基于阈值式小波变换的波前重构算法

 针对传统的波前重构器计算效率低、稳态误差大的问题,提出了阈值式波基多分辨力波前重构算法,采用4维波基作为标准正交基,将波前相位畸变投射到4维波基上,使伪逆矩阵变为稀疏矩阵,有效地减少了计算量,并采用阈值法去除波前重构矩阵算子中对精度影响较小的高分辨力波基系数,进一步增加了矩阵的稀疏程度,提高了运算效率,并与传统的最小二乘法、Zernike模式法和迭代法进行了计算量和均方根误差的比较,仿真结果表明该算法无论在计算速度和收敛精度上均优于其它算法。     

波前曲率传感自适应光学两种闭环控制方法的对比

针对波前曲率传感自适应光学,对比分析了直接拟合法和拉普拉斯算子本征模式法两种闭环控制方法。简要分析了两种方法的基本原理,并建立了36单元曲率型自适应光学仿真模型,进行了大气湍流波前畸变闭环校正数值仿真。结果表明,与直接拟合法相比,存在最佳模式数量使得拉普拉斯算子本征模式法具有更高的稳定性和精度;尤其是当波前畸变较大时,直接拟合法的稳定性和校正精度明显变差。     

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。     

基于随机数据元扩张的大气湍流相位屏数值模拟

准确模拟大气湍流相位屏是建立大气湍流数值模型的核心问题。从大气湍流的统计学特性入手,利用大气湍流波前相位结构函数建立了一种新的大气湍流相位屏数值模拟方法,通过随机数据元扩张对大气湍流波前畸变相位分布的尺度随机性和高频分量随机性进行了模拟,并以此为基础通过相位屏近似构建了满足Kolmogorov统计规律的大气湍流数值模型。计算结果表明,随机数据元扩张法生成的相位屏在统计特性上与理论值基本吻合,在低频部分相对于功率谱反演法有明显的提升。同时,随着相位屏网格数的增加,计算结果的高频特性逐渐呈现并逼近理论值。对于由相位屏构建的大气湍流数值模型,在此通过光强闪烁率作为判据进行了验证,结果表明对于弱湍流和中等强度的湍流,模拟结果与理论计算基本相同;对于强湍流则误差较为明显,相对误差最大可达40%。     

非均匀采样的功率谱反演大气湍流相位屏的快速模拟

对大气湍流功率谱非均匀采样可以有效改善传统功率谱反演法低频采样严重不足的缺陷, 实现高精度的大气湍流相位屏的模拟. 但采用的直接求和运算计算复杂度高, 相位屏的模拟速度极慢. 将非均匀快速傅里叶变换(NUFFT)引入到大气湍流相位屏的模拟, 可以实现相位屏的快速模拟. 从随机过程的谱分解出发, 将大气湍流相位随机过程表示为有限谐波分量叠加和的均方极限. 通过一个高斯核函数的卷积, 将非均匀分布的谐波复振幅映射到均匀网格空间, 进而利用快速傅里叶变换, 降低计算复杂度, 加快大气湍流相位屏的模拟速度. 以大气湍流的Kolmogorov 谱为例, 利用NUFFT仿真得到大气湍流相位屏, 并对相位屏的模拟精度、模拟速度和误差进行统计分析. 结果表明, NUFFT的引入可以实现快速、高精度的大气湍流相位屏的模拟.     

基于噪声模型变换的子光斑质心提取方法

受天光背景、大气湍流强度、信标光回光特性和探测器噪声等因素影响,夏克-哈特曼波前传感器子孔径光斑常存在强度分布不均匀和低信噪比的情况,故子孔径内光斑质心定位不准且波前探测精度下降。提出了一种基于噪声模型变换的子孔径光斑质心提取方法,采用方差稳定变换（VST）将探测引入的泊松-高斯噪声转换为高斯噪声,进一步基于残差反馈优化BM3D策略实现低信噪比子孔径图像的高效去噪。结果显示：所提方法可有效提取低信噪比夏克-哈特曼波前传感器光斑阵列图像中的光斑信号数据,提高了子孔径光斑的质心定位精度和稳定性;相比于传统自适应阈值法等方法,所提方法在子光斑图像峰值信噪比低于6时,可以提升波前复原精度2倍以上。     

CCD非线性效应对剪切干涉法波前检测的影响

利用径向剪切干涉法检测高功率激光波前时,由于探测器CCD非线性效应,在频谱中引入了除基频外的二级、三级等高次频谱分量,增加了频谱混叠的可能,使得对有用信息提取困难,降低了波前检测精度。从理论上分析了CCD非线性效应产生高次频谱分量和导致频谱混叠的原因,给出非线性条件下避免频谱混叠的条件,提出了通过提高空间载频的方法来减小或消除CCD非线性效应导致的频谱混叠。计算机模拟和实验结果表明,该方法能够有效抑制频谱混叠并显著提高波前检测精度。     

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。     

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。     

光束波前畸变的契伯格-山克斯顿测量方法探讨

利用数值模拟对契伯格－山克斯顿（Gerchberg-Saxton）方法用于湍流大气中激光传输波前的探测进行了研究,分析了其误差特性,并将该方法与哈特曼－夏克波前传感器的测量特征进行了比较。     

基于窗口傅里叶变换剪切干涉法波前检测

提出了一种利用二维窗口傅里叶变换从径向剪切干涉条纹中准确得到波前的重建技术。首先对剪切干涉条纹做二维窗口傅里叶变换,设置阈值和频率积分范围后,进行二维窗口傅里叶逆变换,然后对包裹相位做去载频和相位展开处理得到相位差分布,最后使用波前迭代算法从相位差中复原实际波前。模拟计算表明,使用该方法最大相位复原误差为0.82%,均方根值为0.020 9 rad,实验结果验证了该方法的有效性。同时也对窗口傅里叶变换的关键参数,如窗函数的选择、窗口大小的确定以及阈值的选取等进行了简要讨论。与传统傅里叶变换法(FFT)相比,基于窗口傅里叶变换的剪切干涉波前检测法有更高的精度和稳定性,为波前检测提供一种新的处理方法。     

大气湍流畸变对空间目标清晰干涉成像仿真研究

本文利用功率谱反演法分别展开对符合 Kolmogonov 统计规律和修正后的Von Karmen 统计规律的大气湍流畸变波前相位屏进行了数值模拟研究. 得到各种模型下相位屏对该成像系统干涉成像图. 仿真结果表明, 采用闭合相位原理, 基本可以消除大气湍流对光束波前的影响, 验证了采用相位闭合技术的优势.     

基于GPU的液晶大气湍流模拟器波面生成的并行实现

为了使液晶大气湍流模拟器具有实时大气模拟能力,在GPU通用计算架构下提出了基于GPU的液晶大气湍流模拟器实时波面生成计算方法。针对液晶湍流模拟器高分辨率、高精度的特点介绍了湍流波面生成计算方法,论述了CUDA通用计算架构。建立基于GPU的波面生成模型,并对该模型进行了并行化优化和共享存储器优化。给出了采用CPU与GPU进行波面生成的实验对比结果。结果表明:采用GPU生成分辨率为256×256,192项Zernike多项式进行波面生成的平均时间为2.5ms,生成速度比CPU少两个量级,满足实时波面生成的要求。     

利用相位差法测量望远镜像差

大气湍流引起的动态波前畸变和望远镜的像差是限制望远镜分辨力的主要因素,如何准确地测量望远镜的像差是进一步提高望远镜分辨能力的关键问题。相位差法利用在焦面和离焦面上同时采集到的短曝光图像,恢复出瞬时波前相位分布,然后根据大气湍流的统计特性进行平均,可以实现对望远镜像差的估计。通过计算机模拟实验,对利用相位差法恢复光瞳上的波前相位和测量望远镜像差进行了研究。模拟研究结果表明,利用相位差法能有效地估计出望远镜像差,估计均方根误差约为0.08个波长。     

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。     

Direct amplitude detection of Zernike modes by computer-generated holographic wavefront sensor: Modeling and simulation

A fast holographic wavefront sensor is proposed using a computer-generated hologram (CGH). This CGH is a multiplexed hologram of different Zernike mode–amplitude combinations, and is designed in such a manner as to get the corresponding spots on the detector according to the presence and strength of a particular aberration. Interference between the aberrated wavefront (with a single mode–amplitude combination) and the Fourier transform of an image with single bright pixel (defined as dot image) is numerically calculated for one hologram. Different mode–amplitude combination and corresponding different positions of bright pixels (dots) are taken to compute various holograms and then all the holograms are multiplexed to get the final hologram. When the aberrated wavefront with a particular mode–amplitude combination is incident onto the multiplexed hologram, the corresponding dot is generated in the Fourier plane. A lens performs the Fourier transform in optical domain and provides the instant detection of amplitude of the respective Zernike mode. The main advantage of the scheme is to avoid the need of any computations, which makes it really fast. The simulation results are presented with the cross-talk analysis for few Zernike terms.     

波面斜率结构函数及其在自适应光学扩展信标波前探测中的应用

从结构函数的定义出发 ,推导出了斜率结构函数表达式 ,并且在模拟大气随机波前的仿真实验中得以验证。同时 ,将斜率结构函数应用于扩展信标波前探测中 ,可作为选择最佳基准子波面的依据。     

自适应光学系统中大气湍流的模型分析与计算机仿真

由于自适应光学系统的实现成本很高,所以利用电子计算机进行系统仿真,把它作为一种行之有效的研究方式已被大量应用。讨论了在自适应光学系统计算机仿真中,大气湍流形成畸变波前过程的仿真模型,提出了利用Kol mogorov功率谱算法构造畸变波前的方法。