Analysis and demonstration of PID algorithm based on arranging the transient process for adaptive optics

The fastness and robustness of a control algorithm are highly important in the performance of adaptive optics systems. The proportional-integral-derivative control with arranging the transient process, which is designed using a tracking differentiator, is applied into an adaptive optics system. This control algorithm greatly improves the dynamic properties of the control system. To identify the underlying reasons for these improvements, the influence of the control algorithm is theoretically discussed. The control algorithm is verified by a simple adaptive optics system for tip/tilt correction. The experimental results demonstrate that the control algorithm is fast and robust.     

微机械薄膜变形镜校正性能及控制算法

通过对微机械薄膜变形镜影响函数矩阵的奇异值分解,构建了变形镜可以校正的像差模式空间,分析了变形镜对正交基模式的校正能力和校正范围,提出了一种变形镜闭环迭代控制算法。通过对影响函数矩阵低秩近似的方法滤除校正性能较差的基模式的影响,实现了对畸变像差的有选择校正。以人眼出射波前为对象进行实验,通过比较不同模式项数校正时的效果,确定了最优校正模式项数的范围,通过设置残差容限的方法,消除了人眼晃动和眨眼的影响。实验结果表明:控制算法能通过选择合适的校正项数,提高变形镜的校正性能,并获取到了高清晰度的人眼视网膜图像,为眼科疾病诊断和治疗提供了一种新的观察手段。     

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。     

高超声速飞行器前驻点热流数值模拟的物理准则研究

通过建立高超声速飞行器前驻点处沿驻点线的准一维流简化模型,再将头激波后流场分为无粘区和近壁粘性区,然后从N-S方程组出发,利用流场对称性和量级分析方法,最终推导出驻点邻域简化控制方程组,并证明了其流动具有边界层型特征．在此基础上,根据该控制方程组,给出了计算结果应满足的壁面驻点以及沿驻点线的相容关系,成为热流CFD计算准确与否应遵循的物理准则．最后通过算例验证了物理准则作为热流CFD计算可靠性判据的正确性．     

自适应光学系统模式控制动态优化方法

像差校正模式项数是自适应光学系统模式控制算法中的一个重要参数,其大小对补偿效果影响明显。通过对系统响应函数矩阵的奇异值分解构建像差模式空间,以不同控制项数下残余像差的均方根估计为依据确定每次校正的模式项数,提出了一种模式项数动态优化的控制方法。以Hartmann-Shack波前传感器和薄膜变形镜为主要部件搭建自适应光学实验系统,通过拟合不同像差验证上述控制方法,实验结果表明,和固定项模式控制方法比较,动态优化方法校正的系统残余像差更低,可明显提高自适应光学系统的空间拟合性能。     

Physical criterion study on forward stagnation point heat flux CFD computations at hypersonic speeds

In order to evaluate uncertainties in computational fluid dynamics （CFD） computations of the stagnation point heat flux, a physical criterion is developed. Based on a quasi-one-dimensional hypothesis along the stagnation line, a new stagnation flow model is applied to obtain the governing equations of the flow near the stagnation point at hypersonic speeds. From the above equations, the compatibility relations are given at the stagnation point and along the stagnation line, which consist of the physical criterion for checking the accuracy in the stagnation point heat flux computations. The verification of the criterion is made with various numerical results.     

Hartmann－Shack传感器结构参量的自基准标定

提出一种标定Hartmann Shack波前传感器结构参量的新方法,通过基于Zernike多项式的模式复原算法推导出公式,结合实验手段获得相应数据,处理后得到微透镜阵列到CCD之间的距离.该方法有效改善了以微透镜焦距代替实际参量计算斜率引入较大误差的状况,在降低传感器装配准确度要求的同时,提高了Hartmann Shack波前传感器的探测准确度.经实验验证该方法在一般实验条件下即可获得满意效果.     

高超声速压缩拐角峰值热流位置预测模型研究

旨在通过建立高超声速压缩拐角流动的再附点附近的模型理论来揭示峰值热流的产生机理以及如何可靠预测其位置.首先,分析再附点附近流动特征,提出了基于可压缩斜驻点流动模型来近似该处的局部流动.其次,近似求解了该流动模型,发现边界层厚度存在极小值的特征,从而揭示了再附点后峰值热流的产生机理,并由此得到了再附点和峰值热流点间距离的半解析半数值估算方法.最后,对此结果作了数值验证,并做了讨论.      

微机械薄膜变形镜自适应光学系统实验研究

为求出自适应光学系统的最优校正电压, 提出了一种基于改进奇异值分解的闭环迭代控制算法。该算法可通过调节控制参量g1,g2和w,优化模式的收敛速度, 使控制信号快速收敛到一个可靠的局部最优解。搭建基于微机械薄膜变形镜(MMDM)的自适应光学系统, 测量光学影响函数并验证单个电极电压和镜面变形之间的准平方线性关系, 以及各个驱动器电极响应之间的线性叠加性。分别采用模拟眼和人眼出射波前作为原始波前进行实验。实验结果表明, 改进算法能快速有效地对静态或动态畸变波前进行校正, 为基于MMDM的自适应光学系统提供了算法支持。