自适应光学系统的数值模拟：噪音和探测误差的效应

噪音和探测误差是影响自适应光学系统性能的三个主要因素之一。噪音和探测误差使哈特曼－夏克（Hartmann-Shack)波前传感器所测得的华斜量产生误差,进而影响整个自适应光学系统的性能,建立了对噪声和探测误差对哈特曼－夏克波前传感器的影响进行数值模拟的理论模型,编制了计算程序,与已有的激光大气传输与自适应光学系统的计算程序相衔接,进行了模拟计算,对有限的离散采样,读出噪音和光子噪音的效应作了数值模拟研究,获得了一些对于实际的自适应光学系统的最佳设计有价值的结果。     

一种条纹变像管静态电子光学聚焦特性数值模拟

 对ICF实验中条纹相机的重要组件变像管的工作过程进行了介绍,建立了其内部电子光学系统模型,对其静态电子光学特性进行了数值模拟。模拟软件采用ANSYS,数值计算基于有限元数值计算方法,并利用哈密顿原理求解泛函,在控制计算精度的基础上,得出了该电子光学系统的内部静电场分布和轴上电位分布,同时对静态条件下的电子轨迹进行了模拟计算。结果显示了与理论解析结果很好的相似性,同时初步探索了电极尺寸及电压参数对成像的影响。结果表明,电压参数的改变对光电子成像的影响要更大一些。     

快速响应的硅基纯相位液晶器件对动态大气湍流波前的校正能力研究

液晶相位调制器的响应时间延迟是影响液晶自适应光学系统性能的一个主要因素, 为了提高系统的响应速度, 开发了一种快速响应的向列相液晶材料, 并制成了反射式硅基液晶器件(LCOS). 分析了该LCOS的相位调制特性及其对静态畸变波前和扰动波前的校正能力. 首先, 测量了LCOS的电光响应特性, 得出其780 nm相位调制量的响应时间为2 ms. 其次, 测量了LCOS的相位调制特性, 并对相位调制进行了线性化处理. 再次, 测量了用该LCOS搭建的液晶自适应光学系统的闭环和开环3 dB带宽, 它们分别为16和18 Hz. 最后, 给出了开环液晶自适应光学系统校正大气湍流的数值模拟结果, 结果表明. 系统的Strehl比由校正前的0.025上升到了校正后的0.225. 因此, 该液晶自适应光学系统可以对Greenwood频率为30 Hz以下的大气湍流进行较良好的校正.     

微波耦合场测量圆环探头的接收特性

 为了准确测量腔体等封闭狭小空间内微弱耦合电磁场,对一般小型圆环同轴探头的连接端面进行斜面剖分优化处理。采用时域有限差分方法,模拟了在电磁脉冲平面波激励下,圆环斜面探头所感应电压的时域变化过程。通过数值模拟计算,对比分析了３种不同角度斜面圆环探头的电磁接收频率响应特性,得出带有15°斜面圆环探头的高频接收性能相应提高2~5 dB。开展直径40 mm圆环15°斜面探头的电磁接收测量实验,并与相应计算结果进行对比分析,其二者整体变化趋势基本吻合,从而验证了数值计算分析探头电磁接收特性结果的准确性。     

自适应光学系统的模式法数值模拟

建立了利用模式法笃自适应光学系统进行数值模拟的理论模型，编制了计算程序，并与激光大气传输计算程序衔接起来，进行了大量数值模拟计算。首次发现：存在泽尼特多项式展开的最佳项数。大于一定项数的展开式的效果迅速变坏，竖排和斜排经特面式展开有类似的结果。文献中认为可以采用的１５项经特多项式展开的效果不好，最佳项数随着横向风速的增加而减小，在风速较大时最佳项数下的模范地结果稍好于直接斜率控制法的结果。     

多层共轭自适应光学系统中等晕角的计算

介绍了多层共轭自适应光学(MCAO)系统的基本原理及其对提高自适应光学系统的等晕角的作用。介绍了用计算机模拟计算MCAO等晕角所用的数值方法,并给出了相应的算法。计算了在传统的自适应光学系统中的等晕角的大小以及采用多层共轭技术的自适应光学系统的等晕角的大小,并对二者进行了比较,说明了多层共轭自适应光学系统相对于传统的自适应光学系统在提高系统的等晕角方面的优越性。结果表明,在MCAO中,变形镜的个数越多其等晕角越大。     

曲率型自适应光学系统对低阶Zernike像差校正能力

数值模拟了37单元曲率型自适应光学系统的波前校正过程,分析了该系统对低阶Zernike像差的校正效果,结果表明:低阶Zernike像差均能够得到较好的校正。分别对曲率为零和不为零的Zernike像差校正效果进行了对比分析,结果发现:曲率为零的Zernike像差同样可以被曲率型自适应光学系统校正,而且效果好于曲率不为零的Zernike像差校正。     

传输线脉冲变压器的频率响应

 采用等效方法简化了多级传输线脉冲变压器（TLT）电路,建立了简单的TLT频率响应分析电路。在此基础上,由传输线两端口网络模型推导得到了TLT的频率响应计算公式,并计算了TLT的频率响应曲线。依据简化后的电路,对TLT的频率响应进行了数值模拟分析,数值分析与理论计算结果一致性很好。两种分析所得结果均表明,次级线电感和杂散电容取值适当时,TLT具有良好的频率响应能力。当次级线电感为6 mH和杂散电容为8 pF时,其频率响应范围可以达到30 kHz~1 GHz。     

Zemax与Matlab动态数据交换及其应用研究

为了将Zemax的光学系统设计和分析功能与Matlab强大的矩阵计算和数据分析功能很好地结合起来,对Matlab和Zemax的DDE（dynamic data exchange 动态数据交换）通信技术进行了研究,并将其应用于计算机辅助调腔技术的数值模拟过程中。通过动态数据交换完成Matlab对Zemax的控制,实现了二者之间的数据传递,即在Matlab的控制下,实现对光学系统结构的改变,并获取输出光束的Zernike多项式系数值,从而大大方便后续数据处理工作。同理,其逆过程可以将计算得到的结果反馈到光学系统中,用于系统优化。二者的动态数据交换技术可提高研究过程中数据的可靠性和工作效率。     

基于随机并行梯度下降算法自适应光学系统的校正残差分析

对自适应光学系统随机并行梯度下降控制的校正残差进行了分析。通过对随机并行梯度下降(SPGD)算法校正静态像差的数值模拟,定标出了算法收敛时间与系统变形镜校正单元数的关系。建立了基于随机并行梯度下降算法自适应光学系统的简化控制模型,根据湍流大气的时间功率谱,推导了算法收敛时间与校正残差之间的解析表达式。结果表明,采用N个校正单元的自适应光学系统补偿Greenwood频率大小为f_G的大气湍流带来的动态像差,为保证校正残差σ~2λ/10,随机并行梯度下降算法的迭代速率需大于86 Nf_G。根据一组典型的计算结果指出了自适应光学系统随机并行梯度下降控制作用距离的有限性。     

Nonlinear parametric effects and dynamic chaos in a nonautonomous oscillating system with a nonlinear capacitance

A mathematical model is constructed of a nonautonomous dynamic system containing a nonlinear capacitance and possessing a four-dimensional phase space. A numerical investigation is performed of branching processes and phenomena accompanying variations in the frequency and amplitude of an external force. The existence of complex dynamic processes that are a combination of a nonlinear force resonance and a parametric resonance is demonstrated. It is found that both a strange chaotic and a strange nonchaotic attractor exist in the phase space. It is shown that, in the case of a single-frequency external force, the latter attractor exhibits the property of roughness. The results of numerical calculations are confirmed by the results of laboratory experiments.     

Combinational-deformable-mirror adaptive optics system for compensation of high-order modes of wavefront

A new kind of adaptive optics (AO) system, in which several low spatial frequency deformable mirrors(DMs) with optical conjugation relationship are combined to correct high-order aberrations, is proposed.The phase compensation principle and the control method of the combinational AO system are introduced.The numerical simulations for the AO system with two 60-element DMs are presented. The results indicate that the combinational DM in the AO system can correct different aberrations effectively as one single DM with more actuators, and there is no change of control method. This technique can be applied to a large telescope AO system to improve the spatial compensation capability for wavefront by using current DM.     

Integrated design of piezoelectric damping system for flexible structure

This paper aims at developing an integrated design method of the active/passive hybrid type of piezoelectric damping system for reducing the dynamic response of the flexible structures due to external dynamic loads. The design method is based on the numerical optimization technique whose objective function is a control effort of the active damping. A vibration suppression performance, which is evaluated by the maximum value of the gain of the frequency response function of the structure, is constrained. In order to demonstrate the structural damping capability of the hybrid type of piezoelectric damping system designed by proposed method, numerical simulation and laboratory experiment will be done using a three-story flexible structure model equipped with 12 surface bonded PZT tiles pairs. Both numerical and experimental results indicate that the optimally designed hybrid piezoelectric damping system can be successfully achieving excellent performance as compared to a conventional purely active piezoelectric damping system.     

Hilber-Hughes-Taylor-α法在接触约束多体系统动力学中的应用

以柔性梁在重力作用下绕转动铰做大范围定轴转动,并与刚性平面发生碰撞这一动力学过程为例,对Hilber-Hughes-Taylor(HHT-α)法在求解含接触约束的柔性多体系统动力学方程时的数值特性进行了研究.系统运动过程的全局动力学仿真由常微分方程组和微分-代数方程组的数值求解构成.柔性梁在无碰撞阶段系统动力学方程是一组常微分方程组.采用接触约束法模拟接触约束过程,系统的动力学方程为指标3的微分-代数方程组.采用HHT-α法对的该微分-代数方程组进行求解,并与Baumgarte违约修正法进行比较.分析了HHT-α法自由参数和违约修正常数对计算效率、动力学响应和系统机械能的影响,并对数值积分方法对模态截断数的敏感度以及速度约束和加速度约束的违约程度进行了分析.结果表明,违约修正常数对仿真结果影响非常明显,而HHT-α法的自由参数α对动力学响应的影响较小,从而避免了违约修正常数对数值积分结果的影响.HHT-α法的自由参数α可以消除碰撞高频模态的影响.     

一个新四维非自治超混沌系统的分析与电路实现

在以Lorenz系统为基础的一个新超混沌系统上,加入一个驱动信号,组成了一个四维非自治超混沌系统.该系统基本动力学特性的变化,主要是通过控制外界输入信号的频率实现的.在不同的频率参数下,该系统体现出了周期轨、二维环面、混沌以及超混沌不同的动力学特性,其中周期轨特性较为显著.这个现象在数值仿真以及分形分析上得到了很好地验证.最后设计一个模拟电路,通过实验结果进一步验证了与数值仿真的一致性.     

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。     

基于分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学

基于随机并行梯度下降(SPGD)方法的自适应光学(AO)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。为了提高这种无模型优化自适应光学系统的收敛速度, 提出了基于分区域耦合的新方法以改进传统随机并行梯度下降自适应光学系统的工作方式。将波前校正器光学孔径分成多块子区域, 每块子区域对应着的所有驱动器作为一个整体控制单元, 从形式上可以得到一个空间分辨率较低的分区域波前校正器。该校正器与原校正器同步工作, 并采用随机并行梯度下降算法对同一个性能评价函数进行优化, 从而构成了双校正器的耦合工作结构。对256单元分立活塞式波前校正器建立了自适应成像系统的数值模型, 结果表明这种分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学系统比传统随机并行梯度下降自适应光学系统具有更快的收敛速度和更好的渐近态。     

弹性管束换热器动态特性分析及仿真系统设计

在对弹性管束换热器进行合理简化和分析的基础上得到了描述其工作物理过程的数学模型,对其动态特性进行 了理论分析和数值求解,确定了当进水流量和蒸汽压力发生扰动时,弹性管束换热器出水温度的动态响应规律。为该类型 换热器控制系统的设计提供了依据。本文开发的仿真环境也可用于其它换热设备的动态特性模拟。     

Hysteresis-induced bifurcation and chaos in a magneto-rheological suspension system under external excitation

The magneto-rheological damper(MRD) is a promising device used in vehicle semi-active suspension systems, for its continuous adjustable damping output. However, the innate nonlinear hysteresis characteristic of MRD may cause the nonlinear behaviors. In this work, a two-degree-of-freedom(2-DOF) MR suspension system was established first, by employing the modified Bouc–Wen force–velocity(F –v) hysteretic model. The nonlinear dynamic response of the system was investigated under the external excitation of single-frequency harmonic and bandwidth-limited stochastic road surface.The largest Lyapunov exponent(LLE) was used to detect the chaotic area of the frequency and amplitude of harmonic excitation, and the bifurcation diagrams, time histories, phase portraits, and power spectrum density(PSD) diagrams were used to reveal the dynamic evolution process in detail. Moreover, the LLE and Kolmogorov entropy(K entropy) were used to identify whether the system response was random or chaotic under stochastic road surface. The results demonstrated that the complex dynamical behaviors occur under different external excitation conditions. The oscillating mechanism of alternating periodic oscillations, quasi-periodic oscillations, and chaotic oscillations was observed in detail. The chaotic regions revealed that chaotic motions may appear in conditions of mid-low frequency and large amplitude, as well as small amplitude and all frequency. The obtained parameter regions where the chaotic motions may appear are useful for design of structural parameters of the vibration isolation, and the optimization of control strategy for MR suspension system.