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。

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。

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。

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。

Correcting dynamic residual aberrations of conformal optical systems using AO technology

This paper analyses the dynamic residual aberrations of a conformal optical system and introduces adaptive optics （AO） correction technology to this system. The image sharpening AO system is chosen as the correction scheme.Communication between MATLAB and Code V is established via ActiveX technique in computer simulation.The SPGD algorithm is operated at seven zoom positions to calculate the optimized surface shape of the deformable mirror.After comparison of performance of the corrected system with the baseline system,AO technology is proved to be a good way of correcting the dynamic residual aberration in conformal optical design.

基于FPGA的伪随机序列的生成方法及应用

通过分析各种伪随机序列生成方法,提出了一种基于M序列的连续抽样方法,可以生成满足自适应光学系统SPGD控制算法要求的多路、相互独立以及服从伯努利分布的伪随机序列。该方法适合于用FPGA等超大规模集成电路实现,且具有占用硬件资源较少,实现方便等优点。用FPGA实现了用于61单元自适应光学系统SPGD控制算法的伪随机序列,并将此方法应用于基于SPGD控制算法的自适应光学系统实验中,实验表明,该方法能够满足自适应光学系统SPGD算法的需求,系统实现成功闭环。

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。

正支共焦非稳腔的自动准直调整实验研究

谐振腔的自动准直调整技术是实现高能激光器系统自动化的关键技术之一。在对正支共焦非稳腔自动准直调整方法的研究基础上,应用基于系统性能评价函数无模型最优化的随机并行梯度下降(SPGD)控制算法实现腔的自动准直调整。实验结果表明该方法可实现腔镜的闭环控制准直调整,其调腔共轴精度在一定程度上高于传统的人工调腔精度。

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。

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。

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。

线阵光纤激光相干合成控制器的设计

针对线阵光纤激光相干合成系统中对合成光束的质量、控制速度、控制精度的需求,完成了线阵光纤激光相干合成控制器的设计。该控制器以DSP2812和CPLD为核心处理器,通过AD976A模/数转换器接收光电探测器的电压信号,AD8544数/模转换器输出模拟电压控制压电陶瓷相位控制器,进而控制激光的相位变化。为了实现控制器与目标图像检测板和上位机的通信,设计了两路串口通信接口,并编写了相关测试程序,最终在线阵光纤激光相干合成系统中完成了四路1 064 nm激光的相干合成、扫描、跟踪实验。实验结果表明,该控制器搭载随机并行梯度下降(SPGD)算法,在光电探测器的配合下能够实现光纤激光锁相,控制主瓣能量变化优于±5%,锁相后主瓣能够完成±λ的扫描,扫描频率约为25 Hz,同时结合目标图像检测板完成了目标跟踪实验,实现激光相干合成条纹的目标跟踪。

点目标成像自适应光学随机并行梯度下降算法性能指标与收敛速度

在自适应光学中,随机并行梯度下降(SPGD)算法通过对系统的性能指标直接优化从而校正波前像差,具有很强的应用潜力。在点目标成像自适应光学系统中,SPGD算法经常采用强度分布平方和、平均半径和环围能量作为系统的性能指标进行优化。利用数值仿真分析了三种性能指标与畸变波前的均方根之间的关系。建立了一套实验平台,通过静态波前畸变校正实验,分析了SPGD算法采用以上三种不同的性能指标时的校正效果。实验结果与前面的数值仿真结果一致,表明SPGD取平均半径作为性能指标进行优化时效果较好。实验还分析了控制通道数目对收敛速度的影响。结果表明随着控制通道数目的增加性能指标曲线收敛所需的迭代次数显著增加,与驱动器个数的平方根之间存在一个近似的线性关系。

随机并行梯度下降算法用于光纤激光相干合成的理论与实验研究

介绍了随机并行梯度下降(SPGD)算法用于相干合成的基本理论,利用数值模拟的方法对实际相干合成实验中涉及到的算法评价函数、扰动电压分布等参数进行优化选取,确定了实验中应选择的最佳评价函数、扰动电压分布和扰动方式。利用数字信号处理器(DSP)执行SPGD算法,实时控制各路光束的相位,实现了三路瓦量级保偏光纤放大器输出光束的相干合成。实验结果表明,SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将合成光束目标圆孔内的能量提高了2.62倍,合成效率达到了理想情形的87%,远场光斑对比度为85%。

基于随机并行梯度下降算法的自适应光学实时并行处理机

基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的自适应光学系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。但由于算法收敛速度的影响,在一定程度上限制了SPGD在自适应光学系统中的应用。在对SPGD控制算法分析的基础上,充分提取和发掘算法内在的并发性,采用流水线和并行处理技术,设计并实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)加数字信号处理器(DSP)的单指令流多数据流(SIMD)结构实时并行处理机,实现了SPGD控制算法由表达层到结构层的优化映射。该处理机应用在激光光束净化自适应光学系统中,同时实现了对变形镜和倾斜镜的控制。实验结果表明,采用基于SPGD算法自适应光学实时并行波前处理机具有很快的收敛速度,可以有效地校正激光出光过程中的光束波前相差和光束漂移误差。