發(fā)布時間：2020-10-11 14:23

　　 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:首先將待測波前進行采樣,得到光斑圖像;然后選取合理的質心算法得到各個子光斑圖像的質心位置,再從中減去標定質心位置,得到波前斜率;最后通過波前復原算法,由斜率信息復原出待測波前,完成波前探測。為了復原出準確的波前,一方面,需要選取合適的質心算法;另一方面,需要用近似理想的光源進行同光軸標定,得到標定質心位置。自適應光學系統(tǒng)需要對哈特曼傳感器探測到的波前畸變進行校正。由于在校正過程中,標定質心位置被近似等效為理想波前,因此標定位置的準確性是決定校正能力上限的重要因素。當標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心計算方法;2.如何解決因標定光源的波前狀況不理想導致的標定位置不準確;3.當系統(tǒng)其余部分的誤差較大且誤差不能等效為質心偏移時,如何解決標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。以自適應光學系統(tǒng)為平臺,為了得到系統(tǒng)的最佳標定位置,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)的有誤差的標定位置,得到了基于系統(tǒng)的標定。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定光源光束質量的苛刻要求,理論上僅依靠算法便能完成任務。基于這種新思路,本文提出了一種基于深度強化學習的哈特曼傳感器標定優(yōu)化方法,并取得了一系列創(chuàng)新性成果。第一,對強化學習理論在目標場景的可行性進行了研究。馬爾可夫相關理論是解決時間貫序問題的有力數(shù)學工具,但在自適應光學領域,并沒有過深入的相關研究。本文針對這一空白的研究方向,驗證了自適應光學系統(tǒng)的狀態(tài)轉移過程滿足馬爾可夫性;自適應光學系統(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光學系統(tǒng)的基于強化學習的優(yōu)化方法。第二,進一步確定了目標場景屬于確定性策略范疇。在這個結論下,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習設計了end-to-end的策略網(wǎng)絡和動作值函數(shù)網(wǎng)絡結構;然后將上述兩個網(wǎng)絡植入強化學習的Actor-Critic的框架;最后在確定性策略梯度理論下,確定了Actor網(wǎng)絡與Critic網(wǎng)絡的梯度交互和梯度更新的方式,并研究了適合自適應光學系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構和參數(shù)范圍。第三,確立了基本結構后,在策略探索方面,針對自適應光學系統(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)等光束評價指標為基礎,設計出值域統(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,針對強化學習的訓練過程中樣本量需求大的問題,在訓練Critic網(wǎng)絡時提出了基于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)督學習的網(wǎng)絡預訓練和加入引導經(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,證明了在自適應光學系統(tǒng)中,一種基于深度強化學習的哈特曼傳感器的end-to-end標定優(yōu)化方式是可行的,并為光學領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。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院光電技術研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;TP391.41
【部分圖文】：

波前探測技術夏克哈特曼波前傳感器是一種精密的波前探測儀器，廣泛應用于各種光學文圍繞夏克哈特曼波前傳感器在自適應光學系統(tǒng)中的標定優(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原理.1 波前針對波前，本小節(jié)將從幾何光學[1,2]和波動光學[3,4]的角度分別闡述。幾何光學中，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，在波動光學理論中，波前代表了前探測技術波前的基本概念后，本小節(jié)主要簡述了波前探測技術原理勻介質中傳播時，波前相位信息可以反映光程的不同。根據(jù)測目標表面信息。如圖 1.2，在同種均勻介質中，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)有波前探測技術波前探測器按波前探測技術的不同，可分為基于干涉技術的波前探測器、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 基于干涉技術的波前探測器基于干涉技術的波前探測器，通過干涉技術復原被測波前。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構相對復雜、光能利用率較低等限制，在實時波前探測領域中逐漸被其他技術替代。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