本文關(guān)鍵詞：自適應(yīng)光學(xué)高性能實時計算技術(shù)研究

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【摘要】：自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是大口徑天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、激光光束質(zhì)量控制系統(tǒng)、激光傳輸?shù)认到y(tǒng)中的重要儀器之一。自適應(yīng)光學(xué)波前實時處理機是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分,它的計算性能直接決定了系統(tǒng)的校正效果。提高自適應(yīng)光學(xué)實時處理器的性能是降低自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正殘差以及提高系統(tǒng)遠(yuǎn)場能量集中度的重要手段之一。本文以自適應(yīng)光學(xué)(AO)波前實時處理方法為研究課題,以提升遠(yuǎn)場能量集中度為目標(biāo),重點研究了自適應(yīng)光學(xué)實時處理的延遲對誤差的影響,基于通用CPU的高性能實時處理架構(gòu),以及在該處理架構(gòu)下針對激光凈化等領(lǐng)域提升遠(yuǎn)場功率密度的新的復(fù)原算法。主要研究內(nèi)容包括四個部分：1.文章首先研究了大單元數(shù)AO實時處理系統(tǒng)的運算特性及需求；通過對在Kolmogorov大氣湍流模型下,采用積分控制器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中,波前實時處理延遲對時域控制殘差的影響進(jìn)行分析,指出自適應(yīng)光學(xué)實時處理系統(tǒng)的目標(biāo)是在短時間內(nèi)實現(xiàn)高性能計算。對實際處理系統(tǒng)的性能對殘差的影響進(jìn)行了數(shù)值分析,與經(jīng)典的Greenwood誤差模型進(jìn)行了對比研究,指出在有延遲的真實系統(tǒng)中,Greenwood誤差估計模型的fc近似為誤差-3 db帶寬。2.研究了基于中央處理器(CPU)的處理系統(tǒng)對AO實時處理的適應(yīng)性；對采用CPU實現(xiàn)大單元數(shù)AO系統(tǒng)的復(fù)原計算性能進(jìn)行了研究,指出CPU的計算性能具有明顯的兩段特性,且在短時間內(nèi)具有很高的性能。研究結(jié)果為采用CPU實現(xiàn)極大規(guī)模自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的復(fù)原運算提供了設(shè)計依據(jù)。為精簡實時處理機的結(jié)構(gòu),提出了一種基于實時操作系統(tǒng)的在單計算機中集成實時處理與監(jiān)控的處理機架構(gòu),分析了該架構(gòu)的極限性能,最終首次在單板上實現(xiàn)了2000單元級自適應(yīng)光學(xué)2000 Hz的波前實時處理。3.研究了傾斜鏡與變形鏡的耦合問題,以提升變形鏡對高階像差的校正效果；針對無法完全抑制傾斜的閉環(huán)控制自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),研究了傾斜鏡與變形鏡的耦合問題,指出傳統(tǒng)的限定向量算法在系統(tǒng)含有較大傾斜殘余量時,無法實現(xiàn)變形鏡對高階像差的高效校正；同時,會惡化自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,且無法完全抑制變形鏡產(chǎn)生傾斜；提出了一種基于向量投影的算法,對比了兩種方法的性能。研究結(jié)果表明,向量投影抑制算法能在較大傾斜殘余像差的情況下更好地校正高階像差；且該算法運行在基于CPU的實時處理平臺上并不會增加時域校正誤差。4.研究了非Marechal近似像差分布特性下實時復(fù)原算法,以提升遠(yuǎn)場的功率密度。分析板條固體激光光學(xué)像差的特性,指出在板條激光器中像差分布嚴(yán)重不均勻條件下,最小二乘法不再是遠(yuǎn)場強度提升最優(yōu)的復(fù)原算法,分析了遠(yuǎn)場能量集中度與控制算法在目標(biāo)上的異同,提出了一種加權(quán)最小二乘實時復(fù)原算法,實驗對比的結(jié)果表明,采用加權(quán)最小二乘算法對板條固體激光的像差校正后,具有更高的峰值與光束質(zhì)量。
【關(guān)鍵詞】：自適應(yīng)光學(xué) 波前實時處理 高性能計算 加權(quán)最小二乘復(fù)原 解耦控制
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O43;TH74
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-36
• 1.1 引言12-13
• 1.2 自適應(yīng)光學(xué)的歷史及國內(nèi)外發(fā)展趨勢13-20
• 1.3 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)組成及波像差描述20-28
• 1.3.1 波像差的描述20-21
• 1.3.2 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)組成21-28
• 1.3.2.1 波像差探測-波前傳感器21-24
• 1.3.2.2 波像差的校正-波前校正器件24-25
• 1.3.2.3 控制系統(tǒng)-波前實時處理器25-28
• 1.4 波前處理系統(tǒng)發(fā)展歷史及國內(nèi)外發(fā)展趨勢28-31
• 1.4.1 國外波前處理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢28-31
• 1.4.2 國內(nèi)波前處理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀31
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容、主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新31-34
• 1.6 本論文的結(jié)構(gòu)安排34-36
• 第二章 Kolmogorov大氣湍流自適應(yīng)光學(xué)校正誤差分析36-60
• 2.1 引言36-37
• 2.2 近場的波像差與遠(yuǎn)場的能量集中度的關(guān)系37-49
• 2.2.1 光束評價指標(biāo)簡介37-39
• 2.2.1.1 斯特列爾比37-38
• 2.2.1.2 M_2因子38
• 2.2.1.3 桶中功率及β因子38-39
• 2.2.2 Marechal近似條件下斯特列爾比與波像差的均方根的關(guān)系39-42
• 2.2.3 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正后波像差的均方根的組成42-49
• 2.2.3.1 波前傳感器探測誤差及對波像差的影響43-45
• 2.2.3.2 大氣湍流空間擬合誤差45-47
• 2.2.3.3 Kolmogorov大氣湍流時域校正誤差經(jīng)典估計47-49
• 2.3 實際系統(tǒng)中控制系統(tǒng)模型及時域誤差分析49-53
• 2.3.1 大氣湍流模型49-51
• 2.3.2 基于積分控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)模型51-52
• 2.3.3 大氣湍流引起的光學(xué)畸變經(jīng)過控制系統(tǒng)后的誤差52-53
• 2.4 延遲及幀頻對系統(tǒng)殘差的影響53-58
• 2.4.1 理想處理系統(tǒng)下的f_c的物理意義53-54
• 2.4.2 真實系統(tǒng)下延遲與幀頻對系統(tǒng)殘差的影響54-58
• 2.4.2.1 不同延遲對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響54-56
• 2.4.2.2 相同相位裕度時不同延遲對誤差的影響56-58
• 2.4.2.3 不同延遲與幀頻對帶寬的影響58
• 2.5 大單元數(shù)自適應(yīng)光學(xué)實時處理系統(tǒng)面臨的技術(shù)問題58-59
• 2.6 本章小結(jié)59-60
• 第三章 CPU計算性能對大單元數(shù)AO系統(tǒng)的適應(yīng)性研究60-72
• 3.1 引言60-61
• 3.2 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)計算需求及CPU的計算特性61-71
• 3.2.1 自適應(yīng)光學(xué)各部分計算及特性分析61-63
• 3.2.2 各種架構(gòu)對計算特性的適應(yīng)性分析63-64
• 3.2.3 利用CPU實現(xiàn)復(fù)原運算的計算性能64-70
• 3.2.3.1 向量指令優(yōu)化性能64-66
• 3.2.3.2 CPU實現(xiàn)復(fù)原運算的運算特性66-70
• 3.2.4 性能對比70-71
• 3.3 本章小結(jié)71-72
• 第四章 基于CPU的AO實時處理系統(tǒng)的架構(gòu)及性能研究72-92
• 4.1 引言72-73
• 4.2 利用CPU實現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)的實時處理73-82
• 4.2.1 實時處理架構(gòu)及延遲概述74-75
• 4.2.2 系統(tǒng)的軟件環(huán)境及對延遲的影響75-78
• 4.2.2.1 系統(tǒng)調(diào)度延遲77
• 4.2.2.2 計算抖動77-78
• 4.2.3 高速傳輸技術(shù)及對延遲的影響78-82
• 4.2.3.1 傳輸技術(shù)簡介79-80
• 4.2.3.2 基于串行傳輸?shù)淖赃m應(yīng)光學(xué)實時處理硬件架構(gòu)80-81
• 4.2.3.3 順序處理下傳輸對延遲的影響81
• 4.2.3.4 流水線處理模式下傳輸對延遲的影響81-82
• 4.3 實驗驗證82-90
• 4.3.1 大氣湍流特征參數(shù)測試平臺83-85
• 4.3.2 2415單元自適應(yīng)光學(xué)實時計算結(jié)果及不同架構(gòu)性能對比85-88
• 4.3.3 595單元自適應(yīng)光學(xué)室內(nèi)實驗閉環(huán)88-89
• 4.3.4 137單元激光通信自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)模擬湍流實驗及理論對比89-90
• 4.4 本章小結(jié)90-92
• 第五章 閉環(huán)控制自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)變形鏡約束技術(shù)研究92-104
• 5.1 引言92-94
• 5.2 變形鏡約束的數(shù)學(xué)原理94-97
• 5.2.1 變形鏡約束的目標(biāo)94-95
• 5.2.2 限定向量的直接斜率控制算法簡介及對系統(tǒng)性能的影響95-96
• 5.2.3 基于向量投影抑制的算法96-97
• 5.3 數(shù)值仿真分析97-103
• 5.3.1 不帶傾斜時的校正效果及對平移的約束能力對比97-100
• 5.3.2 帶傾斜殘差時的像差校正效果及對傾斜的約束能力100-103
• 5.4 本章小結(jié)103-104
• 第六章 非Marechal近似條件下實時復(fù)原算法優(yōu)化104-119
• 6.1 引言104-106
• 6.2 板條激光器像差特性以及采用直接斜率法校正106-111
• 6.2.1 板條固體激光器的像差特性106-108
• 6.2.2 采用最小二乘標(biāo)準(zhǔn)的直接斜率法實現(xiàn)對系統(tǒng)的校正108-111
• 6.3 加權(quán)最小二乘復(fù)原算法原理111-113
• 6.3.1 加權(quán)最小二乘復(fù)原算法111-112
• 6.3.2 權(quán)重因子選取112-113
• 6.4 實驗對比113-117
• 6.5 本章小結(jié)117-119
• 第七章 總結(jié)與后續(xù)工作展望119-122
• 7.1 本論文的主要研究內(nèi)容119-120
• 7.2 本論文的主要創(chuàng)新工作120
• 7.3 后續(xù)工作展望120-122
• 致謝122-124
• 參考文獻(xiàn)124-132
• 攻博期間取得的研究成果132-133

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;自適應(yīng)光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2008年02期

2 ;自適應(yīng)光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2008年03期

3 ;自適應(yīng)光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;1994年03期

4 ;自適應(yīng)光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;1996年01期

5 ;自適應(yīng)光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;1996年03期

6 姜文漢;自適應(yīng)光學(xué)與能動光學(xué)[J];物理;1997年02期

7 ;自適應(yīng)光學(xué)在解決實際問題方面的應(yīng)用[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;1997年11期

8 ;自適應(yīng)光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;1998年04期

9 ;自適應(yīng)光學(xué)[J];中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)文摘;2000年06期

10 熊耀恒,白金明;應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所取得的天文觀測成果[J];云南天文臺臺刊;2000年02期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 薛忠晉;楊敏;朱林泉;;自適應(yīng)光學(xué)應(yīng)用技術(shù)[A];第六屆全國信息獲取與處理學(xué)術(shù)會議論文集（2）[C];2008年

2 朱林泉;牛晉川;朱蘇磊;;主動光學(xué)與自適應(yīng)光學(xué)[A];第六屆全國信息獲取與處理學(xué)術(shù)會議論文集（2）[C];2008年

3 王國松;梁永輝;王三宏;毛宏軍;胡浩軍;;基于DSP的SPGD自適應(yīng)光學(xué)控制平臺研究[A];第九屆全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集（下冊）[C];2010年

4 鄭文佳;王春鴻;姜文漢;李梅;唐端午;;基于FPGA的自適應(yīng)光學(xué)實時波前斜率處理新方法[A];全國第一屆信號處理學(xué)術(shù)會議暨中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會信號處理分會籌備工作委員會第三次工作會議�？痆C];2007年

5 夏雪球;梁永輝;毛宏軍;;基于桶中功率測量的隨機并行梯度下降白適應(yīng)光學(xué)光束凈化實驗研究[A];第十四屆全國光學(xué)測試學(xué)術(shù)討論會論文（摘要集）[C];2012年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 本報通訊員 傅雪軍 本報記者 朱會倫;祖國自適應(yīng)光學(xué)的驕傲[N];科技日報;2001年

2 本報特約撰稿 黃寰;中國之光 眩亮世界[N];四川科技報;2007年

3 ;連接現(xiàn)實世界與信息世界[N];計算機世界;2001年

4 田京;德啟動“大型望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)”研究計劃[N];大眾科技報;2001年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前9條

1 王亮;自適應(yīng)光學(xué)測試與系統(tǒng)優(yōu)化研究[D];中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所);2016年

2 陳善球;自適應(yīng)光學(xué)高性能實時計算技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2016年

3 梁波;自適應(yīng)光學(xué)像差矯正對雙眼疊加作用的影響研究[D];中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）;2013年

4 李抄;液晶自適應(yīng)光學(xué)眼底成像儀的實用化研究[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機械與物理研究所）;2011年

5 王志斌;自適應(yīng)光學(xué)熒光閉環(huán)技術(shù)在共聚焦成像中的應(yīng)用[D];中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）;2015年

6 侯靜;自適應(yīng)光學(xué)波前探測新概念研究[D];中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2002年

7 王三宏;隨機并行梯度下降自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在光束凈化中的應(yīng)用[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

8 陳穎;自適應(yīng)光學(xué)仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2013年

9 付強;天文望遠(yuǎn)鏡大氣湍流下優(yōu)化控制技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）;2014年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 高國慶;基于故障樹的自適應(yīng)光學(xué)電控系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)的研究[D];中國科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所);2016年

2 黃智良;高分辨率大視場太陽多層共軛自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)[D];電子科技大學(xué);2016年

3 王小妮;自適應(yīng)光學(xué)與在無線激光通信中的應(yīng)用[D];中北大學(xué);2008年

4 劉廣杰;微型自適應(yīng)光學(xué)儀器的研究與設(shè)計[D];昆明理工大學(xué);2014年

5 張利;基于自適應(yīng)光學(xué)的水下成像技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機械研究所);2010年

6 周晗;基于GPU的自適應(yīng)光學(xué)性能測算系統(tǒng)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）;2014年

7 王國松;基于DSP的隨機并行梯度下降自適應(yīng)光學(xué)控制平臺研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

8 張超;基于FPGA的SPGD自適應(yīng)光學(xué)控制平臺研究[D];中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所);2013年

9 王保峰;基于自適應(yīng)光學(xué)的激光精跟蹤技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機械研究所）;2014年

10 胡謀法;自適應(yīng)光學(xué)波前重構(gòu)算法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2003年

，

本文編號：708666