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
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 淮海工学院电子工程学院, 江苏 连云港 222005
2 中国矿业大学信息与电气工程学院, 江苏 徐州 221008
基于波前梯度的二阶矩和修正后的远场强度分布近似呈线性关系，设计了一种基于模型的无波前探测自适应光学系统快速闭环控制算法。使用61单元变形镜、CCD成像器件等建立了自适应光学系统仿真平台，并以不同湍流强度下的波前像差作为校正对象，分析了这种基于模型的无波前探测自适应光学系统的收敛速度、校正能力及对不同像差的适应性。结果表明，基于模型的无波前探测自适应光学系统在快速收敛的同时，能够获得接近波前校正器件的理想校正能力。N阶模式像差校正时，系统只需要进行N+1次远场光斑的测量。和现有的各种无波前探测自适应光学系统控制算法相比较，基于模型的无波前探测自适应光学系统所需的测量次数大大减少。
大气光学 波前校正 自适应光学系统 变形镜
1 中国矿业大学信息与电气工程学院, 江苏 徐州 221116
2 淮海工学院电子工程学院, 江苏 连云港 222005
为了提高随机并行梯度下降(SPGD)算法的收敛速度，提出了分段随机扰动幅值的改进方法。从理论上分析了固定增益系数时，随机扰动幅值对SPGD 算法收敛速度的影响；提出了分段随机扰动幅值的改进方法；基于61单元变形镜，建立无波前探测自适应光学系统模型，对前65阶Zernike多项式模拟的满足Kolmogorov谱的大气湍流畸变波前进行校正。结果表明，采用分段随机扰动幅值的SPGD算法比固定最佳随机扰动幅值时传统SPGD算法的收敛速度提高了近1.6倍，证明了该改进算法的可行性。
自适应光学 波前校正 随机并行梯度下降 分段随机扰动幅值
淮海工学院电子工程学院， 江苏 连云港 222005
选择合适的滤波函数是瞳面相位差波前传感器成功实现的关键。以建立的瞳面相位差波前传感器模型为基础，采用模式法进行波前相位的恢复，考察不同类型、不同大小滤波函数对波前恢复效果的影响。结果表明，滤波函数种类的选择对传感器相位恢复效果的影响不大，在合适的大小范围内，都可以得到令人满意的恢复精度，如离焦作为滤波函数时，其峰谷(PV)值在(2π±π)rad范围内；球差作为滤波函数时，PV值在小于等于π rad范围内。同一种滤波函数，当其大小超过一定范围时，如离焦大于3π rad、球差大于π rad时，随着其大小的增加，相位恢复精度逐步降低。具体应用时，可根据实现的成本和制作难易程度在滤波函数大小合适的范围内确定滤波函数的种类。
传感器 波前传感器 瞳面相位差法 滤波函数 相位恢复方法 Zernike模式 中国激光
2011, 38(s1): s114002
淮海工学院电子工程学院, 江苏 连云港 222005
根据瞳面相位差波前传感器的特点，提出把模式分解和随机并行梯度下降算法结合起来实现波前相位的恢复。以32单元变形镜的初始面形和Roddier提出的相位生成方法随机产生的一帧相屏为研究对象，分析所提出的相位恢复算法的性能。结果表明，两种情况下的畸变波前都得到了很好的恢复。当像差仅含有低阶成分时，使用模式分解法就可获得令人满意的效果。高阶成分较多时，各阶之间的耦合使得模式分解法的误差增大。采用模式分解法得到初始解，在初始解的基础上继续采用随机并行优化算法进行优化，可以得到精确解。对噪声情况下的相位恢复结果表明，该相位恢复算法具有较强的抗噪能力。
测量 波前传感器 相位差法 相位恢复算法 Zernike模式 随机并行梯度下降(SPGD) 噪声 光学学报
2011, 31(11): 1112002
