基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适应光学系统的制作方法

专利名称：基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适应光学系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，涉及一种新型的无波前传感器的自适应光学系 统，尤其涉及一种基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适应光学系统。
背景技术：
自适应光学是国际上近20余年来发展起来的光学新技术。它利用电子技术 和光学技术的结合，通过实时测量-控制-校正，对动态光学波前误差进行实时 校正，使光学系统具有自动适应外界条件变化，保持最佳工作状态的能力。自 适应光学技术是改善成像系统的分辨能力和激光系统的光束质量的有力手段， 它解决了困扰光学界几百年之久的动态干扰问题，在高分辨力观测和高集中度 激光能量传输等方面有重要应用。如图1所示，自适应光学系统通常由波前探测器、波前控制器和波前校正 器等三个部分组成。受到大气湍流等动态干扰而形成的目标模糊图像，经自适 应光学系统校正后得到清晰的目标图像。波前校正器通常采用变形镜。变形镜 是一个背面有规律排布若干电动驱动器的薄镜面，从变形镜反射出的光束波前 相位由变形镜的面形决定，而变形镜的镜面面形由各个驱动器的控制电压决定。 因此通过控制变形镜各个驱动器的控制电压就可以控制入射光束的波前相位。 自适应光学系统闭环工作中的一个关键步骤是根据波前测量结果确定出变形镜 的驱动器电压值，从波前传感器测量结果得到变形镜驱动器控制电压的过程称 为波前复原。波前复原方法与波前传感器和变形镜的类型密切相关。波前传感器测量校正后的残余波前信号并根据一定的复原算法得到残余波 前对应的波前校正器驱动器控制电压，在控制计算机中进行控制运算得到控制 电压。控制电压信号经过驱动电路施加到波前校正器的各个驱动器上，使波前 校正器产生需要的校正面形，对入射畸变波前进行相位校正。如此周而复始地 进行闭环工作，使残余波前信号接近理想状态，在成像系统上得到清晰图像。满足实时探测和复原要求的波前探测器是自适应光学系统的重要组成部分 之一。国外早期研制的自适应光学系统采用动态剪切干涉(Shear Intefermeter)型波前传感技术，现代的自适应光学系统中以夏克-哈特曼(Shark-Hartmarm)波 前传感技术为主。在基于夏克-哈特曼波前传感器的现代自适应光学系统中，波 前复原运算由线性矩阵运算完成，可以用数字信号处理器(DSP)技术快速完成， 实时性高，技术比较成熟。但哈特曼传感器存在一个致命弱点，即子孔径分割 造成光能利用率较低。另外，在以成像为目的的自适应光学系统中波前传感器 和成像系统是两个相互独立的部分，系统结构复杂。这些因素将限制夏克-哈特 曼等子孔径分割型波前传感器在微弱信标条件下的自适应光学系统中应用。无波前传感器自适应光学系统不需要使用独立的波前探测器，因此具有结 构简单、体积小、重量轻、成本低、光能利用率高等优点。基于随机并行梯度下降算法的无波前传感器自适应光学系统直接根据成像 传感器获得的图像进行波前校正，无需参考图像，无需标定波前校正器的影响 函数，算法简单且计算量小，速度快。发明内容本发明的目的是提供一种基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适 应光学系统，这种系统既可以工作于点目标情况又可以工作于扩展目标情况， 无需波前探测器，也不需要测量波前校正器的影响函数，具有结构简单，体积 小，重量轻等优点。本发明的目的是由以下技术方案实现的本发明的一种基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适应光学系统 由成像传感器、波前校正器、波前校正器驱动电路、随机并行梯度下降算法以 及计算机构成，其中成像传感器由成像透镜和CCD组成；在自适应光学系统工作时，首先由CCD采集一帧图并传给计算机，由计算机计算像斑或图像评价函数， 然后由SPGD算法控制计算机输出一个随机扰动信号，扰动信号经波前校正器驱 动电路放大后施加到波前校正器上，由于波前校正器的控制电压改变，它的形 状发生变化，导致入射光波通过成像透镜后成在CCD上的像斑或图像发生改变， 此时由CCD再采集一帧(数据)图像并传给计算机，由计算机再次计算像斑或图 像评价函数，SPGD算法根据计算机两次计算的像斑或图像评价函数的变化估计 优化的梯度方向，并控制计算机以合适的增益沿估计的梯度方向输出波前校正器的控制电压，该电压经波前校正器驱动电路放大后施加到波前校正器上，完 成一次迭代；如此反复进行直至波前畸变被完全校正，获得理想的成像效果。所述的系统无需波前探测器，也不需要测量波前校正器的影响函数；既可 以工作于点目标情况又可以工作于扩展目标情况。随机并行梯度下降算法计算该像斑或图像的评价函数J， 《/ = 2]/2， /是成像 传感器每一个单元的光能量。7是波前校正器控制电压"=[^...^,..,^]的函数。然后由随机并行梯度下降算法对所有W个波前校正器控制电压施加随机扰 动^ =&&，其中&为扰动的幅值，；r"为扰动的方向，由此造成的像斑或图像 评价函数的变化AJ可由下式计算根据Taylor公式<formula>formula see original document page 5</formula>( )当扰动A 随机并且相互独立，上式中的第二项的数学期望为0。当iV很大 时，g-Ay/A 是真正梯度的一个很好的近似。在SPGD算法中，由于扰动服从 贝努利分布^(W,0.5) (7V是波前校正器控制通道数)，所以上述条件是满足的。假设扰动的幅值为^，扰动的方向为;r， ；^)=±1并且服从贝努利分布 S(iV，0.5)。根据估计的梯度方向AJ/A"，则波前校正的电压应该为(3)若要搜索像斑或图像评价函数的最大值，y应小于零，反之y应大于零。考 虑到扰动的幅值lA""l对于波前校正器的任一控制电压都是相同的，所以式(3)可以简化为<formula>formula see original document page 5</formula> (4)其中,=^/3。对于所有控制通道，写成向量形式，则有<formula>formula see original document page 5</formula>(5)将些电压加载到波前校正器，则可部分校正波畸变。如下反复进行，直到波前 畸变被完全校正。本发明与现有技术相比优点在于(1) 本发明根据成像传感器的测量结果就可以完成自适应光学系统的闭环 校正，不需要独立的波前传感器，简化了自适应光学系统的结构，减小了自适 应光学系统的体积和重量。同时避免了通常自适应光学系统中波前传感器和成 像系统相互独立分光、浪费入射光能量的缺点，提高了自适应光学系统的光能 利用率。(2) 本发明的基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适应光学系统 既可以工作于点目标情况又可以工作于扩展目标情况，适用范围广，可广泛应 用于多种光学系统的波前校正。(3) 本发明根据测量图像评价函数变化估计优化梯度方向进行工作，无需信 标或参考图像，无需测量波前校正器的影响函数，使用简单。(4) 本发明根据测量像斑或图像评价函数变化估计优化梯度方向进行工作，即得到对波前校正器的控制电压扰动前后像斑或图像评价函数的差。这种测量 方式可以同时校正光学系统自身的像差，而传感器光学系统自身像差在实际应 用场合下是不可避免的，所以本发明具有较高的实用性。(5) 本发明的随机并行梯度下降算法计算过程为向量的相减和相乘，且算法 简单，非常适合用DSP、 FPGA等技术快速实现。


图1为传统的空间目标成像自适应光学系统的基本结构示意图； 图2为本发明的基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适应光学系 统的结构示意图；图3为本发明的基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适应光学系 统的图像评价和随机并行梯度下降算法的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明实施例如图2所示， 一个基于随机并行梯度下降算法的自适应光学系统由成像传 感器l、波前校正器2、波前校正器驱动电路3、随机并行梯度下降算法4以及 计算机5构成，其中成像传感器1由成像透镜6和CCD7组成，计算机5负责像 斑或图像的采集和处理、SPGD算法的实现以及变形镜控制信号的输出。自适应光学系统工作时，首先由CCD7采集一帧图并传给计算机5，由计算机 5计算像斑或图像评价函数，然后由SPGD算法控制计算机5输出一个随机扰动 信号，扰动信号经波前校正器驱动电路3放大后施加到波前校正器2上，由于 波前校正器2的控制电压改变，它的形状发生变化，导致入射光波通过成像透 镜6后成在CCD7上的像斑或图像发生改变，此时由CCD7再采集一帧(数据)图 像并传给计算机5，由计算机5再次计算像斑或图像评价函数，SPGD算法根据 计算机5两次计算的像斑或图像评价函数的变化估计优化的梯度方向，并控制 计算机5以合适的增益沿估计的梯度方向输出波前校正器2的控制电压，该电 压经波前校正器驱动电路3放大后施加到波前校正器2上，完成一次迭代。如 此反复进行直至波前畸变被完全校正。
权利要求
1. 一种基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适应光学系统，其特征在于该系统由成像传感器(1)、波前校正器(2)、波前校正器驱动电路(3)、随机并行梯度下降算法(4)以及计算机(5)构成，其中成像传感器(1)由成像透镜(6)和CCD(7)组成；在自适应光学系统工作时，首先由CCD(7)采集一帧图并传给计算机(5)，由计算机(5)计算像斑或图像评价函数，然后由SPGD算法控制计算机(5)输出一个随机扰动信号，扰动信号经波前校正器驱动电路(3)放大后施加到波前校正器(2)上，由于波前校正器(2)的控制电压改变，它的形状发生变化，导致入射光波通过成像透镜(6)后成在CCD(7)上的像斑或图像发生改变，此时由CCD(7)再采集一帧(数据)图像并传给计算机(5)，由计算机(5)再次计算像斑或图像评价函数，SPGD算法根据计算机(5)两次计算的像斑或图像评价函数的变化估计优化的梯度方向，并控制计算机(5)以合适的增益沿估计的梯度方向输出波前校正器(2)的控制电压，该电压经波前校正器驱动电路(3)放大后施加到波前校正器(2)上，完成一次迭代；如此反复进行直至波前畸变被完全校正，获得理想的成像效果。
2、 根据权利要求1所述的基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适 应光学系统，其特征在于这种系统无需波前探测器，也不需要测量波前校正 器的影响函数；既可以工作于点目标情况又可以工作于扩展目标情况。
全文摘要
本发明涉及基于随机并行梯度下降算法的无波前探测器自适应光学系统，由成像传感器、波前校正器及其驱动电路、随机并行梯度下降算法等组成。系统工作时，由成像传感器实时探测由畸变波前产生的模糊像斑或图像，通过随机并行梯度下降算法得到使像斑或图像清晰的波前校正器对应的控制电压，并通过驱动电路施加到波前校正器上，使波前校正器产生去除波前畸变的补偿量，如此反复工作，使波前误差得到校正，获得理想的成像效果。基于随机并行梯度下降算法的自适应光学系统无需波前探测器，也不需要测量波前校正器的影响函数，具有结构简单，体积小，重量轻，光能利用率高等优点。
文档编号G02B26/06GK101266334SQ20081010592
公开日2008年9月17日 申请日期2008年5月7日 优先权日2008年5月7日
发明者信 俞, 刘家国, 张晓芳, 林 李, 胡新奇, 磊 赵 申请人:北京理工大学