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
在单位圆的同心孔径圆域内，某些特定Zernike模式具有相关关系，其中具有较强负相关关系的模式组合在一定系数条件下叠加后，一定的同心孔径内的像差会相互抵消，波面变得更加平坦，这称为模式间的共轭性。文中设置了一组畸变波前，用自适应光学系统进行校正得到残差，然后用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解，通过分析首次发现在均方误差值较大的残差波前中，低阶、高阶两部分像差间存在着明显的负相关关系，两部分像差的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化，并且在一定的系数组合方式下，这两部分像差呈现出共轭性。基于以上研究结果，提出一种控制方法，该方法通过优化变形镜控制电压来调整镜面面型，使得残差中的低阶、高阶两部分像差系数实现最佳匹配，从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值 (RMS)，最终实现该孔径范围内系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真，结果表明：该方法相比于传统闭环共轭式校正方法，在面对复杂像差时能够得到质量更好的光学成像，有效扩展传统自适应光学系统的适用范围。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。
共轭组合模型 自适应光学系统 控制方法 conjugate combination model adaptive optical system control method 红外与激光工程
2020, 49(9): 20190534
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
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 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 电子科技大学 光电科学与工程学院, 四川 成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
4 中国科学院大学, 北京 100049
自适应光学系统有效通光口径的变化会引起部分哈特曼传感器子孔径缺光以及部分变形镜驱动器失效, 造成系统子孔径排布和驱动器排布的匹配布局发生改变, 从而引起变形镜控制电压输入与哈特曼传感器反馈输出之间的对应关系发生变化。针对自适应光学系统有效布局变化的情况, 首先从理论上分析了系统不能稳定工作的原因, 并且提出采用0-1故障模型的新方法对自适应光学系统部分单元失效的情况进行建模, 然后针对经典比例-积分控制算法进行修正。最后通过实验证明, 采用0-1故障模型建模, 可以保证系统的稳定运行, 但自适应光学系统的部分单元失效, 会引起系统对波前像差的校正能力的下降。
自适应光学系统 哈特曼传感器 变形镜 0-1故障模型 adaptive optics system Hartmann-Shack sensor deformable mirror 0-1 fault model 红外与激光工程
2018, 47(11): 1111004
为了提高液晶自适应光学系统的校正精度, 提出一种基于湍流模型的响应矩阵测量方法。该方法施加到液晶波前校正器上的波面是用来拟合待测像差的Karhunen-Loeve模式的线性组合, 其模式系数分布服从Kolmogorov大气湍流模型。相比于传统的单模式和多模式响应矩阵测量方法, 该方法具有更强的抗噪声干扰能力, 能够显著提高响应矩阵测量精度。在信噪比为10的情况下, 当重复率分别为1、5和10时, 采用传统单模式法和多模式法获得的响应矩阵进行自适应校正后的斯特列耳比分别为0.06、0.02、0.49和0.23、0.40、0.67, 而采用该方法可以达到0.34、0.56、0.68。
响应矩阵 自适应光学系统 液晶 大气湍流 interaction matrix adaptive optics systems liquid crystal atmospheric turbulence
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
1 中国科学院上海天文台 光学天文技术研究室, 上海 200030
2 中国科学院上海光学精密机械研究所 高功率激光物理联合实验室, 上海201800
单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理, 研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟, 内容包括: 如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真, 仿真结果表明: 层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流, 比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。
大气光学 多层共轭自适应光学系统 层向共轭 四棱锥波前传感器 导星 atmospheric optics multi-conjugate adaptive optics system layer oriented conjugate pyramid wavefront sensor guide star 红外与激光工程
2016, 45(9): 0918005
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度, 研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性, 利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构; 采用子空间辨识方法确定了模型参数, 同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5 dB, 相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题; 利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证, 得到的结果与仿真计算相吻合, 即在相同稳定裕度的情况下, 采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后, 用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示: 采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%, 证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度, 保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。
液晶自适应光学系统 波前探测 倾斜镜控制 湍流倾斜校正 子空间辨识 liquid crystal adaptive optical system wavefront detection control of tip/tilt mirror turbulence tilt correction subspace identification
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 电子科技大学光电信息学院， 四川 成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所， 四川 成都 610209
4 中国科学院大学， 北京 100049
利用稳健控制理论优秀的处理控制系统不确定性扰动问题的能力，将稳健控制方法应用于自适应光学系统中控制器的设计是自适应光学领域一个新的发展方向，国外已开展了大量研究工作，国内相关研究还处于起步阶段。为更好地促进稳健控制在自适应光学中的研究与应用，对现有的研究成果进行了梳理和回顾。简单介绍了稳健控制的基本概念和实质，概述了国内外对自适应光学系统中稳健控制的研究和应用发展现状。总结了现有研究成果，讨论了自适应光学系统中常用的几种稳健控制方法以及常见的几个基本问题，并对未来稳健控制在自适应光学中的发展和研究进行了预测和展望。
大气光学 自适应光学系统 稳健控制 H∞控制 μ分析 激光与光电子学进展
2016, 53(6): 060001
