基于随机并行梯度下降算法的湍流像差校正仿真

随机并行梯度下降(SPGD)算法可不依赖波前探测直接优化系统性能指标来校正畸变波前.建立了基于随机并行梯度下降算法控制的61单元湍流校正仿真模型,实现了通过该算法控制倾斜镜和变形镜对湍流引起的像差的校正.结果发现,该算法能够找到补偿湍流像差所需的倾斜镜和变形镜的最优面形.采用SPGD算法控制,倾斜镜校正后,远场光斑质心...     

基于分段随机扰动幅值的随机并行梯度下降算法研究

为了提高随机并行梯度下降(SPGD)算法的收敛速度,提出了分段随机扰动幅值的改进方法。从理论上分析了固定增益系数时,随机扰动幅值对SPGD算法收敛速度的影响;提出了分段随机扰动幅值的改进方法;基于61单元变形镜,建立无波前探测自适应光学系统模型,对前65阶Zernike多项式模拟的满足Kolmogorov谱的大气湍流畸变波前进行校正。结果表明,采用分段随机扰动幅值的SPGD算法比固定最佳随机扰动幅值时传统SPGD算法的收敛速度提高了近1.6倍,证明了该改进算法的可行性。     

基于SPGD算法的激光大气传输湍流效应校正的初步研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是近年来广泛发展的一种无模型优化控制算法,它具有速度快、无需信标光等优点,得以运用于自适应光学系统中.利用相位屏法数值模拟激光大气传输过程,以61单元变形镜为校正器,采用SPGD算法对激光大气传输湍流效应进行了初步校正研究,研究表明: SPGD算法可以用在自适应光学系统中用于校正激光大气传输湍流效应引起的畸变,且不同参数如扰动幅度值、增益系数的选取对校正效果有一定影响,文中给出了不同传输情况下的仿真计算结果.     

无波前传感自适应光学技术及其在大气光通信中的应用

无波前传感自适应光学(AO)系统不依赖波前传感器可直接对系统性能进行优化。基于随机并行梯度下降(SPGD)算法,32单元变形镜,CCD成像器件等建立了无波前传感自适应光学系统实验平台。实验结果表明,参量选取合适时,系统对畸变波前具有较好的校正能力,但受限于较低的CCD采样频率,仅能校正静态或缓慢变化的像差。根据实验结果讨论了基于随机并行梯度下降控制算法的无波前传感自适应光学技术在大气光通信中的应用可能和应用方法,指出采用高速光电探测器件、高速数据处理及响应速度高的波前校正器与随机并行梯度下降算法相配合可用于补偿大气光通信中的大气湍流扰动。     

基于随机并行梯度下降算法的望远镜静态像差校正

为校正大口径量子通信望远镜的静态像差,提高接收信号光的能量集中度,提出了基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的静态像差校正方法。该方法不同于经典的自适应光学校正方法,无需波前传感器,可有效降低系统的复杂性。对SPGD算法进行了分析,在此基础上利用64单元变形镜和CCD探测器搭建了校正平台,并将该校正平台应用到青海湖量子通信地面站望远镜系统,对700mm望远镜的静态像差进行了校正,远场光斑直径由校正前的58μm改善为30μm,验证了SPGD算法对望远镜波前畸变校正的可行性。     

空间光波前畸变校正中SPGD方法的自适应优化

为了提高传统随机并行梯度下降 (Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD) 算法校正波前畸变的性能,提出了一种基于AdaBelief优化器的新型SPGD优化算法。该算法将深度学习中AdaBelief优化器的一阶动量和二阶动量集成到SPGD算法中以提高算法的收敛速度,并使得算法能够自适应地调整增益系数。 此外,对实际增益系数进行自适应动态裁剪以避免因实际增益系数出现极端值而造成的震荡。仿真结果表明:在37单元变形镜 (Deformable Mirror, DM)下,新型SPGD优化算法能够对不同湍流强度下的波前畸变实现有效校正,不同波前畸变经过校正后的斯特列尔比(Strehl ratio, SR)分别提升至0.83、0.47和0.31。此外,该算法在不同湍流强度下的SR仅仅需要149、229和230次迭代达到阈值,与传统SPGD算法及其他优化算法相比有更快的收敛速度,且在稳定性和参数调节方面也具有一定的优越性。     

用于提高中继镜系统能量耦合效率的光束整形

光束上行传输能量耦合效率是中继镜系统的关键因素之一,通过利用随机并行梯度下降算法(SPGD)优化出射光束的相位分布实现接收光场的光束整形,提高系统的能量耦合效率。建立了双望远镜系统模型并计算了0.10.5 m双望远镜系统垂直传输10 km和30 km的结果。结果表明,通过整形,中继镜系统的上行传输能量耦合效率得到了有效的提高。     

空间光波前畸变校正中的元启发式SPGD算法

为了改善传统随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法收敛速度慢且容易陷入局部极值的问题,提出了一种元启发式随机并行梯度下降(Meta-Heuristic SPGD, MHSPGD)算法。该算法将SPGD算法和元启发式算法的开发与探索两步结合,首先利用SPGD算法的梯度下降搜索得到局部最优解,然后进行邻域搜索得到局部最优区域以外的可能最优解,通过所有解性能指标的比较来确定新的迭代起点。随着搜索范围的自适应扩展,该算法能够避免陷入局部极值并趋向收敛于全局最优。同时,为了避免重复搜索,建立了记忆表来记录迭代过程中产生的次最优解。搭建了无波前探测器自适应光学系统模型,运用所提算法对不同湍流强度下的波前畸变进行了仿真校正,并针对不同Zernike阶数的像差进行了仿真实验。在三种湍流强度下,MHSPGD算法所能达到的斯特列尔比(Strehl Ratio, SR)分别为0.7621、0.6554、0.3749,相比于SPGD算法分别提升了0.1%、2%和18.6%。此外,当畸变中含有较多高阶成分时,文中所提优化算法相比传统的SPGD算法,SR收敛到0.6所需的迭代次数减少了约47%,且SR收敛极限值也提升了约9.4%。结果表明:与三种主流优化算法相比,MHSPGD在保持较快收敛速度的同时,能够在各种湍流强度下达到更高的收敛极限,有效地解决了算法的局部收敛问题。     

基于随机并行梯度下降算法的多级波前校正技术

为提高基于随机并行梯度下降(SPGD)箅法的高分辨率自适应光学(AO)系统的有效校正带宽,提出了分级SPGD波前校正的方法.在每一级SPGD波前校正中,将高分辨率波前校正器的控制单元按位置分成多组.每一组都施加相同的控制电压作为一个控制变量.采用的校正级越高,独立的控制变量的数目也越多.多级SPGD自适应光学系统按从低到商的等级顺序对畸变波前进行校正.以一个具有16×16控制单元的分立活塞式波前校正器为基础建立了基于3级SPGD波前校正的自适应光学系统的数值模型,并针对大气湍流引起的某一帧随机相位屏做了模拟校正实验.结果表明采用分级波前校正后收敛速度提高了23%,此方法确实提高了基于随机并行梯度下降算法的自适应光学系统的有效校正带宽.     

相干合成中基于SPGD算法的平移误差和倾斜误差控制

随机并行梯度下降算法(SPGD)是控制多路激光束的相位锁定,实现相干合成的一种有效方式。在分析平移误差和倾斜误差对相干合成(CBC)影响的基础上,建立2×2排布的光束模型探讨了该算法中的增益系数和扰动幅值对平移误差和倾斜误差控制的影响,并对增益系数的优化进行了分析。研究结果表明,要提高相干合成的效果,必须同时校正平移误差和倾斜误差;随着增益系数和扰动幅值的增加,SPGD算法的收敛速度加快,但计算精度降低,系统会发生振荡;自适应更新增益系数是一种有效的参数优化方式,可很好平衡算法收敛速度和计算精度问题。为大型固体短脉冲激光装置中基于SPGD算法进行相干合成研究提供了理论参考。     

大线视场自由曲面离轴三反光学系统设计

设计了一款大线视场离轴三反光学系统,系统焦距1 200 mm,相对孔径1:12,视场角301。设计中,第三反射镜应用了x-y多项式光学自由曲面提升系统设计自由度,为便于装调,保证关于子午面像质对称,对x-y多项式自由曲面表达式进行了修正。设计结果得出,该系统光学传递函数均优于0.45@50 lp/mm,工作视场内,系统最大波像差为0.056,平均波像差RMS值为0.036,最大畸变值为0.8%,像质相对于子午面完全对称。系统进行了合理的公差分配,蒙特卡罗分析结果显示,该光学系统最终可实现平均波像差优于/14的成像质量。该系统的设计对空间遥感器光学系统的设计具有一定的参考价值,适合作为大幅宽推扫成像系统。     

离轴三反光学系统主三反射镜支撑结构设计

主三反射镜支撑结构是离轴三反生物成像系统研制过程中的关键技术难点之一,为了减少工作环境下主三镜面形变化,满足支撑系统稳定性要求,利用有限元方法对主三镜组件进行了优化设计。首先,根据光学系统设计要求确定了反射镜及其支撑结构的材料和支撑方式。接着,优化布局了反射镜底部3点和侧面6点支撑位置,设计了轻量化镜室结构。根据优化数学模型设计了圆弧悬臂梁式柔性铰链结构,分析了在重力工况下和温度载荷工况下各参数对镜面面形精度的影响。然后,对反射镜支撑组件进行了静力学和热力学仿真分析,分析结果为重力工况下镜面均方根值RMS为1.529 nm,温度变化4 ℃时镜面均方根值RMS为2.426 nm。最后,采用Zygo干涉仪对支撑作用下的主三反射镜和系统波像差进行检测,实测反射镜镜面RMS值为0.025 λ,系统波像差RMS值为0.102 λ (λ=632.8 nm),基本满足了生物成像系统技术指标（主三镜镜面RMS≤λ/40,系统波像差RMS≤λ/10）要求。     

基于量子遗传算法的自由曲面离轴反射光学系统设计

针对自由曲面离轴反射光学系统的初始结构较少、优化过程复杂的问题,提出了一种基于量子遗传算法的离轴反射光学系统设计方法,即采用量子遗传算法结合像差理论得到高像质的初始光学系统结构,再对其离轴化处理并引入自由曲面,进而设计得到自由曲面离轴反射光学系统。该方法可以方便、快捷地为自由曲面离轴反射光学系统提供像质良好、特定布局的初始结构。以离轴三反系统为例,采用该方法设计了一套工作在可见光波段、视场大小为10°×4°、F数为2的主三镜一体化的自由曲面离轴三反系统。仿真结果表明,该离轴三反系统视场较大、结构紧凑、成像质量良好,其最大RMS波像差为0.0485 λ (λ=0.6328 μm),全视场的调制传递函数（MTF）在50 lp/mm处大于0.9,且一体化集成结构有利于简化系统的对准及装调。     

620mm薄镜面主动光学望远镜校正实验

对620mm 口径薄镜面主动光学望远镜进行了主镜面形校正和系统波像差校正实验。主镜支撑结构由轴向36 个主动支撑点和侧向6 个被动支撑点组成, 其中轴向33 个支撑点用于主动校正,3 个作为虚拟硬点用于控制主镜空间位置;利用研制的Shack-Hartmann（S-H）传感器作为检测设备,采用最小二乘法计算校正力。实验中在对系统校正能力测试的基础上,选择了中低频Zernike 像差参与校正。通过将S-H 传感器固定在主镜曲率中心位置, 完成了主镜在不同俯仰角下的面形校正, 将初始状态约0.6RMS 校正到/12～/15RMS。而后通过平行光管发出的星点目标,对望远镜系统进行了波像差校正,使系统波像差从初始约0.65RMS 校正到约0.2RMS,分辨率由18 lp/mm 提高到45 lp/mm。     

共轴偏光瞳折轴三反射光学系统装调方法

为了实现共轴偏光瞳折轴三反射光学系统的高精度装调,提高其光学成像质量,研究了大口径非球面反射镜的微应力装配以及光学系统共基准的调校方法。采用光学定心加工实现主、次反射镜光轴基准与相应构件机械轴基准的高同轴度;采用Zygo激光干涉仪检测波像差,指导主镜、次镜以及三镜的装配过程,保证各反射镜装配组件完成后的面形精度与裸镜一致,并最终指导完成主次镜光学系统以及三反射光学系统的像质调整。此外,由于整个光学系统是偏轴使用的,推帚方向垂直于电荷耦合器件(CCD)线阵方向,采用折轴镜旋转并修切折轴镜垫圈的方法来消除由于折轴镜倾斜而引入的系统像散。实际装配结果表明:光学系统各个视场处的成像质量均达到系统装配指标,光学系统波像差均方根(RMS)值小于0.07λ,传递函数(MTF)大于0.57。     

基于多视场波前传感的次镜位置误差检测方法

大口径分块式主镜空间对地遥感系统在轨工作时,次镜相对于主镜的位置失调会对系统像质产生影响,需对其进行在轨检测与校正。当分块式主镜无中心基准镜时,无法用传统的灵敏度矩阵反演法计算出次镜失调量。为此,提出了一种基于多视场波前传感信息计算次镜位置失调量的方法,采用ZEMAX软件建立了无中心基准的36分块式主镜空间对地遥感系统。针对该系统像差特点,利用不同视场的场依赖波前像差,建立了次镜失调量检测数学模型,开展了仿真研究,结果表明当波前传感误差为1/40（=632.8 nm）时,次镜位置失调量的检测精度X、Y方向平移约为30 nm,倾斜约为15;失调量检测动态范围X、Y方向平移为0~1.5 mm,倾斜为0~0.03。并通过多组实际仿真,验证了所提方法的可行性。     

离轴三反系统中视轴的偏转误差研究

考虑到离轴三反系统内部结构和光路的复杂性,直接分析离轴三反系统内部各反射镜的偏转误差对视轴的影响难度较大。因此,提出一种将离轴三反系统模型简化为单反射系统模型来进行分析的方法,并在该模型的基础上建立离轴三反系统视轴偏转误差的计算公式。最后,利用Zemax软件创建离轴三反系统模型,通过变动反射镜位置来模拟系统视轴的变化,并得到成像点的坐标,再将得到的像点坐标代入计算公式求解出系统视轴的转动量。通过结果对比,求解出视轴的转动量相对于仿真的最大误差不超过4%,验证了基于单反射模型建立的理论分析方法的正确性。     

矢量波像差理论在无遮拦三反光学系统设计中的应用

传统的无遮拦三反射镜光学系统设计是先设计轴对称反射系统,然后通过偏光瞳、偏视场或者两者结合的方法来实现系统无遮拦设计,系统中不可避免地用到了离轴非球面反射镜。以矢量波像差理论的相关结论出发,将反射镜的倾斜作为系统的优化变量,利用轴对称非球面反射镜实现了无遮拦三反射系统的设计。分析了此种系统的设计思路及步骤,设计了焦距为1 000 mm、视场角为1020、F数为10的三反射镜光学系统,系统结构紧凑,成像质量接近衍射极限。该系统与其他无遮拦三反光学系统相比,最大的优点是系统中的非球面均为轴对称反射面,极大地降低了系统成本。     

哈特曼原理子口径斜率扫描检测及误差研究

提出了一种基于哈特曼原理子口径斜率扫描再重构波面的检测方式,研究了一种解决大口径光学系统不同俯仰角下的像质评价的方法。该方法无需同等口径标准镜,通过扫描方式获取波面信息。采用光学软件与数学分析软件通过DDE接口连接进行计算机联合仿真的方式进行探究,仿真光学系统采用主镜720 mm,次镜100 mm的卡塞-格林系统来验证该方法的可行性,利用随机误差注入及多次扫描平均的方法进行了该检测方式中重构波面精度的研究;系统探究了光斑中心提取误差、子口径定位误差、子口径倾斜误差对于该检测方法重构波面精度的影响。给出了该方法仿真结果与光学软件仿真结果的对比,并获取了误差注入时各误差与重构波面精度的物理模型。     

分块式空间望远镜的波前校正方法

对于同时具有可变形分块式主镜和变形镜的空间望远镜光学系统,提出一种基于小波分解的并联波前校正法.该方法根据分块式主镜和变形镜的空间校正能力不同,利用小波分析的多分辨率分析的特点按不同尺度分解波前误差,将空间频率高于主镜空间带宽的各层波前误差合并为高频波前误差由变形镜校正,余下的低频误差由主镜校正;应用MATLAB小波工具箱对并联波前校正法进行数学仿真,并与依光路顺序的串联波前校正法进行比较,结果说明基于小波解耦的并联校正法波前校正精度高于串联校正法,适用于空间望远镜光学系统.