光束波前像差會(huì)使光波前發(fā)生畸變，降低成像的分辨率，因此很多時(shí)候我們只能“霧里看花”，夜空星星“眨眼睛”，就是成像光波前因湍流發(fā)生畸變，這個(gè)問題也一直困擾著光學(xué)領(lǐng)域的研究者。
自適應(yīng)光學(xué)是以校正波前畸變?yōu)槟康?，通過能動(dòng)變形鏡對(duì)入射波前進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，使成像系統(tǒng)獲得高分辨成像，激光器系統(tǒng)輸出高質(zhì)量光束。其中，無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)無需波前測量，結(jié)構(gòu)簡單、集成度高，在波前相位不連續(xù)及一些特殊應(yīng)用場合如激光核聚變裝置、共焦顯微鏡、光纖耦合、激光相控、光學(xué)追蹤、擴(kuò)展目標(biāo)成像、光學(xué)相干層析等獲得了廣泛應(yīng)用。
無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)能否取得良好的校正效果主要取決于系統(tǒng)控制算法。
無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)算法按優(yōu)化求解的過程可分為兩類：一類為盲優(yōu)化算法，其性能隨搜索空間的增大而迅速退化，且已經(jīng)得到應(yīng)用；另一類為基于模型的優(yōu)化算法，具有快速收斂特性，而對(duì)其應(yīng)用的有關(guān)問題尚未進(jìn)行深入研究，或處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。因而迫切需要對(duì)該算法實(shí)現(xiàn)面臨的技術(shù)問題和適用場景開展研究，如光電探測器的噪聲對(duì)算法性能的影響，遠(yuǎn)場區(qū)域提取的原則與方法等諸多實(shí)際因素。
因此，研究基于模型的無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)控制算法應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的諸多退化因素是算法應(yīng)用的關(guān)鍵。
為此，中國科學(xué)院自適應(yīng)光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊平研究員課題組提出了一種動(dòng)態(tài)區(qū)域算法，能有效減小光電探測器因采樣位寬限制導(dǎo)致的量化噪聲的影響，優(yōu)化了該類自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用的適應(yīng)性，改善了系統(tǒng)的收斂速度，提高了波前復(fù)原與校正的能力。具體研究成果發(fā)表在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》第 十 一期 。
基于動(dòng)態(tài)區(qū)域提取的模式復(fù)原方法的主要原理：根據(jù)斯特列爾比SR在迭代中的變化迭代情況，動(dòng)態(tài)改變區(qū)域提取半徑R和像素的權(quán)值W，減少邊緣區(qū)域小灰度像素?cái)?shù)目，等效增大光斑中心區(qū)域像素的權(quán)值，達(dá)到減小量化噪聲的影響。遠(yuǎn)場提取區(qū)域與相應(yīng)的像素權(quán)重分布，以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。
圖1 動(dòng)態(tài)區(qū)域提取自適應(yīng)光學(xué)校正原理
本研究采用100組由33階澤尼克多項(xiàng)式組成的隨機(jī)入射波前驗(yàn)證算法性能。入射波前系數(shù)符合komolgnov統(tǒng)計(jì)規(guī)律，動(dòng)態(tài)區(qū)域提取算法與已有算法校正結(jié)果如圖2所示。
圖2：算法迭代過程中的SR
采樣位數(shù)12位且在固定區(qū)域提取時(shí)，波前復(fù)原與校正經(jīng)多次迭代后不收斂，算法陷入局部優(yōu)化。同樣的采樣位數(shù)下，采用圖1所示的動(dòng)態(tài)區(qū)域提取半徑和W，經(jīng)29次迭代后接近無量化誤差的情形；算法經(jīng)31次迭代后收斂，波前復(fù)原殘差RMS為0.058λ，SR達(dá)0.9 以上。
研究人員表示后續(xù)將圍繞基于模型的無波前傳感自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)控制算法、物理實(shí)驗(yàn)、天基空間成像應(yīng)用等展開相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究，尤其對(duì)提出的動(dòng)態(tài)區(qū)域提取算法應(yīng)用于點(diǎn)目標(biāo)的衍射成像波前畸變校正開展深入的實(shí)驗(yàn)研究。
論文鏈接：
文良華 , 楊 平 , 王 帥 , 陳善球 , 劉文勁 , 許 冰 . 基于動(dòng)態(tài)區(qū)域提取的模式復(fù)原算法 [J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展 , 2017, 54(11): 110101
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