第20卷第11期2008年6月系统仿真学报@JournalofSystemSimulation、,01.20No.1lJun..2008SciAO:自适应光学建模与仿真陈京元,甘光勇,陶应学(北京应用物理与计算数学研究所。北京100088●摘要:SciAO(Scilab/ScicosAdaptiveOptics是Scilab/Scicos环境下为满足波动光学,尤其是白适应光学的走模和仿真需要而建立的工具箱,它具有源代码完全公开、支持跨平台(Windows,G-nu/Linux等运行,使用简单方便等特点。简要介绍了SciAO的基本设计目标和设计思想,基本结构及可用功能模块,并给出几个简单应用实例。关键词:建模与仿真;自适应光学;Scilab/Scicos;开放源代码.中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号l1004.731X(200811-2864.04SciAO:ModelingandSimulationofAdaptiveOpticsCHENJing-yuan,GANGuang-yong,TAOYing-xue(InstituteofAppliedPhysicsandComputationalMatIlematics,Beijing100088,ChihaAbstract:SciAO(Scilab/ScicosAdaptiveOpticsisallopen-sourced,cross-platform,anduser-friendlytoolboxbasedontheScilab/Scicosenvironmentformodelingandsimulationofwaveoptics,especiallyforthatofadaptiveopticssystem.Thegoals,schemes,structure,andthefunctionalitynowavailableinSciAOWCTedescribed.SomeapplicationexamplesweregivenusingSciAOtomodelandsimulateopticalsystems.Keywords:modelingandsimulation;adaptiveoptics;Scilab/Scicos;opensource引言经过近四十余年的发展,自适应光学(AO目前已经广泛应用于天文望远镜,高能激光系统等现任光学系统的设计中。同时,自适应光学也是一门仍处在高速发展的学科,新的概念、体系结构、算法及应用不断涌现,日益将经典的自适应光学概念推向极限(如多重共轭自适应光学MCAO。为控制和评估自适应光学系统的运行状态和性能,理论上的分析当然是第一选择。然而,这种分析又常常是困难甚至无法实现的:这一方面是由于自适应光学系统是极端复杂,结构及各子系统相互作用复杂,而且运行在极端复杂的现实环境之中,另一方面,自适应光学中所涉及到的众多物理现象(例如大气湍流仍然是尚未最终攻克的科学难题。在此背景下,随着计算机应用的普及,以及计算能力的提高,数值仿真在自适应光学的研究中日益受到重视。用计算机对自适应光学系统进行数值仿真具可行性的依据在于,仿真所需要的物理规律是完全已知的(波动光学,或至少有大致精确的相关结果(如K41湍流理论。数值仿真具有诸多优点,它花费低廉,控制方便快捷,对自适应光学系统的设计,评估和完善有极大的意义。比如,通过构造一系列模拟大气湍流的随机屏,并根据有关光学原理我们可以研究光波通过大气湍流所引起的光束性能的变收藕日期l2007-02-12●回日期I2007.06-05基金项目l国家863计划项目资助课题(2005AA821040作者简介。陈京元(1976-,男,云南人,博士,副研究员,研究方向为理论物理及其建模与仿真.化。又如,通过仿真,我们可以细致地研究大气湍流的闪烁效应,这对于许多精度要求很高的应用是至关重要的。又如,通过对自适应光学各子系统合理建模,我们可以在计算机上细致地再现自适应光学系统探测和校正波前畸变的物理过程,并进一步研究自适应光学系统的校正性能以及角度或焦距非等晕性误差等性能指标。这种分析对于自适应光学系统性能的优化设计,以及新系统,新算法的设计和评估具有极大的参考价值。目前有多种光学或自适应光学的仿真软件可供使用。它们中大多是专利或商业产品,价格高昂,用户无从了解相关设计原理和有关算法实现。一些软件是开源的,但多数以FORTRAN或C/C++等低级语言写成,运行效率较高,但难于被非专业软件人员理解,一般也没有为使用者设计方便的交互界面。许多较新设计的软件(如tOSC公司的AOTools[11,欧洲的CAOS系统【2】是用更高级的语言(如Matlab或IDL写成的,这些语言内置有数量众多的数值计算函数,有高效强大的矩阵演算能力,以及较为友好的用户接口;但缺点在于价格高昂,非矩阵运算较慢。最近,为了满足光学系统的建模和仿真的需要,我们以Scilab/Scicos[31环境为基础,设计制作了SciAO(Scilab/ScicosAdaptiveOptics工具箱。虽然我们的设计初衷是为了满足自适应光学系统研究的需要,但为了使这一...
