压电变形镜驱动器迟滞快速辨识与补偿研究

采用压电陶瓷作为促动机构的主动光学系统。为了对压电陶瓷驱动器固有的迟滞非线性进行有效抑制校正,以提高系统性能,该文对带变形镜镜面负载结构的压电陶瓷驱动器非线性迟滞动态进行了高效辨识建模,实现了带镜面负载的压电陶瓷驱动器相对误差1.8867%的迟滞参数辨识与建模,降低了辨识算法所需时间90%以上,同时克服了负载结构导致辨识信号信噪比低的问题。实验证明,所用方法得到的压电陶瓷迟滞模型能够有效地用于补偿校正压电陶瓷驱动器迟滞非线性动态带来的误差,通过前馈控制器可将压电陶瓷驱动器迟滞引起的镜面面形定位误差降低56.21%,有效地提升了系统性能。

自适应光学系统变形镜控制电压预测

在校正大气湍流畸变波前相差的自适应光学系统中,利用基于Levenberg-Marquardt学习算法的非线性反向传播神经网络技术(LMBP)对变形镜控制电压进行预测。以对受横向风影响的大气湍流畸变波前斜率数据为研究对象,通过数值仿真方法,研究了基于LMBP算法的自适应光学系统变形镜电压非线性预测控制算法。通过实验发现,预测电压和变形镜实际控制电压拟合效果良好。讨论了回溯帧数对预测效果的影响,并与基于递推最小二乘(RLS)算法的线性预测算法进行比较。对比结果表明,基于LMBP算法的非线性电压预测方法比基于递推最小二乘法的线性电压预测方法能更有效地降低系统由伺服延迟引起的误差。

自适应光学波前信号提取

天光背景及系统自身探测器件所引入的噪声对自适应光学系统的探测精度具有较大的影响,为消除这两方面噪声的影响,设计并实现了基于FPGA的波前光斑信号提取系统。该系统通过3个算法模块完成噪声的滤除,中值滤波模块用于去除杂散噪声,Top-hat变换模块用于滤除较为平稳的背景噪声,自适应阈值分割模块用于去除残余噪声。基于FPGA平台进行了系统的实现,在室内的自适应光学精跟踪系统平台上对光斑信号的提取效果及提取前后的精度进行了实验测试,结果表明,该处理平台能较好地提取出目标光斑,处理后的质心精度也较高,且该处理平台的延时较小,能够满足自适应光学系统实时性的要求。

微秒脉冲激光钠导引星星群技术研究(特邀)

激光钠导引星被称为人造恒星,用于探测和校正光波经大气湍流引起的波前畸变,大幅度提高自适应光学望远镜的成像质量。采用单颗钠导引星探测的有效视场范围有限,通过多束黄激光分别激发大气电离层钠原子产生多颗钠导引星,能在较大视场内获得更清晰的目标成像,在精密天文观测、空间目标探测等领域具有重要应用。文中重点介绍了微秒脉冲激光钠导引星星群的产生,基于100 W级微秒脉冲激光,采用小角度精密偏振分光/并束调控的专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束20 W/束、重复频率kHz、脉冲宽度百微秒的钠激光发射到天空,在40"观测视场内生成四颗导引星,星群构型可调控,如线形、平行四边形、菱形和正方形等,每颗钠导引星亮度约为V波段8等星,光斑大小约3.25"。利用脉冲同步控制技术,钠导引星回波信号可以避免瑞利散射光的干扰,从而获得更高的空间分辨率。这为大口径天文望远镜多层共轭校正系统的研制提供技术参考。

基于机器学习的激光自适应光学技术研究进展

高功率激光是自适应光学的重要应用领域,通过控制高功率激光系统实现高光束质量的激光输出是激光自适应光学技术的一项重要目标。自适应光学主要是利用波前传感器和波前校正器来完成对激光畸变波前的探测与校正。近年来,人工智能的发展为自适应光学技术特别是应用于激光领域的自适应光学技术在波前复原、波前预测以及波前校正方面提供了新的思路和工具。梳理了当前自适应光学的智能化发展概况,介绍了机器学习方法在波前复原、波前预测、相位反演和波前控制四个方面取得的研究进展,并对当前研究方法在高功率激光领域中的应用潜力与面临的挑战进行了讨论。

太阳望远镜低时空频率波前像差校正技术

针对大口径太阳望远镜系统运行过程中由于静态位置失配误差、风载弯沉等准静态位置失配误差以及热变形等非失配误差引起的波前像差导致成像质量下降的问题,在对太阳望远镜系统波前像差时空分频的基础上,提出采用次镜刚体位移对太阳望远镜低时空频率波前像差校正的方法,建立起次镜刚体位移与像差校正量的关系,并通过数值仿真及实验验证了采用次镜刚体位移对上述来源像差的校正能力。数值仿真和实验结果表明:次镜刚体位移能够对望远镜系统运行过程中的低时空频率波前像差进行有效校正,其中,对位置失配误差校正后像差RMS值低于原值的9%,对非失配误差校正后像差RMS值低于原值的40%,对多源混合误差校正后像差RMS值低于原值的15%。

基于运动估计的波前畸变预测方法研究

实际自适应光学控制系统中存在的时间延迟,导致校正器生成的校正面形与实际的波前畸变不匹配,产生校正滞后误差。基于大气冻结湍流假设,提出了一种基于运动估计的波前畸变预测方法,来补偿时间延迟带来的影响。方法具体采用模板匹配算法,根据参考帧和当前帧的波前复原图像进行大气湍流运动方向估计,然后对当前帧进行移动处理来实现对下一帧图像的预测。通过采用不同采样频率、不同横向风速度的仿真数据对比,评估预测方法的适用范围,讨论回溯帧数对预测效果的影响。也与采用最小递归二乘(RLS)模式预测方法的预测效果进行比较。仿真结果显示,在波前复原图像变化趋势较为明显的情况下,即横向风对大气湍流变化影响占主导地位时,方法表现更好,使得在天气较为恶劣的情况下仍能保持更佳的预测效果。最后使用实际天狼星观测数据对预测方法进行验证,整体仍保持预测效果。

强天光背景下基于钠导星的大气波前像差探测研究

针对较强天光背景下基于暗弱钠导星的大气波前畸变像差实时探测需求,本文提出了一种综合滤波的主动式波前探测技术,完成了对该技术的理论分析、参数设计及探测能力预估,并将该技术应用于传统哈特曼波前探测器,开展了基于钠导星的大气波前畸变像差探测实验。在约10 W/(m^(2)·sr)的天光背景条件下,实现了基于钠导星同步采样大气波前畸变像差的实时探测。本工作对实际钠导星自适应光学系统应用的工作时段扩展进行了有益尝试。

大口径地基太阳望远镜温度传感器标定方法

热控系统是大口径地基太阳望远镜的重要组成部分,它能最大限度地减小主镜面的视宁度效应和内部视宁度效应。在热控系统中,温度传感器是监控主镜表面、热光阑表面和环境真实温度的“眼睛”,因此,其精度对热控系统乃至整个望远镜的性能均有影响。针对现有商用传感器精确度不高、零点和响应曲线随时间变化而变化等缺陷,在将其组装入太阳望远镜之前,必须先对其进行标定。本工作采用一元线性回归的标定方法,通过修正传感器的响应曲线,从而提高传感器的测量精度。建立相应的实验装置,验证了该标定方法的可行性和有效性。验证结果表明,温度传感器的测量误差由1.5 ℃以上降低到0.05 ℃以下,可以满足大型地基太阳望远镜热控制系统的要求。

一种基于并行化方法的自适应光学闭环预测控制器

自适应光学系统的性能受限于伺服系统的延迟误差和波前传感器的光电子噪声。提出了一种多模型单变量预测模型,该模型采用基于Levenberg-Marquardt学习算法的前馈型神经网络。利用计算机多核处理器,设计了一个具有并行处理能力的预测控制器,来实现对自适应光学闭环控制电压的预测,以消除延迟误差的影响。通过数值仿真实验,研究了预测控制器对控制电压和远场斯特雷尔比的影响,与未采用预测控制器的系统进行了比较,并对预测算法的并行性能进行了分析。实验结果表明,使用并行化方法的预测控制器可以有效缩短系统的预测时间,提高预测算法的加速比,与经典比例积分(PI)控制算法相比可以更有效地降低系统由于伺服延迟引起的误差,远场的斯特雷尔比有明显地提高。

基于能动分块反射镜的两路光纤放大器相位探测及其相干合成实验研究

在光纤激光相干合成中,需要探测各路光束之间的平移误差.提出了一种条纹提取算法,利用此算法能得到准确的相位平移扰动.基于此算法,针对两路光纤放大器测量了毫瓦量级的光纤放大器的相位噪声特性,然后采用高速数字处理电路以及能动分块反射镜完成了平移相位扰动的实时校正.实验结果表明,闭环前后条纹对比度从0.09提高到0.25,平移误相位噪声强度的幅值从1053.4nm降低到116.7nm,系统校正精度达到1/10λ,控制带宽约为50Hz.

基于能动分块反射镜的激光相干合成实验研究

研究自适应光学元件——能动分块反射镜在激光相干合成中对光束平移相位差的校正性能。实验采用信号发生器产生正弦电压经过放大后在分块反射镜上产生平移扰动,通过高速CCD探测远场具有平移扰动的光斑,利用高速数字电路对CCD数据进行实时处理输出闭环反馈电压用于校正平移扰动。实验针对不同频率的扰动信号进行了闭环控制。结果表明,系统可以对频率为50 Hz以下并且振幅大于一个波长的平移相位差扰动进行有效的补偿,在50 Hz扰动下,系统合成效率可达75%。

纳米级针孔矢量衍射波前误差分析

应用哈特曼-夏克(H-S)波前检测仪检测大数值孔径(NA)透镜时,需要采用纳米级针孔产生参考球面波前对H-S传感器进行标定。为了制作出满足要求的高质量针孔,本文对影响参考波前质量的各种要素进行了仿真计算和分析,以获得最优针孔加工参数。基于矢量衍射理论,在会聚高斯光束照射下,计算了针孔厚度和直径大小对衍射波前误差的影响,衍射波前中的像差成份、能量透过率、强度均匀性、针孔加工误差及光束相对针孔中心发生平移、离焦、倾斜时衍射波前误差的变化。分析计算显示,在NA为0.6时,为了使相对于理想球面波的波峰波谷值(P-V)偏差不大于0.005λ(λ=193nm),在实际针孔的加工制作中,应选取材料铬,并取厚度200nm,直径180nm为适宜。

基于B样条函数的快速波前复原

从斜率复原波前是夏克-哈特曼波前传感器这一类斜率采样探测器的核心流程。传统的复原算法中,区域法对局部波前的复原效果好,但易受斜率噪声的影响,同时空间分辨率较低;模式法抗噪能力强,但没有精确复原局部波前的能力。本文提出了基于B样条函数的快速复原算法,将波前展开为B样条曲面的线性组合,并将复原问题从斜率最小二乘问题转化为泊松方程,利用斜率的Taylor展开式估计散度,再通过超松驰迭代法进行快速求解。该方法将B样条函数的理论散度积分和实际散度估计分离,可以方便地扩展到不同阶次和不同节点数量的B样条基复原算法中。另外,通过改变散度估计的计算区域,可以灵活控制并平衡算法的局部复原能力和抗噪能力。对变形镜驱动器响应函数的测量实验表明,该方法具有较好的局部复原能力、抗噪能力和任意精度的空间分辨率。

一种用于光焦度计的椭圆中心快速计算方法

为使光焦度计对光斑质心计算时同时具备高精度和快速的速度,考虑到光焦度计中光斑可能存在变形、部分缺失或二次反射等问题,并且对光斑计算只需要其质心位置的参数,本文提出了一种适用于光焦度计的椭圆中心快速计算方法。该方法通过二值数学形态学提取光斑的边缘,再通过改进的RANSAC方法去除错误的边缘点以进行椭圆拟合,最后根据拟合后的椭圆表达式的系数直接计算椭圆的中心坐标,即光斑的质心。实验结果表明,该椭圆中心计算方法在光焦度计的使用中同时具有较快的计算速度和Hough变换一样高的精度0.01D,适合实际应用。

哈特曼波前传感器的自动孔径搜索与匹配方法

为了使夏克-哈特曼波前传感器(SHWFS)能保证精度的同时又能获得更大的动态范围,介绍了一种用于SHWFS的自动子孔径搜索与匹配算法。该方法在实施时,先根据待测量图像计算背景阈值,然后以减阈值后的图像中心位置的一个光斑为参考光斑的参考中心,按图像的横、纵方向依次搜索其它光斑点,接着将搜索的结果拼接起来得到所有孔径的分布,最后根据两幅图像得到的各自的子孔径分布按横、纵方向平移进行配准,以达到最优的匹配结果。文中利用实验对本论文提出的方法进行了验证。结果表明,本文提出的方法能够实现SHWFS的子孔径搜索与匹配,提高哈特曼的动态范围。

螺旋传动式驱动器的爬行运动分析

依据应用于能动光学系统中的螺旋传动式驱动器,建立了螺旋传动系统中螺纹副的物理模型;由螺纹副之间的摩擦类型,推导出其运动的动力学表达式,详细分析了螺纹副的爬行运动,以及爬行运动发生的判据函数,同时分析了螺纹副各个参数对爬行运动发生的影响。通过对实际螺旋传动系统中的螺纹副进行建模,利用所推导的动力学表达式对其进行分析和优化,同时运用Simulink软件对同一系统进行建模和分析,二者得出相一致的结果。

基于能动分块反射镜的七路激光阵列倾斜校正与相干合成实验研究

提出了一种基于能动分块反射镜(ASM)的激光阵列相位控制新方法,用以解决激光主振荡功率放大(MOPA)器相干合成技术中的空间光束倾斜校准与输出端相位调制两大关键问题。介绍了7单元能动分块反射镜实现空间光调制的原理,并采用该器件成功验证了7路光束合成的方案。实验采用六棱反射锥进行光束合成,并采用两套控制回路分别实现了倾斜与平移校正,获得了小于25μrad和λ/10的校正精度。闭环后,获得了主瓣占总功率31.73%的高质量相干耦合激光输出。

基于全尺度Retinex算法的夜间图像去雾

提出了一种基于全尺度Retinex算法的夜间图像去雾处理模型.首先由暗原色先验理论估计图像的全局透射率,接着将透射率估计值映射为全尺度的环绕函数进而求取照度分量,最后基于Retinex原理进行去雾处理.实验结果表明,该方法能够有效地处理各种夜间非均匀照明条件下的有雾图,同时还能获得图像的全尺度透射率图信息.

大行程变形镜有限元分析

针对自适应光学系统对变形镜行程的更高要求,本文对提高变形镜行程技术进行了分析,提出了一种解决变形镜大行程的方法:匹配、优化变形镜的结构参数;利用有限元软件分析了该结构的各参数对变形镜主要性能指标:最大变形量、交连值及最大应力等的影响。根据分析结果,利用有限元分析方法对一自适应光学望远镜所用变形镜的镜面、驱动器结构参数进行了匹配与优化,结果表明:在现有工艺与技术基础上,通过匹配与优化变形镜的结构参数可大幅提高其行程。