哈特曼傳感器是一種常見的波前探測器,它的基本工作流程是:首先將待測波前進(jìn)行采樣,得到光斑圖像;然后選取合理的質(zhì)心算法得到各個子光斑圖像的質(zhì)心位置,再從中減去標(biāo)定質(zhì)心位置,得到波前斜率;最后通過波前復(fù)原算法,由斜率信息復(fù)原出待測波前,完成波前探測。為了復(fù)原出準(zhǔn)確的波前,一方面,需要選取合適的質(zhì)心算法;另一方面,需要用近似理想的光源進(jìn)行同光軸標(biāo)定,得到標(biāo)定質(zhì)心位置。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)需要對哈特曼傳感器探測到的波前畸變進(jìn)行校正。由于在校正過程中,標(biāo)定質(zhì)心位置被近似等效為理想波前,因此標(biāo)定位置的準(zhǔn)確性是決定校正能力上限的重要因素。當(dāng)標(biāo)定過程受到多方面誤差影響較大時,會帶來三個問題:1.如何選取合適的光斑質(zhì)心計算方法;2.如何解決因標(biāo)定光源的波前狀況不理想導(dǎo)致的標(biāo)定位置不準(zhǔn)確;3.當(dāng)系統(tǒng)其余部分的誤差較大且誤差不能等效為質(zhì)心偏移時,如何解決標(biāo)定位置不能被等效為理想波前的問題。為了解決哈特曼傳感器面臨的上述問題,本文提出了一種新的解決思路。以自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)為平臺,為了得到系統(tǒng)的最佳標(biāo)定位置,首先將過程中所有誤差的影響看作是線性映射與非線性映射的集合;然后通過end-to-end的方式,對斜率到控制信號的過程進(jìn)行尋優(yōu),得到最優(yōu)策略,最優(yōu)策略下的波前殘差代表了系統(tǒng)對于當(dāng)前入射像差的最大校正能力;最后,用這個殘差去更新傳統(tǒng)的有誤差的標(biāo)定位置,得到了基于系統(tǒng)的標(biāo)定。這樣的思路解放了在物理過程建模和誤差分析中的工作量以及對標(biāo)定光源光束質(zhì)量的苛刻要求,理論上僅依靠算法便能完成任務(wù)�；谶@種新思路,本文提出了一種基于深度強化學(xué)習(xí)的哈特曼傳感器標(biāo)定優(yōu)化方法,并取得了一系列創(chuàng)新性成果。第一,對強化學(xué)習(xí)理論在目標(biāo)場景的可行性進(jìn)行了研究。馬爾可夫相關(guān)理論是解決時間貫序問題的有力數(shù)學(xué)工具,但在自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域,并沒有過深入的相關(guān)研究。本文針對這一空白的研究方向,驗證了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程滿足馬爾可夫性;自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前補償過程屬于馬爾可夫決策過程。最后,在馬爾可夫的理論框架下研究了適用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的基于強化學(xué)習(xí)的優(yōu)化方法。第二,進(jìn)一步確定了目標(biāo)場景屬于確定性策略范疇。在這個結(jié)論下,針對系統(tǒng)中的非線性誤差集合和固定誤差集合,可采用end-to-end的全局優(yōu)化方式并運用深度學(xué)習(xí)設(shè)計了end-to-end的策略網(wǎng)絡(luò)和動作值函數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);然后將上述兩個網(wǎng)絡(luò)植入強化學(xué)習(xí)的Actor-Critic的框架;最后在確定性策略梯度理論下,確定了Actor網(wǎng)絡(luò)與Critic網(wǎng)絡(luò)的梯度交互和梯度更新的方式,并研究了適合自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)范圍。第三,確立了基本結(jié)構(gòu)后,在策略探索方面,針對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)高維連續(xù)輸出的特點,提出了一種帶衰減項的正態(tài)分布探索策略,并和傳統(tǒng)的OU探索策略進(jìn)行了對比;在獎勵函數(shù)方面,以斯特列爾比、因子、像清晰度函數(shù)等光束評價指標(biāo)為基礎(chǔ),設(shè)計出值域統(tǒng)一且梯度上升方向一致的獎勵函數(shù),并分別驗證了其收斂特性,并在仿真中完成驗證。第四,針對強化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練過程中樣本量需求大的問題,在訓(xùn)練Critic網(wǎng)絡(luò)時提出了基于k回合隨機TD-n的方法,將樣本利用率提高了1.5倍;針對訓(xùn)練前期收斂過程震蕩、收斂速度慢的問題,提出了基于有監(jiān)督學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)預(yù)訓(xùn)練和加入引導(dǎo)經(jīng)驗池的Double Reply Buffer兩種方案。最后在實驗中驗證了方法的可行性。通過本文的研究,證明了在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中,一種基于深度強化學(xué)習(xí)的哈特曼傳感器的end-to-end標(biāo)定優(yōu)化方式是可行的,并為光學(xué)領(lǐng)域其他滿足馬爾可夫性的過程優(yōu)化問題提供了一種新的解決思路。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;TP391.41
【部分圖文】：

波前探測技術(shù)夏克哈特曼波前傳感器是一種精密的波前探測儀器，廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)文圍繞夏克哈特曼波前傳感器在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的標(biāo)定優(yōu)化，開展了的工作。其中波前和波前探測是研究本論題時需要了解的最基本的概念首先圍繞這兩個概念展開論述。 波前及波前探測技術(shù)原理.1 波前針對波前，本小節(jié)將從幾何光學(xué)[1,2]和波動光學(xué)[3,4]的角度分別闡述。幾何光學(xué)中，將光的傳播看作矢量光線，最直觀的例子就是影子的形成和像現(xiàn)象[5]（如圖 1.1 所示）。在對這些現(xiàn)象進(jìn)行分析時，一束光被看作由無向直線組成。

0U u exp( w r) 2w 代表光波的矢向量， 為波長； 表示光程的矢向量的相位[3-5]。根據(jù)以上定義，在波動光學(xué)理論中，波前代表了前探測技術(shù)波前的基本概念后，本小節(jié)主要簡述了波前探測技術(shù)原理勻介質(zhì)中傳播時，波前相位信息可以反映光程的不同。根據(jù)測目標(biāo)表面信息。如圖 1.2，在同種均勻介質(zhì)中，等相位的反射后，波面形成了一定光程差，因此，反射波面包含了目息。

第一章 緒論1.1.2 現(xiàn)有波前探測技術(shù)波前探測器按波前探測技術(shù)的不同，可分為基于干涉技術(shù)的波前探測器、基于斜率測量的夏克哈特曼波前傳感器和其他波前探測器。1.1.2.1 基于干涉技術(shù)的波前探測器基于干涉技術(shù)的波前探測器，通過干涉技術(shù)復(fù)原被測波前。主要指干涉儀，包括徑向剪切干涉儀（圖 1.3(a)）、四波橫向剪切干涉儀（圖 1.3(b)），點衍射干涉儀（圖 1.3(c)）等[6-9]。由于大部分干涉儀面臨硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、光能利用率較低等限制，在實時波前探測領(lǐng)域中逐漸被其他技術(shù)替代。由于這部分不是本文主要內(nèi)容，在此只做簡單的介紹。
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本文編號：2836708