光束波前像差會使光波前發(fā)生畸變，降低成像的分辨率，因此很多時候我們只能“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，這個問題也一直困擾著光學領域的研究者。
自適應光學是以校正波前畸變?yōu)槟康?，通過能動變形鏡對入射波前進行實時校正，使成像系統(tǒng)獲得高分辨成像，激光器系統(tǒng)輸出高質量光束。其中，無波前傳感自適應光學系統(tǒng)無需波前測量，結構簡單、集成度高，在波前相位不連續(xù)及一些特殊應用場合如激光核聚變裝置、共焦顯微鏡、光纖耦合、激光相控、光學追蹤、擴展目標成像、光學相干層析等獲得了廣泛應用。
無波前傳感自適應光學系統(tǒng)能否取得良好的校正效果主要取決于系統(tǒng)控制算法。
無波前傳感自適應光學系統(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，且已經得到應用；另一類為基于模型的優(yōu)化算法，具有快速收斂特性，而對其應用的有關問題尚未進行深入研究，或處于實驗室研究階段。因而迫切需要對該算法實現面臨的技術問題和適用場景開展研究，如光電探測器的噪聲對算法性能的影響，遠場區(qū)域提取的原則與方法等諸多實際因素。
因此，研究基于模型的無波前傳感自適應光學控制算法應用于物理實驗的諸多退化因素是算法應用的關鍵。
為此，中國科學院自適應光學重點實驗室楊平研究員課題組提出了一種動態(tài)區(qū)域算法，能有效減小光電探測器因采樣位寬限制導致的量化噪聲的影響，優(yōu)化了該類自適應光學系統(tǒng)應用的適應性，改善了系統(tǒng)的收斂速度，提高了波前復原與校正的能力。具體研究成果發(fā)表在《激光與光電子學進展》第 十 一期 。
基于動態(tài)區(qū)域提取的模式復原方法的主要原理：根據斯特列爾比SR在迭代中的變化迭代情況，動態(tài)改變區(qū)域提取半徑R和像素的權值W，減少邊緣區(qū)域小灰度像素數目，等效增大光斑中心區(qū)域像素的權值，達到減小量化噪聲的影響。遠場提取區(qū)域與相應的像素權重分布，以及系統(tǒng)實現原理如圖1所示。
圖1 動態(tài)區(qū)域提取自適應光學校正原理
本研究采用100組由33階澤尼克多項式組成的隨機入射波前驗證算法性能。入射波前系數符合komolgnov統(tǒng)計規(guī)律，動態(tài)區(qū)域提取算法與已有算法校正結果如圖2所示。
圖2：算法迭代過程中的SR
采樣位數12位且在固定區(qū)域提取時，波前復原與校正經多次迭代后不收斂，算法陷入局部優(yōu)化。同樣的采樣位數下，采用圖1所示的動態(tài)區(qū)域提取半徑和W，經29次迭代后接近無量化誤差的情形；算法經31次迭代后收斂，波前復原殘差RMS為0.058λ，SR達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光學系統(tǒng)控制算法、物理實驗、天基空間成像應用等展開相關理論與實驗研究，尤其對提出的動態(tài)區(qū)域提取算法應用于點目標的衍射成像波前畸變校正開展深入的實驗研究。
論文鏈接：
文良華 , 楊 平 , 王 帥 , 陳善球 , 劉文勁 , 許 冰 . 基于動態(tài)區(qū)域提取的模式復原算法 [J]. 激光與光電子學進展 , 2017, 54(11): 110101
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