一、A Tilt-correction Adaptive Optical System for the Solar Telescope of Nanjing University(论文文献综述)
左超,陈钱[1](2022)在《计算光学成像:何来,何处,何去,何从?》文中提出计算光学成像是一种通过联合优化光学系统和信号处理以实现特定成像功能与特性的新兴研究领域。它并不是光学成像和数字图像处理的简单补充,而是前端(物理域)的光学调控与后端(数字域)信息处理的有机结合,通过对照明、成像系统进行光学编码与数学建模,以计算重构的方式获取图像与信息。这种新型的成像方式将有望突破传统光学成像技术对光学系统以及探测器制造工艺、工作条件、功耗成本等因素的限制,使其在功能(相位、光谱、偏振、光场、相干度、折射率、三维形貌、景深延拓,模糊复原,数字重聚焦,改变观测视角)、性能(空间分辨、时间分辨、光谱分辨、信息维度与探测灵敏度)、可靠性、可维护性等方面获得显着提高。现阶段,计算光学成像已发展为一门集几何光学、信息光学、计算光学、现代信号处理等理论于一体的新兴交叉技术研究领域,成为光学成像领域的国际研究重点和热点,代表了先进光学成像技术的未来发展方向。国内外众多高校与科研院所投身其中,使该领域全面进入了“百花齐放,百家争鸣”的繁荣发展局面。作为本期《红外与激光工程》——南京理工大学专刊“计算光学成像技术”专栏的首篇论文,本文概括性地综述了计算光学成像领域的历史沿革、发展现状、并展望其未来发展方向与所依赖的核心赋能技术,以求抛砖引玉。
王英[2](2021)在《相干光通信系统的非共光路像差校准实验研究》文中认为自由空间光通信采用激光信号作为载体,在远程站点之间提供视距、无线、高带宽的通信链路。在自由空间相干光通信中,大气湍流效应使得光信号产生相位起伏等现象,这严重影响了通信链路的可靠性。自适应光学技术作为抑制大气湍流影响最有前景的技术受到了国内外的关注,在自由空间激光通信、天文成像、光束整形等领域具有广泛的应用。自适应光学技术在很多领域已经取得了巨大的成功,但在消除系统误差等方面仍然需要进行研究。开展自适应光学系统的优化对提高相干光通信系统的性能有重要意义。本文进行了非共光路像差校准的相干光通信的实验研究,主要工作如下:1、根据相干光通信系统的工作原理,推导了中频电流信号的解析表达式。说明了自适应光学系统的各个组成部分及其工作原理,同时介绍了自适应光学系统中的误差分类以及如何消除误差带来的影响。2、针对非共光路像差影响通信系统质量这一问题,采用了随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法对非共光路像差进行校准。解释了非共光路像差的产生来源,分析了将非共光路像差转换为波前传感器参考点信息的过程,然后分别以耦合进单模光纤的光功率和相干接收系统的中频电压为评价指标设计室内实验系统。实验结果表明,当非共光路像差校准以后,耦合进单模光纤的光功率可以提高12dBm,中频电压可以提高800mV。3、搭建相干光通信系统实验平台完成外场实验。实验结果表明,非共光路像差校准后的自适应光学系统可以有效校正光束的波前畸变,在阴天、晴天和雨天时,当自适应光学系统闭环时,耦合进单模光纤的光功率分别从-41.54dBm、-44.20dBm和-43.72dBm提高到-30.03dBm、-33.41dBm 和-34.60dBm;中频电压峰峰值分别从 200mV、170mV 和 50mV提高到640mV、380mV和260mV;相干接收增益分别提高了 20.3dB/MHz、13.4dB/MHz和 10.05dB/MHz。
冉兵[3](2021)在《大口径压电倾斜镜的反作用力分析及补偿研究》文中研究指明大口径高谐振频率压电快速倾斜镜(Piezoelectric fast steering mirror,PFSM)在成为快速倾斜镜(Fast steering mirror,FSM)的重要发展方向时,面临一些亟待解决的技术难题。譬如随着通光口径和谐振频率的提高,PFSM底座输出的反作用力会与光学平台有效光学元件形成耦合动态干扰,限制自适应光学系统的光束稳定精度和倾斜像差校正能力。论文从传统四点驱动布局PFSM的工作原理出发,提出了PFSM反作用力特性分析的机械-压电耦合模型,并结合逆压电效应和机械动力学平衡关系,建立了PFSM动态反作用力的耦合数理方程。论文分析了PFSM反作用力的产生机理,设计出基于牛顿第三定律的PFSM反作用力补偿系统,建立了PFSM反作用力完全补偿消除的动态平衡条件。为厘清大口径PFSM反作用力补偿系统的研究思路,论文以PFSM反作用力动态特性分析到反作用力补偿实验测试研究为主线,从单PFSM分析到配备反作用力补偿系统PFSM研制的逐步深入方式,从以下几个方面展开研究工作。论文首先开展了大口径PFSM输出反作用力对光学平台有效元件的动态耦合干扰研究,为大口径PFSM反作用力特性分析和补偿消除的重要意义提供数据支撑。论文分析了PFSM基本元件组成、光束稳定调整原理、动力学模型和反作用力产生机理。采用数值仿真方法,验证了PFSM输出反作用力对光学平台上不同位置有效元件引起的抖动干扰,幅值和频率都不尽相同。以经典控制算法对PFSM反作用力引起的光束抖动进行抑制,实验结果表明很难抑制PFSM反作用力对自适应光学系统引起的耦合抖动干扰。随后,论文开展了大口径PFSM反作用力动态特性研究,为反作用力补偿消除系统设计提供参考和依据。论文首先将柔性铰链等效为弹簧-阻尼-质量系统,建立了PFSM反作用力特性分析的机械-压电耦合模型。然后,基于拉格朗日和压电本构方程,从理论上推导了PFSM反作用力的耦合数理关系模型,深入讨论了PFSM反作用力与其内部元件和驱动电压参数的耦合关系特性。随后,提出了基于压电耦合理论和基于多体系统刚柔耦合动力学的反作用力分析方法,分别就三款大口径(Φ250mm,Φ320mm和Φ400mm)PFSM反作用力和偏转角行程与驱动电压幅值、驱动电压频率及中心柔性铰链等效刚度之间的耦合关系展开研究,验证了反作用力耦合数理模型建立的正确性。最后,对比两种反作用力分析方法,基于压电耦合理论的分析方法获取反作用力数据更准确,可以更好的反应大口径PFSM反作用力特性。然后,论文在大口径PFSM反作用力动态特性和分析方法研究的基础上,开展了大口径PFSM反作用力补偿消除系统的研究。论文首先分析了PFSM反作用力的产生机理,设计出基于牛顿第三定律的PFSM反作用力补偿结构。然后,论文开展了所设计PFSM反作用力补偿结构的动态平衡条件研究,从理论上推导并建立了基于牛顿第二定律偏转平衡方程的反作用力完全补偿消除的动态平衡关系模型。随后,基于压电耦合理论的反作用力数值分析显示,PFSM反作用力补偿系统的反作用力消除比率最高可达99%,表明了所设计反作用力补偿系统的有效性和所建立动态平衡条件的正确性。最后,论文初步探索了PFSM堆叠式压电驱动器横向剪切应力和纵向拉伸应力与驱动器顶部柔性转接铰链的等效抗弯刚度、驱动电压频率和幅值之间的关系,表明优化设计驱动器顶部柔性铰链抗弯刚度可有效避免压电驱动器发生断裂损坏。最后,论文研制了一款配备反作用力补偿系统的320mm口径PFSM,并搭建了PFSM性能指标和反作用力测试平台,实验测试反作用力的消除比例可达90.45%,证实了PFSM反作用力补偿系统的有效性。论文研究结果表明,为大口径PFSM配备反作用力补偿系统是消除PFSM反作用力、避免PFSM输出反作用力对光学平台有效元件造成耦合干扰的有效途径。
王怡然[4](2020)在《基于漫射体的太阳望远镜平场测量方法研究》文中研究表明灾害性空间环境事件的发生,可能会威胁到航天器在轨运行安全,影响通讯导航精度,甚至会影响地面电力系统和石油管道。全日面太阳望远镜和日冕仪可以从全局视角监测太阳爆发活动及其传播过程,对空间环境预报和太阳物理研究都具有重要的意义。平场用于描述整个望远镜系统的不均匀性,是科学数据处理的必要步骤,改正效果的好坏决定了后续科学数据的精度,对数据产品质量至关重要。目前太阳望远镜平场改正方法存在计算量大、算法复杂、受天气和时间制约等问题。因此,本文围绕这一问题,基于漫射体材料开展了相关研究工作,探索了一套新的太阳望远镜平场测量和改正方法。漫射体可以将入射的非均匀太阳光扩散成特定已知强度分布的面光源,为全日面太阳望远镜和日冕仪平场测量提供了新的技术途径。本文在国内率先开展了基于漫射体的太阳望远镜平场测量方法研究。我们研究了当前可用的四类漫射体材料——乳白玻璃、毛玻璃、高斯散射片和工程散射片在日冕仪和全日面望远镜的应用情况,并开展了相关的模拟、实验验证和数据分析。本文的主要研究结果为:1、乳白玻璃所形成的面光源接近理想均匀面光源,透过率接近日冕亮度,适用于日冕仪,直接拍摄即可得到平场像。相比现有日冕仪平场测量方法,本方法测量精度更高,且使得平场测量不再受天气和时间制约,并且允许乳白玻璃存在一定的装调误差,便于实现工程应用。2、毛玻璃在太阳视场角范围内形成的面光源均匀性达到99%,透过率约为0.2%,在望远镜曝光条件允许的情况下,可以直接拍摄得到平场像。通过与GONG和HMI的数据交叉定标,改正后的各项数据指标显着提高,低频轮廓与理论临边昏暗相关性达到0.99。3、高斯散射片的扩散角度进一步减小,视场透过率约为20%,缩短了平场测量和常规观测曝光时间的差距。背景修正后的扩散面光源均匀性可以达到99.6%。通过在全日面光球和色球望远镜开展实验验证和数据分析,色球局部视场的改正精度达到0.5%,并且能够有效改正全日面大尺度轮廓不均匀性。4、工程散射片对光源的扩散形状为平顶型,因此扩散面光源本身就具有很好的均匀性,透过率也与高斯散射片相当,可以快速便捷的完成平场测量和改正,并在此基础上开展了全日面速度场定标。利用平场改正像序列计算得到的全日面速度场与HMI速度场的相关系数达到0.923,日面赤道上的相关系数达到0.958。通过在全日面太阳望远镜或日冕仪上开展的实验验证,对比改正前后的图像可以发现,本文方法均可以有效改正脏点、灰尘、条纹等小尺度干扰的影响。同时,不同方向径向强度衰减不均匀等大尺度失真也能够得以改正或修正,使得图像强度变化与临边昏暗一致。整个改正过程中,日面上活动区、暗条等特征信息并不会受到影响。通过与国际数据交叉验证或观测设备数据自身验证等方式,利用不同指标对平场改正精度进行定量评价,证明本文研究方法具有很好的改正效果。本文的平场测量方法构建了与常规观测目标强度相近的面光源,因此无需移动太阳像即可获得平场像。这一系列方法使得日冕仪平场测量不再受到时间和天气的制约,也使得全日面望远镜平场从拟合计算到直接拍摄的转变。平场改正算法简单,通用性强,控制精度要求低,易于实现自动化,为我国现有和未来在建的天地基大视场太阳观测设备平场测量提供新的技术方法。
王佳英[5](2020)在《自适应光学系统扰动模型辨识及最优控制技术研究》文中认为自适应光学(Adaptive Optics,AO)是一种通过克服动态波前畸变对光学系统成像质量的影响,从而获得接近衍射极限的高分辨率成像的技术,广泛的应用于天文观测、激光传输、人眼视网膜成像等领域。地基天文望远镜进行科学观测时,由随机变化的大气湍流造成的波前畸变是系统成像质量下降的主要原因。此外,工作环境的变化以及系统平台本身也会带来一些非湍流像差扰动,主要包括由风或其他激发源(冷却器,百叶窗等)引起的窄带扰动。除大气湍流扰动外,这些窄带扰动很大程度上限制了系统性能的提高。目前,大多数AO系统都采用经典的比例积分(Proportional integral,PI)控制器,然而由于控制算法本身的限制,其无法对这些窄带扰动进行有效抑制,并且忽略了这些扰动包括大气湍流扰动随时间演变的特性,无法满足大口径天文望远镜高分辨成像的需求。基于此,本文针对AO系统中随时间变化的光束扰动(Disturbance)(包括湍流扰动和非湍流扰动)的校正问题开展了以下内容的研究并取得了一系列成果:1.对AO系统中光束扰动的存在问题进行了详细阐述,建立了具有实际物理意义的光束扰动动态模型。首先,通过对AO系统中光束扰动信号特性的分析,建立了可表征实际物理过程的独立扰动分量模型,即自回归二阶模型(second-order Auto-Regressive,AR2);然后,根据系统中不同频率扰动分量所对应的来源不同且彼此相互独立的关系,建立了AO系统中复杂频率光束扰动的时域动态模型和频域动态模型。通过对随时间变化的光束扰动信号模型的构建,实现了AO系统中光束扰动信号的准确描述并为扰动控制器的设计提供模型依据。2.针对AO系统中存在的复杂频率的动态光束扰动信号,提出了一种自动扰动模型辨识方法,包含了扰动频谱分离过程和基于粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法的模型参数辨识过程两个部分。整个辨识过程无需额外辅助系统及人为调试,可以在线周期运行。首先,通过对复杂频率的光束扰动信号的功率谱曲线进行有效分割,从而实现了对独立扰动分量的准确提取,同时确定了有效扰动分量的数目;其次,利用PSO算法初值随机、所需调整参数少和收敛速度快等特性,可以快速有效地辨识出扰动的频域模型参数。此外,我们将辨识结果与其他辨识方法进行了性能对比并通过人为合成扰动数据进行了仿真验证,结果表明本文提出的辨识算法使得辨识计算时间大大减少,并且由于对惯性权重系数的调节使得辨识算法减少了陷入局部极小值的可能性,从而得到的模型参数辨识精度更高,为扰动控制器的设计提供支撑。3.针对AO系统中高阶模式中窄带扰动难以校正的问题,提出了控制结构可调整的线性二次高斯(Linear quadratic Gaussian,LQG)多模式扰动控制器。首先,根据辨识获得的单阶模式光束扰动模型参数及其所包含的独立扰动分量的个数,以光束扰动校正残差最小为优化指标设计了控制结构可调整的LQG单模式扰动控制器;然后,根据多阶扰动模式中各模式中分别获得的独立扰动分量的个数以及相应的模型参数,确定多模式扰动抑制器的控制矩阵维度并计算得出其相应的控制参数矩阵,获得了控制结构可调整的LQG多模式扰动控制器;最后,将设计的控制器与重演仿真得到的最优模式增益积分(Optimized Model Gain Integrator,OMGI)控制器进行了性能对比。仿真结果表明,本文提出的多模式扰动控制器对高阶模式中存在的光束扰动表现出良好的抑制性能,同时相较于OMGI控制器,本文提出的控制方法对高阶模式中的窄带扰动表现出更好地控制性能。此外,进一步地验证了光束扰动模型的有效性及辨识方法的可靠性。4.通过对1-m新真空太阳望远镜实际测量连续扰动数据进行重演仿真,进一步分析评估了基于频谱分离和粒子群优化算法的自动扰动辨识方法和基于辨识模型的LQG控制器在实际望远镜系统中的可行性。然后,搭建了自适应光学系统室内实验平台,对系统中存在的多项高阶模式扰动的抑制进行了实验验证。最后,对1.8m中国大型太阳望远镜(Chinese Large Solar Telescope,CLST)系统中由制冷机造成的窄带扰动进行了抑制实验。5.考虑到实际系统中计算资源有限,提出了一种适用于自适应光学系统高阶扰动校正的混合控制方法,在无需专门配置高性能计算机的情况下,既能减少实时计算机的计算量又能够保证对高阶扰动尤其是窄带扰动的有效抑制。通过本文的研究,获得了AO系统中随时间变化的复杂频率光束扰动信号的时域动态模型和频域动态模型,并通过结合频谱分离和粒子群优化算法的自动扰动辨识方法实现了对光束扰动模型的精确描述,解决了目前AO系统中光束扰动模型难以准确获得的问题。其次,根据辨识得到的不同模式分别对应的扰动模型参数和相应的扰动分量个数,以光束扰动校正残差最小为优化指标设计了控制结构可调整的多模式LQG扰动控制器,解决了目前AO系统中高阶模式上光束扰动尤其是窄带扰动难以有效抑制的问题,提高了自适应光学系统对光束扰动的控制性能。此外,本文还提出了一种适用于AO系统中高阶扰动校正的混合控制策略,一定程度上减小了系统进行高阶扰动校正时面临的计算压力,为LQG控制在实际系统中的应用提供解决方案,对AO系统应用性能的提升具有十分重要的意义。
罗琳[6](2020)在《大气激光通信系统主动自适应光学关键技术研究》文中认为目前,大气激光通信技术面临的最紧要问题就是大气信道中湍流对光信号的影响。近几年来,将自适应光学技术加入到激光通信系统中用以改善大气湍流扰动的方法逐渐成为人们的研究热点。本文主要对大气湍流在激光通信系统中的影响机制及自适应光学对系统的改善作用进行了相关研究。主要工作内容如下:首先,从基本特征、模型和特征参数三个方面整体介绍了大气湍流效应,总结了含有自适应光学系统参数的激光通信系统耦合效率公式,分析了不同湍流强度下,耦合效率与Zernike拟合阶数、自适应光学校正带宽参数f G/f3d B的关系。然后,简述了大气激光通信自适应光学系统的组成,从波前的Zernike多项式表示、S-H传感器和变形镜的工作原理、波前校正算法几个方面研究了自适应光学的技术原理,并分析了自适应光学系统性能指标的选取。其次,本文将两种自适应光学波前校正算法进行组合,设计了一种组合校正算法,用数值仿真的方法对该算法合理性进行了验证,并在不同湍流强度和拟合精度两种情况下进一步分析了该算法的性能。结果证明,组合校正算法比单独使用两种算法时的校正效果更好,校正速度更快。最后,研究了一种基于二元光强调制的无波前自适应光学技术,通过对基于Walsh函数的重构波前进行相位解缠绕和平滑处理,验证了该技术可以满足较高的波前重构精度,根据波前样本在不同湍流强度下校正的仿真结果分析,证明了该技术对强湍流具有较高的适应性,具备大气激光通信系统在强湍流环境下的的应用潜质。
王志勇[7](2019)在《基于大视场夏克—哈特曼波前传感器的白天大气视宁度和风速分层测量技术研究》文中进行了进一步梳理为了满足天文学家对太阳等扩展目标的大视场高分辨力成像观测需求,太阳多层共轭自适应光学(MCAO:multi-conjugate adaptive optics)技术近年来成为自适应光学研究领域的热点之一,其利用大气湍流的垂直高度分布信息,控制多个变形镜对大气湍流进行分层校正,从而获得太阳活动区大视场高分辨力校正效果。因此,实现太阳MCAO的基础和前提是获得大气湍流分层统计特性,实质是获得与太阳MCAO系统校正带宽有关的大气湍流特性参数,包括大气等晕角、大气相干时间、Greenwood频率和Tyler频率等。进一步地,这些大气湍流特性参数又与大气湍流分层后不同高度的大气视宁度和不同高度的大气风速密切相关。因此,本文瞄准太阳MCAO技术的具体应用需求,基于云南天文台抚仙湖太阳观测站(FSO:Fuxian Lake Solar Observatory)的1米新真空太阳望远镜(NVST:new vacuum solar telescope),以及大视场夏克-哈特曼波前传感器(SHWFS:ShackHartmann Wavefront Sensor),开展白天大气视宁度分层测量技术和白天大气风速分层测量技术研究,重点开展大气视宁度和风速分层测量技术的算法改进、仿真验证以及实验分析工作。首先,介绍了大气湍流特性和大气湍流分层测量原理。介绍了在湍流问题研究中处于统治地位的Kolmogorov湍流统计理论,包括其折射率起伏统计特性和相位扰动统计特性。之后介绍了Kolmogorov湍流情况下的主流大气湍流分层测量技术,包括Scintillation Detection and Ranging(SCIDAR)、SLOpe Detection And Ranging(SLODAR)以及Solar Differential Image Motion Monitor Plus(S-DIMM+)。针对用于白天大气湍流分层测量的导星具有二维扩展结构的特性,提出将SDIMM+用于大气视宁度分层测量研究;考虑到S-DIMM+无法测量风速以及导星斜率数据获取的便利性,提出将SLODAR用于大气风速分层测量研究。接着,基于抚仙湖太阳观测站的一米太阳望远镜NVST和37单元大视场SHWFS,开展大视场SHWFS数据预处理及波前斜率提取提取技术研究。瞳面旋转是地平式望远镜Coudé焦点和折轴Cassegrain焦点必须面临的问题,使得SHWFS相机靶面图像发生旋转,进而引起用于计算白天大气湍流分层测量的导星存在发生旋转,导致不同时刻同一导星之间具有不同方向基准,最终对大气湍流分层测量算法造成潜在的不利影响。因此瞳面旋转补偿是大视场SHWFS数据预处理的必须步骤。根据地平式太阳望远镜NVST的光学系统设计,提出基于转台的瞳面旋转补偿。对瞳面旋转进行补偿后,在AO系统开环状态下SHWFS采集的太阳图像仍然会受到相机噪声以及光学系统中光的非均匀性等因素的影响,由此有必要进一步对太阳图像进行平暗场处理。此外,因为37单元大视场SHWFS采集的太阳目标图像具有二维扩展结构,如太阳黑子或太阳米粒,以及望远镜spider结构会导致SHWFS子孔径之间的对比度存在明显差异,因此互相关算法将被用于导星波前斜率提取。再次,基于S-DIMM+提出了一种改进的白天大气视宁度分层测量技术。SDIMM+能够用于白天大气视宁度分层测量,但是大气分层数目受到波前传感器子孔径排布限制而变得固定。子孔径阵列数量较少的波前传感器将导致一个稀疏的高度网格,进而导致强湍流层的位置无法被准确评估且每层湍流强度易被高估。为了解决这个问题,本文提出一种改进S-DIMM+方法,其通过迭代的方式对不同高度空间范围内的白天大气视宁度进行分层测量,每次迭代过程中大气分层数目固定,且后一次迭代测量的高度范围低于于前一次测量结果,最终所有迭代结果被结合为一个新的具有更密和更均匀分布高度网格的视宁度廓线。改进SDIMM+方法能够突破传感器硬件对大气视宁度分层数目的限制,减少稀疏高度网格导致的湍流强度高估,显着提高大气视宁度分层测量结果准确性。改进方法通过不同的大气湍流模型进行仿真测试,仿真结果表明改进S-DIMM+能够更为理想地评估输入大气模型。进一步地,基于NVST采集的AO系统开环状态下的太阳图像数据序列,评估云南抚仙湖观测站上空的大气视宁度垂直高度分布。7×7的大视场SHWFS用改进S-DIMM+产生了一个16层且高达15km的高度网格,相邻两层的垂直高度间隔为1km。基于改进方法的实验结果表明大气湍流可分为3个部分:位于0-2km的地表层、位于3-6km的中间层以及≥7km的高层。最后,基于SLODAR提出了一种改进的大气风速分层测量技术。SLODAR是一种基于导星波前斜率且被广泛应用于夜间大气视宁度分层测量的技术;此外,通过在时间延迟互相关图中追踪与湍流层相对应的互相关峰的移动快慢和方向,SLODAR能够测量对应湍流层的风速和风向。然而这种风速测量方法仅对可被单独分离的互相关峰有效,但在许多情况下,在时间延迟互相关图中很难被找到不同湍流层对应的孤立互相关峰,导致无法对每层风速和风向进行测量。为了解决这个问题,本文提出了一种测量每个湍流层风速和风向的改进方法,其通过追踪二维(2D)互相关图中不同方向上一维切片曲线上的一系列互相关峰,最后根据冻结流动假设来评估每个湍流层的风速和风向,改进方法甚至对于弱响应的互相关峰也有效。改进方法通过不同大气湍流模型进行仿真测试,仿真结果表明改进方法能够实现对每层大气的风速和风向测量。进一步地,进一步地,基于NVST采集的AO系统开环状态下的太阳图像数据序列,评估云南抚仙湖观测站上空的大气风速和风向垂直高度分布,测量高度范围为0–12km。实验结果表明,所有层的风速都具有一个相对较小的值(<10m/s)。本文针对太阳MCAO技术的具体应用需求,重点开展白天大气视宁度分层测量技术和白天大气风速分层测量技术研究,在国内和国际上都属于开创性的成果,对推动我国大气湍流分层测量技术的发展具有重要研究意义和参考价值,为进一步开展多层共轭自适应光学系统的研究打下了基础。
吴道胜[8](2019)在《相位差图像重建技术在液晶自适应光学系统中的应用研究》文中研究说明为了降低望远镜成像中所受到的大气湍流干扰,国际上数米级以上大口径地基望远镜几乎都配备了自适应光学系统。自适应光学系统可以实时消除湍流对成像光束造成的波前畸变,使得望远镜的成像分辨率恢复到对应口径的衍射极限。然而自适应光学系统从波前探测到校正的时间延迟总是会残留一些波前残差,尤其是在风力较强大气湍流剧烈的天气,导致自适应校正后的图像远远不能达到系统衍射极限分辨率。此时需要应用后期数字图像处理技术。相位差技术(Phase diversity,PD)是利用自适应光学系统同时采集的焦面图像和与之存在已知像差的图像求解出成像光波前的畸变残差,重建高分辨率图像。PD技术是进一步提高自适应光学校正后成像分辨率的最有效方法之一,而且更加适用于液晶自适应光学系统。在液晶自适应光学系统中通常将成像光束先分成P偏振光束和S偏振光束,在两个光路上并联使用两个液晶波前校正器分别校正波前畸变,然后既可以得到两个偏振成像也可以合束得到高能量图像。本研究是将其中一个偏振图像加上固定像差,从而实现PD图像处理,使具有匹配8米以上大口径望远镜优势的液晶自适应光学系统的成像质量更上一层楼。相位差技术目前仍存在以下问题,第一是求解目标函数所用的粒子群优化算法虽然能够实现全局收敛,但计算时间较长;第二设置不同的相位差函数会导致不同的重构波前解的精度;第三,传统的Tikhonov正则化解卷积得到的重建图像仍然存在一定模糊。本文针对以上相位差技术存在的问题,从最优化算法的加速、相位差函数的选择和正则化方法的改进三个方面进行了研究。首先对相位差技术中的优化算法进行了研究。传统的基于梯度的算法只能实现局部的收敛,基于生物种群行为的粒子群算法虽然能够实现全局最优化,但是收敛需要的迭代次数和粒子数至少为120×120,结合200个粒子的混沌初始化,总的目标函数计算次数为14600,计算时间约13分钟。根据本研究中要求解的是Zernike系数的特点,提出Zernike系数独立寻优迭代的算法,即每次只优化一个Zernike系数,而固定其他系数,如此经过多轮迭代即可获得正确系数。其中对每一维系数进行优化搜索时,应用黄金分割法,在解的区间内,大约需要11次搜索。在求解12项Zernike系数时,整体的迭代17轮即可达到收敛,这时总的计算次数为11×12×17=2244次。相比于粒子群算法,计算次数减少到原来的约1/6,对应的计算时间也减少到约2分钟,其收敛性和粒子群算法相当。针对相位差函数的优化选取进行了研究。发现了对应一个点扩散函数可以解出互为奇对称的两幅波前,即波前解不唯一,进一步结合PD模型推导出选用奇数阶Zernike像差作为相位差函数会导致求解波前的不唯一。利用克拉美-罗下限(Cramer-Rao lower bound,CRLB)对不同相位差函数的波前重构精度进行评估,模拟结果表明,离焦作为相位差函数对应的平均CRLB最小,即能恢复精度最高的波前。最后,对像差和离焦相位差函数综合作用得到的离焦面点扩散函数进行了推导,基于图像对比度得到了最佳离焦量和像差主空间频率的定量关系式,表明最佳离焦量与像差频谱的主频率成分成正比,即像差的频率越高,对应的最佳离焦量就越大,为最佳离焦量的设置提供了定量依据。针对提高重建图像质量的正则化方法进行了研究。传统的Tikhonov正则化基于的先验是最简单的图像总能量最小化,在傅里叶频谱域做低通滤波,无法将图像的高频信息和噪声分开,重建图像过于平滑。在图像去模糊及去噪领域,目前效果最好的是非局部中心化稀疏表示(nonlocal centralized sparse representation,NCSR)正则化方法。该正则化方法基于图像非局部自相似性和稀疏表示特性,基于非局部自相似特性可以将整幅图像拆分成一系列小图像块处理,利用图像块之间的相似性可以恢复出图像中重复的细节;采用稀疏表示能够用较少的系数表示出图像的有效信息,相比于傅里叶频谱,可以将噪声和图像信息分得更开,因而可以将噪声去除的更彻底。PD的图像重建是由恢复的波前得到的点扩散函数进行图像解卷积。因此,考虑将NCSR加入到PD的图像重建过程中,以提高重建图像的质量。模拟结果表明,加入NCSR正则化的重建图像的峰值信噪比相比传统的相位差法重建图像提高了5-10dB,图像结构相似度上也有了明显的提高。实验室内搭建了实验光路验证了该方法的有效性。在加入NCSR正则化后,计算时间有所增加,总体耗时由2分钟增加到约3.5分钟。基于Zernike系数独立寻优迭代算法、最佳离焦量的选择以及NCSR正则化方法,将改进的相位差技术应用于液晶自适应光学系统上。实验中处理的图像像素数为200×200,采用12项Zernike模式来重构波前。结果表明,液晶自适应光学系统校正后焦面上的图像分辨率为32.00lp/mm,对应着1.59倍衍射极限,经相位差技术处理后,图像分辨率进一步提高至40.32lp/mm,对应1.26倍衍射极限。最后将具有相位差图像重建技术的液晶自适应光学系统接入本所园区的2米口径望远镜进行了外场观测。对恒星的观测结果表明,液晶自适应光学系统校正后焦面上的角分辨率为0.47″,经相位差技术处理后,恒星角分辨率为0.18″。对卫星的观测及处理结果表明,卫星的边缘明显更锐利,图像的信噪比SNR由19.91dB提高到了47.22dB。本论文所获得的结论证明,通过对相位差技术的算法改进,对相位差函数选取研究,稀疏正则化方法结合及其在液晶自适应系统工程应用上的研究,实现了结合相位差技术的液晶自适应可见光高分辨率成像,拓展了液晶自适应光学在大口径望远镜上的应用,不管是对于天文研究,如对暗物质、类星体以及红移星系的观测,还是对国家空间安全如对间谍卫星的监视跟踪都具有重要的研究意义和应用价值。
王黄铭[9](2019)在《太阳多层共轭自适应光学波前斜率实时测量相关算法研究》文中认为传统自适应光学受大气非等晕性的限制,只能在等晕区(角尺度10’’左右)校正大气湍流的影响,达到接近望远镜衍射极限的成像分辨力,无法满足对太阳活动区(角尺度通常为1’2’)的高分辨力观测要求。多层共轭自适应光学(MultiConjugate Adaptive Optics,MCAO)对大气湍流进行三维波前探测,获取不同高度处大气湍流引起的波前像差,控制位于强湍流层共轭位置的变形镜,对波前畸变进行分层校正,从而实现大视场高分辨力成像。太阳多层共轭自适应光学系统利用大视场相关夏克-哈特曼传感器同时探测多个视线上的波前畸变,相比传统自适应光学系统,波前斜率计算量急剧增加。此外,太阳自适应光学系统工作在白天时段,大气视宁度差,相比夜天文自适应光学系统,传感器采样频率和系统带宽更高,波前斜率计算的实时性要求也更高。因此,太阳多层共轭自适应光学系统波前斜率测量不仅要保证斜率计算的准确性,还要满足实时性。本文基于多核CPU硬件平台,针对大视场相关夏克-哈特曼传感器图像的特点,在保证准确率的前提下对波前斜率的计算方法进行加速优化。本文主要内容及创新点如下:针对太阳目标的大视场相关夏克-哈特曼传感器采用相关算法计算波前斜率,常用的相关算法有空间域的归一化互相关算法和频域的相位相关算法,本文从计算量和并行度两个角度出发,对两种算法分别进行分析优化。计算量优化时,针对归一化互相关算法,主要从减小搜索区域、分子和分母计算量三个方面出发,通过边界部分相关、快速傅里叶变换和本文提出的改进的积分图法,精简算法本身的计算量。相位相关算法的计算量优化,主要通过对快速傅里叶变换的倒位序操作和蝶形运算结构进行优化来实现。并行度优化时,分别从线程级、指令级和数据级三个层次,对两种算法进行优化。针对归一化互相关算法,本文提出了一种细粒度的并行算法,将图像卷积展开为矩阵向量乘法以方便进行线程级并行,并采用适当的分配方式使各分支之间负载均衡。相位相关算法也尽量做了同等程度的优化。本文对优化前后的算法进行仿真分析,比较它们运行时间的均值、最大值、标准差和准确率等指标。基于4核CPU平台,对2000帧大视场相关夏克-哈特曼传感器图像进行斜率测量,仿真结果表明,优化的归一化互相关算法完成1帧图像斜率计算的平均时间为11.514毫秒,速度较不作任何优化的归一化互相关算法提升了约7倍,较基于fftw3库的相位相关算法快1.4倍左右。另外,与其他斜率测量算法相比,优化的归一化互相关算法单帧斜率计算耗时的标准差、最大值均更小,具有更强的鲁棒性,丢帧的风险更低。此外,在固定偏移量滑动窗口仿真试验中,改进的归一化互相关算法能够得到正确的测量结果。综合分析仿真结果,优化的归一化互相关算法在实时性和准确性上表现更优。因此,将优化的归一化互相关算法代码移植进室内的太阳多层共轭自适应光学实验系统,通过扩展点源目标的正弦扰动实验,验证了算法的正确性,并在基于Intel i7-6950X十核CPU的室内试验平台上达到了大于900Hz的测量帧频。实验结果表明,优化的归一化互相关算法能够实现系统的波前斜率实时测量。本文研究的内容为太阳多层共轭自适应光学系统的波前斜率测量和类似的应用场景提供了技术支持,开拓了新思路,同时兼具研究意义和工程价值。
李勃[10](2019)在《深空激光通信系统地面高灵敏度探测技术研究》文中认为深空探测是人类不断发展和延续的必然选择。随着深空探测距离的不断增加,传统的微波/射频通信体制已经愈发不能满足人们对数据传输速率的要求。近年来,自由空间激光通信技术凭借其频带宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、体积小、质量轻、功耗和成本低等优点,在国际上受到十分广泛的关注。同时,它具有应用在深空测控通信系统中的巨大潜力。目前,虽然深空激光通信仍属前沿技术,但美国和欧盟凭借自身优势在此领域走在了世界前列,我国亟需追赶。同时,在该技术成熟应用于未来深空探测任务的道路上,仍有许多技术难题需要解决。在深空激光通信系统中,下行激光信号在遥远空间距离和大气信道的共同衰减下,到达地面接收端的光强极其微弱,可少至数个光子。而地面终端能否实现对光子级别强度信号的有效探测,直接决定着通信的成败。因此,本文对深空激光通信系统地面高灵敏度探测技术进行研究,全文主要包含四个部分:首先,分析了大气信道对深空激光通信下行光信号的影响。介绍了大气信道平均功率衰减效应;阐述了大气湍流闪烁、光束扩展和散斑效应;详细分析了大气信道中云层、气溶胶粒子和大气湍流对脉冲光的展宽效应,及大气湍流对脉冲光的延迟效应;建立了脉冲位置调制下激光通信速率与展宽和延迟的数学关系,并对两种效应对通信速率的影响进行了评估;对天空背景光特性进行了分析。其次,为了对极微弱信号进行有效探测,对现有单光子探测器的性能进行了分析,并建立了基于超导纳米线单光子探测器的深空激光通信高灵敏度探测单元。基于该探测器的暗计数拟合模型及Double Generalized Gamma大气湍流闪烁模型,推导出了脉冲位置调制下的深空激光通信误码率FOX-H函数表达式。仿真分析了特定温度及偏置电流下的误码率情况。针对深空通信链路背景光强的特点,利用“up-down”算法对强背景光子进行识别与剔除。对探测器的性能进行了测试。实现了高灵敏度探测并通过实验验证了背景光子的剔除效果,对高灵敏度探测单元的通信误码率进行了测试。再次,针对空间光到单模光纤耦合效率低的问题,提出了基于激光章动的粗精复合扫描的空间光到单模光纤耦合优化方案,以大幅提高耦合效率。基于空间光到单模光纤耦合的基本理论,详细分析了光斑与光纤间径向偏差、大气湍流像差对耦合效率的影响;提出了基于激光章动的粗精复合扫描与捕获算法,通过对耦合进单模光纤能量大小的探测,实现光纤与光斑章动扫描中心偏移量的实时主动补偿;对影响激光章动系统工作效果的因素进行了分析;通过实验系统对上述研究内容的有效性进行了验证。最后,针对大气湍流像差和深空信号光极微弱的特点,利用单光子计数阵列,提出了基于二元模式调制波前传感技术的自适应光学系统,以校正大气信道造成的波前畸变。阐述了该自适应光学系统的波前重构原理;建立了变形镜促动器驱动电压矩阵与重构的波前Zernike多项式系数矩阵的直接线性关系;仿真研究了该系统对强、中、弱湍流环境下畸变波前的重构精度,并仿真分析了系统对畸变波前的校正能力。本文的研究成果对深空激光通信系统的设计具有重要的参考价值。
二、A Tilt-correction Adaptive Optical System for the Solar Telescope of Nanjing University(论文开题报告)
(1)论文研究背景及目的
此处内容要求:
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例:
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
(2)本文研究方法
调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、A Tilt-correction Adaptive Optical System for the Solar Telescope of Nanjing University(论文提纲范文)
(1)计算光学成像:何来,何处,何去,何从?(论文提纲范文)
0 引言 |
1 计算光学成像:何来? |
1.1 成像系统的雏形 |
1.2 光学成像系统的诞生——金属光化学摄影 |
1.3 第一次成像革命——感光版光化学摄影 |
1.4 第二次成像革命——胶卷光化学摄影 |
1.5 第三次成像革命——数码相机 |
1.6 第四次成像革命——计算成像?! |
2 计算光学成像:何处? |
2.1 功能提升 |
2.1.1 相位成像 |
2.1.2 光谱成像 |
2.1.3 偏振成像 |
2.1.4 三维成像 |
2.1.5 光场成像 |
2.1.6 断层(体)成像 |
2.1.7 相干测量 |
2.2 性能提升 |
2.2.1 空间分辨 |
2.2.2 时间分辨 |
2.2.3 灵敏度 |
2.2.4 信息通量 |
2.3 成像系统简化与智能化 |
2.3.1 单像素成像 |
2.3.2 无透镜成像 |
2.3.3 自适应光学 |
2.3.4 散射介质成像 |
2.3.5 非视域成像 |
2.3.6 基于场景校正 |
3 计算光学成像:何去? |
3.1 优势 |
3.1.1“物理域”和“计算域”的协同 |
3.1.2 潜在的“通用理论框架” |
3.2 弱点 |
3.2.1 成本与代价 |
3.2.2 数学模型≈甚至于≠物理过程 |
3.2.3 定制化vs标准化 |
3.2.4 技术优势vs市场需求 |
3.3 机会 |
3.3.1 科学仪器 |
3.3.2 商业工业 |
3.3.3 国防安全 |
3.4 威胁 |
4 计算光学成像:何从? |
4.1 新型光学器件与光场调控机制 |
4.2 高性能图像传感器的发展 |
4.3 新兴的数学与算法工具 |
4.4 计算性能的提升 |
4.4.1 专用芯片 |
4.4.2 新材料和新器件 |
4.4.3 云计算 |
4.4.4 光计算 |
4.4.5 量子计算 |
4.5 人工智能 |
5 结论与展望 |
(2)相干光通信系统的非共光路像差校准实验研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
1 绪论 |
1.1 研究背景与意义 |
1.2 国内外研究进展 |
1.2.1 相干光通信的研究发展及现状 |
1.2.2 自适应光学技术在相干光通信中的研究进展 |
1.2.3 非共光路像差校准的研究现状 |
1.3 论文主要内容及结构安排 |
2 相干光通信中的自适应光学系统 |
2.1 相干光通信的基本原理 |
2.2 有波前传感器自适应光学基本理论 |
2.2.1 有波前传感器自适应光学系统基本原理 |
2.2.2 波前传感器 |
2.2.3 波前控制器 |
2.2.4 波前校正器 |
2.2.5 有波前传感器自适应光学控制算法 |
2.3 无波前传感器自适应光学基本理论 |
2.3.1 无波前传感器自适应光学系统组成及工作原理 |
2.3.2 无波前传感器自适应光学优化算法 |
2.4 光束质量评价指标 |
2.5 本章小结 |
3 自适应光学系统的误差分析 |
3.1 误差分类 |
3.1.1 标定误差 |
3.1.2 拟合误差 |
3.1.3 测量噪声误差 |
3.1.4 带宽误差 |
3.2 非共光路像差的分析 |
3.2.1 非共光路像差的产生 |
3.2.2 非共光路像差的折算 |
3.2.3 非共光路像差校准的实现 |
3.3 本章小结 |
4 非共光路像差校准的实验研究 |
4.1 光功率为评价指标的误差校准方法 |
4.1.1 实验系统 |
4.1.2 实验装置 |
4.2 中频电压为评价指标的误差校准方法 |
4.3 两种不同评价指标的误差校准方法对比 |
4.4 相干光通信系统实验研究 |
4.4.1 实验流程 |
4.4.2 非共光路像差校准对波前的影响 |
4.4.3 非共光路像差校准对耦合进单模光纤光功率的影响 |
4.4.4 非共光路像差校准对中频电压峰峰值的影响 |
4.4.5 非共光路像差校准对中频电压功率谱的影响 |
4.5 本章小结 |
5 总结与展望 |
5.1 全文总结 |
5.2 展望未来 |
致谢 |
参考文献 |
攻读硕士学位期间研究成果 |
(3)大口径压电倾斜镜的反作用力分析及补偿研究(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
第1章 绪论 |
1.1 引言 |
1.2 自适应光学系统及工作原理 |
1.2.1 波前校正器 |
1.2.2 波前像差 |
1.3 大口径快速倾斜镜的研究发展现状 |
1.4 快速倾斜镜反作用力分析及补偿技术研究现状 |
1.5 大口径PFSM反作用力补偿面临的技术难题 |
1.6 课题研究内容及论文结构 |
第2章 大口径PFSM反作用力产生机理及耦合干扰研究 |
2.1 大口径PFSM基本组成 |
2.1.1 PFSM反射镜 |
2.1.2 压电陶瓷驱动器 |
2.1.3 柔性支撑铰链 |
2.1.4 PFSM基座 |
2.2 PFSM波前畸变校正原理和动力学模型 |
2.2.1 PFSM波前整体倾斜校正原理 |
2.2.2 PFSM光束稳定调整原理 |
2.2.3 PFSM动力学模型 |
2.3 PFSM反作用力产生机理 |
2.4 PFSM反作用力对AO系统的耦合动态干扰 |
2.4.1 反作用力对AO系统的耦合干扰分析 |
2.4.2 反作用力对AO系统的耦合干扰测试 |
2.5 小结 |
第3章 PFSM动态反作用力耦合数理模型的建立与分析 |
3.1 PFSM反作用力耦合模型的简化 |
3.2 PFSM反作用力耦合数学模型的建立 |
3.3 基于压电耦合理论的PFSM反作用力分析 |
3.3.1 PZT材料的逆压电效应 |
3.3.2 压电耦合理论的本构方程模型 |
3.3.3 PFSM的反作用力特性分析 |
3.4 基于多体系统刚柔耦合理论的PFSM反作用力分析 |
3.4.1 PFSM多体系统刚柔耦合分析的基本理论 |
3.4.2 PFSM多体系统刚柔耦合动力学求解模型的建立 |
3.4.3 PFSM多体系统刚柔耦合动力学特性分析 |
3.5 小结 |
第4章 PFSM反作用力补偿系统设计与分析 |
4.1 四点驱动PFSM的布局分析 |
4.2 PFSM反作用力补偿结构设计及原理分析 |
4.2.1 PFSM的反作用力补偿消除结构设计 |
4.2.2 PFSM的反作用力补偿消除原理 |
4.3 PFSM反作用力补偿消除平衡关系模型的建立 |
4.4 PFSM动态反作用力的补偿消除分析 |
4.5 堆叠式PZT驱动器动态应力分析 |
4.5.1 堆叠式PZT驱动器动态受弯应力模型 |
4.5.2 堆叠式PZT驱动器动态受弯应力分析 |
4.6 小结 |
第5章 大口径PFSM反作用力实验研究 |
5.1 实验测试方案设计 |
5.2 PFSM性能指标的实验研究 |
5.2.1 PFSM偏转角行程的实验研究 |
5.2.2 PFSM机械谐振频率的实验研究 |
5.3 PFSM反作用力及补偿消除的实验研究 |
5.3.1 PFSM反作用力特性的实验研究 |
5.3.2 PFSM反作用力补偿消除的实验研究 |
5.4 总结 |
第6章 总结与展望 |
6.1 论文的主要研究内容 |
6.2 创新工作总结 |
6.3 后续工作展望 |
参考文献 |
致谢 |
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
(4)基于漫射体的太阳望远镜平场测量方法研究(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
第1章 绪论 |
1.1 太阳与空间环境 |
1.1.1 太阳 |
1.1.2 空间环境 |
1.1.3 太阳监测对空间环境的意义 |
1.2 太阳望远镜 |
1.2.1 日冕仪 |
1.2.2 全日面太阳望远镜 |
1.2.3 局部成像太阳望远镜 |
1.2.4 各类望远镜的观测意义 |
1.3 自主监测设备的发展 |
1.4 研究目标和主要研究内容 |
第2章 太阳望远镜数据定标 |
2.1 数据定标的种类及意义 |
2.1.1 暗场定标 |
2.1.2 平场定标 |
2.1.3 波长定标 |
2.1.4 数据定标的意义 |
2.2 太阳望远镜平场 |
2.2.1 平场测量方法现状 |
2.2.2 理想的平场测量方法 |
2.3 漫射体材料 |
2.3.1 分类与应用现状 |
2.3.2 重要选型参数 |
第3章 基于乳白玻璃的日冕仪平场改正 |
3.1 研究背景 |
3.2 均匀性分析 |
3.3 测量方法与步骤 |
3.4 日冕仪平场测量和改正结果 |
3.5 平场改正效果定量分析 |
3.6 优缺点分析 |
3.7 本章小结 |
第4章 基于毛玻璃的全日面望远镜平场改正 |
4.1 毛玻璃透过率和均匀性的计算 |
4.2 测量装置与改正方法 |
4.3 全日面光球像的实验 |
4.3.1 原始像高频失真改正 |
4.3.2 平场改正像低频信息修正 |
4.4 全日面色球像的实验 |
4.5 实验结果分析和对比 |
4.6 优缺点分析 |
4.7 本章小结 |
第5章 基于高斯扩散片的全日面望远镜平场改正 |
5.1 可行性模拟 |
5.1.1 透过率和均匀性模拟 |
5.1.2 太阳特征影响模拟 |
5.2 测量装置与改正方法 |
5.3 全日面光球像实验及分析 |
5.3.1 原始像小尺度改正 |
5.3.2 实验结果分析 |
5.4 全日面色球像实验及分析 |
5.5 优缺点分析 |
5.6 本章小结 |
第6章 基于工程散射片的全日面平场和波长定标 |
6.1 全日面速度场测量和定标原理 |
6.2 平场测量可行性分析 |
6.3 计算步骤与实验平台 |
6.3.1 测量与计算步骤 |
6.3.2 实验平台 |
6.4 平场测量与改正 |
6.5 全日面太阳速度场定标 |
6.5.1 定标计算 |
6.5.2 结果分析 |
6.6 本章小结 |
第7章 总结与展望 |
7.1 研究内容总结 |
7.2 平场改正效果的评价方法 |
7.3 应用前景展望 |
参考文献 |
致谢 |
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
(5)自适应光学系统扰动模型辨识及最优控制技术研究(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
第1章 绪论 |
1.1 引言 |
1.2 自适应光学技术概述 |
1.2.1 自适应光学原理及系统组成 |
1.2.2 自适应光学技术进展 |
1.2.3 国内自适应光学技术发展 |
1.3 自适应光学系统扰动校正问题 |
1.3.1 自适应光学系统扰动存在问题 |
1.3.2 自适应光学系统扰动控制问题 |
1.3.3 自适应光学系统扰动控制技术进展 |
1.4 自适应光学系统扰动抑制难点 |
1.5 本文的研究内容及结构 |
第2章 自适应光学系统扰动模型 |
2.1 扰动像差表示 |
2.2 扰动特性 |
2.2.1 大气湍流特性 |
2.2.2 非湍流扰动特性 |
2.3 不同扰动模型描述 |
2.4 动态扰动模型构建 |
2.5 本章小结 |
第3章 扰动模型辨识 |
3.1 常用的辨识方法及其特点 |
3.2 粒子群优化算法简述 |
3.3 扰动模型辨识 |
3.3.1 扰动功率谱密度估计 |
3.3.2 扰动源分离 |
3.3.3 基于粒子群优化算法的扰动模型辨识 |
3.4 模型辨识验证 |
3.5 本章小结 |
第4章 最优扰动控制器 |
4.1 扰动控制系统及最优性能指标 |
4.2 最优模式增益积分控制 |
4.3 线性二次高斯控制 |
4.4 控制结构可调整的多模式LQG控制器 |
4.5 LQG扰动控制器性能验证 |
4.6 本章小结 |
第5章 基于1-m NVST实测数据的LQG扰动控制验证 |
5.1 望远镜平台及其自适应光学系统简介 |
5.2 光束扰动抑制方法验证 |
5.2.1 测量数据 |
5.2.2 辨识方法的性能 |
5.2.3 基于模型的LQG控制的有效性 |
5.3 扰动抑制的可行性评估 |
5.4 本章小结 |
第6章 基于LQG控制的自适应光学系统扰动控制实验 |
6.1 基于室内实验平台的扰动控制 |
6.1.1 实验平台介绍 |
6.1.2 系统扰动模型辨识 |
6.1.3 扰动控制性能分析 |
6.2 1.8 mCLST系统扰动控制 |
6.2.1 1.8 m太阳望远镜平台简介 |
6.2.2 倾斜扰动模型辨识 |
6.2.3 倾斜扰动抑制 |
6.3 本章小结 |
第7章 自适应光学系统的混合控制策略 |
7.1 自适应光学系统混合控制策略 |
7.2 实验数据分析 |
7.2.1 数据分析 |
7.2.2 混合控制仿真 |
7.3 本章小结 |
第8章 总结与展望 |
8.1 本论文的主要研究内容 |
8.2 本论文的主要创新点 |
8.3 后续工作展望 |
参考文献 |
致谢 |
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
(6)大气激光通信系统主动自适应光学关键技术研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
第1章 绪论 |
1.1 研究背景和意义 |
1.1.1 大气激光通信的研究背景 |
1.1.2 自适应光学在大气激光通信中的研究意义 |
1.2 自适应光学的发展现状 |
1.2.1 国外自适应光学的发展现状 |
1.2.2 国内自适应光学的发展现状 |
1.3 无波前自适应光学的研究进展 |
1.3.1 基于SPGD算法的无波前自适应光学技术 |
1.3.2 基于PD算法的无波前自适应光学技术 |
1.3.3 基于二元光强调制的无波前自适应光学技术 |
1.4 本文研究内容及结构安排 |
第2章 大气湍流对激光通信的影响 |
2.1 大气湍流的特征及模型 |
2.1.1 大气湍流基本特征 |
2.1.2 大气湍流基本模型 |
2.2 大气湍流特征参数 |
2.2.1 大气折射率结构常数C_0~2 |
2.2.2相干长度γ_0 |
2.2.3 Greenwood频率 |
2.3 大气湍流对激光通信系统的影响分析 |
2.3.1 大气湍流对系统耦合效率的影响 |
2.3.2 自适应光学对湍流作用下系统耦合效率的作用 |
2.4 本章小结 |
第3章 自适应光学在大气激光通信系统中的应用 |
3.1 大气激光通信自适应光学系统的组成及原理 |
3.1.1 大气激光通信系统的组成及原理 |
3.1.2 自适应光学系统的组成及原理 |
3.2 自适应光学关键技术基础 |
3.2.1 波前像差的Zernike多项式表示 |
3.2.2 S-H传感器的波前重构原理 |
3.2.3 变形镜的工作原理 |
3.2.4 性能指标的选取 |
3.3 自适应光学的波前校正算法 |
3.3.1 直接斜率法 |
3.3.2 最速下降法 |
3.4 本章小结 |
第4章 自适应光学组合校正算法研究 |
4.1 组合校正算法原理 |
4.2 组合校正算法验证 |
4.2.1 组合校正算法理论基础验证 |
4.2.2 组合校正算法校正能力验证 |
4.3 组合校正算法效果分析 |
4.3.3 不同湍流强度下组合校正算法效果分析 |
4.3.4 不同波前拟合精度下组合校正算法效果分析 |
4.4 本章小结 |
第5章 基于二元光强调制的自适应光学技术研究 |
5.1 基于二元光强调制的自适应光学技术原理 |
5.1.1 Walsh函数 |
5.1.2 波前重构原理 |
5.2 基于二元光强调制的自适应光学系统组成 |
5.2.1 系统构成及工作原理 |
5.2.2 算法结构 |
5.3 仿真结果分析 |
5.3.1 波前重构精度分析 |
5.3.2 波前校正效果分析 |
5.4 本章小结 |
第6章 总结与展望 |
参考文献 |
攻读硕士学位期间取得的成果 |
致谢 |
(7)基于大视场夏克—哈特曼波前传感器的白天大气视宁度和风速分层测量技术研究(论文提纲范文)
摘要 |
Abstract |
第1章 绪论 |
1.1 引言 |
1.2 自适应光学技术发展概述 |
1.2.1 自适应光学基本原理 |
1.2.2 自适应光学发展历程 |
1.2.3 自适应光学所面临的主要难题 |
1.3 多层共轭自适应光学发展概述 |
1.3.1 多层共轭自适应光学基本原理 |
1.3.2 多层共轭自适应光学发展历程 |
1.3.3 多层共轭自适应光学所面临的主要难题 |
1.4 大气湍流分层测量技术发展概述 |
1.4.1 国外大气湍流分层测量技术发展概述 |
1.4.2 国内大气湍流分层测量技术研究现状 |
1.5 本论文的研究目的与主要研究内容 |
第2章 大气湍流特性与大气湍流分层测量原理 |
2.1 大气湍流与光波的传播概述 |
2.1.1 大气湍流概述 |
2.1.2 光波在大气湍流中的传播概述 |
2.2 Kolmogorov湍流统计理论 |
2.2.1 大气湍流折射率起伏统计特性 |
2.2.2 Kolmogorov湍流情况下相位扰动统计特性 |
2.3 大气湍流分层测量原理 |
2.3.1 SCIDAR原理 |
2.3.2 SLODAR原理 |
2.3.3 S-DIMM+原理 |
2.4 本章小结 |
第3章 大视场夏克-哈特曼波前传感器数据预处理及波前斜率提取 |
3.1 太阳图像采集前预处理 |
3.1.1 NVST光学系统 |
3.1.2 NVST瞳面旋转研究 |
3.1.3 消旋原理研究及NVST瞳面旋转补偿 |
3.2 太阳图像采集后预处理 |
3.2.1 大视场SHWFS硬件规格 |
3.2.2 SHWFS相机靶面图像规格 |
3.2.3 图像数据平暗场处理 |
3.3 太阳扩展目标波前斜率提取 |
3.3.1 波前斜率提取技术 |
3.3.2 子区域划分 |
3.3.3 子区域波前斜率提取 |
3.4 本章小结 |
第4章 基于S-DIMM+的白天视宁度分层测量技术研究 |
4.1 改进S-DIMM+方法理论基础 |
4.1.1 传统S-DIMM+方法概述及不足 |
4.1.2 改进S-DIMM+方法的几何原理 |
4.1.3 改进S-DIMM+方法的数学原理 |
4.1.4 噪声偏离估计和补偿 |
4.2 改进S-DIMM+方法仿真 |
4.2.1 仿真参数和步骤 |
4.2.2 四层大气湍流模型仿真 |
4.2.3 十四层大气湍流模型仿真 |
4.3 改进S-DIMM+方法实验分析 |
4.3.1 大视场波前传感器规格参数 |
4.3.2 数据采集和预处理 |
4.3.3 大气总视宁度评估 |
4.3.4 FSO站址的视宁度分层测量 |
4.4 本章小结 |
第5章 基于SLODAR的白天风速分层测量技术研究 |
5.1 改进SLODAR延伸方法的理论基础 |
5.1.1 传统SLODAR延伸方法概述及不足 |
5.1.2 改进分层风速和风向测量方法原理 |
5.2 改进风速和风向分层测量方法仿真分析 |
5.2.1 仿真硬件参数描述 |
5.2.2 大气风廓线模型理论基础 |
5.2.3 四层大气风廓线模型仿真 |
5.2.4 八层大气风廓线模型仿真 |
5.3 改进风速和风向分层测量方法实验分析 |
5.3.1 FSO站址和大视场SHWFS描述 |
5.3.2 单数据序列复原风廓线实验分析 |
5.3.3 多数据序列复原风廓线实验分析 |
5.4 本章小结 |
第6章 总结与展望 |
6.1 本论文的主要研究内容 |
6.2 本论文的主要创新点 |
6.3 后续工作展望 |
参考文献 |
致谢 |
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
(8)相位差图像重建技术在液晶自适应光学系统中的应用研究(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
第1章 绪论 |
1.1 课题研究背景及意义 |
1.2 液晶自适应光学技术及其发展 |
1.2.1 自适应光学的基本原理 |
1.2.2 液晶自适应光学技术及其研究进展 |
1.3 事后图像处理技术研究背景 |
1.3.1 斑点成像技术 |
1.3.2 盲解卷积技术 |
1.3.3 解卷积技术 |
1.3.4 相位差技术 |
1.4 相位差技术中现存的问题 |
1.5 本论文主要研究内容 |
第2章 相位差波前重构中的最优化算法研究 |
2.1 引言 |
2.2 传统非线性局部最优化算法的收敛性 |
2.3 用于全局最优化的粒子群算法的收敛速度 |
2.3.1 粒子群算法的基本思路 |
2.3.2 粒子数与迭代次数对粒子群算法收敛性及收敛速度的影响 |
2.4 Zernike系数独立寻优迭代的高速优化算法 |
2.4.1 Zernike系数独立寻优迭代的优化算法的提出 |
2.4.2 迭代轮数与解的维度对Zernike系数独立寻优迭代收敛速度的影响.. |
2.5 Zernike系数独立寻优迭代算法的相位差技术实验验证 |
2.6 本章小结 |
第3章 相位差函数对波前重建精度的影响研究 |
3.1 引言 |
3.2 PD中对相位差函数的要求分析 |
3.2.1 PSF和光瞳面畸变波前的对应性 |
3.2.2 相位差函数和PSF的对应性 |
3.3 基于克拉美-罗下限的相位差函数选取分析 |
3.4 离焦相位差函数的幅值选取研究 |
3.5 本章小结 |
第4章 提高图像重建质量的稀疏正则化方法研究 |
4.1 引言 |
4.2 基于不同图像先验的图像复原正则化方法 |
4.2.1 基于图像总能量泛函的Tikhonov正则化 |
4.2.2 基于图像梯度的总变分正则化 |
4.2.3 基于图像非局部自相似和稀疏特性的正则化 |
4.3 相位差技术中的稀疏正则化应用研究 |
4.3.1 稀疏正则化在相位差技术中的应用 |
4.3.2 基于稀疏正则化的相位差技术模拟仿真 |
4.3.3基于稀疏正则化的相位差技术实验 |
4.4 本章小结 |
第5章 相位差技术在液晶自适应光学成像系统中的应用 |
5.1 引言 |
5.2 液晶自适应光学系统 |
5.2.1 液晶自适应光学系统的工程化应用 |
5.2.2 结合相位差技术的液晶自适应光学系统 |
5.3 具有相位差技术的液晶自适应光学系统的模拟湍流成像实验 |
5.4 具有相位差技术的液晶自适应光学系统的空间目标观测 |
5.4.1 对恒星的观测及相位差技术图像复原 |
5.4.2 对卫星的观测及相位差技术图像复原 |
5.5 本章小结 |
第6章 结论与展望 |
参考文献 |
致谢 |
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
(9)太阳多层共轭自适应光学波前斜率实时测量相关算法研究(论文提纲范文)
摘要 |
abstract |
第1章 绪论 |
1.1 研究背景及意义 |
1.2 自适应光学技术及其原理 |
1.2.1 传统自适应光学 |
1.2.2 多层共轭自适应光学 |
1.3 太阳多层共轭自适应光学 |
1.3.1 太阳多层共轭自适应光学发展概况 |
1.3.2 太阳多层共轭自适应光学重点及难点分析 |
1.4 大视场相关夏克-哈特曼传感器图像波前斜率测量原理 |
1.4.1 大视场相关夏克-哈特曼传感器图像 |
1.4.2 波前斜率测量原理 |
1.4.3 平台选择 |
1.5 本文的主要研究内容及组织框架 |
第2章 太阳多层共轭自适应光学波前斜率测量方法 |
2.1 空间域相关算法 |
2.1.1 绝对差分算法 |
2.1.2 归一化互相关算法 |
2.2 频率域相关算法 |
2.2.1 离散傅里叶变换 |
2.2.2 相位相关算法及其原理 |
2.3 亚像素精度插值 |
2.4 本章小结 |
第3章 归一化互相关算法计算量优化 |
3.1 减小搜索区域 |
3.2 分母部分计算量优化 |
3.3 分子部分计算量优化 |
3.4 本章小结 |
第4章 相位相关算法计算量优化 |
4.1 快速傅里叶变换 |
4.2 FFT的计算机实现 |
4.2.1 倒位序的实现及其改进 |
4.2.2 蝶形运算的实现及其改进 |
4.2.3 FFTW3库 |
4.3 二维实序列的快速傅里叶变换 |
4.3.1 实序列FFT |
4.3.2 二维离散矩阵FFT |
4.4 本章小结 |
第5章 多核CPU并行优化 |
5.1 多核CPU并行优化概述 |
5.1.1 线程级并行 |
5.1.2 指令级并行 |
5.1.3 数据级并行 |
5.2 归一化互相关算法并行优化 |
5.3 相位相关算法并行优化 |
5.4 程序设计优化 |
5.4.1 指针寻址 |
5.4.2 消除伪共享 |
5.4.3 分支优化 |
5.5 算法兼容性分析 |
5.6 本章小结 |
第6章 实验结果及分析 |
6.1 仿真 |
6.2 室内实验 |
第7章 总结与展望 |
7.1 本文主要研究内容总结 |
7.2 本文主要创新点 |
7.3 展望 |
参考文献 |
致谢 |
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果 |
(10)深空激光通信系统地面高灵敏度探测技术研究(论文提纲范文)
摘要 |
ABSTRACT |
第一章 绪论 |
1.1 课题研究背景及意义 |
1.2 深空通信系统发展概况 |
1.2.1 微波/射频通信概况 |
1.2.2 深空激光通信及高灵敏度探测概况 |
1.3 本文主要内容及章节安排 |
第二章 深空激光通信的特点及技术途径 |
2.1 深空激光通信的特点 |
2.1.1 空间损耗大 |
2.1.2 背景光影响强 |
2.1.3 大气信道影响严重 |
2.2 深空激光通信系统技术途径 |
2.3 本章小结 |
第三章 深空信道对下行光信号的影响 |
3.1 大气信道吸收与散射 |
3.1.1 大气吸收 |
3.1.2 大气散射与平均功率衰减效应 |
3.2 大气湍流光强闪烁 |
3.2.1 大气湍流闪烁指数 |
3.2.2 闪烁概率密度 |
3.2.3 孔径平均效应 |
3.3 大气湍流光束扩展与散斑 |
3.4 大气信道对脉冲光的展宽与延迟影响 |
3.4.1 云层对脉冲展宽的影响 |
3.4.2 气溶胶粒子对脉冲展宽的影响 |
3.4.3 大气湍流对脉冲展宽和延迟的影响 |
3.5 天空背景光特性分析 |
3.5.1 天空背景光光谱特性分析 |
3.5.2 天空背景光空间结构特性分析 |
3.6 本章小结 |
第四章 深空激光通信高灵敏度探测技术研究 |
4.1 常见单光子探测器件及技术 |
4.2 超导纳米线单光子探测器 |
4.2.1 工作原理 |
4.2.2 探测效率 |
4.2.3 计数率 |
4.2.4 暗计数 |
4.3 各类单光子探测器性能小结 |
4.4 基于SNSPD的深空激光通信误码率分析 |
4.4.1 误码率数学建模 |
4.4.2 误码率仿真与分析 |
4.5 强背景光子的剔除 |
4.5.1 背景光子数分析 |
4.5.2 背景光子剔除算法 |
4.6 SNSPD探测单元验证实验 |
4.6.1 SNSPD单光子探测子实验系统组成 |
4.6.2 SNSPD性能测试 |
4.6.3 背景光子剔除效果及通信效果测试 |
4.7 本章小结 |
第五章 空间光到单模光纤耦合效率的提高方法研究 |
5.1 空间光到单模光纤耦合的基本理论 |
5.2 光斑与光纤间径向偏差对耦合效率的影响 |
5.3 大气湍流像差和径向偏差对耦合效率的共同影响 |
5.4 基于激光章动的空间光到单模光纤主动高效耦合技术 |
5.4.1 提高空间光到单模光纤耦合效率的方法 |
5.4.2 激光章动方案 |
5.4.3 激光章动扫描捕获算法建立 |
5.4.4 激光章动的影响因素分析 |
5.5 激光章动系统的实验研究 |
5.5.1 实验方案与系统组成 |
5.5.2 粗扫描捕获阶段实验结果分析 |
5.5.3 精扫描跟踪阶段实验结果分析 |
5.5.4 闭环实验验证与分析 |
5.5.5 随机径向偏差补偿实验结果分析 |
5.6 本章小结 |
第六章 自适应光学对接收光信号的改善方法研究 |
6.1 几种自适应光学系统比较 |
6.1.1 常规有波前自适应光学系统 |
6.1.2 基于SPGD的无波前自适应光学系统 |
6.1.3 基于模型的无波前自适应光学系统 |
6.2 波前展开函数 |
6.2.1 波前畸变的表征 |
6.2.2 Walsh函数 |
6.3 基于二元强度调制的自适应光学系统 |
6.3.1 波前重构原理 |
6.3.2 系统组成及重构波前的线性校正算法 |
6.4 基于二元强度调制的自适应光学系统仿真研究 |
6.4.1 待测波前的生成 |
6.4.2 畸变波前重构及精度分析 |
6.4.3 畸变波前校正效果分析 |
6.5 本章小结 |
第七章 总结与展望 |
7.1 本论文的主要研究内容 |
7.2 本论文的创新点 |
7.3 后续展望 |
致谢 |
参考文献 |
攻读博士学位期间学术成果 |
四、A Tilt-correction Adaptive Optical System for the Solar Telescope of Nanjing University(论文参考文献)
- [1]计算光学成像:何来,何处,何去,何从?[J]. 左超,陈钱. 红外与激光工程, 2022
- [2]相干光通信系统的非共光路像差校准实验研究[D]. 王英. 西安理工大学, 2021
- [3]大口径压电倾斜镜的反作用力分析及补偿研究[D]. 冉兵. 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所), 2021(08)
- [4]基于漫射体的太阳望远镜平场测量方法研究[D]. 王怡然. 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心), 2020(04)
- [5]自适应光学系统扰动模型辨识及最优控制技术研究[D]. 王佳英. 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所), 2020(02)
- [6]大气激光通信系统主动自适应光学关键技术研究[D]. 罗琳. 长春理工大学, 2020(01)
- [7]基于大视场夏克—哈特曼波前传感器的白天大气视宁度和风速分层测量技术研究[D]. 王志勇. 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所), 2019(08)
- [8]相位差图像重建技术在液晶自适应光学系统中的应用研究[D]. 吴道胜. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2019(08)
- [9]太阳多层共轭自适应光学波前斜率实时测量相关算法研究[D]. 王黄铭. 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所), 2019(08)
- [10]深空激光通信系统地面高灵敏度探测技术研究[D]. 李勃. 长春理工大学, 2019(01)