星间光通信系统中多样化波前畸变的小波重构

用小波变换方法对星间光通信中的多样化波前畸变进行重构,并分析了小波重构方法的两项参考指标:重构精度和重构算法复杂度。基于对这两项指标的综合考虑,提出一种最优小波基函数的选取方法。仿真数据表明,利用最优小波基函数选取方法对波前畸变进行重构,较之传统的Zernike多项式拟合方法,具有重构精度高且计算量小的特点。     

基于方形域内标准正交矢量多项式的波前重建

获得了一组方形域内标准正交的矢量多项式集,可以用于方形域内图像畸变映射及波前梯度等矢量数据的拟合。这组矢量多项式是用Gram-Schmidt方法将泽尼克梯度多项式标准正交化后得到的。由该矢量函数拟合被测波前斜率,拟合系数经过简单的线性变换就可以直接得到用泽尼克多项式描述的波前,获得被测波前的相位信息。实验结果表明,该矢量集可以对夏克哈特曼传感器测得的方形孔径内的斜率进行很好的拟合。这种矢量拟合重构方法能获得很好的被测波前,具有与Southwell区域法相同的精度。     

直接斜率法波前拟合和复原误差的仿真分析

报道了利用数值仿真方法对自适应光学系统补偿激光传输湍流效应中的波前拟合和复原误差的计算分析。计算结果表明，在利用波前斜率进行波前复原的实际自适应光学系统中，波前复原误差是利用波前最小方差法计算的波前拟合误差的１．２４倍。     

稀疏子孔径区域内正交多项式重构波前

提出了基于稀疏子孔径正交多项式的拼接算法.该算法采用Mathematica9.0对圆域Zernike多项式进行Gram-Schimdt正交化,构造出稀疏子孔径区域内的标准正交多项式——Z-sparse多项式,并采用该正交多项式进行稀疏子孔径区域波前数据的拟合.实验表明:根据算法重构与直接检测的全孔径波前残差PV=0.071 9λ,RMS=0.007 4λ.该算法可对所提取的七个子孔径波前像差数据进行有效的拼接.     

由焦面附近光强分布实现波前重构

介绍了一种由光束在焦面附近几个面上的强度分布重构出光束近场波前的方法。把波前重构问题作为一个非线性优化问题,利用光束口径区域内的正交多项式模拟光束波前相位分布,通过优化多项式各项的系数,使对应的波前分布在焦面附近相应的几个面上的强度分布与已知强度分布的偏差最小,即认为由此时的多项式系数决定的近场波前代表了真实的光束波前。针对方光束口径,利用Legendre多项式模拟光束波前分布,利用共轭梯度算法对多项式系数进行了优化计算;优化过程分为几步进行以减少计算时间。重构得到的波前分布与参考波前分布符合得很好。     

环扇形分块主镜的波面拟合及重构方法研究

用有限元分析获得了环扇形分块主镜的镜面热变形数据,分别用圆域Zernike多项式和环扇域Zernike多项式对其进行了波面拟合,比较了用两种多项式的拟合精度。基于哈特曼-夏克波前传感器对由环扇形镜面热变形引起的畸变波前进行了模式法重构,分析了用上述两种多项式重构时矩阵条件数和测量误差对重构精度的影响。     

基于单幅干涉图的波前重构技术研究

条纹中心法是干涉测量技术中分析单幅干涉图的一种重要处理方法,该方法主要包括图像预处理、波前重构和样品表面形貌及参数的测量等三个部分。研究了条纹中心法的关键技术,特别是应用协方差矩阵法求解泽尼克多项式以进行波前重构的过程。提出了基于单幅干涉图自动波前重构的流程方法。最后应用该流程方法处理由泰曼-格林干涉系统采集的精密抛光铝制盘基片表面形成的一幅干涉图像。实验结果表明,该方法可以实现单幅干涉图的自动波前重构,干涉波前重构的拟合精度可达1．4686×10^-6nm,还可以自动获得精密抛光铝制盘基片表面的形貌及参数。     

Zernike多项式对空间高频相位拟合的改进方法

以随机相位屏构造光束波前畸变模型,运用不同阶数的Zernike多项式对其进行拟合。通过对比分析原始波前及拟合波前的功率谱密度,明确了波面拟合过程中Zernike多项式对波前中高频成分拟合存在的不足,进而提出了基于Zernike多项式的分块拟合方式加以改进。研究结果表明:在常规的拟合方式下,随着拟合阶数的增加,能准确反映的波前相位空间频率逐渐向高频范围扩展,但其扩展幅度并不大;此外,即使采用较高的拟合阶数,Zernike多项式也难以准确反映波前空间频率中的高频成分;而采用分块拟合方式后,Zernike多项式的拟合效果明显提升,并能有效反映畸变波前空间频率中的高频成分;在提高波面拟合精度上,增加分块数的效果明显优于增加Zernike多项式拟合阶数;对于分块拟合方式,当分块数一定时,增大子区域拟合所使用的Zernike阶数的拟合效果明显优于增大整体拟合所使用的Zernike阶数。     

环形区域上Zernike模式法波前重构

 针对激光技术领域常见的环形激光光束,利用圆域Zernike多项式和环域Zernike多项式进行模式法波前重构,结果显示,如果环形激光光束波前相位畸变主要由低空间频率成分组成,则可以直接利用圆域Zernike多项式进行波前重构;如果环形激光光束波前相位畸变含有较多的高阶频率成分,则利用环域Zernike多项式进行波前重构。     

HPM短脉冲雷达发射信号的重构与仿真

研究分析了HPM信号的包络相位等特征,得知其包络不规整而且相位存在抖动,故采用高斯多峰模型拟合其包络,多项式模型拟合其相位,结合包络与相位的拟合模型获得了HPM信号的脉冲调制模型,最后在Matlab中利用该重构方法对多个HPM信号进行重构,均获得了较小残差的重构信号,检验得知该方法能够对HPM短脉冲雷达发射信号实现准确有效的信号重构。     

基于衍射光栅曲率波前传感器的实时波前重构研究

自适应光学系统要求波前传感器能实现动态实时测量,曲率波前传感技术符合这一发展要求。一种新型的基于扭曲衍射光栅的曲率波前传感器在探测装置的实现方法方面具有较大优势,其波前重构已应用于光学度量。根据衍射光学理论,对其探测信号进行数值模拟,并利用Neumann边界条件的Green函数法对其波前重构进行数值模拟。结果表明：Green函数法归结为2矩阵相乘,计算速度快,达到实时重构要求; Green函数法对阶数不高的Zernike多项式重构效果较好;影响重构误差的主要因素是光强梯度的边界噪声。     

基于模型选择的模式波前重构算法研究

基于Zernike模式的波前重构算法通常忽略实际波前像差构成的差异, 而用一定数量的低阶Zernike模式进行波前重构, 导致模式混淆或耦合等问题, 进而影响波前重构的精度. 根据信息论中的最小描述长度准则对重构模型的阶数进行了选择, 在此基础上应用非线性优化算法计算重构系数, 并最终实现波前重构; 对不同信噪比条件下振幅均匀分布入射光束的波前进行了重构. 结果表明: 该算法不但能够实现相对于现有算法相对较高的波前重构精度, 并且具有优良的噪声适应性, 体现了模型选择在模式法波前重构算法中的意义.     

FFT动态相位重建算法的滤波窗影响分析

为了优化相位重建算法,针对波面干涉图的傅里叶频谱,分析了不同滤波窗口的分布特征和频谱响应,通过计算机仿真和实验测试,确定了FFT动态相位重建算法的最佳滤波窗口类型。其中处理仿真干涉图重建的波面与原始波面的波面峰谷值残差为0.008 5λ,波面均方根值残差为0.000 1λ;处理实验干涉图获得的波面与移相干涉测量法获得的波面峰谷值残差为0.009 3λ,波面均方根值残差为0.000 5λ。结果表明:选取Hamming窗进行滤波处理并重建的相位经拟合后得到的波面较参考波面的面形残差最小,相位重建精度优于0.01λ,可进一步应用于大口径光学元件的测量中。     

基于远场信息和卷积神经网络的波前重构方法

探测波前相位信息是实现自适应光学波前补偿的关键,使用卷积神经网络（CNN）代替波前传感器进行波前重构,系统简单易于实现,同时重构过程不依赖迭代运算,快速实时。为准确提取远场中的波前特征,CNN需要事先使用大量样本进行训练。研究中根据4～30阶大气湍流泽尼克像差系数与其远场强度的对应关系,仿真制作样本数据集,训练CNN从输入的一帧远场图像中预测出畸变波前的泽尼克像差系数,重构原始波前。验证结果表明,该方法能快速实时地还原出波前相位信息,重构波前较原始波前具有极高的波面吻合度和较小的残差剩余量,有望实现实际自适应光学系统中的闭环校正。     

基于波长移相剪切干涉的准直波前重构技术

为了实现干涉仪出射准直波前的重构,提出了基于波长调谐移相的横向剪切干涉技术。干涉仪出射波前分别经楔板的前后表面反射,通过角锥棱镜返回后在干涉仪CCD上形成剪切干涉条纹。采用波长移相方法提取剪切干涉条纹的相位信息从而实现准直波前重构。分析相对剪切比对波面重构精度的影响,推导相对剪切比和其影响因素间的关系公式,给出波长移相中光程差常数分量的估算方法。测量干涉仪的三组出射波前,波前的峰谷值分别为3.22λ、2.10λ、0.83λ。该方法简化了传统测量干涉仪准直波前的横向剪切干涉装置,提高了测量精度,特别适合于测量波长移相干涉仪的出射波前。     

无调制两面锥波前传感器的衍射理论分析和数值仿真

两面锥波前传感器(two-sided pyramid wavefront Sensor,TSPWFS)是一种高空间采样率和高光能利用率的波前传感器.为了深入研究它的波前复原原理,采用波动光学理论详细推导了无调制TSPWFS的衍射理论,给出了无调制TSPWFS波前复原时线性重构矩阵的解析解,并且通过数值仿真确定出最佳的光瞳像中心间距,并对静态像差的波前复原及闭环校正进行数值仿真.分析结果表明,无调制TSPWFS具有波前复原时不需要现场测量响应矩阵,可以校正系统像差,闭环校正结果稳定等优点,可以在实际自适应光学系统中进行波前探测. 关键词： 自适应光学 两面锥波前传感器 波前复原     

采用阵列波带片波前传感的激光波前重构

 在高功率激光系统，激光束小尺度相位畸变波前探测是实现激光束中频段波前补偿与控制的重要前提。采用阵列菲涅耳波带片作为激光束波前传感的子孔径分割器，利用区域重构的Southwell模型进行波前重构。并针对波前传感器子孔径数目、小尺度相位畸变波前的参数对波前重构精度影响进行分析与模拟计算，给出了阵列菲涅耳波带片合理的子孔径数目，为20×20～30×30；对小尺度相位畸变，激光束波前的重构误差小于十分之一波长。     

波荡器位相误差对自由电子激光

对波荡器位相误差对自由电子激光小信号增益的影响进行了分析讨论。对低增益情况解析地给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。结果表明:与自发辐射类似增益的降低与位相误差的方差成简单的指数关系，位相误差的线性变化部分引起最大增益的位移，还表明波荡器位相误差存在时Madey定理仍然成立。对高增益情况也给出了波荡器位相误差引起的增益降低因子。     

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差

 分别采用Zernike和Karhunen-loeve两种模式波前复原法,分析了子孔径斜率测量不受噪声影响的理想情况下,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与大气湍流相干长度、传感器的结构尺寸、模式复原阶数等的关系。结果表明Karhunen-loeve模式法比Zernike模式法的波前复原误差更小些。     

基于GPU的液晶自适应光学波前重构计算

利用GPU进行液晶自适应光学波前重构的加速计算.介绍了液晶自适应光学的Zernike模式波前重构算法,详细论述了GPU的通用架构和GPU实现波前重构的方法,给出了GPU与CPU的实验对比结果.结果表明,GPU计算波前重构不但可以准确无误地计算出液晶波前校正器的灰度级分布,计算速度更是传统CPU波前计算的几十倍.