为了测量稳定运行时超声速自由旋涡气动窗口(ADW)产生的像差,评价ADW的光学性能,提出了一种基于一维自准直Shack-Hartmann传感器,用拼接法进行波前复原测量气动窗口的方法。采用671 nm光源作为测试光源,高帧频CCD面阵相机采集经Shack-Hartmann波前传感器聚焦的子光斑阵列,采用拼接法进行波前复原。讨论分析了波前像差中沿y方向的倾斜量、波前峰谷(PV)值和均方根(RMS)值与气动窗口工作状态的对应关系。实验结果表明,压力稳定时长曝光PV值为0.1729λ,RMS值为0.0578λ。实验数据说明了Shack-Hartmann传感器拼接法对测量ADW光学性能的可行性,对ADW的进一步优化和实际应用具有重要的工程指导意义。

针对自适应光学系统的校正滞后问题, 提出预测校正方法, 并对预测校正的鲁棒性进行了分析。冻结湍流假设下, Shack-Hartmann波前传感器的探测斜率一定程度保留了湍流的时域演变模式。利用横向风信息对斜率进行傅里叶平移, 能实现斜率的预测。采用直接斜率法计算变形镜面形, 能实现预测校正。仿真结果表明, 提出的波前预测方法在横向风已知时, 几乎能完全克服延迟导致的性能损失; 当横向风需要估计时, 该方法在风向估计准确的条件下能容忍1倍于自身的风速估计误差, 或者在风速估计准确的条件下60°的风向估计误差, 均能实现校正性能的提升; 在风速和风向误差同时存在时, 在较大的误差范围内依然能够提升系统的校正能力。

为提高自适应光学人眼波像差校正和视网膜成像效果，研究了人眼动态波像差的特性。利用采样频率为300 Hz、曝光时间为3 ms的哈特曼传感器，搭建波像差探测系统。误差分析和模拟人眼实验表明，该系统对动态波像差的测量误差均方根（RMS）均值仅为0.01λ。人眼波像差探测结果表明，人眼存在150 Hz以上的波像差，可能对自适应波像差校正造成影响。这种影响可通过延长探测和成像曝光时间的方法来抑制。为了达到衍射极限，对于稳定盯视状态下的人眼，3 ms探测曝光、探测校正周期不超过45 ms的自适应系统，其校正残差均方根在λ/14以下；当曝光时间增加到6 ms时，该周期可放宽至62 ms。研究了倾斜像差的波动对成像的影响，确定了高分辨率人眼眼底成像中，成像曝光时间最长不能超过9 ms。上述结果表明，将自适应光学视网膜成像的探测曝光与成像曝光时间均定在6 ms左右，可获得更好的校正和成像效果。

波前重建是自适应光学系统中的一个重要环节,对系统性能影响明显。 研究了一种无参考输入光条件下,基于Shack-Hartmann波前传感器的自适应波前重建算法,能根据实际光斑图的特点, 自动确定探测窗口, 计算实际质心、参考质心, 选择重建区域和获取入射波前的Zernike模式系数,讨论了 参考质心选择对波前重建结果的影响。搭建自适应光学系统,通过测量和校正模拟大气像差对重建算法进行了验证。 实验结果表明,基于该重建算法的自适应光学系统可以把大气扰动引起的波前像差校正到0.1λ以下, 获得接近衍射极限的成像质量,说明该重建算法具有可靠性与实用性。

在离轴非球面反射镜研磨后期和粗抛光阶段, 被测反射镜面形与理想面形存在着较大的偏差, 表面反射率较低, 采用干涉测量会因局部区域干涉条纹过密或条纹对比度过低, 造成普通干涉仪无法进行全口径测量, 而普通接触式轮廓仪测量精度此时已经不能满足加工要求。鉴于Shack-Hartmann波前传感器较大的动态范围和较高的测量精度, 提出了采用Shack-Hartmann波前传感器非零位在轴检测离轴非球面面形, 研究了该方法的检测原理并搭建了检测系统, 分析了系统误差来源, 并制作了用于在轴检测离轴非球面的参考波前, 对两个不同加工精度的离轴非球面反射镜进行了测量, 并与干涉仪的测量结果进行了对比。对比结果表明, Shack-Hartmann波前传感器的测量结果是正确可靠的, 并且可以弥补轮廓仪测量和干涉仪测量的不足, 从而证明了采用Shack-Hartmann波前传感器在轴检测离轴非球面的可行性和正确性。

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差，且表面粗糙度较大、反射率较低，采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题，提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜。研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件。为了验证该方法的可行性，对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测，测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=6328 nm)；与干涉测量的标准结果进行了对比，得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0014λ和0001λ。对比结果表明， Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠，从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性。

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器，以及相应的检测实验结果。在实验室内，通过与Zygo干涉仪的测量结果对比，得出传感器的测量精度优于λ/50 RMS(λ=632.8 nm)。在外场利用星光作为光源，对口径1 m、焦距11 m的望远镜进行了系统波像差检验，测量结果为0.39λ~0.46λRMS之间，并随着俯仰角的增加而增大，主要像差形式为三阶像散。

Shack-Hartmann (S-H) 波前传感器光斑图像阈值的选取对质心探测精度有较大的影响。本文分析了S-H波前传感器光斑图像的特点,研究了光斑图像阈值对质心探测精度的影响，在此基础上提出了一种基于灰度直方图原理的多峰自适应阈值选取方法。实验结果表明，对于信噪比＞4的S-H波前传感器光斑图像，本方法能够比较有效地自动选取每帧图像的阈值；但对于信噪比＜4的图像，分割效果不是很理想。将使用本阈值算法的S-H波前传感器应用到自适应光学系统中进行闭环校正实验，结果显示，校正后的系统波前误差从10.41λ(PV值，λ=632.8 nm)降低到0.12λ，基本达到了衍射极限水平，表明本方法可以满足S-H波前传感器的实用要求。

分析了利用Shack-Hartmann波前传感器子孔径对之间光强信号的时间延迟交叉相关函数, 进行光传播路径上横向平均风速测量的基本原理, 给出了横向平均风速的计算公式, 并进行了水平1 km湍流大气实验测量。实验结果如下: 不同子孔径对同时测量的横向风速相关系数达0.988; 将多对子孔径对测量的结果取平均, 与接收端附近布置的风速计测量的横向风进行了对比, 发现两系统的测量结果在随时间的变化趋势上具有较好的一致性, 两次实验拟合的相关系数分别为0.848和0.820, 标准偏差分别为0.372和0.376。以上结果表明, 将Shack-Hartmann波前传感器用于横向平均风速的测量是可行的, 拓展了该传感器的使用功能。