Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Выполнен литературный обзор прогностических методов использующихся в адаптивной оптике. Развивается прогностических подход для атмосферных адаптивных оптических систем коррекции турбулентных флуктуаций, основанный на физических предпосылках распространения оптического излучения в случайно-неоднородной среде - турбулентной атмосфере, а именно основанный на «гипотезе замороженности» атмосферной турбулентности, который может применяться как на горизонтальных, так и на вертикальных трассах. При этом временная эволюция турбулентных искажений описывается через ветровое движение турбулентности. Поскольку такая схема управления требует расширения данных о параметрах атмосферы, кроме измерений фазовых флуктуаций, необходимы данные об атмосферной турбулентности и скорости ветра. Поэтому были проведены натурные эксперименты в атмосфере по измерению атмосферной турбулентности и скорости ветра одновременно метеорологическим и оптическим методами. Работы велись в двух направлениях: вертикальная трасса, характерная для астрономических приложений, горизонтальная трасса – для лазерных систем. Были выполнены теоретические расчеты по оценке эффективности работы адаптивных оптических систем по данным наблюдений в атмосфере, динамических характеристик, исследования эффективности различных схем и алгоритмов управления для разных атмосферных условий и разного уровня интенсивности оптической турбулентности, оценки ограничений, вносимых датчиком волнового фронта и адаптивным зеркалом, определение быстродействия коррекции. В рамках модернизации имитационного стенд для отработки разработанных прогностических алгоритмов для адаптивной оптической коррекции турбулентных искажений волнового фронта оптического излучения начаты работы по созданию нового датчика волнового фронта, который должен обеспечить реализацию новых прогнозирующих алгоритмов адаптивной коррекции. Проектируемый датчик волнового фронта, обеспечит возможность одновременного измерения: кроме классических измерений фазовых флуктуаций, параметра Фрида и скорости ветра. Изготовлен макет корректора наклонов волнового фронта, позволяющее существенно повысить быстродействие системы коррекции наклонов волнового фронта. В итоге появляется возможность на стенде обеспечить формирование оптических пучков с моделируемым углом наклона волнового фронта, что позволяет в условиях лаборатории моделировать ситуацию по распространению оптического излучения на длинных трассах.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Развивается прогностических подход управления системой адаптивной оптики для атмосферных приложений на основе данных об эволюции фазовых флуктуаций. Для обеспечения управления на основе развиваемых алгоритмов прогнозирования сконструирован и изготовлен ключевой элемента адаптивной оптической системы - датчик волнового фронта Шэка-Гартмана , использующий оригинальные алгоритмы и конструкторское решение, позволяющий одновременно измерять параметра Фрида, поперечную составляющую скорости ветра, и искажения волнового фронта в оптическом диапазоне. Это компактный прибор, изготовленный по каркасной системе, что позволяет легко сопрягать с другими элементами адаптивной оптической системы, снабженный необходимыми юстировочными узлами. Преимуществом является возможность использования короткофокусных микролиинзовых растров, что увеличивает динамический диапазон датчика. Возможность замены микролинзовых растров позволяет работать в широком диапазоне атмосферных условий. Экспериментальное тестирование разработанного датчика выполнено в контуре адаптивной оптической системы на имитационном стенде и на атмосферной трассе с одновременными измерениями акустическим методом скорости ветра и структурной характеристики показателя преломления. На основе численных экспериментов исследовано влияние объема и качества информации, регистрируемой в плоскости видеокамеры, на точность реконструкции волнового фронта и скорости ветра датчиком волнового фронта Шэка-Гартмана. Проведен анализ точности для неполностью определенной гартманограммы с различными вариантами ее заполнения (виньетирования). Проведенные численные эксперименты по оценке качества адаптивной оптической коррекции волнового фронта с применением фильтра Калмана показали, что этот алгоритм является эффективным для коррекции турбулентных искажений и позволяет уменьшить временную ошибку системы. Для отработки развиваемых алгоритмов адаптивной коррекции фазовых флуктуаций развивается лабораторный имитационный стенд адаптивной оптики. Ключевым элементом стенда является блок имитатора, позволяющий воспроизводить динамические фазовые искажения. В результате возможна генерация искажений, обусловленных турбулентностью различных видов, в том числе, моделирование неколмогоровской турбулентности, временная эволюция масштабов. Для создания модели и прогноза оптической турбулентности атмосферы (структурной постоянной показателя преломления) для горизонтальной атмосферной трассы впервые предложено использовать алгоритм машинного обучения. В результате получены аналитические модели структурной постоянной показателя преломления для приземного слоя, в условиях устойчивой стратификации атмосферы для теплого и холодного сезонов.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основное внимание в отчетном периоде было уделено экспериментальным исследованиям на стенде адаптивной оптики и направлено на создание макета адаптивной оптики на малом астрономическом телескопе. Разработан прогностический алгоритм работы адаптивной оптической системы учитывающий оптическую схему телескопа (не полностью определенная гартманограмма), основанный на соединении статистического прогноза и данных временной эволюции фазовых искажений на приемной апертуре, полученных из измерений датчика волнового фронта Шэка-Гартмана. Отличием от известных алгоритмов, является применение фильтра Калмана непосредственно к измерениям энергетических центров тяжести, а не восстановленному волновому фронту. В результате не используется аппроксимация волнового фронта полиномами, это является преимуществом подхода, поскольку разложение волновой функции по полиномам, например, Цернике, отфильтровывает в реконструированном волновом фронте аберрации высокого порядка, то его значения значительно отличаются от значений измеряемого волнового фронта. Разработана и создан мобильный макет системы адаптивной оптики на базе малого телескопа Meade 12" LX90-ACF с размером апертуры 304,8 мм, работающей по лазерному источнику. Для этого выполнены расчеты требований к техническим характеристикам и структурным элементам системы адаптивной оптики через параметры связанных с атмосферной турбулентностью, а также габаритные расчеты системы. Конструктивно макет адаптивной оптической системы собран на оптической плите. Основным элементом макета является разработанный датчик волнового фронта Шэка-Гартмана, который обеспечивает измерение эволюции фазовых флуктуаций в канале распространения излучения, кроме флуктуаций фазы для волн оптического диапазона, и уровень оптической турбулентности. Система адаптивной оптики функционирует в широком диапазоне изменений турбулентных характеристик атмосферы при коррекции наклонов волнового фронта. Корректор наклонов волнового фронта также разработан в рамках выполнения проекта. Указанная выше возможность важна для адаптивных оптических систем лазерных комплексов, работающих на горизонтальных трассах, когда часто нет возможности длительных атмосферных измерений. Разработано единое программное обеспечение адаптивной оптической системы для управления с прогнозом, проведения измерений, фазовой коррекции атмосферных искажений с учетом оптической схемы телескопа. Экспериментальные исследования показали эффективность разработанного прогностического алгоритма управления адаптивной оптической системой для атмосферных приложений.