冻结大气湍流下自适应光学系统的预测校正性能

针对自适应光学系统的校正滞后问题,提出预测校正方法,并对预测校正的鲁棒性进行了分析。冻结湍流假设下,Shack-Hartmann波前传感器的探测斜率一定程度保留了湍流的时域演变模式。利用横向风信息对斜率进行傅里叶平移,能实现斜率的预测。采用直接斜率法计算变形镜面形,能实现预测校正。仿真结果表明,提出的波前预测方法在横向风已知时,几乎能完全克服延迟导致的性能损失;当横向风需要估计时,该方法在风向估计准确的条件下能容忍1倍于自身的风速估计误差,或者在风速估计准确的条件下60°的风向估计误差,均能实现校正性能的提升;在风速和风向误差同时存在时,在较大的误差范围内依然能够提升系统的校正能力。     

自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正

针对大气湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量的影响,开展了用自适应光学(AO)技术校正大气湍流影响的研究。定量分析了自适应光学技术在通信波段校正大气湍流的效果。利用中国科学院光电技术研究所研制的安装在云南丽江高美谷观测站的1.8m望远镜和127单元AO系统,在1 550nm通信波段对不同高度角的恒星进行了大气湍流校正实验。通过采集校正后的恒星图像,分析了校正后的斯特勒尔比,同时记录下当时的大气相干长度,由此得到了在不同大气湍流条件下的校正效果。实验表明,当大气湍流强度D/r0(1 550nm)小于6.5时,校正后的波面RMS值可以小于1rad,即在中弱大气湍流条件下,该AO系统可以有效地对大气湍流进行校正。     

自适应光学系统波前处理技术

自适应光学是基于随机扰动理论、光波前重构理论的一个新兴光学分支,是光学、机械、微电子技术相互渗透、交叉的前沿学科。自适应光学系统核心器件之一的波前处理器研究,受到广泛重视。文章分析了自适应光学系统及波前传感技术．并对影响波前处理器性能的主要因素进行了研究。     

961单元自适应光学系统波前处理器

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理器在输出规模、处理速度和控制带宽方面的要求,研制了千单元级自适应光学系统.设计了一种由主控计算机、波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合,输出规模最大可达1200单元的自适应光学系统波前处理器.采用大规模逻辑器件作核心处理芯片,用多线并行流水算法缩短波前处理延时,提高系统控制带宽.对设计完成的波前处理器进行了基于961单元变形镜的开环展平实验以及基于137单元变形镜的闭环校正实验.实验结果显示:系统最高采样帧频为2000 frame/s时,波前运算延时为20.96μs,表明文中提出的硬件扩展和多路并行流水算法对于大规模自适应光学系统波前处理可行且有效.     

自适应光学系统波前处理算法的优化

考虑自适应光学系统对波前处理计算量和实时性的要求,对原有基于块运算的波前处理算法进行了改进和优化,提出了一种自适应光学系统波前处理算法.该算法基于重复利用核心模块的方式完成波前斜率计算,利用矩阵与向量相乘的可分解性完成波前复原计算.在像素时钟的同步下,完成整个波前处理运算,给出促动器所需的促动量.采用一片Virtex-4 LX80现场可编程门阵列(FPGA)作为核心处理芯片进行了实验,结果表明该算法对于同样规模的自适应光学系统可降低约为50％的硬件资源,提高了系统的波前处理规模;与原算法帧同步结束后有338 μs的计算延时相比,本文提出的算法可在帧同步结束前完成整个波前处理的运算,提高了自适应光学系统的控制带宽.利用改进后的算法在原系统上进行了室内的光源校正实验,取得了很好的效果.     

自适应光学系统中非共轭问题对波前校正的影响

在常规的自适应光学系统中,变形镜与波前传感器满足共轭位置关系以保证最好的校正效果。现基于角谱理论,通过对光场线性传输过程的仿真,分析了波前传感器偏离与变形镜共轭的位置的情况下波前校正效果所受到的影响。结果表明,波前传感器偏离共轭位置的距离增大和共轭位置波前的增大,均会导致校正效果变差。     

蒸汽发生器传热管湍流激励功率谱密度计算

湍流激励是核蒸汽发生器换热管发生流致振动的重要机理之一,也是微振磨损的重要诱因。为计算换热管的微振磨损速率,需要首先获得湍流激励功率谱密度（PSD）,其此前只能通过试验的方法获取。为利用CFD方法获得换热管上的湍流激励功率谱密度,建立了蒸汽发生器换热管束流场的数值模型,基于LES方法计算得到了管束内部的流场分布,提取了传热管上所受流体力并计算得到了其功率谱密度,计算结果与试验结果吻合良好。结果显示,管束内部传热管所受流体力为具有尖峰特征的宽频信号,其能量集中在一定带宽内。其结果为利用CFD方法计算传热管微振磨损建立了基础。     

一种频谱仪自适应调整扫描带宽的数字信号提取方法

介绍了混合模拟信号和噪声的情况下提取通信卫星数字信号的方法。由于信号频率、3d B带宽、信噪比和信号电平属于待测参数 ,因此需要程控频谱仪自适应地调整扫描带宽 ,以正确测量出数字信号的频率、3d B带宽和信噪比等特征。实践证明 ,该方法相对于人工读取频谱仪方法具有效率高、准确率高和实时性等优点。     

基于FPGA的自适应光学系统波前处理机

针对大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统波前处理规模的需求,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速大单元自适应波前处理系统,给出了设计方案,实施过程和测试结果.提出的基于FPGA的自适应光学系统波前处理机,在软件上采用FPGA对整个系统进行数据配置和调控,实现多路D/A数据同时传输和转换.同时,采用FPGA...     

液晶自适应光学系统中倾斜镜的建模与控制

为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度,研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性,利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构;采用子空间辨识方法确定了模型参数,同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5dB,相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题;利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证,得到的结果与仿真计算相吻合,即在相同稳定裕度的情况下,采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后,用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示:采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%,证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度,保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。     

超窄带调制技术PSD和频带利用率性能仿真分析

针对频率资源有限,通信数据业务所需带宽不断增大造成的频率资源短缺现象.本文以超窄带调制技术EBPSK为研究对象,建立了EBPSK功率谱密度的数学模型.对EBPSK已调信号的PSD曲线进行仿真,分析了调制角度和跳变持续时间等调制参数对已调信号PSD性能的影响,以及在特定带宽下EBPSK的能量百分比.同时,研究EBPSK信号频谱利用率与信号相关性、衰减频带和误码率的关系,以正确选择EBPSK信号带宽,使系统性能最优.研究结果表明:EBPSK信号能量高度集中在中心频率周围,理论上可以实现超窄带通信,频谱利用率较高.     

桌面97单元自适应光学系统性能测试

构建了一套桌面自适应光学系统性能测试系统,用以验证97单元自适应光学系统的校正能力。该测试系统主要由光源、快速控制反射镜、变形镜、Shack-Hartmann波前传感器、高速波前处理器、扰动相位屏等部件组成,分别利用干涉仪和Shack-Hartmann波前传感器的数据控制变形镜进行光路的展平校正,得到了系统的静态校正精度。然后,测试了精密跟踪系统的校正能力。最后,利用扰动相位屏模拟不同的大气扰动条件,以成像相机图像的斯特列尔比(SR)为指标,在不同目标亮度下测试了自适应光学系统的动态校正能力。测试结果显示:该97单元自适应光学系统的静态波像差校正精度的RMS接近λ/20;两种控制模式下精密跟踪系统的误差抑制带宽分别达到了15 Hz和39 Hz;系统在强湍流情况下,动态校正后的成像分辨率基本优于3倍衍射极限。由此表明,97单元自适应光学系统能够有效地校正像差,提高成像分辨率。     

液晶-变形镜自适应光学系统的数据采集与处理软件设计

为了提高自适应光学系统科研人员的工作效率,满足自适应光学系统向高低阶多波前校正器的发展需求,本文研究了一套自适应光学系统控制软件设计方法,以适应实验设备的不断更新换代,避免实验过程中软件不断更新修改所带来的问题。本文首先从功能和性能两方面分析了实验对软件系统的需求,提出基础层、功能层及表示层3层的软件架构体系,采用共享内存和临界区对象相结合的软件开发方法,确保自适应光学系统的实时性与准确性,避免资源冲突和浪费;采用Windows API事件实现多线程之间同步协调控制。基于上述思想开发了液晶-变形镜混合的高低阶自适应光学系统控制软件,可在0.6ms内完成波前采集、波前计算、控制信号计算和各设备间的同步协调控制。最后,使用该软件进行自适应光学校正:仅变形镜和倾斜镜校正后峰峰值由3.38μm降为0.95μm,均方根误差由0.66μm降为0.12μm;液晶校正器、变形镜和倾斜镜同时校正后峰峰值为0.44μm,均方根误差为0.02μm,计算总延迟为0.378ms。由实验结果可知,本文设计的软件可以实现自适应光学系统的实时校正,在保证校正精度的同时具有方便修改、功能齐全及模块化的优势,为后续自适应光学实验提供保障。     

高精度测速雷达伺服带宽自适应设计与实现

针对某型高精度测速雷达虽然设计了带宽可变的伺服控制系统,但没有实现自动变带宽的问题,文中提出了一种基于分段PID控制的伺服带宽自适应方法。文中主要研究了带宽的计算方法和某型高精度测速雷达带宽设置及存在的缺陷。根据跟踪雷达带宽范围窄的特点,设计了带宽自适应方法,即预设3组PID参数对应不同的伺服带宽,根据跟踪角速度大小切换相应带宽。仿真验证表明,该方法带宽切换平稳,速度变化平滑,在高速、低速下均能获得良好的动态响应,相比固定带宽具有更好的适应性和控制效果。     

机动式车载自适应光学波前处理器的设计

为满足机动式车载自适应光学系统的需求,设计了专用的波前处理器。该波前处理器采用波前处理主板、波前处理子板和DA转化板相结合的硬件架构,由光纤作为通信载体。在满足功能需求的同时提高了系统的可靠性;波前处理器是自适应光学系统闭环控制的运算中心,其运算延时直接影响系统的控制带宽。本文提出一种基于FPGA的多线流水自适应光学实时波前处理方法,实现了波前斜率计算、复原运算和控制运算。结果表明:对于两级精密跟踪,97个子孔径以及97单元变形镜的自适应光学系统,系统处理延时为506.25μs,满足系统1 500Hz的实时波前处理需求。     

星地相干激光通信中的自适应光学系统边界参数设计

分析了星地相干激光二进制相移键控(BPSK)通信系统中自适应校正波前残差与相干效率的关系;讨论了自适应校正下相干效率和误码概率的动态特征;然后,研究了大气闪烁对相干效率和通信误码率的影响。在假设接收强度均匀分布的前提下建立了波前残差均方根值与相干效率的理论关系,采用频率直方图方法仿真了相干效率以及相应的误码概率的概率分布函数,计算了不同校正残差和闪烁条件下的通信平均误码率。结果表明:波前残差大于1rad时,相干效率主要受波前残差影响,自适应校正性能达到衍射极限时才能获得10-8的误码率,但此时大气闪烁可能会使误码率增大两个数量级。