激光相干合成系统中SPGD算法的分阶段自适应优化

为改善传统随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法应用于大规模激光相干合成系统时收敛速度慢且易陷入局部最优解的情况,提出了一种分阶段自适应增益SPGD算法-Staged SPGD算法。该算法根据性能评价函数值,在不同收敛时期采用不同策略对增益系数进行自适应调整,同时引入含梯度更新因子的控制电压更新策略,在加快收敛速度的同时减少算法陷入局部极值的概率。实验结果表明:在19路激光相干合成系统中,与传统SPGD算法相比,Staged SPGD算法的收敛速度提升了36.84%,针对不同频率和幅度的相位噪声,算法也具有较优的收敛效果,且稳定性得到显著提升。此外,将Staged SPGD算法直接应用于37、61、91路相干合成系统时,Staged SPGD算法相比传统SPGD算法收敛速度分别提升了37.88%、40.85%和41.10%,提升效果随相干合成单元数增加而更加显著,表明该算法在收敛速度、稳定性和扩展性方面均具有一定优势,具备扩展到大规模相干合成系统的潜力。

基于SPGD算法的自适应光纤耦合器阵列技术研究

自适应光纤耦合器(AFC)是一种可实现高稳定、高效的空间光至光纤耦合的新型自适应光学器件。研究了AFC阵列作为空间激光通信系统接收光端机的可行性。在不同的大气湍流强度下,利用SPGD算法,仿真研究了不同子孔径数AFC阵列的闭环控制过程。研究结果表明,AFC阵列技术可缓解大气湍流影响,改善光纤耦合效率并提高耦合过程的稳定性;当等效接收口径一定时,随着阵列子孔径数的增加,光纤耦合效率及控制算法收敛速率都相应提升。

自适应光学系统SPGD控制算法的FPGA硬件实现

针对随机并行梯度下降(SPGD)算法实时性强,同时具有一定的灵活性的要求,本文提出了一种基于FPGA的SPGD算法硬件实现方法。该方法首先划分了各功能模块,然后对关键模块进行了实时化处理,并使用"流水线"和RAM技术设计了可升级和扩展的变形镜控制模块。最后将该算法实现并应用到61单元自适应光学激光实验中,结果表明本文的设计可使用不同的性能指标实现变形镜的SPGD算法闭环控制,并能同时完成倾斜镜的控制,达到了实时性和灵活性的要求。

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。

基于FPGA的自适应光学系统SPGD算法实现

FPGA(field programmable gate array)具有可重复编程、算法实现灵活等优势,以97单元变形镜为原型,提出基于FPGA的SPGD(stochastic parallel gradient descent algorithm)控制算法通用快速实现方案。采用TimeGen软件对SPGD算法进行时序分析,并采用Vivado软件分别对SPGD算法随机扰动电压生成、性能指标计算和控制电压的计算与输出进行FPGA配置和编程,将每个模块的计算结果与Matlab结果进行对比、分析。研究结果证明了该文所提方案的合理性和可行性,为下一步基于FPGA的SPGD算法硬件实现和应用提供基础。

基于SPGD算法的高阶模式净化数值模拟

将高阶高斯光束近似为具有恒定相位差的相干光源,对其开展了优化式自适应系统净化的理论研究。通过控制近场相位,实现光束远场能量集中度的提高。数值模拟了64单元变形镜自适应光学系统对LP40模光束的净化过程,采用随机并行梯度下降(SPGD)算法进行控制。结果表明,优化式自适应光学系统可实现高阶光场光束净化。

SPGD算法在光纤激光相干阵列光束控制中的应用

主动相位控制的光纤激光阵列相干合成在提高输出功率的同时能够保证良好的光束质量,其关键技术在于光纤激光相干阵列的锁相控制。基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的锁相控制方案不仅具有控制策略简单、系统结构紧凑的优点,而且通过算法性能评价函数和迭代参数的选取,能够对光纤激光相干阵列进行多种锁相控制,从而得到各种形式的阵列合成光束输出,实现与自适应光子锁相元件整列(APPLE)系统阵列的有效契合。理论研究并实验实现了基于SPGD算法的相位控制方案的同相相干合成锁相控制、合成光束主极大偏转控制和空心光束产生等功能,验证了基于SPGD算法的全电光束控制在各种形态光束控制中的可行性。

基于SPGD算法的光纤激光偏振控制理论与实验研究

对非保偏光纤放大器进行偏振控制是获得高功率线偏振光纤激光输出的有效途径。介绍了光纤放大器偏振控制的原理,对基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的偏振控制进行了理论仿真,分析了算法性能评价函数、扰动电压分布类型、增益步进、扰动幅度等参数对偏振控制效果的影响。利用现场可编程门逻辑阵列(FPGA)执行SPGD算法,控制输出光的偏振态,获得了消光比大于11dB的激光输出。

SPGD算法光束净化中光强起伏对校正效果的影响研究

尽管无波前传感自适应光学技术可不受闪烁效应等波前畸变条件的限制,能够有效地补偿高能激光的波前畸变以提高光束质量,但是激光器光强起伏和噪声干扰对校正效果却存在严重的影响。分析了光强起伏和噪声干扰对随机并行梯度下降(SPGD)算法光束净化效果的影响,并进行了相关实验研究。理论分析表明,在光强起伏频率大于等于算法扰动频率时,系统性能随着光强起伏增加而降低;在低频光强起伏时,SPGD算法的抗干扰能力较强。为消除光强起伏对校正效果的影响,提出采用桶中功率作为系统性能评价函数的光束净化方案,理论分析和实验结果都表明,该方案能够有效地消除光强起伏和噪声干扰对校正效果的影响,实现接近校正极限的理想校正效果。

基于相干合成涡旋光束光场分布角向不变性的评价函数构建及其应用研究

大气湍流引入的波前畸变导致相干合成涡旋光束质量劣化,需进行波前畸变校正。基于相干合成涡旋光束光场分布的角向不变性,通过像清晰度函数提取明暗干涉条纹区域的总光强,构建角向条纹对比度评价函数,将评价函数应用于随机并行梯度下降算法,可以实现单环以及双环阵列结构的相干合成涡旋光束波前畸变自适应校正。仿真实验结果表明,相较于光强相关系数等传统评价函数,以角向条纹对比度作为评价函数的随机并行梯度下降算法具有校正性能好、收敛速度快的优点。此外,单环和双环结构相干合成涡旋光束的波前校正结果均验证了角向条纹对比度作为相干合成涡旋光束评价函数的有效性及优势。

用于稀疏孔径成像系统光程控制的自适应控制算法研究

目前,稀疏孔径成像系统共相误差校正效果不佳,为此,提出了一种用于稀疏孔径成像系统光程控制的自适应控制算法。首先,分析了仅有前馈控制存在的累积误差问题,并由此引出了改进的比例-微分-积分(PID)反馈控制结构和表达式;然后,将两者结合,形成了前馈-改进PID反馈的复合控制系统,并用该系统对单个压电陶瓷进行了控制仿真;最后,采用一种随机并行梯度下降(SPGD)算法,以成像清晰度为优化目标,将稀疏孔径成像系统中的多个压电陶瓷组成了联合控制系统;通过搭建精密光程调控系统实验平台,对单个压电陶瓷采用前馈-PID反馈复合控制系统进行了1μm、5μm、8μm和10μm位移跟踪实验。实验结果表明:不同位移的响应曲线基本与期望位移曲线重合,不同位移的响应时间能有效控制在0.08 s以内,位置误差能有效控制在±3 nm以内;将SPGD联合控制系统用于1个三孔径稀疏孔径成像系统中,进行了分辨率板成像对比实验,对共相误差校正前后图像进行了定量评价(校正前,评价值J 1=0.54;校正后,评价值J 2=0.78)。研究结果表明:该联合控制系统能有效控制光程精度,校正共相误差,实现子光束干涉成像的目标。

涡旋光束的自适应光学波前校正技术

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束,其特点是其光强分布为环形,携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数,同时不同角量子数的光束之间相互正交,因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响,进而产生波前畸变,因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述,重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用SPGD算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。

基于图像处理的三维自动调焦系统

针对一维调焦技术的不足,在六自由度平台的基础上提出了一种基于图像处理的三维自动调焦系统。该系统以CMOS相机为图像传感器,以六自由度平台为执行机构,用计算机获取图像清晰度评价值并驱动六自由度(6-DOF)平台做三维空间运动实现三维自动调焦。调焦实验分为两部分,一部分为一维自动调焦闭环实验,另一部分为三维自动调焦闭环实验。针对X、Y、Z三轴耦合性关系,提出一种改进的随机并行梯度下降(SPGD)算法。实验结果表明系统闭环调焦误差小于3%,满足三维调焦精度要求。

高能固体脉冲激光热晕效应相位补偿的数值分析

热晕效应是高能激光大气传输最重要的非线性效应之一。利用激光大气传输四维仿真程序,针对高能固体脉冲激光大气传输的非线性热晕效应,采用常规自适应光学系统与随机并行梯度算法自适应光学系统对其相位补偿进行了数值模拟和分析。结果表明:当脉冲宽度1 ms,重复频率10 Hz,单脉冲发射功率500 k W时,常规自适应光学系统补偿效果较好;当脉冲发射功率增加或者重复频率增加时,随机并行梯度下降算法自适应光学系统补偿效果较好。

自适应光学随机并行梯度下降控制算法的研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种比较有潜力的自适应光学的系统的控制算法,它具有速度快、无需信标光且不需要依赖波前传感器就可以对畸变波前进行校正的优点,近年来受到人们的广泛关注。本文应用zernike多项式模拟大气湍流畸变波前,以32单元变形镜为校正器,利用SPGD算法对畸变波前进行了初步校正研究。结果表明,SPGD算法可以用于校正波前畸变,且不同的参数如扰动幅值、增益系数的选取都会影响校正的效果,此外本文提出的分段增益方法可以在一定程度上优化该算法。

一种基于实时校正大气激光通信光学系统研究

针对星地通信中因大气湍流造成的通信质量下降的问题,本文提出一种基于实时校正的自适应光学技术,通过该技术,改变了传统的通过波前探测器活动波前信息的问题,从而大大的简化了系统的结构,同时解决了远距离通信下存在的校正效果不佳的问题,以此通过算法的改进提高了星地通信的能力。

激光场相干叠加光束合成技术

光束拼接激光相干合成中,拼接占空比不高导致合成光束能量集中度不够理想,为了解决这个问题,提出了激光场相干叠加光束合成技术路线,设计了基于半反半透合束镜的多级激光场相干叠加光束合成方案。研究了子光束之间的光强差和波面误差对相干合成的影响,结果表明,激光场相干叠加光束合成中,对参与合成子光束的光强差、相位差的容差均不难满足:仅考虑单一因素时,子束光强相差三倍时合成效率仍可达90%,相位误差小于π/5时,合成效率可达到90.5%。搭建了基于半透半反合束镜的两束激光场相干叠加光束合成实验装置,实验验证了激光场相干叠加光束合成技术的可行性,在闭环情况下得到了稳定的合成光束输出,合成效率可达95%以上。

湍流大气对光束相干合成效果的影响

光纤激光相干合成是获得高功率高光束质量输出较为有效的途径,而湍流大气是制约其应用与发展的关键因素之一。本文重点研究了大气格林伍德频率对基于随机并行梯度下降算法(SPGD)相干合成系统校正效果的影响。首先,在静态大气条件下,分析了不同湍流强度对相干合成系统校正效果的影响;然后,利用数值计算生成一组旋转的符合Kolmogorov统计规律的相位屏模拟湍流大气,对在不同大气格林伍德频率下相干合成系统的校正效果进行研究;最后,搭建两路光纤激光相干合成实验平台,进行实验验证。仿真和实验结果表明,在系统的控制算法迭代频率(350 Hz)一定时,随着大气格林伍德频率的增加,湍流大气对光束的相位和光强的扰动加剧,使得相干合成系统的合成效果变得越来越差。

随机并行梯度下降算法在激光束整形中的应用

为了满足高光束质量要求,校正激光束在传输过程中产生的波前畸变,改善激光位相分布,进而提高聚焦光斑的能量集中度,基于79单元微机械薄膜变形镜(MMDM)搭建了一套激光束整形实验系统。利用随机并行梯度下降(SPGD)算法,分别选择聚焦光斑半径、形心为中心的环围能量比和质心为中心的环围能量比作为算法性能指标,开展了激光束整形实验研究。3种情况下,分别经过58次、197次、133次迭代趋于收敛,但光斑半径作为性能指标时振荡严重;环围能量比从整形前的0.200 5、0.127 7、0.200 5分别增加到整形后的0.669 9、0.733 9、0.864 0。实验结果表明:MMDM用于激光束整形具有良好的效果,光斑半径作为性能指标整形速度最快,其次为质心环围能量比,形心环围能量比最慢;质心环围能量比作为性能指标整形效果最好,其次为形心环围能量比,光斑半径最差。综合比较,质心环围能量比作为性能指标时综合效果最好。

远距离数字离轴全息中基于图像指标优化的相位误差校正方法

针对远距离数字离轴全息中的相位误差,实验研究了基于SPGD算法的多帧平均校正方法。建立了数字离轴全息实验装置,首先采用扫描法校正离焦相位误差,然后采用SPGD算法校正每帧的高阶相位误差;在此基础上,先采用目标图像相关法确定并粗校正帧与帧之间的倾斜相位误差,然后采用SPGD算法进一步校正帧间的倾斜和高阶相位误差。实验结果表明,本文提出的方法能够有效校正远距离数字离轴全息相位误差;与目前的校正方法相比,该方法校正速度更快、精度更高,更适合于对运动目标成像。