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。     

基于奇异值分解的数字波前拟合算法

提出了基于奇异值分解、采用泽尼克多项式拟合干涉波前的算法,该算法直接从线性方程组入手,对矩阵进行奇异值分解分解,在求解逆矩阵的过程中,采用阈值法对奇异值的倒数进行非常规的置换(∞→0),可直接得到系数向量。理论分析和实验证明,相对于传统的格拉姆施密特正交法,该算法可首先通过求解条件数判断线性方程矩阵是否奇异,对于解决病态方程组或奇异矩阵的最小二乘问题,有很好的稳定性,避免了由最小二乘构造的法方程组出现病态而引入的计算误差,且易于编程。     

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。     

运用泽尼克多项式进行物面波前数据拟合

本文提出了一种运用泽尼克(Zernike)多项式的波前数据拟合方法.给出了离散点上正交多项式的构造并描述了具体计算步骤.可对待测物面低调制度点、散斑点、噪音及灰尘点区域进行波前数据拟合,通过一定阈值的设定,将误差点用掩模滤除并予以拟合.进一步提高了物体测量精度.     

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。     

光强非均匀分布对波前曲率传感器的影响

为了将波前曲率传感器用于涉及激光波前的领域,理论分析了非均匀光强入射条件下的曲率传感器测量信号。用菲涅耳衍射公式,数值计算了相位分布为前10阶泽尼克多项式,光强为高斯分布和正态随机分布闪烁的曲率传感器信号,并和相同相位分布,光强均匀情况下的传感器信号比较。分析表明光强非均匀分布给波前曲率传感器测量信号带来了一定的误差。光强高斯分布对散焦相差的曲率信号影响较大,信号百分比误差达到25%,对其他相差的曲率信号影响很小;对于有正态随机分布闪烁的光强分布,信号百分比误差与正态随机分布的均方差成线性关系。在一定条件下,波前曲率传感器也能够用于光强非均匀分布的领域。     

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。     

哈特曼夏克传感器的泽尼克模式波前复原误差

利用哈特曼－夏克传感器测量圆孔径内波像差时，通常使用泽尼模式复原算法。推导了一般情况下哈特曼－夏克传感器泽尼克模式波前复原误差的计算公式。用哈特曼－夏克传感器测量一个像差板的随机静态像差，通过与ZYGO干涉仪的测量结果比较，得到不同泽尼克模式复原阶数下的波前复原误差的实验结果，并与理论计算结果进行了对比。     

激光推进应用中的波前重构仿真研究

分析了Hartmann传感器应用于激光推进中波前畸变测量的可行性,介绍了模式法波前重构原理。利用MATLAB7.0对小孔板进行了仿真。并根据几何光线追迹原理,对设定的畸变波前进行了重构。同时比较了选用不同Zernike模式数的波前重构结果以及选用不同采样率小孔板的波前重构结果。仿真结果表明:Hartmann传感器对推进应用中大口径光斑的波阵面测量是可行的。     

横向剪切干涉的波前重构新方法

在常规横向剪切干涉仪的基础上,利用波前周期延拓的假设,基于小波变换的方法实现了波前重构。这种波前复原实现了光滑波前的快速重构,并且能够较好地快速重构非模式波前。数值模拟表明,该方法对波前复原的精度优于常规多项式拟合方法。利用该方法在不均匀介质对波前的扰动的测量重构表明,重构波前比常规多项式拟合重构波前合理。     

基于Shark-Hartmann理论的波前探测技术研究

精确的波前探测是反射镜面型检测及光束波前畸变测量的重要依据,论文根据Shark-Hartmann理论对波前探测技术进行了模拟和实验研究。将平行光经过球面透镜/柱面透镜后形成的球面波/柱面波作为探测波前。实验采用商用的微透镜阵列和CCD搭建Shark-Hartmann传感器,利用实际光束作为参考光,避免了参考光的不准直性对实验的影响。模拟计算结果表明平均曲率误差为13.423 mm,实验结果实现了对球面/柱面/倾斜波的探测及复原。     

二维剪切波面重建的有限元模型

提出了解析二维剪切波面的有限元方法，建立了二维剪切波面重建的有限元模型。计算模拟结果表明，有限元法解析二维剪切波面精度高，对剪切波面具有平均作用，对测量误差不敏感，可适用于实时测量。     

中心遮拦干涉图的处理

介绍了一种用于中心遮拦的大口径干涉仪的干水条纹处理软件，该软件通过对干涉数据进行采集，处理而得出被检波面的波差分布和像差，由于对干涉图数据拟合过程中所使用的泽尼特（Ｚｅｒｎｉｋｅ）多项式进行了修正，因此得到的结果的准确度也有了较大的提高。     

眼波前像差仿真实验研究

像差是衡量光学仪器成像质量的主要指标,在眼科临床波前像差检测对视觉质量评估具有重要作用。本文介绍了波前像差的基本理论,基于Zernike多项式通过仿真分别给出人眼1-4阶共14项波前像差图,可为教学服务,也可为临床医师提供科学参考。     

两种M~2因子实验测量方法的比较

为了从实验上分析和验证H-S传感器测量M2因子方法,对使用双曲线拟合法测量M2因子和H-S传感器测量M2因子做了详细的实验研究,且对实验结果、实验误差进行了比较与分析。研究表明:当H-S波前传感器透镜组足够多,重构误差较小,选取合适的泽尼克多项式阶数时,H-S波前传感器一次测量法得到的光束的M2因子与传统方法测得的M2因子值基本相当。与双曲线拟合法相比,H-S传感器法适用范围小,但是当满足测量条件时,H-S传感器法更便捷。     

Study on an automatic processing technique of the circle interference fringe for fine interferometry

The fringe center method (FCM) is an important digital processing technique of fringe patterns analysis for interferometry. In this paper, an improved automatic processing technique based on FCM was presented, which correlated the processing link and the looped feature of the circle fringe pattern. It also integrated several techniques including noise removal, the fringe thinning, the fringe patching, assignment of the fringe orders and wavefront reconstruction and can be executed orderly and automatically. Based on the new the algorithms of the fringe patching and assignment of the fringe orders, the fringe feature information was extracted automatically and the interference wavefront was reconstructed by Zernike polynomial fitting method. With the automatic processing technique, the circle interference fringe of the fine polished aluminum disks surface captured by the Twyman-Green interferometer was processed, and the surface profile and the parameters of the disk were obtained automatically. The experiments show that the improved automatic processing technique was more accurate and fast in measurement than the conventional one. It was convenient to use it in in-situ industry inspection.     

一种基于Zernike多项式的波前探测和重构方法

运用Ｎｏｌｌ建议的Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式形式表征大气扰动的波面，求出由两个离焦面上的光强分决定的Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式的前ｎ项在特定的探测器上的响应矩阵Ｒ。由Ｒ和输入的随机波面在两个离焦面上的光强分布，可方便地求出其Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式的系数，从而实现了波前的探测和重构。采用光线追迹的变方法，用计算机模拟验证了这种方法的原理和可行性。