自适应光学快速迭代控制算法研究与实现

摘要

自适应光学技术能够实时探测和校正光束动态波前像差，提高系统光学质量。但若想要提高系统的校正精度，则必须增大自适应光学系统的规模，对应波前探测器的子孔径数和变形镜的驱动器数也就越多。这将直接导致波前控制器的运算量增大，从而运算延时增大，使得控制带宽无法满足系统的实时性要求。因此通过减小波前控制的运算延时，提高控制带宽成为自适应光学系统的一个重要研究方向。 本文首先以大规模的自适应光学系统为研究对象，以减小波前控制的运算延时，提高控制带宽为目的，对波前控制算法进行了理论研究。充分利用斜率响应矩阵的稀疏性，采用迭代的方式获得控制电压。通过对多个迭代算法的运算量和收敛性分析，确定共轭梯度算法最适合自适应光学系统。并模拟仿真共轭梯度法计算控制电压。之后在从运算量、所需存储空间两个方面，对比分析直接斜率算法和共轭梯度算法的优劣。 其次，本文基于 37 单元的有波前自适应光学实验装置对控制算法进行验证。选取 FPGA 作为芯片架构，设计了波前控制器。便于系统维护和升级，波前控制器采用模块化设计。包括斜率运算模块、波前迭代控制运算模块和采样保持器设计。根据对运算量和实时性的分析，波前控制器采用双流水线与并行处理相结合的运算结构。设计过程中结合RTL设计图与时序仿真分析各个模块是否符合设计要求。 最后，通过实验验证了迭代控制算法的有效性。实验结果表明，针对37单元的自适应光学系统，达到了系统的要求指标，满足了系统的实时性要求。

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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 自适应光学研究背景与意义

1.2 自适应光学技术发展概况

1.3 论文研究内容及章节安排

第二章 自适应光学系统基本结构

2.1 波前探测器

2.2 波前控制器

2.3 波前校正器

2.3.1 高速倾斜反射镜

2.3.2 变形反射镜

2.4 论文评价指标体系

2.4.1 光束质量评价

2.4.2 技术指标要求

2.5 本章小结

第三章 自适应光学控制算法基本理论

3.1 常见自适应光学波前控制算法

3.2 系统延时对控制带宽的影响

3.3 迭代控制算法基本理论

3.3.1 迭代控制矩阵的稀疏性分析

3.3.2 迭代算法的定义

3.3.3 雅可比迭代法

3.3.4 逐次超松弛迭代算法

3.3.5 最速下降法

3.3.6 共轭梯度法

3.4 本章小结

第四章 迭代控制算法研究与仿真

4.1 迭代控制算法的收敛性验证

4.2 迭代控制算法的运算量对比

4.3 基于共轭梯度法的波前迭代控制仿真

4.4 迭代控制算法与直接斜率法对比研究

4.4.1 所需存储空间对比

4.4.2 运算量对比

4.5 本章小结

第五章 自适应光学系统波前控制器设计

5.1 波前控制器芯片架构选型

5.2 自适应光学系统总体方案设计

5.3 波前控制器的运算结构

5.4 双流水线机制

5.5 波前控制器设计

5.5.1 波前斜率运算

5.5.2 波前迭代控制运算

5.5.3 采样保持设计

5.6 本章小结

第六章 测试与验证

6.1 迭代控制模块数字电路资源消耗分析

6.2 系统实验方法与步骤

6.2.1 37单元自适应光学系统简介

6.2.2 实验方法与步骤

6.3 实验结果分析

6.3.1 电压最大误差

6.3.2 波前残差的均方根误差RMS

6.3.3 CCD光斑效果对比

6.3.4 系统信号处理延时

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要研究内容

7.2 本文的主要创新点

7.3 后续工作展望

致谢

参考文献