自适应光学技术在大气光通信系统中的应用进展

大气光通信中大气湍流引起的相位噪声和光强起伏噪声会严重影响通信系统的通信质量,自适应光学补偿可在一定程度上解决问题.常规自适应光学技术对于解决上行链路、下行链路中的湍流扰动问题得到了理论和实验验证.强闪烁现象的存在使得常规自适应光学技术在水平链路中的应用受限,不使用波前传感器的自适应光学技术则为这一问题的解决提供了可能方案.随机并行梯度下降算法是该类自适应光学技术中一种较有应用前途的控制算法.     

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.     

成像系统噪声对无波前探测自适应光学校正效果的影响

大气湍流和成像系统噪声的存在使得观测的扩展目标图像退化、扭曲,进而无法辨认其细节。目前,常采用自适应光学技术实时去除由于大气湍流带来的像差。以61单元变形镜作为校正器,随机并行梯度下降算法作为无波前探测自适应光学系统的控制算法,扩展目标图像灰度值的方差函数作为控制算法优化的性能指标函数,建立无波前探测自适应光学系统仿真模型,分析成像系统噪声对无波前探测自适应光学校正效果的影响。结果表明,当像差较小且图像信噪比大于20 dB时,自适应光学技术的校正效果几乎不受影响;但随着信噪比的减小,校正效果对比无噪声时明显变差。相同的信噪比条件下,像差越大,成像效果受噪声的影响越大。     

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。     

一种新的自适应增益盲优化算法提高自由空间光通信性能

由于大气湍流的影响,光束在大气中传输时产生 严重畸变,造成自由空间光(FSO)通信链路 性能恶化。为了提高系 统性能,构建了基于盲优化自适应光学的FSO通信系统,提出了一种新的自适应 增益随机并行梯度下降(SPGD)优化 算法。数值模拟结果表明,本文算法对大气湍流引起的波前误差进行实时补偿,能 够达到 很好的校正效果,比固定增益优化算法具有更好的收敛速度和精度。     

自适应增益的SPGD算法

SPGD算法是一种应用广泛的无波前探测自适应光学控制算法。传统SPGD算法中增益系数保持某一固定值不变,随着变形镜单元数的增加,这将导致算法收敛速度变慢及陷入局部极值的概率增大。Adam优化器是深度学习常用的一种优化随机梯度下降算法,它具有增益系数自适应性调整的特点。将Adam优化器自适应调整增益系数的优势与SPGD算法结合起来用于自适应光学系统控制。分别以32、61、97、127单元变形镜作为波前校正器件,不同湍流强度的波前像差作为校正对象,建立了无波前探测自适应光学系统模型。结果表明,优化后的算法收敛速度更快,而且陷入局部极值的概率降低,并且随着变形镜单元数的增加与湍流强度的增大,算法的优势更加明显。以上研究结果为基于Adam优化的SPGD算法的实际应用提供了理论基础。     

涡旋光束的自适应光学波前校正技术研究进展（特邀）

涡旋光束携带了与其螺旋波前结构相关的轨道角动量,由于其在通信系统不增加带宽情形下可极大增加系统容量和频谱效率,引起了广泛关注。然而,自由空间中的湍流将导致涡旋光束的螺旋波前发生畸变,产生模间串扰,降低接收功率,从而削弱链路性能。自适应光学波前校正技术是克服干扰的有效手段之一。综述了涡旋光束的自适应光学波前校正技术的发展,阐述了Shack-Hartmann、随机并行梯度下降、Gerchberg-Saxton三种算法的校正原理,分析了深度学习在波前校正技术中的应用,并介绍了笔者课题组对水下湍流环境中波前校正技术的研究工作。     

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。     

Zernike矩提高哈特曼波前传感器的鲁棒性

哈特曼波前传感器是自适应光学(AO)系统中常用的波前传感器件,噪声、器件装配误差常常影响其探测波前的能力和精度,进而影响整个系统对波前的实时校正。通过实验证明,引入数字图像处理中的矩技术,无需在硬件上对自适应光学系统进行修改,利用Zernike矩噪声不敏感、旋转不变等特性,对波前传感器CCD数据进行预处理,能够降低系统对噪声的敏感性,减小对器件装配精度的要求。     

流场测速中基于深度卷积神经网络的光学畸变校正技术

基于光学成像的流场测量技术,如粒子图像测速技术（PIV）,易受到因流体中折射率的不均匀性或晃动的介质边界引起的光学畸变而带来的影响。这些畸变会使得示踪粒子在图像上的位置分布产生误差且严重影响图像清晰度,从而增大流场速度测量的误差。为了提高光学流场速度测量的测量精度,自适应光学系统可以应用于其中去校正光学畸变。基于图像流场测量中的光学像差具有频率高,动态范围大,空间分辨率高等特点,对于这一应用场景,基于波前校正器件的自适应光学系统受到了器件本身性能的影响。基于深度学习的自适应光学技术在流场测量中的应用,建立了一种基于深度神经网络的无波前校正器件自适应光学校正技术,以深度神经网络代替传统的波前校正器件,用于粒子图像测速技术中的光学畸变校正。为了生成神经网络所需要的训练和测试数据集,搭建了可以实现波前测量的粒子图像测速实验平台,分析并建立了光学畸变在粒子图像上的图像退化模型。最后,以校正后PIV图像的校正效果和流场速度测量结果作为评价标准,对所建立神经网络的畸变校正性能进行了分析。     

基于自适应光学的大气光通信波前校正实验

为了缓解大气光通信中由于大气湍流的影响而产生的波前畸变、反射等严重影响通信质量的现象,文章采用了自适应光学技术,即对畸变波前进行重构后再利用反射变形镜进行修正的方法,从理论分析、实验研究方面开展了自适应光学修正传输波前的研究工作。研究结果表明：在相同实验条件下,在保持链路误码率定量为（1×10-6）时,使用自适应光学技术比不使用时系统发射功率减小了50%。在近地大气激光通信中,自适应光学技术在增加系统增益,减小系统误码率方面效果显著。     

Theoretical analysis of adaptive optics system based on stochastic parallel gradient descent algorithm

The adaptive optics (AO) technology without a wave-front sensor is simple and has more application fields than conventional AO technologies. The theory basis of the AO system based on stochastic parallel gradient descent (SPGD) from the convergence, the stability, and the averaged convergence rate is analyzed, where SPGD is used to control the AO system. The results show that the AO system based on SPGD can obtain good convergence and stability, and the fast convergence rate, which is in inverse proportion to $ \sqrt n $ \sqrt n (n is the number of control parameters).     

基于光场相机结构的自适应光学系统仿真研究

在自适应光学系统中,采用传统的哈特曼波前传感器只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,而以光场相机作为波前探测器具有视场大、一次曝光可获得多视角方向湍流信息等特点,可以替代传统多层共轭自适应光学（MCAO）系统中的多个波前探测器,达到简化系统,节约成本的效果。文中采用自主研发的光学系统仿真软件Seelight中的光场相机模块,结合光场数字重聚焦技术、模式法大气层析技术,复原了大视场完整波前,并搭建了自适应光学仿真系统,模拟与89单元变形镜配合实现在闭环工作模式下对大视场的大气湍流引起波前畸变的有效校正。     

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.     

A genetic algorithm used in a 61-element adaptive optical system

To correct the phase aberrations in a wave-front, a wavefront sensorless adaptive optical (AO) system is set up. A real-number encoding Gaussian mutation genetic algorithm (GA) that is adopted to control a 61-element deformable mirror (DM) is presented. This GA uses the light intensity behind a pinhole on the focal plane as the objective function to optimize, and therefore to omit the procedure of measuring the phase aberrations in the laser wavefront by a wavefront sensor. Phase aberrations generated by the DM are brought to an ideal incident wavefront. Several correction simulations have been accomplished. The simulation results show that the genetic algorithm is capable of finding the optimum DM shape to correct the phase aberrations. After the phase aberrations of the wavefront have been corrected by GA, the peak light intensity on the focal plane can be improved at most by a factor of 30, and the encircled energy Strehl ratio can be increased ultimately to 0.96 from 0.032. It is also found that the convergence and stability of the 61 voltages on the DM is quite well. The simulation results prove that the genetic algorithm can be used in AO systems effectively.     

一种基于Shack-Hartmann传感器的自适应波前重建算法

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0.1 λ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。     

光纤激光相干合成中倾斜和锁相同时控制的实验研究

光纤激光的相干合成是获得高能量密度、高光束质量激光输出的有效方法之一。在相干合成中,各个单元光束的倾斜波前畸变和活塞相位误差对合成的效果具有重要影响。搭建了两路光纤激光相干合成系统,利用光纤自适应准直器和相位调制器对相干合成中倾斜波前畸变和活塞相位误差进行校正。实验系统以高速相机采集的光斑数据作为评价依据,通过计算机程序进行控制,控制算法为随机并行梯度下降算法。在倾斜和锁相控制前,合成光斑的条纹对比度为0.03,桶中功率为8.03;在倾斜和锁相控制后,合成光斑的条纹对比度达到了0.59,桶中功率达到了32.89,说明实验中倾斜和锁相控制显著提高了相干合成的效果。