基于随机并行梯度下降方法的动态光束净化实验研究

高能激光系统中通常包含光束净化装置以对激光器出射光束的波前畸变进行连续校正.为研究随机并行梯度下降自适应光学方法在光束净化问题上的可行性,按算法运行时序连续改变37单元变形镜的面形,以在实验光路中引入高能激光器输出光束的常见动态波前畸变,同时采用随机并行梯度下降算法控制同一变形镜对此动态畸变进行校正.实验结果显示,在事先消除系统初始像差的情况下,系统分别以1 kHz和2 kHz的模拟迭代速率工作时,激光束的动态像差都得到了充分抑制,光束质量在整个校正时段内始终维持在较好水平.这表明随机并行梯度下降自适应光学方法应用在光束净化系统中是可行的.     

随机并行梯度下降光束净化实验研究

利用自适应光学技术进行光束净化是高能激光系统中一项重要的研究内容.为实现光束净化系统的小型化和低成本,基于系统性能评价函数无模型最优化的波前畸变校正方法是适合的技术方案.就随机并行梯度下降(SPGD)最优化算法在光束净化系统中的应用展开研究.针对高能激光束常见的像差分布进行了SPGD波前校正的数值模拟,在此基础上构建了37单元自适应光学光束净化实验平台,讨论了双边扰动梯度估计和迭代增益系数自适应变化对算法收敛特性的影响.数值模拟与实验结果验证了SPGD算法对不同程度波前畸变的校正能力,表明了SPGD光束净化方案的可行性.     

自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法实验研究

随机并行梯度下降算法是一种极具应用潜力的自适应光学系统控制算法,具有不依赖波前传感器直接对系统性能指标进行优化的特点。基于32单元变形镜、CCD成像器件等建立自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法实验平台。考察算法增益系数和扰动幅度对校正效果和收敛速度的影响,验证随机并行梯度下降算法的基本原理。实验结果表明参量选取合适的情况下,随机并行梯度下降控制算法对静态或慢变化的畸变波前具有较好的校正能力。根据实验结果分析了影响随机并行梯度下降算法校正速度的主要因素。     

基于随机并行梯度下降算法自适应光学系统的校正残差分析

对自适应光学系统随机并行梯度下降控制的校正残差进行了分析。通过对随机并行梯度下降(SPGD)算法校正静态像差的数值模拟,定标出了算法收敛时间与系统变形镜校正单元数的关系。建立了基于随机并行梯度下降算法自适应光学系统的简化控制模型,根据湍流大气的时间功率谱,推导了算法收敛时间与校正残差之间的解析表达式。结果表明,采用N个校正单元的自适应光学系统补偿Greenwood频率大小为f_G的大气湍流带来的动态像差,为保证校正残差σ~2λ/10,随机并行梯度下降算法的迭代速率需大于86 Nf_G。根据一组典型的计算结果指出了自适应光学系统随机并行梯度下降控制作用距离的有限性。     

自适应光学系统随机并行梯度下降算法

随机并行梯度下降(SPGD)算法可以对系统性能指标直接优化来校正畸变波前。对基于SPGD算法的61单元自适应光学系统进行仿真模拟,分析了对不同初始静态畸变波前的校正能力,并比较了不同性能指标情况下的算法增益系数、扰动幅度值的选取及校正情况。仿真结果表明:算法收敛速度很大程度上依赖于增益系数和扰动幅度值,对畸变较大的波前,随机扰动幅度在0.50~0.85范围内,性能指标采用焦斑平均半径比采用斯特列尔比取得的校正效果好。     

自适应光学系统随机并行梯度下降算法

随机并行梯度下降（SPGD）算法可以对系统性能指标直接优化来校正畸变波前。对基于SPGD算法的61单元自适应光学系统进行仿真模拟,分析了对不同初始静态畸变波前的校正能力,并比较了不同性能指标情况下的算法增益系数、扰动幅度值的选取及校正情况。仿真结果表明:算法收敛速度很大程度上依赖于增益系数和扰动幅度值,对畸变较大的波前,随机扰动幅度在0.50～0.85范围内,性能指标采用焦斑平均半径比采用斯特列尔比取得的校正效果好。     

基于随机并行梯度下降算法的自适应光学实时并行处理机

基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的自适应光学系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。但由于算法收敛速度的影响,在一定程度上限制了SPGD在自适应光学系统中的应用。在对SPGD控制算法分析的基础上,充分提取和发掘算法内在的并发性,采用流水线和并行处理技术,设计并实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)加数字信号处理器(DSP)的单指令流多数据流(SIMD)结构实时并行处理机,实现了SPGD控制算法由表达层到结构层的优化映射。该处理机应用在激光光束净化自适应光学系统中,同时实现了对变形镜和倾斜镜的控制。实验结果表明,采用基于SPGD算法自适应光学实时并行波前处理机具有很快的收敛速度,可以有效地校正激光出光过程中的光束波前相差和光束漂移误差。     

基于分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学

基于随机并行梯度下降(SPGD)方法的自适应光学(AO)系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。为了提高这种无模型优化自适应光学系统的收敛速度, 提出了基于分区域耦合的新方法以改进传统随机并行梯度下降自适应光学系统的工作方式。将波前校正器光学孔径分成多块子区域, 每块子区域对应着的所有驱动器作为一个整体控制单元, 从形式上可以得到一个空间分辨率较低的分区域波前校正器。该校正器与原校正器同步工作, 并采用随机并行梯度下降算法对同一个性能评价函数进行优化, 从而构成了双校正器的耦合工作结构。对256单元分立活塞式波前校正器建立了自适应成像系统的数值模型, 结果表明这种分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学系统比传统随机并行梯度下降自适应光学系统具有更快的收敛速度和更好的渐近态。     

随机并行梯度下降算法用于光纤激光相干合成的理论与实验研究

介绍了随机并行梯度下降(SPGD)算法用于相干合成的基本理论,利用数值模拟的方法对实际相干合成实验中涉及到的算法评价函数、扰动电压分布等参数进行优化选取,确定了实验中应选择的最佳评价函数、扰动电压分布和扰动方式.利用数字信号处理器(DSP)执行SPGD算法,实时控制各路光束的相位,实现了三路瓦量级保偏光纤放大器输出光束的相干合成.实验结果表明,SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将合成光束目标圆孔内的能量提高了2.62倍,合成效率达到了理想情形的87%,远场光斑对比度为85%.     

自适应光学系统随机并行梯度下降控制算法仿真与分析

随机并行梯度下降算法能不依赖波前传感器直接对系统性能进行优化。以32单元变形镜为校正器,采用随机并行梯度下降算法建立了自适应光学系统仿真模型。通过分析该系统对静态波前畸变的校正能力,验证了随机并行梯度下降算法的收敛性;讨论了算法增益系数、随机扰动幅度与收敛速度的关系,并指出通过算法增益系数的自适应调整可以改进算法的收敛速度。     

非柯尔莫哥洛夫湍流光束漂移的理论研究

一直以来, 大气湍流对空间光通信影响的研究都是在柯尔莫哥洛夫(Kolmogolov)湍流理论的框架内进行, 该模型已经被人们广泛接受和使用。然而, 近年来国内外众多非柯尔莫哥洛夫(Non-Kolmogolov)湍流的实验报道则表明Kolmogolov湍流理论有时不能完全正确地描述大气湍流的统计规律, 尤其在对流顶层和平流层。为了全面了解大气湍流对空间光通信的影响, 研究Non-Kolmogolov湍流对光波传输的影响成为了首先要面对的问题。基于Non-Kolmogolov湍流功率谱密度, 运用几何光学近似方法推导了弱起伏条件下准直光束和聚焦光束的光束漂移方差, 并给出了简洁的解析表达式; 然后, 利用这一表达式进行了仿真分析。     

超声速湍流边界层中激光传输的积分法

采用Born近似的Maxwell方程组积分解形式较少应用于气动光学数值计算, 其困难在于对该方程组的离散化数值计算.而结合GCV-FFT(Generalized convolution by fast Fourier transform)方法, 在自由空间传播的Rayleigh-Sommerfeld衍射方程数值计算可以达到比较高的精度.通过对Green函数及采样系数的修正, 积分方法可以用于气动光学现象的数值模拟.通过在超声速湍流边界层中光束传输的数值计算, 可以看到一些气动光学效应, 如光束偏移破碎等, 可以用修正GCV-FFT+数值积分的方法得到良好的模拟.现有的方法可以给出更接近物理本质的定量结果.      

受激拉曼光束净化实验中波导的长度

计算了利用受激拉曼进行光束净化实验中波导的长度，综合考虑了泵浦光的耗散，由色散和斜入射引起的增益降低，以及泵浦光相位畸变对种子光的影响等多种因素，指出最优波导长度应取所有极限波导长度的最小值。将计算值与实验做了比较，并对结果进行了讨论。     

Stochastic Attractors for Shell Phenomenological Models of Turbulence

Recently, it has been proposed that the Navier–Stokes equations and a relevant linear advection model have the same long-time statistical properties, in particular, they have the same scaling exponents of their structure functions. This assertion has been investigate rigorously in the context of certain nonlinear deterministic phenomenological shell model, the Sabra shell model, of turbulence and its corresponding linear advection counterpart model. This relationship has been established through a “homotopy-like” coefficient λ which bridges continuously between the two systems. That is, for λ=1 one obtains the full nonlinear model, and the corresponding linear advection model is achieved for λ=0. In this paper, we investigate the validity of this assertion for certain stochastic phenomenological shell models of turbulence driven by an additive noise. We prove the continuous dependence of the solutions with respect to the parameter λ. Moreover, we show the existence of a finite-dimensional random attractor for each value of λ and establish the upper semicontinuity property of this random attractors, with respect to the parameter λ. This property is proved by a pathwise argument. Our study aims toward the development of basic results and techniques that may contribute to the understanding of the relation between the long-time statistical properties of the nonlinear and linear models.     

随机并行梯度下降算法模拟两路光纤放大器相干合成与实验研究

对利用随机并行梯度下降(SPGD)算法对多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,并进行了两路瓦级光纤放大器相干合成的实验.实验结果表明,SPGD算法能够有效控制各路光纤激光的相位,系统闭环将目标圆孔内的能量提高了1.57倍;并使得目标圆孔内能量大于理想值80%的概率从27.7%提升到了70.3%.取得了较为明显的相干合成效果.对算法用于多路高功率光纤放大器相干合成的可行性进行了探讨.     

基于多孔径闪烁的湍流强度廓线反演方法研究

以多孔径闪烁方法的理论为基础,分别讨论了孔径滤波函数和光谱响应函数对权重函数的影响.根据包括边界层项的Hufnagel-Valley 5/7模型得到的闪烁指数,采用奇异值分解法反演了垂直方向的湍流强度廓线,结果的量级介于10~(-15)~10~(-17)之间,并随高度的增加不断减小,在量级和趋势上与理论模型基本一致;同时结合Shack-Hartman的实际测量结果,反演了水平方向1 km传输路径上的湍流强度分布状况.水平方向反演结果的量级在10~(-14)~10~(-15)之间,随传播距离的变化趋势与实验场地的实际情况较为符合,随时间的变化趋势与合肥地区同期的统计结果基本一致.     

基于分段硬化曲线的X射线CT射束硬化校正方法

研究了X射线CT射束硬化的形成机理,分析了射束硬化校正的常用方法,建立了以投影灰度为自变量的射束硬化校正模型,从而降低了射束硬化校正的计算难度。分析了采用多项式拟合射束硬化曲线的优缺点,提出一种基于多项式的分段硬化曲线表达新方法。该方法首先采用过原点的多项式曲线拟合硬化数据,然后通过所得多项式曲线的曲率变化,判断该曲线在拟合区间两端是否出现振荡,并对振荡部分的多项式曲线采用幂函数曲线进行替换,同时保证各段曲线在连接点处C1连续(曲线的C1连续定义为, 两条曲线交于一点且在交点处的一阶导数相等)。计算机CT仿真实验结果表明,该方法对理想CT图像和含噪CT图像的射束硬化校正,均表现出良好的稳定性,并可基本消除射束硬化造成的伪影。     

采用图形处理器加速的部分相干光实时生成方法

介绍了采用液晶空间光调制器产生部分相干光的基本理论和方法;用分离变量的方式对算法进行了并行优化,对部分相干光生成线程进行了并行序列优化并测试了生成速度;设计了双孔干涉实验检测本方法所产生的部分相干光相干长度的准确性.实验结果表明:针对256×256像素的液晶空间光调制器,生成相干长度为0.15mm、0.9mm以及1.5mm的相位屏,图形处理器所用时间分别为0.9ms、1.75ms以及2.4ms,相比于采用中央处理器所用的计算时间16.5ms、37.8ms以及52.4ms,效率提升明显;考虑中央处理器读取、发送数据及液晶响应的时间,采用图形处理器并行加速的部分相干光实时生成方法的频率可达312Hz.实验生成相干长度为0.15mm和1.5mm的部分相干光束,光束相干度均方根误差分别为0.022 011和0.020 883,峰谷值分别为0.0743 25和0.072 998.