检索结果-内蒙古大学图书馆

红外与激光工程 2017年第2期46卷 1-6页

作者：高春清张世坤付时尧胡新奇北京理工大学光电学院北京100081

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束,其特点是其光强分布为环形,携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数,同时不同角量子数的光束之间相互正交,因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空... 详细信息

涡旋光束是一种具有螺旋波前的光束,其特点是其光强分布为环形,携带有与螺旋波前结构相关的轨道角动量。由于涡旋光束的角量子数可取任意整数,同时不同角量子数的光束之间相互正交,因此可提高光通信系统的信道容量。但涡旋光束在自由空间传输时会受到大气湍流的影响,进而产生波前畸变,因此需要采用自适应波前校正技术对畸变后的光束进行校正。文中对现有的涡旋光束波前校正技术进行了概述,重点介绍了笔者课题组提出的应用GS相位恢复算法和高斯光束探针相结合对涡旋光束波前畸变校正的技术及应用spgd算法和泽尼克多项式对涡旋光束波前畸变校正的研究工作。

关键词：自适应光学涡旋光束波前校正 GS算法 spgd算法

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分布式全息孔径成像技术研究

分布式全息孔径成像技术研究

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作者：杨峰中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：博士

分辨率是成像系统最重要指标之一,为提高分辨率,需要增大系统的孔径,相继发展出了整体式、拼接式大孔径和分布式多孔径成像等技术。其中,对于整体大孔径成像技术,大孔径主镜的光学加工、支撑、以及对主镜的运载能力等因素制约了这种技... 详细信息

分辨率是成像系统最重要指标之一,为提高分辨率,需要增大系统的孔径,相继发展出了整体式、拼接式大孔径和分布式多孔径成像等技术。其中,对于整体大孔径成像技术,大孔径主镜的光学加工、支撑、以及对主镜的运载能力等因素制约了这种技术的发展。分布式孔径成像技术通过阵列小孔径共相综合实现等效大孔径的成像分辨率。该技术在降低了工艺难度的同时也减轻了重量、体积,但这种系统需要大量的自适应光学波前探测、控制、校正系统以及大量的共相误差探测和校正系统等,这使整个系统结构非常复杂,限制了该技术的应用。随着电子信息技术的进步,数字化分布式孔径成像技术逐渐发展起来。该技术首先采用数字化方式获取各子孔径捕获的波面复振幅,然后通过计算成像的方式实现多孔径高分辨率综合成像。该技术进一步减小了系统的重量和体积,降低了系统的复杂度。但也带来了新的挑战,主要包括复振幅的准确记录,共相综合误差的实时探测和校正等。本文采用数字全息技术记录子孔径复振幅,设计了分布式全息孔径成像系统,并针对系统的等效分辨率、离轴数字全息的复振幅记录和提取条件、数字共相、散斑抑制等关键问题进行了分析和研究。针对等效分辨率问题,由于相干照明下的分布式孔径成像系统的CTF(相干传递函数)是不连续的,因此,通过CTF截止频率不能准确分析出系统的等效孔径。本论文提出了一种新的估计等效孔径的方法,通过扫描某像点及其邻近像点的距离和相对相位,计算各对应像点ASF(振幅扩散函数)的相干叠加曲线,用以判断该像点能否被分辨,并得到相应的分辨率和等效孔径。经仿真和实验验证,该方法能较准确的估计出系统分辨率。针对子孔径间数字共相问题,本论文设计了子孔径内像差校正、子孔径间复振幅形位误差校正、及子孔径间共相综合的算法流程。首先,分析了各子孔径波面间的形状和位置误差,及已有的以相似变换模型估计子孔径间波面形位误差的方法的局限性,证明了基于瞳面场拼接的综合共相方法的结果存在较大的误差。针对该问题,提出了一种新的像平面干涉数字共相算法,该算法以干涉成像原理为基础,先在像面校正各子孔径复振幅的形位误差,再结合优化算法校正各子孔径间的共相误差,逐步实现高分辨成像,避免了仅以相似变换模型根据像面变换关系求解瞳面场变换关系的不准确性,因而具有更优的综合效果和更广阔的应用范围。针对子孔径和综合后的重建像中散斑噪声的问题,分析了相干成像中的散斑模型、多帧平均抑制散斑的原理、以及散斑像的乘性噪声模型。在此基础上,针对实时性应用要求,对于单帧数字全息图或孔径综合后的高分辨像面场,提出了一种采用不同tip-tilt相位调制的抑制散斑噪声的平均方法。该方法能够在几乎不降低重建像分辨率的前提下实现散斑的抑制。此外,提出了将该方法作为BM3D(Block-Match and 3D filtering)去噪算法的预处理算法,在尽可能保留分辨率的前提下实现了较好的散斑噪声抑制。最后,研制了分布式全息孔径成像试验系统,通过移动全息孔径模拟2×2阵列的分布式孔径成像,实现了四孔径分布式全息孔径成像探测,采用上述算法和流程实现了四孔径综合高分辨成像。相比单一子孔径成像,分布式全息孔径成像系统的分辨率和信噪比都得到了极大的提升。理论和实验证明,分布式全息孔径成像能有效地提高系统的分辨率,是一种非常有潜力的成像技术。

关键词：分布式全息孔径成像数字全息 spgd算法数字共相散斑抑制

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基于图像处理的自动调焦技术研究

基于图像处理的自动调焦技术研究

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作者：王健中国科学院研究生院（光电技术研究所）

学位级别：博士

基于数字图像处理的自动调焦技术是根据目标物体成像清晰度进行调焦，是被动调焦技术。图像调焦不需要测距信息就可以完成闭环调焦控制，结构简单，并广泛应用于工业、医学、科学研究等领域。图像清晰度评价以及正焦位置搜索是图像调焦... 详细信息

基于数字图像处理的自动调焦技术是根据目标物体成像清晰度进行调焦，是被动调焦技术。图像调焦不需要测距信息就可以完成闭环调焦控制，结构简单，并广泛应用于工业、医学、科学研究等领域。图像清晰度评价以及正焦位置搜索是图像调焦技术中两类基本技术问题。基于上述两类基本问题，本文对图像调焦技术在卡塞格林式望远镜中的应用进行了研究，主要研究内容和结果有以下几个方面：本文对目前的图像清晰度评价算法进行了仿真与实验，并重点研究了空域评价算法，得到了目标对象的较优评价算法，即Brenner算法，但是Brenner算法对图像清晰度评价结果依赖阈值选取。针对上述问题，本文通过高通滤波器模板和带通滤波器模板对图像进行清晰度评价。与传统的Brenner算法相比，实验结果表明改进算法在满足评价算法单峰性和无偏性前提下，提高了灵敏度，降低了计算次数。在点目标成像的光学系统中，点目标在像平面上实际得到的是一个具有一定面积的圆形光斑，评价图像清晰度一般采用点目标像的能量分布算法。点目标像的能量分布评价算法具有计算量少，物理意义明确等特点，但是没有考虑到点目标成像形状。考虑点目标成像形状，本文基于圆形度提出了一种新的点目标评价算法。在三维图像调焦系统中，实验结果表明新算法比成像能量分布算法具有更好的收敛速度和收敛稳定性。在分析比较现有一维搜算算法的基础上选择爬山算法实现了一维调焦闭环控制。爬山法易陷入局部极值使搜索正焦位置失败，本文将仅与系统相关的各类系统信息引入到爬山算法中，改进算法在不改变原系统结构及增加额外传感器条件下能够实现快速、高精度正焦位置搜索。图像清晰度评价计算量大，因此清晰度评价算法复杂度和系统实时性的矛盾成为图像清晰度评价系统中较突出的问题。本文对目前图像处理平台进行了比较，选择FPGA平台满足图像评价系统的计算量和实时性要求，采用可视化编程技术在FPGA上实现图像清晰度评价算法。在卡塞格林式结构的望远镜中，主次镜光轴、焦点发生偏离时，系统成像质量降低，为了保证系统成像质量而调整主次镜实质是调整主次镜共轴以及焦点重合，这可以看作是广义意义上的调焦，需要采用多维调焦技术。图像调焦技术不需要专门设备，可以简化系统结构，并且评价结果直观。本文基于六自由（Six Degrees of Freedom，6-DOF）平台设计三维图像调焦系统，在分析比较多维搜索算法的基础上选择随机并行梯度下降（Stochastic ParallelGradient Descent, spgd）搜索算法实现了三维调焦闭环控制。针对X、Y、Z三轴耦合性关系，本文提出了一种改进的spgd控制策略，实验结果表明系统闭环调焦误差小于3%，满足三维调焦系统的精度要求。本文通过实验对算法的精度进行了分析。三维图像调焦实验为实际应用提供了解决方案，具有工程指导意义。

关键词：图像调焦 Brenner算法点目标算法爬山法 spgd算法三维调焦

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基于自适应光纤光源准直器的光纤激光相干合成研究

基于自适应光纤光源准直器的光纤激光相干合成研究

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作者：耿超中国科学院研究生院

学位级别：博士

基于主振荡功率放大器(MOPA)结构的光纤激光相干合成是同时获取高光功率和高光束质量的有效手段。目前，光纤激光相干合成的输出功率已突破千瓦量级。在众多方案中，基于随机并行梯度下降(spgd)算法的MOPA系统仅需要一个光电探测器，容... 详细信息

基于主振荡功率放大器(MOPA)结构的光纤激光相干合成是同时获取高光功率和高光束质量的有效手段。目前，光纤激光相干合成的输出功率已突破千瓦量级。在众多方案中，基于随机并行梯度下降(spgd)算法的MOPA系统仅需要一个光电探测器，容易实现且扩展性好，受到了越来越多的关注。\n 实现光纤激光相干合成的关键在于补偿光纤器件本身以及激光受大气湍流影响产生的相位扰动。在目前绝大多数的相干合成系统中，锁相控制是唯一的考虑因素。事实上，激光经大气传输会产生倾斜像差；在光纤激光阵列的调节过程中也存在着倾斜残差，从而影响了光束合成质量。相关研究表明，自适应光纤光源准直器(AFOC)是在光纤激光相干合成中校正倾斜像差的理想器件。因此，展开对AFOC及相应实验系统的研究很有意义。\n 目前，相干合成还停留在实验室阶段。相干组束的传输距离很短，且需要在远场放置光电探测器。要实现激光的长距离传输，必须摆脱远场探测器的限制。目标在回路(Target-in-the-loop，TIL)技术是一种有效的解决途径。将TIL技术应用于光纤激光相干合成的报道不多，有一些理论研究也是针对单孔径光束的传输问题。因此，目标在回路的相干合成值得深入研究。\n 本论文紧密围绕着“如何实现相干合成光束的长距离传输与控制”这条主线展开，从研制器件入手逐渐拓展到整个实验系统。\n 首先，采用解析法对AFOC进行结构分析，提出了优化方法，建立了AFOC的CAD模型并利用有限元法完成了模态仿真。通过与实测结果进行比较，证明所推导的理论模型是可信的。\n 然后，提出了一种基于总体性能指标和局部性能指标优化的光纤激光相干合成模型。仿真结果表明，需要合理选取spgd算法增益系数来提高算法的收敛速率与精度，而spgd算法同时优化总体和局部性能指标可以迅速改善系统性能。\n 其次，利用不同的合成光束模型，分析了倾斜像差对相干合成的重要影响，证明了相干合成中校正倾斜的必要性。动态模拟了MOPA结构光纤激光相干合成系统中时变倾斜像差的校正过程，分析了spgd算法控制效果与倾斜像差幅值和频率的关系。仿真实验表明，校正倾斜像差后的合成效果较未校正时都有改善，而spgd算法的校正能力随着倾斜像差幅值和频率的增加而降低。\n 再次，设计了一种可同时调整光程与光束倾斜的AFOC，并利用spgd算法，实现了基于该器件的三路光纤激光相干合成。实验表明，经校正光束间的平移和倾斜像差后，合成光斑的亮度和光束质量都有了极大的提升，实验同时也验证了倾斜校正的必要性。\n 最后，实验验证了一种利用目标回光在远场实现相干合成的技术--目标在回路技术。建立了目标在回路相干合成的物理模型，利用可同时调整光程和光束倾斜的AFOC，实现了基于目标在回路的三路光纤激光相干合成，获得了接近衍射极限的合成效果。并在此基础上实现了合成光束于目标上的定位、跟踪等动作，验证了AFOC在共形发射体系相控阵系统中的应用潜力。\n 全文为在实际大气环境中实现相干合成光束的长距离传输打下了基础。

关键词：光纤激光自适应光纤光源准直器目标在回路技术 spgd算法光束倾斜媒体

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阵列光束在湍流中的传输及合成光束自适应优化整形

阵列光束在湍流中的传输及合成光束自适应优化整形

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作者：牛超君西安电子科技大学

学位级别：博士

激光在大气/海洋中传输时会受到湍流的影响,产生展宽、漂移、闪烁等一系列的湍流效应,限制了激光在自由空间光通信、激光雷达等方面的应用。阵列光束可以有效提高激光的输出功率,不同的合成方式(相干/非相干)在湍流介质中具有不同的传... 详细信息

激光在大气/海洋中传输时会受到湍流的影响,产生展宽、漂移、闪烁等一系列的湍流效应,限制了激光在自由空间光通信、激光雷达等方面的应用。阵列光束可以有效提高激光的输出功率,不同的合成方式(相干/非相干)在湍流介质中具有不同的传输特性,各自适用于不同的应用场景。本文采用理论推导、数值仿真的方法,详细研究了相干/非相干合成高斯阵列光束在海洋湍流中的光束扩展、光束漂移和光强闪烁特性。基于已有的光纤阵列相干合成系统,提出了基于随机并行梯度下降算法(spgd算法)控制合成光束优化整形的方法,通过数值仿真分析验证了其有效性,该方法为无人机无线远程充电技术提供了理论支持。本文具体研究内容包括:1.基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov方法,推导了径向分布相干/非相干合成高斯阵列光束在海洋湍流中传输时的长曝光光斑半径、质心漂移标准差及弱起伏条件下的轴上光强闪烁系数理论表达式。针对激光束海洋湍流传输的质心漂移标准差理论表达式给出了普适的近似表达式,极大简化了工程应用中对于漂移特性的估算。在此基础上,通过数值计算对比分析了不同光源参数(径向半径,子光束束宽)、不同海洋湍流强度参数(动能耗散率、温度方差耗散率、温度梯度与盐度梯度比值)及不同传输距离对传输特性的影响。结果表明非相干合成相比相干合成在同样的湍流条件下更易发生光束扩展的现象,但受到湍流的光束漂移和光强闪烁效应影响较弱。随着传输距离的增加,海洋湍流的增强(温度耗散率较大、动能耗散率较小、湍流趋于盐度主导),相干/非相干合成的光束扩展、光束漂移和光强闪烁现象均会加重。2.引入时域特性相位屏的生成方法,包括基于相位相关性插值的无限长相位屏法和引入频率时间分量的自回归法,分别应用于运动目标的相对运动模拟和湍流中的长曝光图像获取。结合相位屏法在大气湍流数值仿真计算中的应用,给出了简单有效的海洋湍流相位屏仿真参数选取依据,整理推导了高斯光束在弱起伏到强起伏海洋湍流中的光强一阶及二阶矩传输特性的理论表达式,最后进行了不同湍流条件下传输统计特性(平均半径、光束漂移、光强闪烁)的数值仿真与理论计算对比,验证了多相位屏法模拟海洋湍流的正确性和适用范围,结果表明基于相位屏法的仿真结果统计平均可以有效描述激光海洋湍流传输特性。基于光强一阶矩得到的传输特性参量(平均半径、光束漂移)数值仿真统计结果与理论结果偏差较小,而强起伏条件下,光强闪烁特性的仿真与理论偏差较大。最后,基于相位屏法数值仿真对比了不同分布的高斯阵列光束(单光束、矩形阵列、径向阵列)在海洋湍流中的传输特性。3.基于光纤阵列相干合成技术,提出了基于spgd算法控制光纤阵列光束远场合成光斑整形优化方法。采用spgd算法控制光束的整体相位(piston相位)及/或倾斜相位(tip/tilt相位),同时实现光束净化、湍流补偿及远场光斑整形功能。针对完全合作目标,即可主动配合返回性能评价函数的目标,通过射频信号反馈形成闭环,引入自适应整形优化函数作为性能评价函数实现合成光束优化整形,通过数值仿真的方法对比分析了该方案下相干合成与非相干合成光纤阵列在同步/异步控制、运动/静止目标、不同目标形状、不同大气湍流强度下的光束优化整形效果。结果表明,基于spgd算法控制相干合成光纤阵列可有效实现不同大气湍流强度、不同目标形状的光束整形优化,且在不同速度运动目标下均可保持稳定的优化效果,而基于spgd算法控制非相干合成光纤阵列不具有远场光斑整形能力,但可以提高目标有效范围内的总功率,且易受到目标运动的影响。针对部分合作目标,即仅能被动返回性能评价函数的目标,采用目标上分布的反射器获得反射光,以反射光总功率作为性能评价函数实现远场合成光束整形,数值仿真初步验证了该方案中反射器对于光强分布的引导能力和系统的光斑整形能力。

关键词：阵列光束海洋湍流大气湍流 spgd算法光纤阵列

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大口径望远镜动态结构误差在线校正技术研究

大口径望远镜动态结构误差在线校正技术研究

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作者：李敏中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：博士

望远镜在工作过程中,受到重力、风载、振动、温度变化等因素的影响,其各个光学镜面的相对位置会发生变化,导致光学系统成像质量降低,无法满足使用需求。目前,大口径望远镜失调误差的在线校正技术成为国内外学者研究的重要课题之一。本... 详细信息

望远镜在工作过程中,受到重力、风载、振动、温度变化等因素的影响,其各个光学镜面的相对位置会发生变化,导致光学系统成像质量降低,无法满足使用需求。目前,大口径望远镜失调误差的在线校正技术成为国内外学者研究的重要课题之一。本文为降低失调误差校正系统的复杂性,简化计算过程,以像清晰度函数作为评价指标,利用随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,spgd)算法对两镜共轴望远镜的失调误差进行校正。但对于大口径大视场望远镜,由于探测器像元尺寸有限及应用场合的限制等因素,导致成像光斑为欠采样,使得频谱混叠,部分图像信息丢失,成像光斑无法准确地反映系统的像差特性,从而降低失调误差的校正精度。因此,本论文研究了基于不同采样倍率下远场成像光斑像清晰度函数的失调误差校正技术。论文的主要研究内容包括以下几个方面:首先,利用矢量波像差理论,研究了共轴两反望远镜设计成像状态下和主次镜存在相对位置失调误差时的像差分布特性,分析了各维度失调误差与像差的对应关系。然后,介绍了像清晰度函数与spgd算法的失调误差校正流程,并对影响算法收敛性和收敛速度的因素进行分析。结果表明,为保证程序快速稳定地收敛,必须合理地设置参数值,并给出了仿真光学系统校正程序的合理参数范围。最后,分别以欠采样成像和正常采样成像的像清晰度函数作为评价指标,利用spgd算法对失调误差的校正进行了仿真和实验研究。在校正过程中,采用了三种像质评价函数,分别为光斑的均方根半径(RMS)、光斑均方根半径绝对误差(RMS error)和光斑均方根半径相对误差(relative RMS error)。结果表明,相比于其他两种像质评价函数,光斑均方根半径相对误差(relative RMS error)作为评价函数可以有效地提高失调误差的校正精度。在仿真中,为保证大口径大视场望远镜全视场范围内的成像质量,采用了轴上视场校正和多视场校正的两步校正方法。对于多视场校正过程,需要将轴上和多个轴外视场光斑成像至同一探测器靶面,为研究各个视场成像光斑的像差特性,必须进行目标提取与视场匹配。本文提出了一种两步图像分割方法用于避免算法陷入局部极值。结果表明,该算法可以快速地完成图像分割,经分割后,图像的区域间对比度(Gray-level Contrast,GC)和区域内一致性(Uniformity Measure,UM)均优于0.9,分割后的成像光斑较为完整地保留了图像的强度分布及形态信息。在图像分割的基础上,以各图像子块的峰值光强为中心对连通区域进行聚类,实现各视场成像光斑的目标提取,根据提取目标的质心位置完成视场匹配,利用无噪声图像和噪声图像验证了算法的有效性和抗噪性。结果表明,无论是无噪声图像还是噪声图像,其提取目标与理论目标的归一化互相关系数(Normalized Cross Correlation,NCC)优于0.9,说明各视场成像光斑可以较为完整地提取,且准确地完成视场匹配。根据仿真分析搭建实验系统,对基于不同采样倍率下光斑像清晰度函数的望远镜失调误差校正方法进行实验验证。实验结果表明,对于满足Nyquist采样定理的成像,即光斑的半高全宽为2pixels时,校正后各视场的平均波前误差为0.0548λ,对于严重欠采样成像,即光斑的半高全宽为0.25pixels时,校正后各视场的平均波前误差为0.0726A。虽然对于严重欠采样成像,校正精度略有下降,但依然满足校正后波前误差小于λ/10的像质要求。

关键词：大口径望远镜失调误差欠采样成像 spgd算法像清晰度函数

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自适应光学荧光闭环技术在共聚焦成像中的应用

自适应光学荧光闭环技术在共聚焦成像中的应用

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作者：王志斌中国科学院研究生院（光电技术研究所）

学位级别：博士

共焦荧光显微镜具有高分辨率,三维成像等优点。但受到像差的影响,随着成像深度的增加,显微镜三维分辨率下降,荧光激发效率降低,荧光图像信噪比也随之降低,因此大大限制了共焦荧光显微镜在厚组织样本及活体成像中的应用。本论文主要针对... 详细信息

共焦荧光显微镜具有高分辨率,三维成像等优点。但受到像差的影响,随着成像深度的增加,显微镜三维分辨率下降,荧光激发效率降低,荧光图像信噪比也随之降低,因此大大限制了共焦荧光显微镜在厚组织样本及活体成像中的应用。本论文主要针对活体成像的复杂特性,采用了基于无波前探测的自适应光学技术对像差进行校正,分别从共焦荧光显微镜成像理论、无波前优化算法和共焦荧光显微镜实验系统研制等多个方面开展工作,并最终实现其在小鼠血管活体成像中的应用。首先对共焦荧光显微镜成像理论进行了研究,推导出共焦显微镜非相干三维强度点扩散函数和光学传递函数,作为后续像差校正分析的理论基础。利用数值仿真,研究了针孔孔径大小和显微镜中两类像差对系统三维分辨率的影响。针对显微镜中的两类像差,以数值仿真为手段,分析了随机并行梯度下降(spgd)算法和模态法这两种无波前优化算法在共焦显微镜中的校正效果。并对比了两种算法在校正精度和校正速度两方面的差异,仿真结果表明,spgd算法在共焦显微镜中综合校正效果更好。同时对图像噪声对spgd算法收敛速度的影响进行了数值仿真研究。然后,以前述理论分析为基础,确定了系统的主要性能参数,搭建了一套自适应光学共焦荧光显微镜实验系统,并设计完成系统的时序控制和系统软件。利用模拟荧光靶标作为成像对象,完成了spgd算法像差校正实验,验证了spgd算法进行荧光图像闭环校正的有效性。然后通过实验对比spgd算法与直接斜率法的像差校正精度,结果显示,spgd闭环校正和直接斜率法校正后的图像质量基本一致。针对图像噪声的影响,通过实验分析了图像去噪对spgd算法收敛速度的影响。此外,利用荧光微珠标定了像差校正前后实验系统的三维分辨率。最后将自适应光学共焦荧光显微镜成功地应用在小鼠血管活体成像中。活体成像时由于动物呼吸的影响,图像存在幅度较大的低频抖动,造成spgd算法迭代过程难以收敛。本文采用基于图像金字塔的KLT算法在spgd校正过程中进行图像跟踪,有效克服了抖动的影响。最终完成了小鼠耳廓血管和头盖骨骨髓血管的活体成像及像差校正实验。校正后的血管三维形态图及荧光图像都表明,基于spgd算法的自适应光学应用于活体成像时,能够有效克服像差的影响,提高系统分辨率和荧光强度,改善图像质量,进而延伸显微镜有效成像深度。

关键词：共焦荧光显微镜自适应光学活体成像 spgd算法

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远距离数字离轴全息中基于图像指标优化的相位误差校正方法

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激光杂志 2017年第4期38卷 96-100页

作者：杨旭陈波李小阳孙天齐华北理工大学电气工程学院河北唐山063009

针对远距离数字离轴全息中的相位误差,实验研究了基于spgd算法的多帧平均校正方法。建立了数字离轴全息实验装置,首先采用扫描法校正离焦相位误差,然后采用spgd算法校正每帧的高阶相位误差;在此基础上,先采用目标图像相关法确定并粗校... 详细信息

针对远距离数字离轴全息中的相位误差,实验研究了基于spgd算法的多帧平均校正方法。建立了数字离轴全息实验装置,首先采用扫描法校正离焦相位误差,然后采用spgd算法校正每帧的高阶相位误差;在此基础上,先采用目标图像相关法确定并粗校正帧与帧之间的倾斜相位误差,然后采用spgd算法进一步校正帧间的倾斜和高阶相位误差。实验结果表明,本文提出的方法能够有效校正远距离数字离轴全息相位误差;与目前的校正方法相比,该方法校正速度更快、精度更高,更适合于对运动目标成像。

关键词：全息相位校正 spgd算法多帧平均

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基于能量反馈的单模光纤耦合算法研究

基于能量反馈的单模光纤耦合算法研究

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作者：朱世伟中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

近些年来,随着移动互联网、物联网等应用的发展与普及,人们对于通信容量的需求越来越高,同时珍贵的电磁频谱也越发拥挤,这使得人们开始寻求新的技术以拓展现有的射频技术。而自由空间光通信也称激光通信,由于其兼具无线通信和光纤通信... 详细信息

近些年来,随着移动互联网、物联网等应用的发展与普及,人们对于通信容量的需求越来越高,同时珍贵的电磁频谱也越发拥挤,这使得人们开始寻求新的技术以拓展现有的射频技术。而自由空间光通信也称激光通信,由于其兼具无线通信和光纤通信的优点,受到世界各国研究机构和学者的广泛关注。激光通信具有高带宽,终端质量体积小,不需频谱许可,安全保密性好等优势,但同样面临着很多技术上的难点。在激光通信过程中,接收端需要将空间光耦合入单模光纤中,由于单模光纤纤芯直径仅为微米量级,外部扰动(如大气湍流和平台抖动)容易使接收端聚焦的光斑与光纤端面发生偏移,使得耦合入单模光纤的能量大大降低,严重影响通信质量,所以保证光纤耦合效率是建立激光通信链路的基础,而光纤耦合算法则是耦合系统的核心。本文针对激光通信中的光纤耦合算法问题,搭建了基于快速反射镜的单模光纤耦合系统,采用耦合入光纤的光功率作为反馈,研究了激光章动和随机并行梯度下降(spgd)两种光纤耦合算法,通过理论分析、仿真研究和实验验证,归纳了两种算法特性和参数变化的关系,对比了两者的性能,为光纤耦合算法的工程应用提供依据。分析了理想状态下耦合效率的最大值,得出在耦合系数β取1.12时,最大耦合效率为81.45%。研究了横向偏移、轴向偏移、角度偏移三种光纤对准误差对耦合效率的影响,得出横向偏差对耦合效率影响极大,是耦合系统主要需要校正的偏差。证明了入射角的偏移可以等效为焦平面的横向偏移,为基于快速反射镜的单模光纤耦合系统设计及算法实验研究提供了理论依据。分别阐述了激光章动和spgd算法的流程,并证明了spgd算法的原理和相对于其他梯度下降法的优势。基于Zernike多项式构建模拟波前,并对两种算法展开了静态误差校正仿真研究,证明了两种算法的有效性,并基于不同参数组合进行了仿真,初步得出了参数取值与算法性能的关系。基于单模光纤耦合实验系统,对两种算法分别进行了静态偏差和动态扰动校正实验,经过大量实验研究得出了章动半径、采样次数取值对章动算法性能的变化规律,随机扰动步长、增益取值对spgd算法性能的影响,在动态校正中,对于300μrad的正弦扰动,在-10dB的抑制比标准下,章动算法达到的抑制带宽为spgd算法的抑制带宽的2.5倍。

关键词：光纤耦合快反镜激光章动 spgd算法

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基于模式法的非波前自适应光学技术研究

基于模式法的非波前自适应光学技术研究

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作者：赵赟电子科技大学

学位级别：硕士

在无线激光通信领域中,自适应光学系统能够校正大气湍流引起的传输激光波前相位畸变,优化传输激光的指标函数,从而抑制大气湍流对传输激光造成的随机变化。根据校正方式的不同,自适应光学被分为波前自适应光学和非波前自适应光学,本文... 详细信息

在无线激光通信领域中,自适应光学系统能够校正大气湍流引起的传输激光波前相位畸变,优化传输激光的指标函数,从而抑制大气湍流对传输激光造成的随机变化。根据校正方式的不同,自适应光学被分为波前自适应光学和非波前自适应光学,本文主要对非波前自适应光学展开研究。非波前自适应光学技术通过算法对激光功率等指标函数进行优化,从而提升激光在大气通信中传输质量。从现有文献上来看,非波前自适应光学的算法主要有两类:一类是无模式的算法,包括遗传法,模拟退火法,spgd算法等,这类算法通过多次迭代对指标函数进行优化达到校正效果,但在系统变形镜通道较多的情况下校正速度较慢。另一类算法即本文研究的模式法,和无模式算法相比,模式法迭代次数少,收敛速度快,具有更好的实时性。本文所做工作如下。首先,介绍了自适应光学的发展史以及国内外动态,并完成了一些传统的非波前自适应光学技术介绍及本文所采用的Lukosz模式法的理论分析。其次,设计研发了以FPGA芯片为核心处理器的整套硬件模块,该硬件模块能够完成大气信道中的传输激光捕获,光斑灰度值采样,系统指标函数计算和Lukosz模式法实现等功能。最后,完成了 Lukosz模式法的软件流程设计,框架搭建,代码撰写、仿真和硬件模块整体调试,搭建了基于Lukosz模式法的非波前自适应光学系统实验平台,并通过实验平台验证了理论分析所得到的结论。实验结果表明,该系统能够实现畸变相位校正功能,满足设计要求得各项指标。

关键词：自适应光学 spgd算法畸变相位校正 Lukosz模式大气湍流

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