空间光波前畸变校正中SPGD方法的自适应优化

为了提高传统随机并行梯度下降 (Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD) 算法校正波前畸变的性能,提出了一种基于AdaBelief优化器的新型SPGD优化算法。该算法将深度学习中AdaBelief优化器的一阶动量和二阶动量集成到SPGD算法中以提高算法的收敛速度,并使得算法能够自适应地调整增益系数。 此外,对实际增益系数进行自适应动态裁剪以避免因实际增益系数出现极端值而造成的震荡。仿真结果表明:在37单元变形镜 (Deformable Mirror, DM)下,新型SPGD优化算法能够对不同湍流强度下的波前畸变实现有效校正,不同波前畸变经过校正后的斯特列尔比(Strehl ratio, SR)分别提升至0.83、0.47和0.31。此外,该算法在不同湍流强度下的SR仅仅需要149、229和230次迭代达到阈值,与传统SPGD算法及其他优化算法相比有更快的收敛速度,且在稳定性和参数调节方面也具有一定的优越性。     

基于随机并行梯度下降算法的多级波前校正技术

为提高基于随机并行梯度下降(SPGD)箅法的高分辨率自适应光学(AO)系统的有效校正带宽,提出了分级SPGD波前校正的方法.在每一级SPGD波前校正中,将高分辨率波前校正器的控制单元按位置分成多组.每一组都施加相同的控制电压作为一个控制变量.采用的校正级越高,独立的控制变量的数目也越多.多级SPGD自适应光学系统按从低到商的等级顺序对畸变波前进行校正.以一个具有16×16控制单元的分立活塞式波前校正器为基础建立了基于3级SPGD波前校正的自适应光学系统的数值模型,并针对大气湍流引起的某一帧随机相位屏做了模拟校正实验.结果表明采用分级波前校正后收敛速度提高了23%,此方法确实提高了基于随机并行梯度下降算法的自适应光学系统的有效校正带宽.     

基于SPGD算法的激光大气传输湍流效应校正的初步研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是近年来广泛发展的一种无模型优化控制算法,它具有速度快、无需信标光等优点,得以运用于自适应光学系统中.利用相位屏法数值模拟激光大气传输过程,以61单元变形镜为校正器,采用SPGD算法对激光大气传输湍流效应进行了初步校正研究,研究表明: SPGD算法可以用在自适应光学系统中用于校正激光大气传输湍流效应引起的畸变,且不同参数如扰动幅度值、增益系数的选取对校正效果有一定影响,文中给出了不同传输情况下的仿真计算结果.     

基于随机并行梯度下降算法的湍流像差校正仿真

随机并行梯度下降(SPGD)算法可不依赖波前探测直接优化系统性能指标来校正畸变波前.建立了基于随机并行梯度下降算法控制的61单元湍流校正仿真模型,实现了通过该算法控制倾斜镜和变形镜对湍流引起的像差的校正.结果发现,该算法能够找到补偿湍流像差所需的倾斜镜和变形镜的最优面形.采用SPGD算法控制,倾斜镜校正后,远场光斑质心...     

基于随机并行梯度下降算法的望远镜静态像差校正

为校正大口径量子通信望远镜的静态像差,提高接收信号光的能量集中度,提出了基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的静态像差校正方法。该方法不同于经典的自适应光学校正方法,无需波前传感器,可有效降低系统的复杂性。对SPGD算法进行了分析,在此基础上利用64单元变形镜和CCD探测器搭建了校正平台,并将该校正平台应用到青海湖量子通信地面站望远镜系统,对700mm望远镜的静态像差进行了校正,远场光斑直径由校正前的58μm改善为30μm,验证了SPGD算法对望远镜波前畸变校正的可行性。     

盐水和沙子上方传输激光束波前畸变校正的对比研究

主要研究激光束在盐水和沙子两种下垫面上方传输时的波前特性,并采用自适应光学系统对波前畸变进行校正。建立了激光传输实验平台,基于自适应光学系统的输入输出数据建立了自适应光学系统模型,基于该模型设计了自适应光学系统闭环控制器,对比了激光束在两种下垫面上方传输时的波前畸变特性与自适应光学系统校正的差异。实验结果显示,在同样辐射加热的条件下,沙面上方的空气湍流对激光束波前影响更剧烈;经自适应光学系统校正后,波前传感器点位移方差在盐水情况下减少了28%,而在沙子情况下减少了10%。该研究为在海洋环境中利用闭环自适应光学系统进行光束波前畸变校正的可行性做出了初步探索。     

基于分段随机扰动幅值的随机并行梯度下降算法研究

为了提高随机并行梯度下降(SPGD)算法的收敛速度,提出了分段随机扰动幅值的改进方法。从理论上分析了固定增益系数时,随机扰动幅值对SPGD算法收敛速度的影响;提出了分段随机扰动幅值的改进方法;基于61单元变形镜,建立无波前探测自适应光学系统模型,对前65阶Zernike多项式模拟的满足Kolmogorov谱的大气湍流畸变波前进行校正。结果表明,采用分段随机扰动幅值的SPGD算法比固定最佳随机扰动幅值时传统SPGD算法的收敛速度提高了近1.6倍,证明了该改进算法的可行性。     

相干光照明主动成像波前畸变的数字式快速校正

针对相干光照明空间外差式探测主动成像中的波前畸变,提出一种基于图像指标优化的数字式快速校正方法。建立了实验装置,通过数值分割将整个孔径上的目标光复振幅分割为4个子区域,在此基础上首先利用随机并行梯度下降算法并行校正子区域内的高阶像差,然后以其中一个子区域为参考,并行校正子区域间的波前平移和倾斜。实验结果表明,直接利用随机并行梯度下降算法校正需要至少600次迭代,而文中所提出的方法校正需要大约100次迭代,而且运算量更小,因此大幅提高了波前畸变的校正效率。     

受激布里渊散射波前畸变校正仿真实验

采用受激布里渊散射（SBS）现象的自泵浦相位共轭镜（PCM）特性在改善激光相位分布进而提高光斑能量集中度方面具有重大应用价值。基于后向SBS散射光的相位共轭特性,数值模拟了不同畸变程度和不同取样孔径对SBS-PCM校正效果的影响,并搭建SBS-PCM波前畸变补偿实验系统,对不同影响因素的补偿效果进行验证。仿真及实验研究结果表明:在弱畸变情况下光斑经系统补偿后相对强畸变情况分布更均匀规整,光斑能量集中度更高;在强畸变情况下大取样孔径显示出优势,校正效果更佳。仿真和实验结果均表明,SBS-PCM有较强波前畸变校正能力。     

视觉测量系统中一种独立的畸变校正算法

针对视觉测量系统中畸变校正的计算过程复杂、 操作调整繁琐等问题,提出一种 基于虚拟模板的逐点畸变校正方法。首先基于交比不变性原理、镜头畸变特点和双线 性插值法,求解单幅虚拟平面模板内特征光点所对应成像点的理想坐标及其畸变修正量; 再通过单幅虚拟模板运行轨迹的小幅度旋转与平移,逐步构成一块包含密集校正光点的虚拟 畸变校正模板,为镜头畸变修正提供足够的插值节点;而后采用Delaunay三角剖分(DT)技术 ,最 终在整个像平面内逐点地校正各类镜头畸变,形成包含全部像素点理想坐标及畸变修正 量的畸变修正数据表。实验表明,经独立畸变校正的视觉系统,其测点反投位置偏差的标准 差达0.015mm、最大值仅0.068mm;本文方法 能有效地修正畸变,有助于提高视觉系统的测量精度。     

一种校正畸变图像边缘的改进算法

在已知畸变参数的条件下,针对轮廓简单的畸变图像,提出了综合校正法.该方法通过先直接后间接的空间变换方式来建立理想图像与畸变图像的坐标映射关系.根据图像边缘直线的属性即斜率及截距,来验证综合校正与直接校正的校正精度;同时对综合校正和间接校正的计算量及实时性进行比较.实验结果表明:综合法的校正精度在边缘直线的斜率方面比直接校正提高了的8倍,在边缘直线的截距上提高了的100倍;与间接校正相比,综合校正的实时性好,计算量小.     

空间外差干涉图调制项误差分析与校正

空间外差光谱仪一体化制作过程的光学缺陷会导致光学仪器采集到的干涉图存在误差,将仪器的相位误差和非均匀误差共同作用下对干涉图产生的影响称为调制项误差.结合空间外差干涉图与光谱之间的对应关系,基于傅里叶变换的卷积特性提出了一种干涉图调制项误差校正算法以达到同时修正干涉图相位误差和非均匀误差的目的,提高光谱反演精度.对比...     

自适应增益的SPGD算法

SPGD算法是一种应用广泛的无波前探测自适应光学控制算法。传统SPGD算法中增益系数保持某一固定值不变,随着变形镜单元数的增加,这将导致算法收敛速度变慢及陷入局部极值的概率增大。Adam优化器是深度学习常用的一种优化随机梯度下降算法,它具有增益系数自适应性调整的特点。将Adam优化器自适应调整增益系数的优势与SPGD算法结合起来用于自适应光学系统控制。分别以32、61、97、127单元变形镜作为波前校正器件,不同湍流强度的波前像差作为校正对象,建立了无波前探测自适应光学系统模型。结果表明,优化后的算法收敛速度更快,而且陷入局部极值的概率降低,并且随着变形镜单元数的增加与湍流强度的增大,算法的优势更加明显。以上研究结果为基于Adam优化的SPGD算法的实际应用提供了理论基础。     

基于液晶空间光调制器的波前畸变补偿研究

针对液晶空间光调制器控制单元数多,直接进行波前相位畸变补偿时计算量大的问题,将控制输入与描述波前畸变的Zernike多项式系数形成映射,极大地减小了优化维数,有效地提高了计算效率.引入单纯形算法,通过使设计的性能指标达到最优,得到最佳的Zernike多项式,实现了精确的波前畸变补偿.针对传统的单纯形算法易收敛于局部极点...     

复杂深孔内轮廓结构光图像畸变矫正算法

为实现针对复杂深孔内轮廓表面几何参数的高精度测量,建立了基于结构光的内轮廓检测系统,但由于深孔内轮廓的曲面特性,相机采集到的图像相比于内轮廓展开后的平面图像存在较大的几何畸变,直接影响到内壁几何参数的量化精度。首先针对深孔内轮廓和内轮廓展开结构进行无差别建模,分析两者之间的空间坐标转换关系;然后综合考虑畸变矫正的精度和速度,借鉴三次样条插值函数、离散映射等理念提出了基于离散映射的深孔内轮廓矫正算法,实现针对深孔内轮廓的畸变在线矫正,检测精度达到亚像素水平,低于0.1 mm。     

液晶空间光调制器用于波前校正的研究

为了提高液晶空间光调制器用于波前校正的精度,测试了美国BNS公司反射式255×256像素纯相位液晶空间光调制器.由于非线性相位响应特性会降低该器件用于波前校正的性能,因此通过反插值法将相位调制曲线的非线性度减小到原来的1/8,建立了0～2π区间内相位与灰度之间的线性关系.以液晶空间光调制器作为渡前校正器,数字相移干涉仪作为波前传感器,对含有高频误差的不规则波面进行了测量和误差校正.畸变波前的峰谷值(PV)由校正前的0.78A减小到校正后的0.27A,均方根(RMS)由校正前的0.13λ减小到校正后的0.02λ.实验结果表明:液晶空间光调制器能够代替传统的变形镜,实现低成本、高分辨、高精度的波前校正.