【摘要】：雖然自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在大口徑望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,但由于傳統(tǒng)的變形鏡波前校正器驅(qū)動單元數(shù)少的限制,目前大都工作在紅外波段。然而在可見光波段,望遠(yuǎn)鏡具有更高的分辨率,大多數(shù)觀測目標(biāo)也具有更高的輻射能量,因此具有高驅(qū)動單元密度、能夠滿足可見光波段大口徑望遠(yuǎn)鏡需求的新型波前校正器是下一代自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵。而這正是液晶波前校正器相對于傳統(tǒng)的變形鏡波前校正器的優(yōu)勢。盡管前人已經(jīng)解決了液晶波前校正器的響應(yīng)速度慢、偏振能量損失以及寬波段校正色散等問題,然而到目前為止依然存在著阻礙液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)實際應(yīng)用的以下問題：1)數(shù)據(jù)處理計算量大導(dǎo)致計算延遲時間長。液晶校正器具有幾十倍于變形鏡驅(qū)動器的像素數(shù),這使得波前重構(gòu)的計算量巨大,導(dǎo)致毫秒級的時間延遲,限制了液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正帶寬。2)響應(yīng)矩陣測量精度低。系統(tǒng)中的靜態(tài)像差及隨機(jī)噪聲與干擾會顯著降低響應(yīng)矩陣的測量精度,進(jìn)而影響液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正效果。3)開環(huán)校正精度較低。為了減少能量損失,液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)采用開環(huán)校正,但在開環(huán)系統(tǒng)中探測不到校正后的殘差,無法實施控制,導(dǎo)致校正精度較低。本文針對液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理計算延遲時間長的問題,提出了基于多核CPU和多GPU的并行數(shù)據(jù)處理方法。液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理主要包括光斑陣列質(zhì)心計算和波前重構(gòu)兩部分。計算量相對較小的質(zhì)心計算由16核CPU并行完成,計算量巨大的波前重構(gòu)算法由4片GPU并行完成,大幅提高了液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度：質(zhì)心計算時間從214us縮短到27us,計算速度提高7.9倍；Zernike模式波前重構(gòu)計算時間從690us縮短到90us,計算速度提高7.7倍。針對液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)響應(yīng)矩陣測量精度低的問題,提出了一種基于最小二乘統(tǒng)計的響應(yīng)矩陣測量方法,通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計手段消除了響應(yīng)矩陣測量過程中的隨機(jī)噪聲與干擾,使得液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)響應(yīng)矩陣的測量精度提高了2倍以上,校正后圖像的功率譜最大提高了3倍左右。針對液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)開環(huán)校正精度較低的問題,提出用系統(tǒng)傳遞函數(shù)構(gòu)造開環(huán)校正殘差并設(shè)計開環(huán)自適應(yīng)控制器的方法,部分消除了波前探測器與校正器的動態(tài)響應(yīng)延遲誤差。首先根據(jù)液晶校正器的光強調(diào)制特性,將液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的輸入由Zernike系數(shù)替換為液晶校正器的驅(qū)動電壓,使得35輸入35輸出的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為了單輸入單輸出系統(tǒng)；然后通過狀態(tài)空間系統(tǒng)辨識得到了單輸入單輸出系統(tǒng)的傳遞函數(shù),并證實傳遞函數(shù)具有高達(dá)90%的精度和不同區(qū)域高達(dá)95%的一致性,以及兩個月內(nèi)小于7%的時變性,證明所獲得的傳遞函數(shù)能夠很好地描述液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),且可以作為不變函數(shù)用于控制器設(shè)計；最后根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù),構(gòu)造出開環(huán)系統(tǒng)的校正殘差函數(shù),由此設(shè)計了在校正過程中參數(shù)自適應(yīng)更新的一階控制器,使得校正精度提高了32%。本論文創(chuàng)新性地提出液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)處理方法、最小二乘響應(yīng)矩陣測量方法、開環(huán)自適應(yīng)控制算法,顯著地提高了液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的校正效果。論文成果對液晶自適應(yīng)光學(xué)理論與應(yīng)用做出了一定程度的貢獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O439;O753.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 唐滔;面向CPU-GPU異構(gòu)并行系統(tǒng)的編程模型與編譯優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

本文編號：2792846