相干合成中的随机并行梯度下降算法性能研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种基于直接性能指标优化的相位控制方法,在自适应光学中有较好的适用性。该算法主要包含增益系数和随机扰动幅度两个可变参数,其取值对算法收敛性有很大的影响。对双边SPGD算法实现收敛时参数的取值要求进行研究,结合算法原理分析了算法参数的取值范围,并通过大量仿真实验找出所有使双边SPGD算法收敛的增益系数和随机扰动幅度值;得到随机扰动幅度的取值下限,理论和仿真分析了下限存在的原因及取值;在相干合成中存在相位噪声,研究了不同相位校正器参数的情况下可使算法收敛的参数的取值范围。     

基于随机并行梯度下降算法的相干合成动态相差控制与带宽分析

分析随机并行梯度下降(SPGD)算法用于多路大型固体激光装置相干合成中校正动态相差的能力。首先介绍了SPGD算法实现相干合成的基本理论,利用数值模拟方法对算法进行了优化,实现了两路基于SPGD算法的波长为800nm、带宽为30fs光束的相干合成实验,验证了在外加10,15,20,25Hz动态相差条件下算法的特性,并进一步模拟了动态活塞相差和指向性相差的校正过程,分析了不同相位噪声强度和频率对校正能力的影响,计算了控制带宽与光束路数、算法执行速度之间的关系。结果表明:远场强度分布的平方和是高能短脉冲激光相干合成的最佳性能评价函数;采用自适应增益的方式时,在保证算法稳定性的前提下,提高了算法的收敛速度;随着相位噪声强度和频率的提高,算法的有效控制带宽减小;算法执行速度越快,光束路数越少,则算法控制带宽越大;受限于器件性能,SPGD算法不适用于4路以上带宽为30fs激光阵列的相干合成。     

基于随机并行梯度下降算法光纤激光相干合成的高精度相位控制系统

随机并行梯度下降(SPGD)算法是实现大功率主振荡功率放大器相干合成的有效手段之一.分析了SPGD算法用于相干合成的基本原理,设计了基于SPGD算法的相位控制系统,给出了基于该SPGD控制器的相干合成实验结果.理论分析表明,SPGD算法控制器的迭代速率为200kHz,对于两路相干合成的平均控制带宽大于12.5kHz,最优控制精度可达1/179个波长.实验表明,SPGD控制器能够实现高速的相位控制.在相位噪声幅度大于1/10个波长、频率为3kHz的情况下,有效地实现了两路激光的相位锁定,相位残差控制在1/25个波长内.     

基于偏振自适应和主动相位控制的相干合成的实验研究

进行了非保偏放大器与保偏放大器的相干合成的实验研究。通过随机并行梯度下降（SPGD）算法对非保偏放大器进行偏振自适应控制,使非保偏放大器输出激光的消光比达到11.5 dB,与保偏放大器在同一偏振方向上的光功率占总功率的93.4%。利用单抖动法进行非保偏放大器与保偏放大器的主动相位控制,实现相干合成。实验结果表明:SPGD算法能够有效实现偏振自适应控制,偏振自适应控制前后相干合成远场的条纹对比度从80.1%提高到87.2%,相干合成的效果提升明显;通过增加参与合成的放大器路数,并在各路激光中引入多级功率放大器,能够得到更高的合成功率输出。     

自适应光学中SPGD算法关键参数实时调节方法

介绍了随机并行梯度下降（SPGD）算法及其在相干合成中的应用,针对实验中算法关键参数难以调节的难点,提出采用软硬件结合的新方式,实现对实验数据的在线采集和分析以及对SPGD算法关键参数的自动实时调节。开展了4路光纤激光相干合成实验,对不同调节方法进行对比。实验中采用新方式有效调节了SPGD算法中增益系数和随机扰动幅度的取值,合成效果显著。     

SPGD算法在光纤激光相干阵列光束控制中的应用

主动相位控制的光纤激光阵列相干合成在提高输出功率的同时能够保证良好的光束质量,其关键技术在于光纤激光相干阵列的锁相控制。基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的锁相控制方案不仅具有控制策略简单、系统结构紧凑的优点,而且通过算法性能评价函数和迭代参数的选取,能够对光纤激光相干阵列进行多种锁相控制,从而得到各种形式的阵列合成光束输出,实现与自适应光子锁相元件整列(APPLE)系统阵列的有效契合。理论研究并实验实现了基于SPGD算法的相位控制方案的同相相干合成锁相控制、合成光束主极大偏转控制和空心光束产生等功能,验证了基于SPGD算法的全电光束控制在各种形态光束控制中的可行性。     

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%.     

倾斜相差对光纤激光相干合成的影响与模拟校正

选取不同路数和不同填充因子的合成光束模型,模拟并分析了倾斜相差对相干合成的影响.介绍了倾斜校正的关键器件--自适应光纤光源准直器.在主振荡功率放大器结构的光纤激光相干合成系统中,模拟了随机并行梯度下降(SPGD)算法校正七路激光阵列间时变倾斜相差的动态过程,分析了不同倾斜相差幅值和频率对校正能力的影响.实验表明,要提高相干合成的效果,必须校正倾斜相差;而SPGD算法校正倾斜相差的能力随着倾斜相差幅值和频率的增加而降低.文章为在实际大气环境中实现多路高功率光纤激光的相干合成提供了参考. 关键词： 光纤激光 相干合成 倾斜相位差 动态分析     

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.     

基于随机并行梯度下降算法的光束相干合成技术

介绍了随机并行梯度下降算法的基本原理,对算法流程进行了仿真验证,并对其中随机扰动幅度和增益系数两个关键参数进行了仿真分析。分析结果表明,这两个参数存在一个最适区间,只有在此区间内取值时算法才能有效收敛。以仿真分析为依据开展了光纤激光的相干合成实验,结果表明光束相干合成效果显著,有效地验证了仿真分析的结果。     

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。     

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。     

32路光纤激光相干阵列的相位锁定

报道了32路光纤激光相干阵列的相位锁定实验研究。搭建了32路光纤激光相干阵列实验系统,基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)设计制作了高速高精度相位控制器。当相位控制器执行随机并行梯度下降(SPGD)算法对各路激光的相位进行锁定时,相干阵列输出的激光功率与不进行相位锁定时相比提高了约26倍。     

线阵光纤激光相干合成控制器的设计

针对线阵光纤激光相干合成系统中对合成光束的质量、控制速度、控制精度的需求，完成了线阵光纤激光相干合成控制器的设计。该控制器以DSP2812和CPLD为核心处理器，通过AD976A模/数转换器接收光电探测器的电压信号，AD8544数/模转换器输出模拟电压控制压电陶瓷相位控制器，进而控制激光的相位变化。为了实现控制器与目标图像检测板和上位机的通信，设计了两路串口通信接口，并编写了相关测试程序，最终在线阵光纤激光相干合成系统中完成了四路1 064 nm激光的相干合成、扫描、跟踪实验。实验结果表明，该控制器搭载随机并行梯度下降（SPGD）算法，在光电探测器的配合下能够实现光纤激光锁相，控制主瓣能量变化优于±5%，锁相后主瓣能够完成±λ的扫描，扫描频率约为25 Hz，同时结合目标图像检测板完成了目标跟踪实验，实现激光相干合成条纹的目标跟踪。     

光纤激光相干合成高速高精度相位控制器

基于随机并行梯度下降算法（SPGD）和现场可编程逻辑阵列（FPGA）设计制作了相干合成（CBC）相位控制器。理论分析表明,该控制器单次迭代速率大于1.125 MHz,对于2路和16路相干合成,其平均控制带宽的理论值分别大于70 kHz和9 kHz,与现有的SPGD算法相位控制器相比有了量级上的提高。利用该控制器进行了验证性实验,表明该控制器能够实现高速高精度相位控制。当利用相位控制器对两路激光的相位进行锁定时,目标圆孔内能量提高了1.51倍,远场光斑对比度提高了5.29倍。     

模拟退火算法光纤放大器相干合成

提出了利用模拟退火算法实现相干合成的思路。对利用模拟退火算法实现多路光纤放大器相干合成进行了数值模拟,验证了方法的有效性,并分析了算法收敛速度与合成光束数目的关系。进行了两路W量级光纤放大器相干合成的实验,结果表明,模拟退火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1.8倍,并使得目标圆孔内能量大于理想值80%的概率从19.4%提升到了51.3%,取得了较为明显的相干合成效果。     

点目标成像自适应光学随机并行梯度下降算法性能指标与收敛速度

在自适应光学中,随机并行梯度下降(SPGD)算法通过对系统的性能指标直接优化从而校正波前像差,具有很强的应用潜力.在点目标成像自适应光学系统中,SPGD算法经常采用强度分布平方和、平均半径和环围能量作为系统的性能指标进行优化.利用数值仿真分析了三种性能指标与畸变波前的均方根之间的关系.建立了一套实验平台,通过静态波前畸变校正实验,分析了SPGD算法采用以上三种不同的性能指标时的校正效果.实验结果与前面的数值仿真结果一致,表明SPGD取平均半径作为性能指标进行优化时效果较好.实验还分析了控制通道数目对收敛速度的影响.结果表明随着控制通道数目的增加性能指标曲线收敛所需的迭代次数显著增加,与驱动器个数的平方根之间存在一个近似的线性关系.     

基于随机并行梯度下降算法的多波长激光相干合成

由于受到受激布里渊散射(SBS)等非线性效应的限制,单频激光放大器的功率在百瓦量级,以非单频激光多波长激光作为种子源能够有效地抑制SBS并提高放大器功率.与单频激光相干合成相比,非单频率、多波长激光的相干合成有望将输出激光功率成量级地提高.基于随机并行梯度下降(stochastic parallel gradient descent,SPGD)算法,实现了四波长激光的相干合成.在系统闭环时,四路多波长激光合成后的主瓣能量能够提高3倍,达到理想值的75%.验证了多波长、非单频激光相干合成的可行性,为高功率相干合成的发展提供了新的途径.     

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.     

全光纤激光阵列主动相位控制技术研究进展

全光纤激光阵列主动相位控制利用全光纤网络实现阵列激光的活塞相位内部探测与控制,具有结构紧凑、无需外部反馈光学器件和易于扩展等优点,是大阵元规模光纤激光相干合成重要发展方向之一。采用全光纤相位探测结构,介绍了全光纤激光阵列主动相位控制技术的系统原理和利用光纤耦合器实现相位锁定的过程,总结了全光纤激光阵列主动相位控制关键技术,通过优化算法实现全光纤激光阵列主动相位控制验证实验。探讨了在全光纤结构主动相位控制中π相位模糊问题及解决方法,给出了利用双波长探测实现消除π相位模糊问题的仿真结果。最后梳理了全光纤激光阵列主动相位控制研究现状,并从路数扩展、功率提升和应用等方面进行了展望。