光子学报
2023, 52(11): 1111004
1 江苏海洋大学电子工程学院，江苏 连云港 222005
2 金陵科技学院网络与通信工程学院，江苏 南京 211169
随机并行梯度下降（SPGD）算法是无波前探测自适应光学（AO）系统最常用的控制算法，这种方法一般以变形镜的驱动电压作为控制参数。但随着变形镜单元数的增加，以变形镜驱动电压作为控制参数的AO系统的收敛速度将会大大降低，常采用模式法来降低控制参数的维度。对比分析了不同单元数的变形镜对K?L模式和Zernike模式各阶像差的拟合能力，并以大气湍流影响下的光波波前像差作为校正对象，分别考察了K?L模式和Zernike模式系数作为控制参数时的AO系统的收敛速度和校正效果。结果表明：以常规SPGD控制算法（以驱动器电压作为控制参数）的收敛情况作为参考指标时，基于K?L模式的SPGD控制算法和基于Zernike模式的SPGD控制算法的收敛速度相较于常规SPGD控制算法分别提升了47.5%和29.4%。当大气湍流强度分别为10、15、20时，以K?L模式系数作为控制参数时的校正效果和收敛速度均优于以Zernike模式系数作为控制参数时的情况。以上研究结果为基于K?L模式的SPGD控制算法的实际应用提供了参考。
光通信 自适应光学 随机并行梯度下降 变形镜 K‑L模式 波前校正 中国激光
2023, 50(14): 1405001
1 江苏海洋大学 电子工程学院，江苏 连云港 222005
2 江苏省海洋资源开发研究院，江苏 连云港 222005
FPGA（field programmable gate array）具有可重复编程、算法实现灵活等优势，以97单元变形镜为原型，提出基于FPGA的SPGD（stochastic parallel gradient descent algorithm）控制算法通用快速实现方案。采用TimeGen软件对SPGD算法进行时序分析，并采用Vivado软件分别对SPGD算法随机扰动电压生成、性能指标计算和控制电压的计算与输出进行FPGA配置和编程，将每个模块的计算结果与Matlab结果进行对比、分析。研究结果证明了该文所提方案的合理性和可行性，为下一步基于FPGA的SPGD算法硬件实现和应用提供基础。
自适应光学系统 SPGD控制算法 FPGA 变形镜 adaptive optics system SPGD control algorithm FPGA deformable mirror
江苏海洋大学 电子工程学院，江苏 连云港 222005
近年来自适应光学（AO）系统向着小型化和低成本化趋势发展，无波前探测自适应光学（WFSless AO）系统由于结构简单、应用范围广，成为目前相关领域的研究热点。硬件环境确定后，系统控制算法决定了WFSless AO系统的校正效果和系统收敛速度。新兴的深度学习及人工神经网络为WFSless AO系统控制算法注入了新的活力，进一步推动了WFSless AO系统的理论发展与应用发展。在回顾前期WFSless AO系统控制算法的基础上，全面介绍了近年来卷积神经网络（CNN）、长短期记忆神经网络（LSTM）、深度强化学习在WFSless AO系统控制中的应用，并对WFSless AO系统中各种深度学习模型的特点进行了总结。概述了WFSless AO技术在天文观测、显微成像、眼底成像、激光通信等领域的应用。
自适应光学 无波前探测 深度学习 人工神经网络 adaptive optics wavefront sensorless deep learning artificial neural networks 强激光与粒子束
2021, 33(8): 081004
1 中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116
2 江苏海洋大学 电子工程学院，江苏 连云港 222005
SPGD算法是一种应用广泛的无波前探测自适应光学控制算法。传统SPGD算法中增益系数保持某一固定值不变，随着变形镜单元数的增加，这将导致算法收敛速度变慢及陷入局部极值的概率增大。Adam优化器是深度学习常用的一种优化随机梯度下降算法，它具有增益系数自适应性调整的特点。将Adam优化器自适应调整增益系数的优势与SPGD算法结合起来用于自适应光学系统控制。分别以32、61、97、127单元变形镜作为波前校正器件，不同湍流强度的波前像差作为校正对象，建立了无波前探测自适应光学系统模型。结果表明，优化后的算法收敛速度更快，而且陷入局部极值的概率降低，并且随着变形镜单元数的增加与湍流强度的增大，算法的优势更加明显。以上研究结果为基于Adam优化的SPGD算法的实际应用提供了理论基础。
自适应光学 SPGD 波前校正 变形镜 Adam adaptive optics SPGD wavefront correction DM Adam 红外与激光工程
2020, 49(10): 20200274
1 中国矿业大学 信控学院, 江苏 徐州 221116
2 江苏海洋大学 电子工程学院, 江苏 连云港 222005
3 中国电子科技集团第五十三研究所 光电信息安全控制科学技术实验室, 天津 300308
4 江苏省海洋资源开发研究院, 江苏 连云港 222005
变形镜是自适应光学系统的关键元件, 它对波前像差的拟合能力决定了自适应光学系统的校正性能。文中从变形镜对Zernike单阶像差、组合像差以及闭环校正三个方面分析97单元变形镜的拟合能力。仿真结果表明, 当原始波前均方根的值为一个波长时, Zernike多项式前3~42阶残余波前像差的RMS小于0.4λ, 说明变形镜对Zernike的前3~42阶像差具有较好的拟合能力。变形镜对Zernike多项式组合相差拟合以及基于随机并行梯度下降算法的闭环校正结果表明, 当波前像差较小时, 像差基本得到完全拟合及校正, 当波前像差较大时, 如D/r0=20时, 残余波前像差的RMS值均小于0.14λ (初始RMS为0.63λ)。分析结果对97单元变形镜的实际应用提供了理论依据和使用参考。
激光技术 97单元MEMS变形镜 校正能力 laser techniques 97-element DM correction capability SPGD SPGD
1 中国矿业大学信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116
2 淮海工学院电子工程学院, 江苏 连云港 222005
3 中国电子科技集团公司第五十三研究所光电信息控制和安全技术重点实验室, 天津 300308
利用88单元变形镜及电荷耦合器件成像器件,以扩展目标为校正对象,建立了带有噪声的无波前探测自适应光学系统模型。在噪声情况下,验证了扩展目标成像时掩模探测器信号和波前相位的平均梯度平方和之间存在线性关系。将基于此线性关系的算法作为无波前探测自适应光学系统的控制算法,通过仿真,检验了模型式无波前探测自适应光学系统在噪声情况下对扩展目标成像的校正能力。结果表明,相同湍流条件、不同信噪比下的校正效果接近。按照湍流条件从小到大的顺序,与信噪比为20 dB的结果相比,信噪比为5 dB时校正后的平均均方根相对误差分别为3.71%,2.94%和2.42%,说明基于该线性关系的模型控制算法具有较强的抗噪能力。
成像系统 成像噪声 扩展目标 自适应光学系统 抗噪能力
1 中国矿业大学信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116
2 淮海工学院电子工程学院, 江苏 连云港 222005
基于模型的无波前探测自适应光学系统具有收敛速度快、校正效果好的优势,在实时波前校正中具有较大的应用潜力。成像掩模探测器信号SMD与波前相位的平均梯度平方和SMG 之间的线性关系是系统控制算法设计的基础。为了验证SMD和SMG之间的线性关系,使用37单元压电变形镜、CCD相机和哈特曼传感器等主要元件建立自适应光学系统实验平台,其中利用变形镜产生波前畸变信息,利用CCD探测远场光强分布,利用哈特曼获取波前信息。基于获得的光强信息和波前畸变信息,分别计算SMD值和SMG值。实验结果验证了SMD和SMG之间的线性关系,且线性值为0.018,非常接近理论值1/(4π
2)。
自适应光学 远场光斑 波前像差 线性关系
1 淮海工学院 江苏省海洋资源开发研究院, 江苏 连云港 222005
2 中国矿业大学 信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116
对于N单元变形镜, 模型式无波前探测自适应光学系统只需N+1次远场光斑测量, 收敛速度快。使用88单元变形镜、CCD成像器件等建立自适应光学系统仿真平台, 分别从理论分析和仿真实验出发探讨模型式无波前探测自适应光学系统在噪声情况下的波前校正性能。结果表明: 噪声条件下, 基于模型的无波前探测自适应光学系统收敛速度保持不变; 相同湍流条件时, 不同噪声水平下的校正效果接近。与噪声水平50 dB时的结果相比, 按照给定湍流条件从弱到强, 噪声水平为30 dB时校正后平均RMS相对误差分别为4.75%、4.04%和2.58%。上述结果验证了基于模型的无波前探测自适应光学系统具有较强的抗噪能力。
波前校正 自适应光学系统 光电探测器 噪声 wavefront correction adaptive optics system photodetector noise 红外与激光工程
2017, 46(8): 0817002
