對(duì)天文目標(biāo)進(jìn)行成像觀測(cè)時(shí),大氣的湍流效應(yīng)會(huì)使波動(dòng)相位發(fā)生畸變,并可能導(dǎo)致相位嚴(yán)重退化,從而給成像帶來困難。一直以來,常規(guī)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是校正大氣湍流的有效方法。然而,常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在傳輸路徑上的湍流較強(qiáng),特別是對(duì)低仰角空間物體、暗目標(biāo)進(jìn)行觀察時(shí),在接收平面上光束波前會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的振幅起伏,給波前探測(cè)帶來較大的誤差。與常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)相比,無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)不受畸變條件的限制,無需對(duì)進(jìn)行波前探測(cè)及進(jìn)行波前重構(gòu)計(jì)算,將波前校正器所需控制信號(hào)作為優(yōu)化參量,以成像清晰度函數(shù)、斯特列爾比、接收光能量等人們關(guān)心的系統(tǒng)性能指標(biāo),直接作為目標(biāo)函數(shù)使用迭代的方式進(jìn)行優(yōu)化,得到接近理想的校正效果。在眾多的優(yōu)化算法中,隨機(jī)并行梯度下降(SPGD-Stochastic Parallel Gradient Descent)算法是一種多參數(shù)的優(yōu)化算法,該算法具有其參數(shù)簡(jiǎn)單,收斂效率高和穩(wěn)定特性好的特點(diǎn)。在實(shí)際工作中,SPGD算法控制成為我們解決各類難以用解析方法求解的優(yōu)化問題的首選優(yōu)化方法。針對(duì)SPGD算法,本文的研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面:本文對(duì)影響SPGD算法收斂速度的因素進(jìn)行了分析,提出了一種基于功率譜反演法對(duì)SPGD算法進(jìn)行優(yōu)化的方法,利用功率譜反演法提高待校正波前畸變與控制電壓引起的相位擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性,達(dá)到改善SPGD算法收斂速度的目的�；贛atlab軟件建立了SPGD AO系統(tǒng)的仿真模型。通過數(shù)值模擬,本文所述的優(yōu)化方法,校正效果更好,收斂速度更高。本文詳細(xì)介紹了基于FPGA的SPGD算法軟件控制平臺(tái)各模塊的設(shè)計(jì)原理、工作流程及Modelsim仿真結(jié)果;本文提出變形鏡控制電壓并行計(jì)算的設(shè)計(jì)方法,提高了算法的迭代時(shí)間。仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的控制平臺(tái),每次迭代的時(shí)間理論上可以達(dá)到362.88us。本文搭建了一套以光電倍增管作為性能指標(biāo)傳感器的21單元的SPGD AO系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)靜態(tài)像差和人為添加的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)分別進(jìn)行了校正實(shí)驗(yàn)。經(jīng)邏輯分析儀檢測(cè),本文設(shè)計(jì)硬件控制平臺(tái)每次迭代的實(shí)際時(shí)間為399us。針對(duì)靜態(tài)像差,SPGD算法雙向迭代頻率達(dá)2500Hz,系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間為32ms。對(duì)于人為添加的動(dòng)態(tài)擾動(dòng),系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間為80ms,能夠跟上Greenwood頻率為18Hz左右的波前畸變。欲提高算法的收斂時(shí)間,可以對(duì)光路進(jìn)行優(yōu)化,或者使用更高頻率的時(shí)鐘、或使用多片D/A并行輸出變形鏡控制電壓來提高算法的迭代頻率。為了驗(yàn)證在強(qiáng)湍流條件下同時(shí)使用Hartmann AO系統(tǒng)與SPGD AO系統(tǒng)對(duì)波前畸變的校正能力,本文搭建了一套SPGD控制器與Hartmann波前傳感器級(jí)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在四種不同的條件下,驗(yàn)證了基于Hartmann的SPGD級(jí)聯(lián)波前校正系統(tǒng)對(duì)畸變波前的校正能力,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,在強(qiáng)湍流條件下成像時(shí),在級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中,同時(shí)使用傳統(tǒng)和SPGD兩種自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)能夠顯著提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量。二者級(jí)聯(lián)的AO系統(tǒng),彌補(bǔ)了單一AO系統(tǒng)應(yīng)用的局限性,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的成功,為未來用于天文觀測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：P111.2
【部分圖文】：

圖 1.1 典型自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在自適應(yīng)光學(xué)發(fā)展的早期，發(fā)展出了四種自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)（見圖 1.2~圖 相位共軛系統(tǒng)，波前補(bǔ)償系統(tǒng)，多元高頻振動(dòng)系統(tǒng)和像清晰化系統(tǒng)。從合的角度看，上述第一種和第三種系統(tǒng)可以用于激光發(fā)射，而第二和第四則可以用于成像。從控制原理的角度看，第一種和第二種屬于第一類，該是巴布科克的理論提出的，利用相位共軛的原理，系統(tǒng)主要由波前傳感器處理器、波前校正器構(gòu)成，使用波前傳感器對(duì)相位畸變進(jìn)行探測(cè)，波前處制波前校正器產(chǎn)生共軛相位，達(dá)到補(bǔ)償相位畸變的目的，本文稱之為共軛應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。像清晰化系統(tǒng)與多元高頻振動(dòng)系統(tǒng)屬于第二類。該類則是利控制理論，系統(tǒng)主要由性能指標(biāo)傳感器（主要為光強(qiáng)探測(cè)器或像清晰度）、優(yōu)化控制器、波前校正器組成，使用光電探測(cè)器采集待優(yōu)化的系統(tǒng)性，控制變形鏡，使系統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)達(dá)到唯一極值，實(shí)現(xiàn)校正系統(tǒng)中波前畸的，本文將之稱為優(yōu)化式自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。

相位共軛系統(tǒng)

波前補(bǔ)償系統(tǒng)
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本文編號(hào)：2863096