的方法。相位差异技术通过采集焦面和离焦面的单帧或多帧短曝光图像来估算波前相位畸变，同时对目标图像进行恢复。在闭环工作条件下，自适应光学系统利用相位差异算法在线检测成像光路的静态像差，并将得到的像差系数转化为变形镜的初始化面形，从而补偿非共光路的静态像差。实验结果表明，校准后的成像质量显著提高，目标半峰全宽降低了约14%，系统残差降低了约72%。成像光路在线检测得到的系统残差与闭环回路实测残差的水平趋于一致，证实了相位差异技术应用于光学检测的能力。该方法具有在无需改变原有自适应光路以及高信噪比条件下便可精确解算系统像差的优点，是大口径光电成像系统较为理想的光学检测技术之一。

考虑自适应光学波前探测技术利用相位差异法来估算波前相位畸变和恢复图像时运算量较大，难以用软件在PC平台上实现，而使用数字信号处理(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)搭建计算平台虽然可使运算并行化从而缩短运算时间，但其目标函数结构复杂，因此，本文利用泽尼克多项式的性质，提出了一种相位差异目标函数的改造方法。给出了改造后的目标函数计算公式和梯度计算公式，使相位差异法在每次计算目标函数时只进行多项式运算，从而不仅方便了用DSP和FPGA的硬件实现，也充分利用了硬件处理的并行性。设计了仿真实验和室内实际光路实验，分别以分辨率板和光纤光束为例对模拟图像和实际采集图像进行了恢复。实验结果表明，改造后的相位差异法仍具备较好的图像恢复能力，光纤光束成像分辨率显著提高，颗粒间轮廓清晰可见。

开展了用相位差异散斑技术实现图像采集和图像恢复的实验，在实验室环境下设计了针对扩展目标的相位差异散斑成像双相机实验平台。用两台外触发模式的相机同步采集焦面和指定离焦面上的短曝光图像，用变形镜构造光学系统误差，用强力热吹风机模拟大气湍流。分析了用多台相机与单台相机相比引入的不同问题，给出了多通道之间相面旋转问题的处理方法和多通道之间读出噪声不一致时的相位差异散斑法的目标函数；验证了相位差异散斑法提高图像分辨率的能力。分别用采集到的单帧，3帧，10帧图像进行PDS运算并分析结果，与基本的相位差异法相比，多帧相位差异散斑成像所恢复的图像质量有很大的提高。

为了克服大气湍流和光学成像系统像差引起的波前相位畸变，提出利用相位差异散斑法同时采集焦面和离焦面通道的单帧短曝光图像来估算波前相位畸变。结合夏克哈特曼波前探测器设计了针对扩展目标的相位差异散斑法高分辨率成像和相位估计对比实验，通过定量移动高精密平移台获得焦面和离焦面图像，并将解算的波前面形与夏克哈特曼波前探测器实测的波前面形进行对比，验证了相位差异散斑法提高图像分辨率和正确解算波前相位的能力。实验结果表明，估算的波前相位面形和夏克哈特曼实测面形趋势有较好的一致性，恢复后图像分辨率提高了12%，表明该方法是大口径光电成像系统较为理想的图像恢复技术之一。

相位差异法利用焦面和离焦通道图像存在的固定离焦相位差为先验信息，联合估计波前相位和目标。本文设计了相位差异图像复原实验，利用变形镜模拟大气湍流扰动，通过Offner 反射镜搭建反射式成像系统，消除了色差影响和简化了实验光路。实验结果表明，恢复后图像的分辨率提高了12%，验证了相位差异法提高图像分辨率和解算波前相位的能力。因此该方法是大口径光电成像系统克服波前畸变较为理想的图像恢复技术。