夏克-哈特曼传感器是自适应光学中应用最广泛的波前传感器,它不仅可以测量大气湍流引起的畸变,还可以测量由风、温度变化和机械应力产生的镜面位置误差引起的像差。基于夏克-哈特曼传感器,推导了子孔径斜率与装配误差之间的函数关系,提出了一种基于光学系统失调前后点阵光斑质心偏差信息的计算机辅助装调方法,将装配误差求解问题转换成多目标优化问题,可采用多目标智能优化算法进行求解该问题。以某三反光学系统为例,基于Python和Zemax联合仿真进行模拟装调,仿真结果表明,经三次迭代可将失调误差校正到微米级,这可满足实际装调需求,结果验证了所提方法的正确性。

夏克-哈特曼波前传感器是目前自适应光学系统中应用最为广泛的实时波前探测器。本文针对具有高分辨、高帧速、大规模子孔径数的夏克 -哈特曼传感器，根据其波前处理计算量和实时性的要求，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA，field-programmable gate array)的实时波前处理机结构及波前斜率计算方法。该方法利用核心处理模块重复利用的方式完成子孔径内光斑质心的计算，并通过 USB3.0将处理后的质心数据实时传输给 PC机。处理机以一片 XILINX公司 Kintex7-XC7K325T的 FPGA作为处理芯片进行了设计，结果表明：该算法可对 560帧/s的 1020×1020图像(580 MB/s数据量)，56×56子孔径哈特曼传感器，进行低延时实时光斑质心计算，提高了系统的波前处理速度和整个自适应光学系统的控制速度。

针对白天强背景条件下自适应光学系统哈特曼传感器信背比低、波前探测精度不高等问题，利用人造目标与强背景偏振特性差异，提出基于偏振调制的哈特曼波前探测方法，将传统的哈特曼波前探测从强度维度转换到偏振维度，有效提升信背比和波前探测精度。阐述了偏振哈特曼波前探测基本方法和原理，并通过数值模拟仿真验证了方法的正确性和准确性。研究结果表明：偏振哈特曼探测技术能够有效提升强背景条件下信背比和波前探测精度，显著增强自适应光学系统在强背景条件下的工作能力。

提出了一种基于离焦型夏克-哈特曼传感器的定量相位成像技术。该技术利用离焦型夏克-哈特曼波前传感器记录两种不同波长的光的照射下的强度分布图,采用双波长相位恢复算法进行相位恢复,获得了透过相位物体的数字光场,实现了纯相位物体成像。数值模拟结果表明该定量相位成像技术方法简单、精度高、收敛速度快,是一种非常具有潜力的定量相位成像技术。

夏克-哈特曼传感器的质心偏移估计精度受噪声的影响非常大，在传统质心法(CoG)中尤为突出，因而阈值的选取十分重要。本文提出了一种基于统计排序的局部自适应阈值分割方法，并与传统的全局阈值法进行对比，发现自适应的局部阈值能够更加有效地分割出阵列光斑，从而减小背景噪声对质心估计的影响，降低波面复原误差。本文通过静态相差的测量实验，从质心偏移估计的精度和波前复原精度两个方面进行分析，验证了该方法的有效性。另外，本文发现自适应阈值结合灰度加权的质心提取方法，是对传统质心法的较好改进，可以有效提高峰值信噪比大约10～40的光斑质心提取精度。

将光斑矩推广应用到离焦型Shack-Hartmann波前传感器中,提出了一种高精度的波前重建方法。针对离焦型Shack-Hartmann波前传感器,不仅提取了每一个微透镜光斑的质心偏移量,而且提取了每一个光斑的二阶矩,用于计算波前的局部斜率和局部曲率。将传统Shack-Hartmann传感器利用波前局部斜率进行波前重构的算法,推广到同时利用波前的局部斜率和局部曲率进行波前重构,并进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明:所提波前重建算法可以进行高精度的波前重建。将peaks函数作为输入波前,采用所提波前重建算法得到的波前残差RMS为0.0327λ,小于常规算法的0.0903λ,表明所提算法可以显著地提高波前重建精度。

大气湍流参数是评价大气信道对空间激光通信系统性能影响的重要依据。根据机载平台的运动特点，采用差分像运动法并利用夏克-哈特曼传感器与指向、捕获、跟踪伺服单元等设备，在加格达奇地区开展了不同海拔高度下大气湍流参数的分层测量实验。结果表明，在Kolmogorov湍流条件下，该地区日间大气湍流强度随海拔高度的增加而减弱，并在该变化趋势上叠加了大气湍流强度的随机起伏；大气覆盖逆温层顶层海拔高度范围为2.2～2.8 km，海拔高度为3.5 km的大气相干长度的变化范围为10～26 cm。该研究为机载激光通信系统的性能分析提供了重要的参考。

传统波前复原方法利用获取的光强信息计算波前斜率或曲率，从而进行波前重构。基于微透镜阵列结构得到的光强信息包含更多的光场信息。基于微透镜阵列结构，分析了光场的四维参数化表征以及光场中空间-空间频率信息的获取与重构。建立了光场的空间-空间频率联合分布与Wigner分布函数的对应关系。提出了基于光场信息的哈特曼相位复原方法，建立了数值计算模型，并进行了仿真。仿真结果表明，基于光强信息的光场空间-空间频率联合分布相位复原方法可有效、快速地对低阶像差进行相位复原，误差较小。该方法在光学成像系统的像差探测补偿中具有广阔的应用前景。

四波前横向剪切干涉仪的出现为精确、快速地测试激光波前信息提供了很好的研究方法。概述了四波前横向剪切干涉仪的测试原理,对532 nm半导体激光器和ZYGO-GPI干涉仪标准激光源的光束波前进行测试,得到平均椭偏率分别为0.977和0.900。通过对测量数据与激光器标称参数对比分析得出四波前横向剪切干涉仪能够精确地测量激光波前信息。

设计了基于高精度直线驱动器和曲柄滑块机构的高精度二维角度调节机构，以实现2 m口径望远镜中哈特曼探测器与自适应光学系统间的高精度对准与自动化调节。依据光学设计分析得出调节机构分别需满足±1°的调节范围和6"的调节精度。根据哈特曼探测器的外形结构和调节机构的整体布局，选择了调节机构中的主要参数，对整体调节机构进行了初始设计并分析了它的精度和动态特性。利用自准直仪设计了调节机构的检测系统，对设计的调节机构的调节范围、精度和动态性能进行了实际测量。结果表明: 哈特曼探测器调节机构在俯仰和扭摆方向上的角度调节量均约为±1.2°，调节精度分别为0.43″和2.1″，均满足设计要求，为哈特曼探测器的高精度探测奠定了基础。