用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法

提出了一种用于衍射光学元件优化设计的混合遗传迭代爬山算法,该算法将迭代量化傅里叶变换算法融入到遗传算法中,然后在整体遗传算法结束后,对找到的当前最优解再用爬山法进行局部寻优,从而得到最优的衍射光学元件表面相位分布.用该混合方法设计了衍射光学元件,可以将入射的高斯光束整形成方形的均匀光斑.模拟结果表明:该混合算法具有收敛速度快、设计准确度高等优点.相比于其它设计方法,本文提出的方法能较好地改善整形效果,特别适用于光束整形的衍射元件设计.     

用SA-BIWP混合算法设计三维圆环光束的BOE

提出用模拟退火—体迭代混合算法（SA-BIWP）设计二元光学元件（Binary Optical Element-BOE）,实现了将入射平面波整形为圆环光束输出,并使该圆环光束在沿轴向一定距离的范围内保持光强分布不变.模拟计算表明,该混合算法对设计控制波前在三维空间传播的BOE具有良好的通用性.     

一种用于光束整形的衍射光学元件设计算法

在光束整形衍射光学元件的设计中,为同时减小输出光束的均方根误差和顶部不均匀度值,提出了模糊控制迭代算法(IAFC)。在盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton,G-S)算法的基础上,提出了平滑修正法,可有效改善输出光束的顶部均匀度,但却增大了均方根误差值。模糊控制迭代算法依据模糊控制理论,通过有效结合盖师贝格-撒克斯通算法和平滑修正法来同时降低均方根误差和顶部不均匀度值。计算机设计的结果表明,利用模糊控制迭代算法可以得到非常理想的输出光束,其均方根误差和顶部不均匀度值分别为0.75%和0.46%,能量转换效率可达94.91%。为光束整形衍射光学元件的设计提供了一种有效的新算法。     

利用边缘相位校正实现光束整形的高精度优化

提出利用边缘相位校正的新方法,校正用追迹法设计的产生环形光束的衍射光学元件的相位分布,从而实现光束整形中的高精度优化。通过将高斯光束整形为环形光束,将该方法、G-S(Gerchberg-Saxton)算法和改进的G-S算法设计得到的整形结果作了比较,结果表明,G-S算法的整形结果虽然衍射效率最大,但是均方根值和最大偏差也太大;改进的G-S算法可以有效的降低均方根值和最大偏差,但衍射效率也有较大的下降;而用边缘相位校正可以在衍射效率略微下降的情况下,更大的降低均方根值和最大偏差,其整形结果是综合了衍射效率、均方根值和最大偏差这三个评价指标以后得到的最优化结果,已接近理想的环形光束。     

用串行迭代算法设计具有长焦深功能的衍射光学元件

提出一种串行迭代算法,将它用于控制波前传播进行衍射光学元件设计.用此算法设计出能使半导体激光束聚焦并具有长焦深功能的衍射光学元件.模拟计算结果表明了此设计方法的有效性.该衍射光学元件已用光刻和离子刻蚀技术制备并进行了光学实验研究,取得了与理论设计一致的实验结果.     

光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响

衍射光学元件（DOE）对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求,其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型（GSM）光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑,发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小,导致DOE失效。从交叉谱密度出发,表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积,其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M2因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法,该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。     

低散斑环形光束整形器件的设计及实验

提出一种可有效抑制散斑噪声的衍射元件设计方法.在传统Gerchberg-Saxton算法的基础上,通过选择一种特殊的初始相位,在不降低衍射效率的同时,有效提升光斑的均匀性.以将高斯光束整形成环形平顶光束为例,开展了数值仿真和光学实验.结果表明,利用该方法和传统Gerchberg-Saxton算法设计得到的环形平顶光束散斑对比度分别为11%和34%,验证了该方法可以获得低散斑噪声的环形平顶光束.     

利用汉克尔变换设计高斯光束整形衍射元件的应用研究

衍射光学元件由于可以实现对高斯光束的整形而被重视,其通常的设计方法为G-S算法,由于使用傅里叶变换运算量大、费时长,将快速汉克尔变换应用到这些算法中可以极大地提高运算速度,节省运算时间,为设计复杂的光束整形元件提供了高效、可行的方法。本文利用该种方法设计针对中心波长为775 nm、光束束腰口径为6 cm的激光器,成功设计了一个具有二阶相位的折衍混合光学元件。仅单独这一片元件,既可在距离其35 m处得到一半径为200μm的圆形平顶光斑,均方根误差D0.021。当抽样值取2~15时,在普通PC机上运行时间仅为20.05 s,大大节省了优化设计时间(整个优化设计过程往往需要几十次甚是上百次这种运算)。同时利用离子刻蚀技术加工了该折衍混合元件,并进行了实际测试,结果与设计值基本相符,整形效果较好。这种单片的整形元件不仅整形效果好,还有利于与激光器的集成,简化系统的调节。     

一种用于减少相位突变点的衍射光学元件改进设计方法

提出了一种基于数字图像处理技术的用于降低相位突变点的改进型Gerchbery-Saxton(G-S)衍射光学元件设计方法。与普通的G-S衍射光学元件设计算法相比,这种改进型的G-S算法能够使得衍射光学元件的相位分布曲线更加光滑,并且在迭代计算过程中具有更强的收敛能力。利用该种算法获得了由高斯光束变换成空心光束时所需要的衍射光学元件的相位分布,在同样参数条件下,均方根误差为8.31%,优于普通G-S算法的9.46%;并且约有33.2%的像素的相位值得到了改进,从而平滑了衍射光学元件的相位分布曲线,便于实际的微加工。     

控制三维光场的纯相位衍射光学元件优化设计

为提高纯相位衍射光学元件的设计效果，实现高衍射效率的三维光场衍射传播控制，在原有GS迭代算法的基础上提出了新的相位加权迭代优化设计算法。此算法的特点是，建立多衍射输出平面迭代加权算法模型，并通过反馈各个设计输出平面在迭代计算过程中的设计误差，引入一定的相位动态加权整调策略，以达到更加优化的设计效果。以此算法设计一个纯相位衍射光学元件，将输入的高斯光束在距离输入面300mm～400mm内的每个平面上变换为2×2等强度光束阵列。通过对比实验发现此方法在原有算法基础上能进一步改善算法的收敛效果，提高整体设计质量，实现更加优化的运算。     

多速率STFT超宽带信号瞬时频率估计研究

提出多速率短时傅里叶变换(Multi Rate Short Time Fourier Transform,MR-STFT)瞬时频率估计算法,提高了超宽带信号瞬时频率估计精度。该方法将多速率信号处理算法与短时傅里叶变换(STFT)技术相结合,兼顾采样频率和被测频率,将宽频范围进行分段采样,对分段处理结果进行拟合,构成多速率STFT算法,实现超宽带信号瞬时频率的高精度测量。论文通过对仿真信号和实测信号进行处理,研究了方法的可行性和频率估计精度,结果表明MR-STFT算法较大提高了超宽带信号瞬时频率估计精度,尤其对低信噪比的超宽带信号效果显著。     

提取葡萄糖多晶光学参数的迭代和遗传算法比较分析

基于太赫兹反射时域光谱技术,分别利用迭代算法和遗传算法提取葡萄糖多晶太赫兹频段的两个光学参数,即折射率和吸收系数,并将遗传算法与迭代算法进行对比分析。研究结果表明：当将利用弱吸收近似条件所获得的光学参数作为迭代算法的初始值时,采用迭代算法可以提高计算效率。然而,迭代算法对初始值敏感,当初始值偏离实际值较大时,迭代算法不能保证获得较高精度的光学参数;遗传算法通过参数编码、初始种群、遗传操纵、参数控制和条件约束等设计,保证了算法的收敛性和种群多样性。而且,遗传算法的最优解并不依赖于初始种群。与迭代算法相比,采用遗传算法所获得的物质的光学参数拥有更高的精度。因此,在基于THz光谱技术提取物质的光学参数时,本文建议采用智能优化的算法,这样可以获得高精确度的光学参数。     

基于不动点理论的多系统兼容接收机频点选择问题的研究与遗传算法实现

基于不动点理论研究了多系统兼容接收机的频点选择问题,并引入遗传算法解决了这一问题.将Banach不动点理论引入频点空间,提出并证明了频点空间中频点集的遗传进化过程反映了频点空间呈现出的一种不动点物理特性;经过频点空间算子的足够多次的反复遗传进化作用,频点空间中的任一迭代序列源频点集都将最终收敛于唯一不动点目标频点集,而该不动点目标频点集中的目标频点即为该频点选择问题的最优解.完成了遗传算法应用于频点选择问题的理论研究与实现.仿真结果表明,该算法能够有效地解决多系统兼容接收机的频点选择问题. 关键词： 多系统 接收机 遗传算法 不动点     

基于多方向多尺度变换的图像压缩算法

针对小波变换方向选择性差的局限,提出了一种多方向多尺度的的图像变换。圆对称滤波器组首先将图像分解为高频子带和低频子带,然后利用方向滤波器组将高频子带分解为多个方向子带,而对低频子带进行小波变换。多方向多尺度变换能以更稀疏的方式表示图像的边缘和纹理等几何特征,有利于图像压缩。在该变换基础上,结合迭代量化、嵌入式块截断编码(EBCOT)和集合分裂嵌入式块编码(SPECK)构建一种压缩算法。实验结果表明,对于纹理和边缘丰富的图像,压缩算法的性能相对于JPEG2000有明显地提高。     

基于联合平行投影迭代的叠栅层析重建

描述了一种新的叠栅层析代数迭代模型,并针对传统代数迭代法中的垂直投影算法收敛速度较慢的问题,结合新模型提出了一种改进了的平行投影重建算法.用该算法进行了数值模拟重建,结果表明：与叠栅层析中的变换类算法相比,对非完全数据问题,新算法具有有效结合先验知识进行重建的能力;与传统的垂直投影算法相比,新算法能在保证重建准确度的前提下大幅度的提高收敛速度.     

Iterative Multikinoform Method for Improving the Reconstruction of Kinoform

The authors proposed an interlacing technique (IT) approach for the synthesis of kinoform which uses a number of subkinoforms interlaced together into a multikinoform. Using the IT approach, the reconstructed image can be improved by optimizing each subkinoform with the general error-reduction algorithm. In this paper, they show a new iterative algorithm based on the IT, namely an iterative multikinoform method (IMM). After each of the subkinoforms is generated by the IT, the error image, which is the difference between the desired image and the sum of the images reconstructed from all subkinoforms, is circulated into an individual subkinoform to optimize each subkinoform so that the reconstruction error can be reduced further. This process can be performed on all subkinoforms iteratively. Simulation results show that the reconstruction error can be reduced further for kinoforms with larger quantization levels (larger than 2⁴) and its convergence is very rapid when the IMM is used.     

双点干涉法位相缺陷检测中的解相算法比较

双点光源移相干涉测量是大口径光学元件位相缺陷检测的一种重要方法。为了分析双点干涉中误差对解相算法的影响,首先给出相位缺陷检测的系统结构和理论模型,在此基础上,针对测量过程中主要存在的一次移相误差、二次移相误差、光强误差和随机振动误差,研究了Hariharan 5帧移相算法、13帧移相算法和迭代随机移相算法的解相误差,并进行了仿真分析。结果表明,针对这几种误差源,13帧算法解相精度整体优于5帧法,迭代随机移相算法解相效果优于13帧法和5帧法,当这几种误差按实际指标同时作用时,迭代随机移相算法解相误差RMS小于5帧法和13帧法,PV值稳定在0.5 nm以内。由于随机振动占主要作用,说明迭代随机移相算法受误差影响很小。     

遥感傅里叶变换红外光谱层析技术中的重构算法

在遥感傅里叶变换红外光谱层析技术中，对于是否能够快速、经济地得出气体空间浓度分布图及预测浓度峰位置，重构算法的选择是至重要的。理想的重构算法即使在仪器噪声较大、存在测量误差、光线数量少以及待测气体在空间的分布不稳定情况下，也能够通过有限的测量数据和非对称的光线构型，得出理想的重构图。本文对遥感傅里叶变换红外光谱层析技术中采用的几种重构算法，如ART法、MART法、SIRT法和SBFM法等，作了扼要描述。与传统的ART法相比，MART法在迭代速度和迭代精度上有较大的优越性，SIRT法克服了采用代数重构技术所带来的模糊性，SBFM法使重构结果噪声明显减小。     

应用遗传算法和序列锥规划进行圆阵的方向图综合

为了解决圆阵方向图旁瓣电平较高的问题,提出了一种圆阵方向图综合方法。该方法将圆阵方向图的峰值旁瓣电平作为目标函数,首先采用改进遗传算法对阵元位置和阵元权值进行联合优化,不仅避免了算法的早熟收敛,而且符合理论意义上的全局最优。其次将遗传算法的优化结果作为初始迭代点,在其附近利用一阶泰勒级数将非凸的圆阵方向图综合问题转化为序列锥规划问题,以便采用凸优化理论进行高效求解。由于该算法增加了寻优操作的后期变异能力,因而有效提高了优化性能。最后仿真表明,阵元数一定的情况下,算法在进一步降低峰值旁瓣电平的同时,可有效减小其动态变化范围,使得圆阵方向图综合性能更优。