專利名稱：基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型的無波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)系 統(tǒng)，尤其涉及一種基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自適應(yīng)光學(xué)是國際上近20余年來發(fā)展起來的光學(xué)新技術(shù)。它利用電子技術(shù) 和光學(xué)技術(shù)的結(jié)合，通過實時測量-控制-校正，對動態(tài)光學(xué)波前誤差進(jìn)行實時 校正，使光學(xué)系統(tǒng)具有自動適應(yīng)外界條件變化，保持最佳工作狀態(tài)的能力。自 適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是改善成像系統(tǒng)的分辨能力和激光系統(tǒng)的光束質(zhì)量的有力手段， 它解決了困擾光學(xué)界幾百年之久的動態(tài)干擾問題，在高分辨力觀測和高集中度 激光能量傳輸?shù)确矫嬗兄匾獞?yīng)用。如圖1所示，自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通常由波前探測器、波前控制器和波前校正 器等三個部分組成。受到大氣湍流等動態(tài)干擾而形成的目標(biāo)模糊圖像，經(jīng)自適 應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正后得到清晰的目標(biāo)圖像。波前校正器通常采用變形鏡。變形鏡 是一個背面有規(guī)律排布若干電動驅(qū)動器的薄鏡面，從變形鏡反射出的光束波前 相位由變形鏡的面形決定，而變形鏡的鏡面面形由各個驅(qū)動器的控制電壓決定。 因此通過控制變形鏡各個驅(qū)動器的控制電壓就可以控制入射光束的波前相位。 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)閉環(huán)工作中的一個關(guān)鍵步驟是根據(jù)波前測量結(jié)果確定出變形鏡 的驅(qū)動器電壓值，從波前傳感器測量結(jié)果得到變形鏡驅(qū)動器控制電壓的過程稱 為波前復(fù)原。波前復(fù)原方法與波前傳感器和變形鏡的類型密切相關(guān)。波前傳感器測量校正后的殘余波前信號并根據(jù)一定的復(fù)原算法得到殘余波 前對應(yīng)的波前校正器驅(qū)動器控制電壓，在控制計算機(jī)中進(jìn)行控制運算得到控制 電壓。控制電壓信號經(jīng)過驅(qū)動電路施加到波前校正器的各個驅(qū)動器上，使波前 校正器產(chǎn)生需要的校正面形，對入射畸變波前進(jìn)行相位校正。如此周而復(fù)始地 進(jìn)行閉環(huán)工作，使殘余波前信號接近理想狀態(tài)，在成像系統(tǒng)上得到清晰圖像。滿足實時探測和復(fù)原要求的波前探測器是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分 之一。國外早期研制的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)采用動態(tài)剪切干涉(Shear Intefermeter)型波前傳感技術(shù)，現(xiàn)代的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中以夏克-哈特曼(Shark-Hartmarm)波 前傳感技術(shù)為主。在基于夏克-哈特曼波前傳感器的現(xiàn)代自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，波 前復(fù)原運算由線性矩陣運算完成，可以用數(shù)字信號處理器(DSP)技術(shù)快速完成， 實時性高，技術(shù)比較成熟。但哈特曼傳感器存在一個致命弱點，即子孔徑分割 造成光能利用率較低。另外，在以成像為目的的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中波前傳感器 和成像系統(tǒng)是兩個相互獨立的部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這些因素將限制夏克-哈特 曼等子孔徑分割型波前傳感器在微弱信標(biāo)條件下的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用。無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)不需要使用獨立的波前探測器，因此具有結(jié) 構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、光能利用率高等優(yōu)點?；陔S機(jī)并行梯度下降算法的無波前傳感器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)直接根據(jù)成像 傳感器獲得的圖像進(jìn)行波前校正，無需參考圖像，無需標(biāo)定波前校正器的影響 函數(shù)，算法簡單且計算量小，速度快。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適 應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)既可以工作于點目標(biāo)情況又可以工作于擴(kuò)展目標(biāo)情況， 無需波前探測器，也不需要測量波前校正器的影響函數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積 小，重量輕等優(yōu)點。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的一種基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) 由成像傳感器、波前校正器、波前校正器驅(qū)動電路、隨機(jī)并行梯度下降算法以 及計算機(jī)構(gòu)成，其中成像傳感器由成像透鏡和CCD組成；在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)工作時，首先由CCD采集一幀圖并傳給計算機(jī)，由計算機(jī)計算像斑或圖像評價函數(shù)， 然后由SPGD算法控制計算機(jī)輸出一個隨機(jī)擾動信號，擾動信號經(jīng)波前校正器驅(qū) 動電路放大后施加到波前校正器上，由于波前校正器的控制電壓改變，它的形 狀發(fā)生變化，導(dǎo)致入射光波通過成像透鏡后成在CCD上的像斑或圖像發(fā)生改變， 此時由CCD再采集一幀(數(shù)據(jù))圖像并傳給計算機(jī)，由計算機(jī)再次計算像斑或圖 像評價函數(shù)，SPGD算法根據(jù)計算機(jī)兩次計算的像斑或圖像評價函數(shù)的變化估計 優(yōu)化的梯度方向，并控制計算機(jī)以合適的增益沿估計的梯度方向輸出波前校正器的控制電壓，該電壓經(jīng)波前校正器驅(qū)動電路放大后施加到波前校正器上，完 成一次迭代；如此反復(fù)進(jìn)行直至波前畸變被完全校正，獲得理想的成像效果。所述的系統(tǒng)無需波前探測器，也不需要測量波前校正器的影響函數(shù)；既可 以工作于點目標(biāo)情況又可以工作于擴(kuò)展目標(biāo)情況。隨機(jī)并行梯度下降算法計算該像斑或圖像的評價函數(shù)J， 《/ = 2]/2， /是成像 傳感器每一個單元的光能量。7是波前校正器控制電壓"=[^...^,..,^]的函數(shù)。然后由隨機(jī)并行梯度下降算法對所有W個波前校正器控制電壓施加隨機(jī)擾 動^ =&&，其中&為擾動的幅值，；r"為擾動的方向，由此造成的像斑或圖像 評價函數(shù)的變化AJ可由下式計算根據(jù)Taylor公式<formula>formula see original document page 5</formula>( )當(dāng)擾動A 隨機(jī)并且相互獨立，上式中的第二項的數(shù)學(xué)期望為0。當(dāng)iV很大 時，g-Ay/A 是真正梯度的一個很好的近似。在SPGD算法中，由于擾動服從 貝努利分布^(W,0.5) (7V是波前校正器控制通道數(shù))，所以上述條件是滿足的。假設(shè)擾動的幅值為^，擾動的方向為;r， ；^)=±1并且服從貝努利分布 S(iV，0.5)。根據(jù)估計的梯度方向AJ/A"，則波前校正的電壓應(yīng)該為(3)若要搜索像斑或圖像評價函數(shù)的最大值，y應(yīng)小于零，反之y應(yīng)大于零?？?慮到擾動的幅值lA""l對于波前校正器的任一控制電壓都是相同的，所以式(3)可以簡化為<formula>formula see original document page 5</formula> (4)其中,=^/3。對于所有控制通道，寫成向量形式，則有<formula>formula see original document page 5</formula>(5)將些電壓加載到波前校正器，則可部分校正波畸變。如下反復(fù)進(jìn)行，直到波前 畸變被完全校正。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點在于(1) 本發(fā)明根據(jù)成像傳感器的測量結(jié)果就可以完成自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的閉環(huán) 校正，不需要獨立的波前傳感器，簡化了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小了自適 應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的體積和重量。同時避免了通常自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中波前傳感器和成 像系統(tǒng)相互獨立分光、浪費入射光能量的缺點，提高了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的光能 利用率。(2) 本發(fā)明的基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) 既可以工作于點目標(biāo)情況又可以工作于擴(kuò)展目標(biāo)情況，適用范圍廣，可廣泛應(yīng) 用于多種光學(xué)系統(tǒng)的波前校正。(3) 本發(fā)明根據(jù)測量圖像評價函數(shù)變化估計優(yōu)化梯度方向進(jìn)行工作，無需信 標(biāo)或參考圖像，無需測量波前校正器的影響函數(shù)，使用簡單。(4) 本發(fā)明根據(jù)測量像斑或圖像評價函數(shù)變化估計優(yōu)化梯度方向進(jìn)行工作，即得到對波前校正器的控制電壓擾動前后像斑或圖像評價函數(shù)的差。這種測量 方式可以同時校正光學(xué)系統(tǒng)自身的像差，而傳感器光學(xué)系統(tǒng)自身像差在實際應(yīng) 用場合下是不可避免的，所以本發(fā)明具有較高的實用性。(5) 本發(fā)明的隨機(jī)并行梯度下降算法計算過程為向量的相減和相乘，且算法 簡單，非常適合用DSP、 FPGA等技術(shù)快速實現(xiàn)。


圖1為傳統(tǒng)的空間目標(biāo)成像自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適應(yīng)光學(xué)系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適應(yīng)光學(xué)系 統(tǒng)的圖像評價和隨機(jī)并行梯度下降算法的工作原理示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明實施例如圖2所示， 一個基于隨機(jī)并行梯度下降算法的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)由成像傳 感器l、波前校正器2、波前校正器驅(qū)動電路3、隨機(jī)并行梯度下降算法4以及 計算機(jī)5構(gòu)成，其中成像傳感器1由成像透鏡6和CCD7組成，計算機(jī)5負(fù)責(zé)像 斑或圖像的采集和處理、SPGD算法的實現(xiàn)以及變形鏡控制信號的輸出。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)工作時，首先由CCD7采集一幀圖并傳給計算機(jī)5，由計算機(jī) 5計算像斑或圖像評價函數(shù)，然后由SPGD算法控制計算機(jī)5輸出一個隨機(jī)擾動 信號，擾動信號經(jīng)波前校正器驅(qū)動電路3放大后施加到波前校正器2上，由于 波前校正器2的控制電壓改變，它的形狀發(fā)生變化，導(dǎo)致入射光波通過成像透 鏡6后成在CCD7上的像斑或圖像發(fā)生改變，此時由CCD7再采集一幀(數(shù)據(jù))圖 像并傳給計算機(jī)5，由計算機(jī)5再次計算像斑或圖像評價函數(shù)，SPGD算法根據(jù) 計算機(jī)5兩次計算的像斑或圖像評價函數(shù)的變化估計優(yōu)化的梯度方向，并控制 計算機(jī)5以合適的增益沿估計的梯度方向輸出波前校正器2的控制電壓，該電 壓經(jīng)波前校正器驅(qū)動電路3放大后施加到波前校正器2上，完成一次迭代。如 此反復(fù)進(jìn)行直至波前畸變被完全校正。
權(quán)利要求
1. 一種基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由成像傳感器(1)、波前校正器(2)、波前校正器驅(qū)動電路(3)、隨機(jī)并行梯度下降算法(4)以及計算機(jī)(5)構(gòu)成，其中成像傳感器(1)由成像透鏡(6)和CCD(7)組成；在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)工作時，首先由CCD(7)采集一幀圖并傳給計算機(jī)(5)，由計算機(jī)(5)計算像斑或圖像評價函數(shù)，然后由SPGD算法控制計算機(jī)(5)輸出一個隨機(jī)擾動信號，擾動信號經(jīng)波前校正器驅(qū)動電路(3)放大后施加到波前校正器(2)上，由于波前校正器(2)的控制電壓改變，它的形狀發(fā)生變化，導(dǎo)致入射光波通過成像透鏡(6)后成在CCD(7)上的像斑或圖像發(fā)生改變，此時由CCD(7)再采集一幀(數(shù)據(jù))圖像并傳給計算機(jī)(5)，由計算機(jī)(5)再次計算像斑或圖像評價函數(shù)，SPGD算法根據(jù)計算機(jī)(5)兩次計算的像斑或圖像評價函數(shù)的變化估計優(yōu)化的梯度方向，并控制計算機(jī)(5)以合適的增益沿估計的梯度方向輸出波前校正器(2)的控制電壓，該電壓經(jīng)波前校正器驅(qū)動電路(3)放大后施加到波前校正器(2)上，完成一次迭代；如此反復(fù)進(jìn)行直至波前畸變被完全校正，獲得理想的成像效果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適 應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于這種系統(tǒng)無需波前探測器，也不需要測量波前校正 器的影響函數(shù)；既可以工作于點目標(biāo)情況又可以工作于擴(kuò)展目標(biāo)情況。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于隨機(jī)并行梯度下降算法的無波前探測器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，由成像傳感器、波前校正器及其驅(qū)動電路、隨機(jī)并行梯度下降算法等組成。系統(tǒng)工作時，由成像傳感器實時探測由畸變波前產(chǎn)生的模糊像斑或圖像，通過隨機(jī)并行梯度下降算法得到使像斑或圖像清晰的波前校正器對應(yīng)的控制電壓，并通過驅(qū)動電路施加到波前校正器上，使波前校正器產(chǎn)生去除波前畸變的補償量，如此反復(fù)工作，使波前誤差得到校正，獲得理想的成像效果。基于隨機(jī)并行梯度下降算法的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)無需波前探測器，也不需要測量波前校正器的影響函數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，光能利用率高等優(yōu)點。
文檔編號G02B26/06GK101266334SQ20081010592
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月7日
發(fā)明者信 俞, 劉家國, 張曉芳, 林 李, 胡新奇, 磊 趙 申請人:北京理工大學(xué)