光纤激光相干合成高速高精度相位控制器

基于随机并行梯度下降算法（SPGD）和现场可编程逻辑阵列（FPGA）设计制作了相干合成（CBC）相位控制器。理论分析表明,该控制器单次迭代速率大于1.125 MHz,对于2路和16路相干合成,其平均控制带宽的理论值分别大于70 kHz和9 kHz,与现有的SPGD算法相位控制器相比有了量级上的提高。利用该控制器进行了验证性实验,表明该控制器能够实现高速高精度相位控制。当利用相位控制器对两路激光的相位进行锁定时,目标圆孔内能量提高了1.51倍,远场光斑对比度提高了5.29倍。     

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。     

自适应光学中SPGD算法关键参数实时调节方法

介绍了随机并行梯度下降（SPGD）算法及其在相干合成中的应用,针对实验中算法关键参数难以调节的难点,提出采用软硬件结合的新方式,实现对实验数据的在线采集和分析以及对SPGD算法关键参数的自动实时调节。开展了4路光纤激光相干合成实验,对不同调节方法进行对比。实验中采用新方式有效调节了SPGD算法中增益系数和随机扰动幅度的取值,合成效果显著。     

随机并行梯度下降光束净化实验研究

利用自适应光学技术进行光束净化是高能激光系统中一项重要的研究内容.为实现光束净化系统的小型化和低成本,基于系统性能评价函数无模型最优化的波前畸变校正方法是适合的技术方案.就随机并行梯度下降(SPGD)最优化算法在光束净化系统中的应用展开研究.针对高能激光束常见的像差分布进行了SPGD波前校正的数值模拟,在此基础上构建了37单元自适应光学光束净化实验平台,讨论了双边扰动梯度估计和迭代增益系数自适应变化对算法收敛特性的影响.数值模拟与实验结果验证了SPGD算法对不同程度波前畸变的校正能力,表明了SPGD光束净化方案的可行性.     

基于FPGA的浮点指数函数算法研究与实现

基于FPGA的核电站仪控设备中涉及大量浮点指数运算,而常用的CORDIC算法和线性逼近法等存在计算范围小、计算精度不高等问题,对FPGA硬件实现指数函数的方法进行研究,并提出一种改进的级数近似法。该方法对输入进行预处理,将输入分解后采用查找表和泰勒级数展开结合的方法,在展开很少项数的情况下快速收敛,发挥查找表法和级数近似法的优势,提高算法的运算精度和效率。在Matlab环境下对改进算法的有效性进行仿真验证,且采用Verilog语言进行编程实现,在Microsemi公司的IGLOO2系列FPGA上进行具体算法性能验证。Matlab仿真和FPGA验证结果均表明,改进的级数近似法能够大幅增大指数函数的自变量输入范围,并提高计算精度。     

基于随机并行梯度下降算法光纤激光相干合成的高精度相位控制系统

随机并行梯度下降(SPGD)算法是实现大功率主振荡功率放大器相干合成的有效手段之一.分析了SPGD算法用于相干合成的基本原理,设计了基于SPGD算法的相位控制系统,给出了基于该SPGD控制器的相干合成实验结果.理论分析表明,SPGD算法控制器的迭代速率为200kHz,对于两路相干合成的平均控制带宽大于12.5kHz,最优控制精度可达1/179个波长.实验表明,SPGD控制器能够实现高速的相位控制.在相位噪声幅度大于1/10个波长、频率为3kHz的情况下,有效地实现了两路激光的相位锁定,相位残差控制在1/25个波长内.     

基于随机并行梯度下降算法的相干合成动态相差控制与带宽分析

分析随机并行梯度下降(SPGD)算法用于多路大型固体激光装置相干合成中校正动态相差的能力。首先介绍了SPGD算法实现相干合成的基本理论,利用数值模拟方法对算法进行了优化,实现了两路基于SPGD算法的波长为800nm、带宽为30fs光束的相干合成实验,验证了在外加10,15,20,25Hz动态相差条件下算法的特性,并进一步模拟了动态活塞相差和指向性相差的校正过程,分析了不同相位噪声强度和频率对校正能力的影响,计算了控制带宽与光束路数、算法执行速度之间的关系。结果表明:远场强度分布的平方和是高能短脉冲激光相干合成的最佳性能评价函数;采用自适应增益的方式时,在保证算法稳定性的前提下,提高了算法的收敛速度;随着相位噪声强度和频率的提高,算法的有效控制带宽减小;算法执行速度越快,光束路数越少,则算法控制带宽越大;受限于器件性能,SPGD算法不适用于4路以上带宽为30fs激光阵列的相干合成。     

基于JASMIN平台的复合材料方舱SE快速评估

在时域有限差分（FDTD）法中采用亚网格边界条件（SGBC）法对复合材料薄层结构进行建模,可以突破复合材料薄层对空间步长的限制从而大大降低计算成本。基于大规模并行化平台JASMIN实现了SGBC-FDTD算法,通过对复合材料薄层结构的自动建模和适配,实现对复合材料薄层的快速并行化处理。利用所开发的并行SGBC-FDTD算法计算分析了含不同电磁特性复合材料薄层方舱在0.1～1.0 GHz内的电磁屏蔽效能,结果表明采用并行SGBC-FDTD算法的计算结果与全波分析软件计算结果吻合完好,且计算效率显著提升。     

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Zernike模式的随机并行梯度下降算法的收敛速率

为了加快控制变形镜进行波前整形的随机并行梯度下降（SPGD）算法的收敛速率,提高实时波前整形能力,本文利用由12阶Zernike多项式构成的畸变波前和32单元变形镜建立了仿真模型。基于Zernike多项式的单位正交性,得到了两个常数矩阵,当斯特列尔比（SR）达到0.8时,需要算法迭代660次,简化了算法的运算过程,加快了算法运行时间。通过Matlab7.8.0对6种SPGD算法进行仿真对比,结果显示：当SR要求不高时,可使用间接固定双边SPGD算法来提高收敛速度;当SR要求较高时,则应当使用间接自动双边SPGD算法。提出的算法为实际的激光整形提供了理论指导。     

Bandwidth analysis and improvement of the beam phasing of fiber amplifiers using the stochastic parallel gradient descent algorithm

We present the numerical analysis and improvement of the bandwidth of the beam phasing of fiber amplifiers using the stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm. Time-varying phase distortions are incorporated into the dynamic simulation. It is shown by numerical calculation that the bandwidth of the standard SPGD algorithm is dependent on the phase distortions and on the number of lasers. The time-averaged cost function will decrease with an increase in the amplitude and frequency of phase distortions, and in the number of lasers. A cross-grouped SPGD algorithm is proposed, which offers attractive performance due to its robustness to various time-varying phase distortions and faster convergence rate for beam phasing of larger number of lasers. Dynamic simulation shows that the control bandwidth can be improved using the cross-grouped SPGD algorithm.     

基于NiosII的红外图像灰度变换系统设计

提出了一种基于NiosII的红外图像灰度变换设计方案,并详细介绍了红外图像灰度变换算法以及系统硬、软件设计以及实现方法。针对红外图像的特点,提出了一种基于平台直方图均衡的红外图像灰度变换算法,并在CycloneII系列FPGA上实现了该算法,其处理单元采用嵌入式处理器软核NiosII。实验结果表明,该系统能很好地实现红外图形灰度变换,并在一定程度上抑制了背景,提升了目标。     

自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法实验研究

随机并行梯度下降算法是一种极具应用潜力的自适应光学系统控制算法,具有不依赖波前传感器直接对系统性能指标进行优化的特点。基于32单元变形镜、CCD成像器件等建立自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法实验平台。考察算法增益系数和扰动幅度对校正效果和收敛速度的影响,验证随机并行梯度下降算法的基本原理。实验结果表明参量选取合适的情况下,随机并行梯度下降控制算法对静态或慢变化的畸变波前具有较好的校正能力。根据实验结果分析了影响随机并行梯度下降算法校正速度的主要因素。     

Coherent Beam Combining of Three Watt-Level Fiber Amplifiers Using a DSP-Based Stochastic Parallel Gradient Descent Algorithm

We present an experimental study on coherent beam combining of three watt-level fiber amplifiers using a stochas- tic parallel gradient descent （SPGD） algorithm. Phase controlling is performed by running the SPGD algorithm on a digital-signal-processor （DSP） chip with a voltage updating rate of 16500 times per second. Energy encircled in the target pinhole is 2.62 times more than that in an open loop. The combining efficiency is as high as 87%.     

脉冲步进调制高压电源远程通讯与反馈控制系统研究

为了满足 HL-2A 装置二级加热系统的高压电源系统的要求,开发了脉冲步进调制(PSM)高压脉冲电 源控制系统。PSM 电源控制系统采用数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列器件(FPGA)组合控制方式,总计 输出 112 路脉冲。DSP 芯片实现计算、反馈、远程通信等功能,FPGA 主要负责与 DSP 的数据传输及 112 路脉冲 输出的时序控制功能。利用控制器局域网络(CAN)总线实现上位机与 DSP 之间的远程通信功能,上位机采用 LABVIEW 软件实现相关参数的设定与远程通讯。测试结果表明,该控制系统能够实现远程通讯功能,具备快速 的反馈控制功能,满足实验要求。     

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。     

基于FPGA的雾霾视频图像实时复原系统研究

针对雾、霾等恶劣气象条件下, 视频监控等户外视频设备对视频图像实时复原的需要, 提出一种快速图像复原算法的FPGA实现方法, 通过适当降低算法复杂度达到了降低时间开销和硬件实现复杂度的目的。通过将一帧视频分解成3×3小窗口进行运算, 以窗口中心像素的流水计算替代一帧视频像素计算, 使每个像素在3个时钟周期内完成全部运算, 确保了系统能够实时复原, 降低了复原模块对硬件的开销。实验证明:FPGA处理结果和MATLAB处理的结果相符, 可以在保证除雾效果的前提下, 实时处理分辨率为640×480视频并以29帧/s速度流畅显示。     

基于SOGI-FLL算法的油田电网动态无功补偿对策研究

为了解决油田无功补偿装置爆电容现象,本课题在现有无功补偿装置存在问题的基础上,提出了采用晶闸管投切电容器与静止无功发生器相结合的补偿方案。将SOGI－FLL算法应用于电压精准锁相和无功功率的准确计算中,其结果分别用于确定matlab仿真模型中晶闸管投切电容器的投入时刻和提供静止无功发生器的控制参考信号,从而实现谐波和无功电流的有效控制。仿真结果表明,该方案不仅实现了无功功率的有效补偿,而且进一步降低了油田配电网无功损耗,提高了功率因数。