1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
逆合成孔径激光雷达（ISAL）是一种相干成像系统，其图像具有明显的散斑，影响目标识别和判断。为解决该问题，近年来有学者提出一种基于模型的迭代重构（MBIR）算法。该算法直接重构目标反射率而非复反射系数（传统重构方法普遍采用的），所重构图像质量更接近光学图像。然而，该算法存在优化模型较复杂、采用的无梯度线搜索算法求解效率较低且不易收敛的问题。针对以上问题，进行两点改进。首先从信息传递的角度得到复反射系数分布、反射率分布和测量信号之间的马尔可夫关系，据此将复反射系数假设为反射率估计的完整数据集，简化了优化模型。其次，针对模型求解，应用更容易求解梯度的先验模型替代函数，并结合对数变换，将原问题转换为含梯度的无约束问题，进行高效求解。最后通过仿真数据和7 km外场实验数据验证了所提改进方法的有效性和效率。结果表明，对于高中低具有不同载噪比（5 dB、0 dB、-5 dB）的回波数据，所提改进方法在5次迭代之内即可得到较优质量的图像。
合成孔径激光雷达 计算成像 贝叶斯估计 图像重构 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1228001
红外与激光工程
2022, 51(6): 20220321
1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学北京 100049
4 中国人民解放军32035部队陕西 西安 710600
等晕误差中的piston项对成像质量没有影响，无需校正，有效非等晕误差应去除该项。为此提出利用夏克-哈特曼波前传感器测量双星波前误差的方法，计算得到去piston项误差后的等晕角。首先，根据Sasiela和Van Dam给出的角度非等晕误差解析表达式，计算不同条件下的非等晕误差理论值；其次，利用相位屏法，模拟不同大气环境下实际自适应光学系统波前误差测量过程，仿真得到非等晕误差值。数值仿真结果与理论计算有较好的吻合，并得到了波前误差与去piston项等晕角的对应关系。最后，基于丽江1.8 m望远镜系统，测量双星的非等晕误差，计算得到去piston项等晕角的大小。并使用差分像运动法和恒星闪烁法，对该方法进行了印证。去piston项等晕角测量实验的结果表明，去piston项等晕角在时间维度上变化缓慢，在空间维度上差别很大，当方位及仰角差距较远的情况下，去piston项等晕角的值没有相关性。根据该方法，也可计算出其他望远镜及大气模型下的波前误差值与去piston项等晕角的对应关系，为信标的位置选择提供了依据。
大气光学与海洋光学 自适应光学 非等晕误差 等晕角 波前误差探测 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2101001
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 杭州极弱磁场重大科技基础设施研究院，浙江 杭州 310051
3 北京航空航天大学大科学装置研究院，北京 100191
无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋惯性测量装置在前沿基础物理探索以及惯性导航领域具有广泛应用前景。建立了SERF原子自旋惯性测量装置的耦合系综动力学响应模型，通过仿真和实验量化分析了耦合系综动力学响应的影响因素，厘清了偏置磁场、耦合自旋系综极化率和弛豫率等因素对准静态响应信号的影响。发现在强耦合点与自补偿点处，动态响应速度存在75倍的显著差异。进一步分析了偏置磁场、极化率和弛豫率对不同原子组合的惯性测量装置响应系数的影响。发现在自补偿点处存在最优极化率，使惯性测量装置的角速度响应系数最高，此最优点与原子种类和电子自旋弛豫率相关，可以通过降低电子自旋弛豫率将角速度响应系数提升近1倍。明确了通过优化电子自旋极化率和抑制电子自旋弛豫率可以进一步提升SERF原子自旋惯性测量灵敏度和动态性能，有望拓展其在惯性导航和基础物理探索中的应用。
中国激光
2022, 49(19): 1904001
Author Affiliations
Abstract
1 The Key Laboratory on Adaptive Optics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
2 The Laboratory on Adaptive Optics, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Adaptive optics techniques have been developed over the past half century and routinely used in large ground-based telescopes for more than 30 years. Although this technique has already been used in various applications, the basic setup and methods have not changed over the past 40 years. In recent years, with the rapid development of artificial intelligence, adaptive optics will be boosted dramatically. In this paper, the recent advances on almost all aspects of adaptive optics based on machine learning are summarized. The state-of-the-art performance of intelligent adaptive optics are reviewed. The potential advantages and deficiencies of intelligent adaptive optics are also discussed.Adaptive optics techniques have been developed over the past half century and routinely used in large ground-based telescopes for more than 30 years. Although this technique has already been used in various applications, the basic setup and methods have not changed over the past 40 years. In recent years, with the rapid development of artificial intelligence, adaptive optics will be boosted dramatically. In this paper, the recent advances on almost all aspects of adaptive optics based on machine learning are summarized. The state-of-the-art performance of intelligent adaptive optics are reviewed. The potential advantages and deficiencies of intelligent adaptive optics are also discussed.
adaptive optics machine learning deep learning Opto-Electronic Advances
2022, 5(7): 200082
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
椭偏仪实现高精度测量的关键在于模型值的精准标定,而随机误差是影响标定精度的重要因素。从椭偏仪随机误差的产生原因入手,针对零阶噪声受限、一阶噪声受限、二阶噪声受限三种可能存在的系统,对测量结果随机误差进行了数值估计。为了降低测量结果的随机误差,采用枚举法和遗传算法,得到了三种系统下的最佳配置。数值分析和实验结果表明,比起常用的配置,最佳配置下的随机误差可以降低1/3以上。本文虽然仅给出三种噪声受限系统的最优配置,但是噪声估计结果和优化方法可以适用于多种噪声模型共同存在的模型。
测量 椭偏测量 参数标定 随机误差 遗传算法 光学学报
2021, 41(24): 2412003
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
逆合成孔径激光雷达(ISAL)成像运动补偿中,包络对齐的精度直接影响了相位误差估计精度。当目标速度和加速度较大时,距离包络严重倾斜且相位误差较大,图像无法进行良好聚焦。针对上述问题,在高精度成像模型的基础上提出了一种基于Nelder-Mead单纯形法和粒子群优化的全局联合运动误差补偿算法。首先,利用单纯形法估计目标速度,完成包络对齐。然后,将包络对齐过程获得的目标速度作为相位误差估计中参数初始化的约束条件。最后,用粒子群优化算法对各运动参数进行全局搜索并得到最优解,实现高精度运动参数估计及高阶相位误差补偿,得到聚焦良好的二维图像。实验结果表明,本算法的参数估计误差主要分布在±0.2%以内,参数估计精度和抗噪声性能均优于传统ISAL成像算法。
遥感 逆合成孔径激光雷达 运动补偿 Nelder-Mead单纯形法 粒子群优化算法 参数估计 光学学报
2021, 41(19): 1928001
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
在椭偏测量中,采用直通式标定方法准确标定出系统模型参数对于样品的精确测量至关重要。由于双旋转补偿器式Mueller矩阵椭偏仪(DRC-MME)高级参数模型复杂,参数数量较多,且部分高级参数之间存在相互级联和耦合,为保证标定结果的准确性,实验中各个参数之间的独立性关系需要被检验。针对这一问题,使用奇异值分解、泡利矩阵和其他数学工具,从理论上对DRC-MME直通标定实验的自由度进行研究分析,明确在数据拟合过程中的“无用”参数,并通过仿真实验验证研究分析结果的正确性。最后搭建实验平台,开展了直通标定实验,得到了符合实际物理意义的高级参数标定结果,并使用标定好的高级参数模型对硅衬底上二氧化硅薄膜厚度进行了测量,测量结果与标称值相差1.9 nm,重复测量精度为5.31 pm。所提对直通标定实验自由度的研究分析方法不仅适用于椭偏仪,也可为其他的多参数优化过程提供一个分析思路。
测量 椭偏测量 自由度 奇异值分解 泡利矩阵 参数标定 光学学报
2021, 41(20): 2012003
北京理工大学光电学院信息光子技术工业和信息化部重点实验室, 北京 100081
拉曼光谱技术能够提供与物质特定分子结构相关的光谱信息, 可用于识别生物组织微小的生化变异, 具有快速、 实时、 无损、 无需样本预处理等优点, 在临床病理诊断领域极具应用前景。 与常规组织病理学分析相比, 拉曼光谱技术能够直接检测活体组织, 简化了分析程序, 缩短了诊断时间。 人体病变组织的细胞分子组成和结构可能发生变化, 这为拉曼光谱技术在组织病理诊断中的应用提供了检测依据。 基于组织分子组成与结构的差异, 结合机器学习和化学计量学方法, 拉曼光谱技术可以提供客观的诊断信息, 实现快速、 低侵入的病理诊断。 回顾了近十年来拉曼光谱技术在组织病理诊断中的研究进展, 对取得的关键成果进行了总结, 阐述了当前离体和活体应用拉曼光谱技术的一些关键问题。 针对离体拉曼光谱检测, 重点评估福尔马林固定石蜡包埋样本、 冷冻样本和新鲜组织样本等离体样本的适用情况; 阐述拉曼光谱数据收集的关键技术, 包括适用光源、 光谱范围, 以及病理样本光谱采集的方式等。 对于活体拉曼光谱检测, 重点介绍了活体检测研究中拉曼光谱技术应用的两种形式: 结合医用内窥镜进行体内检测, 以及开放手术中的直接检测; 综述了临床适用的拉曼系统, 重点介绍了当前活体拉曼研究中应用的光纤探头。 同时, 文章也讨论了拉曼光谱数据的处理与分析方法, 通过光谱预处理, 特征提取与分类识别, 构建拉曼光谱病理诊断模型, 在小样本范围能够获得较好的诊断结果。 考虑临床实际应用, 仍需要不断优化分析方法, 实现拉曼光谱与生化信息的关联, 将样本个体差异的影响纳入分类模型中, 以提升模型性能。 文章对拉曼光谱应用于病理诊断中的关键问题进行了讨论, 为进一步开展研究提供参考。 未来需要更深入和广泛地开展离体和活体研究, 以促进拉曼光谱技术在临床中的应用。
拉曼光谱 疾病诊断 术中指导 机器学习 Raman Spectroscopy Disease diagnosis Intraoperative guidance Machine learning 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1016
1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209；中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209；中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209；中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
系外行星的直接成像是当今国际天文学研究的热点，而对潜在的系外行星候选体进行大面积普查将是未来十年天文学的迫切需要。国际上中小型2 m级望远镜上部署的ROBO-AO瑞利激光信标自适应光学系统（AO），可以灵敏而快速地删察系外行星候选体。但瑞利信标高度引起的聚焦非等晕效应是限制其行星探测能力的重要因素。基于1.8 m望远镜61单元钠信标自适应光学系统优化构建系外行星高对比度成像系统，它将在近红外波长范围内提供系外行星的高对比度成像。通过对钠信标AO高对比度成像过程的仿真，发现在理论上，钠信标AO系统的系外行星高对比度成像性能优于ROBO-AO，即在2 h曝光时间内，可以实现与母恒星光通量比为4×10?7的行星的直接成像，而相同环境下，ROBO-AO系外行星直接成像能力为1×10?6，其中行星与恒星的角间距为1''''。
钠信标 高对比度成像 星冕仪 自适应光学系统 sodium laser guide star high-contrast imaging coronagraph adaptive optics system 红外与激光工程
2020, 49(8): 20200058
