對天文目標進行成像觀測時,大氣的湍流效應會使波動相位發(fā)生畸變,并可能導致相位嚴重退化,從而給成像帶來困難。一直以來,常規(guī)的自適應光學系統(tǒng)是校正大氣湍流的有效方法。然而,常規(guī)自適應光學技術在傳輸路徑上的湍流較強,特別是對低仰角空間物體、暗目標進行觀察時,在接收平面上光束波前會出現(xiàn)較強的振幅起伏,給波前探測帶來較大的誤差。與常規(guī)自適應光學技術相比,無波前傳感自適應光學技術不受畸變條件的限制,無需對進行波前探測及進行波前重構計算,將波前校正器所需控制信號作為優(yōu)化參量,以成像清晰度函數(shù)、斯特列爾比、接收光能量等人們關心的系統(tǒng)性能指標,直接作為目標函數(shù)使用迭代的方式進行優(yōu)化,得到接近理想的校正效果。在眾多的優(yōu)化算法中,隨機并行梯度下降(SPGD-Stochastic Parallel Gradient Descent)算法是一種多參數(shù)的優(yōu)化算法,該算法具有其參數(shù)簡單,收斂效率高和穩(wěn)定特性好的特點。在實際工作中,SPGD算法控制成為我們解決各類難以用解析方法求解的優(yōu)化問題的首選優(yōu)化方法。針對SPGD算法,本文的研究內容主要有以下幾個方面:本文對影響SPGD算法收斂速度的因素進行了分析,提出了一種基于功率譜反演法對SPGD算法進行優(yōu)化的方法,利用功率譜反演法提高待校正波前畸變與控制電壓引起的相位擾動的統(tǒng)計相關性,達到改善SPGD算法收斂速度的目的�；贛atlab軟件建立了SPGD AO系統(tǒng)的仿真模型。通過數(shù)值模擬,本文所述的優(yōu)化方法,校正效果更好,收斂速度更高。本文詳細介紹了基于FPGA的SPGD算法軟件控制平臺各模塊的設計原理、工作流程及Modelsim仿真結果;本文提出變形鏡控制電壓并行計算的設計方法,提高了算法的迭代時間。仿真結果表明,本文所設計的控制平臺,每次迭代的時間理論上可以達到362.88us。本文搭建了一套以光電倍增管作為性能指標傳感器的21單元的SPGD AO系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)對室內靜態(tài)像差和人為添加的動態(tài)擾動分別進行了校正實驗。經邏輯分析儀檢測,本文設計硬件控制平臺每次迭代的實際時間為399us。針對靜態(tài)像差,SPGD算法雙向迭代頻率達2500Hz,系統(tǒng)穩(wěn)定時間為32ms。對于人為添加的動態(tài)擾動,系統(tǒng)的穩(wěn)定時間為80ms,能夠跟上Greenwood頻率為18Hz左右的波前畸變。欲提高算法的收斂時間,可以對光路進行優(yōu)化,或者使用更高頻率的時鐘、或使用多片D/A并行輸出變形鏡控制電壓來提高算法的迭代頻率。為了驗證在強湍流條件下同時使用Hartmann AO系統(tǒng)與SPGD AO系統(tǒng)對波前畸變的校正能力,本文搭建了一套SPGD控制器與Hartmann波前傳感器級聯(lián)的實驗系統(tǒng),在四種不同的條件下,驗證了基于Hartmann的SPGD級聯(lián)波前校正系統(tǒng)對畸變波前的校正能力,從實驗結果可以得出,在強湍流條件下成像時,在級聯(lián)系統(tǒng)中,同時使用傳統(tǒng)和SPGD兩種自適應光學技術能夠顯著提高系統(tǒng)的成像質量。二者級聯(lián)的AO系統(tǒng),彌補了單一AO系統(tǒng)應用的局限性,實驗室內實驗的成功,為未來用于天文觀測奠定了基礎。
【學位單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：P111.2
【部分圖文】：

圖 1.1 典型自適應光學系統(tǒng)結構圖在自適應光學發(fā)展的早期，發(fā)展出了四種自適應光學系統(tǒng)（見圖 1.2~圖 相位共軛系統(tǒng)，波前補償系統(tǒng)，多元高頻振動系統(tǒng)和像清晰化系統(tǒng)。從合的角度看，上述第一種和第三種系統(tǒng)可以用于激光發(fā)射，而第二和第四則可以用于成像。從控制原理的角度看，第一種和第二種屬于第一類，該是巴布科克的理論提出的，利用相位共軛的原理，系統(tǒng)主要由波前傳感器處理器、波前校正器構成，使用波前傳感器對相位畸變進行探測，波前處制波前校正器產生共軛相位，達到補償相位畸變的目的，本文稱之為共軛應光學系統(tǒng)。像清晰化系統(tǒng)與多元高頻振動系統(tǒng)屬于第二類。該類則是利控制理論，系統(tǒng)主要由性能指標傳感器（主要為光強探測器或像清晰度）、優(yōu)化控制器、波前校正器組成，使用光電探測器采集待優(yōu)化的系統(tǒng)性，控制變形鏡，使系統(tǒng)的評價函數(shù)達到唯一極值，實現(xiàn)校正系統(tǒng)中波前畸的，本文將之稱為優(yōu)化式自適應光學系統(tǒng)。

相位共軛系統(tǒng)

波前補償系統(tǒng)
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本文編號：2863096