环形激光光束的波前复原算法比较

 针对环形激光光束净化自适应光学系统中的波前传感器子孔径与变形反射镜驱动器布局，仿真比较了直接斜率法、区域法的Fried模式和Southwell模式三种波前复原算法, 其中, 直接斜率法的波前校正能力及稳定性均为最好。     

微加工薄膜变形镜本征模分析

 介绍了变形镜本征模的构造过程及其特点，分析了从荷兰OKO公司购买的37单元微加工薄膜变形镜的本征模，并用前65阶Zernike多项式分析微加工薄膜变形镜的37阶本征模的特性。搭建了以微加工薄膜变形镜作为波前校正器、变形镜本征模为波前复原控制算法以及高分辨率Shack-Hartmann波前传感器为波前探测器的自适应光学实验系统。实验结果表明：变形镜本征模可以实现模式筛选，也可作为自适应光学系统的波前复原算法。     

自适应光学系统的最优斜率复原算法

分析了自适应光学系统的波前斜率校正效果，综合大气湍流扰动和测量噪声的统计特性，在最小二乘复原算法的基础上推导得出一种形式简洁、易于实际操作的最优斜率复原算法。在大气湍流波前扰动条件下，对这种最优斜率复原算法的补偿效果和工作稳定性进行了计算研究。     

基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法

激光在大气中传输时,由于强湍流或长传输距离的影响,畸变波前中出现由相位起点组成的不连续相位,现有波前复原算法不能有效复原不连续相位,使得自适应光学系统校正效果下降甚至失效.本文分析了最小二乘波前复原算法不能复原相位奇点的原因,提出了基于瀑布型多重网格加速的复指数波前复原算法,给出了复指数波前复原算法中迭代计算、降采样、插值计算的实现方式.研究了该方法对不连续相位和随机连续相位的复原能力,数值分析了采用复指数波前复原算法的自适应光学系统对大气湍流像差的校正效果.仿真结果表明,同等复原精度下,相比直接迭代过程,该方法所需浮点乘数目减少了近2个数量级,且随着夏克-哈特曼波前传感器子孔径数目增加,其在计算量上的优势更加明显. Rytov方差较大时,相比直接斜率法,自适应光学系统采用复指数波前复原算法后校正光束Strehl比提升1倍.     

测量噪声对波前重构精度的影响

 Hartmann-Shack波前传感器斜率测量误差是自适应光学系统中影响波前重构精度的一个主要误差来源。针对模式法波前重构算法,推导出了普遍适用的模式法波前重构误差传递系数计算公式;利用61单元自适应光学系统中的Hartmann-Shack波前传感器测量的斜率数据,验证了模式法波前重构误差传递系数计算公式的正确性。     

波前校正器和波前传感器的匹配

自适应光学系统中，波前校正器和波前传感器的形式、对应关系以及波前复原法的选择，对波前复原的效果都是有影响的。介绍了动态Ｈａｒｔｍａｎｎ—Ｓｈａｃｋ传感器方式下，以分立驱动器和连续表面变形镜为校正元件，采用直接斜率法波前复原过程的计算机模拟实验．研究了多种变形镜驱动器和探测子孔径的对应布局关系，得出每个孔径主要受三个驱动器控制的布局原则．     

基于变形镜本征模式法校正大气热晕的数值模拟

由于相位补偿不稳定性的存在,大气热晕效应的相位校正一直是研究人员十分关心的问题。对变形镜驱动器影响函数耦合矩阵进行正交化获得了按照空间频率划分的变形镜本征模式,建立了采用变形镜本征模式进行波前重构的数值模型,对基于该波前重构方法的自适应光学系统校正大气热晕进行了数值模拟。数值模拟结果表明,与直接斜率法相比,变形镜本征模式法可以通过本征模式的选择,改变校正相位的空间频率成分,消除空间高频成分对热晕校正的影响,从而抑制相位补偿不稳定性的发生,提高自适应光学系统闭环控制的稳定性和对大气热晕的校正效果。     

直接斜率法波前拟合和复原误差的仿真分析

报道了利用数值仿真方法对自适应光学系统补偿激光传输湍流效应中的波前拟合和复原误差的计算分析。计算结果表明，在利用波前斜率进行波前复原的实际自适应光学系统中，波前复原误差是利用波前最小方差法计算的波前拟合误差的１．２４倍。     

两种自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差

利用直接波前斜率法和变形镜的电压一面形响应特性，研究了常规自适应光学系统和共光路／共模块(CP／CM)自适应光学系统中哈特曼波前传感器与变形镜的对准误差。常规自适应光学系统中，可以用重新测量变形镜的影响函数以减小对准误差的影响，虽并不能消除其影响，但系统都会有很大的调整容差；共光路／共模块自适应光学系统中采用不同的双哈特曼数据处理方法，哈特曼波前传感器与变形镜的对准精度对系统校正能力影响是不同的，采用加修正因子斜率融合法和电压融合法由于在数据融合时考虑了两台哈特曼传感器与变形镜对准的差异，所以对准误差的影响与在常规自适应光学中相同，系统都会有很大的调整容差，而采用直接斜率融合法的共光路／共模块系统由于是建立在两台哈特曼传感器完全一致的假设基础上，所以对对准精度的要求是很高的。分析过程中给出了相应的数值计算结果。     

直接斜率波前控制算法的模式校正效果分析

建立了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶泽尼克模式间的动态关系,通过对比系统对大气湍流畸变波前各阶泽尼克模式的功率谱抑制函数,揭示了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶模式校正效果间的差异,并初步分析了造成这种差异的原因。用在61单元自适应光学系统上取得的实验结果验证了理论分析结果。     

自适应光学系统几种随机并行优化控制算法比较

 直接对系统性能指标进行优化是自适应光学系统中一种重要的波前畸变校正方法,选择合适的随机并行优化控制算法是该技术成功实现的关键。以32单元变形镜为校正器,基于多种随机并行优化算法建立自适应光学系统仿真模型。从算法的收敛速度、校正效果、局部极值3个方面对遗传算法、单向扰动随机并行梯度下降、双向扰动随机并行梯度下降及模拟退火算法进行了比较。仿真结果表明,遗传算法收敛速度太慢,不适用于需要实时控制的自适应光学系统;双向扰动随机并行梯度下降算法收敛速度、校正效果要优于单向扰动随机并行梯度下降,且能够适应各种情况下的扰动电压;模拟退火几乎以概率1收敛到全局极值附近,且收敛速度是上述算法中最快的。     

螺旋锥束CT中两种解析重建算法的研究

 研究了锥束螺旋Katsevich和FDK重建算法,并对这两种算法进行比较。实验结果表明：当投影数据没有噪声的时候,FDK算法和Katsevich算法均能取得较好的效果,当对实际物体进行重建的时候,投影数据含有噪声, Katsevich算法需要对投影数据求导,而它对投影数据的噪声较敏感,重建质量有所下降。     

In situ investigation on rapid microstructure evolution in extreme complex environment by developing a new AFBP-TVM sparse tomography algorithm from original CS-XPCMT

A new sparse tomography method for observing the rapid internal microstructure evolution of material, called the Algebraic Filtered-Back-Projection and Total Variation Minimization (AFBP-TVM) iteration sparse reconstruction algorithm, was proposed in this paper. The new algorithm was developed by combining the two techniques of the Algebraic Reconstruction Technique (ART) and the Filtered-Back-Projection (FBP) on the basis of analysis in linear space. A series of numerical reconstruction experiments were conducted to validate the new algorithm. The results indicated the new algorithm can obtain satisfactory reconstruction images from 1/6 of the projections that were used in traditional algorithms. So the time spent on projection acquisition process can be reduced to 1/6 of that in traditional tomography method. The quality of images reconstructed by new algorithm was better than other algorithms, which was evaluated by three quantitative parameters. The normalized average absolute distance criterion and the normalized mean square criterion, which were used to evaluate the relative error of the reconstruction results (smaller value means better quality of reconstruction), decreased from 0.3758 to 0.1272 and from 0.1832 to 0.0894 respectively. The standardized covariance criterion, which was used to evaluate the similarity level (greater value means higher accuracy of reconstruction), increased from 92.72% to 99.30%. Finally, the new algorithm was validated under actual experimental conditions. The results indicated that the AFBP-TVM algorithm obtained better reconstruction quality than other algorithms. It meant that the AFBP-TVM algorithm may be a suitable method for in situ investigation on material's rapid internal microstructure evolution in extreme complex environment.     

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描述了HL-2A等离子体实时平衡重建的GPU并行化算法,主要包括G-S方程的并行化处理、三对角方程求解、网格边界磁通计算以及一系列矩阵相乘的并行加速.并行后,在129×129的网格下完成一次迭代计算需要约575μs.     

层析成像图像重建算法综述

介绍了层析成像技术的图像重建算法,并从正向问题数学模型的简化和反向问题数学模型的映射结构的角度比较了各种算法的特点和优劣。研究表明:用本质是线性算法的各种变换方法重建图像存在严重失真,而卷积滤波的引入可以使变换方法的重建效果有所改善;基于导数搜索的迭代算法对初始值依赖性强、收敛速度慢并且容易陷入局部最优解;基于Fourier变换的方法具有本质的局限性;小波变换则可以同时刻画图像时域和频域的细节特征;有限元法通过重建对象像素的智能划分可以简化正问题的复杂性;而具有物理背景的蒙特卡罗法、模拟退火法、遗传算法、粒子滤波法及神经网络法更适合于复杂且非线性的图像重建;智能化、仿生化、并行化以及各种算法的融合是层析成像图像重建算法的发展趋势。     

HL-2A等离子体实时平衡重建的GPU并行化

描述了HL-2A等离子体实时平衡重建的GPU并行化算法,主要包括G-S方程的并行化处理、三对角方程求解、网格边界磁通计算以及一系列矩阵相乘的并行加速。并行后,在129×129的网格下完成一次迭代计算需要约575μs。     

粒子场数字全息诊断中的再现算法研究

 粒子场的数字全息诊断中,良好的再现算法能够在较短的时间内给出高质量的再现像。利用标准粒子板模拟单层面的粒子场,使用大面阵CCD实现同轴数字全息记录,得到了大尺寸的数字全息图。针对4种数字全息再现算法,本文从再现图像的质量、再现全息图的大小和计算速度3个主要方面进行了比较研究,结果表明角谱算法(FFT-AS)具有再现图像背景均匀,再现结果中无物理图像压缩,可以再现大尺寸的全息图且具有较快计算速度的优点,适合于粒子场同轴数字全息图的再现计算。     

哈特曼夏克传感器的泽尼克模式波前复原误差

利用哈特曼－夏克传感器测量圆孔径内波像差时，通常使用泽尼模式复原算法。推导了一般情况下哈特曼－夏克传感器泽尼克模式波前复原误差的计算公式。用哈特曼－夏克传感器测量一个像差板的随机静态像差，通过与ZYGO干涉仪的测量结果比较，得到不同泽尼克模式复原阶数下的波前复原误差的实验结果，并与理论计算结果进行了对比。     

High precision Zernike modal gray map reconstruction for liquid crystal corrector

This paper proposes a new Zernike modal gray map reconstruction algorithm used in the nematic liquid crystal adaptive optics system. Firstly, the new modal algorithm is described. Secondly, a single loop correction experiment was conducted, and it showed that the modal method has a higher precision in gray map reconstruction than the widely used slope method. Finally, the contrast close-loop correction experiment was conducted to correct static aberration in the laboratory. The experimental results showed that the average peak to valley (PV) and root mean square (RMS) of the wavefront corrected by mode method were reduced from 2.501\lambda (\lambda =633~nm) and 0.610\lambda to 0.0334\lambda and 0.00845\lambda , respectively. The corrected PV and RMS were much smaller than those of 0.173\lambda and 0.048\lambda by slope method. The Strehl ratio and modulation transfer function of the system corrected by mode method were much closer to diffraction limit than with slope method. These results indicate that the mode method can take good advantage of the large number of pixels of the liquid crystal corrector to realize high correction precision.