自适应光学系统光束抖动控制技术研究

发布时间：2020-08-20 16:47

【摘要】：自适应光学系统能够对波前畸变进行实时地校正,从而获得接近衍射极限的高分辨图像或者高质量的激光光束,因此被广泛地应用在天文望远镜系统以及高能激光器系统中。然而随着对系统要求的不断提高,光束抖动成为了进一步提高系统性能的限制因素。本文正是围绕自适应光学系统中的光束抖动问题展开了研究工作。1.首先,通过分析自适应光学系统中的光束抖动来源,建立了光束抖动信号的二阶自回归模型,并提出了基于Levenberg-Marquardt的最小二乘模型参数拟合优化算法。利用Levenberg-Marquardt优化算法对光束抖动信号的功率谱密度曲线进行拟合,获得了光束抖动信号模型的物理参数,即阻尼系数K和振荡源功率σ~2,进而实现了自适应光学系统中光束抖动信号的准确描述。仿真和实验都表明了光束抖动模型建立的有效性和Levenberg-Marquardt优化算法对参数辨识的准确性。2.然后,针对复杂频率成分下的光束抖动信号,利用局部积分方法对功率谱密度曲线进行平滑和分割,提取得到了各个单一频率的光束抖动信号。通过逐一地拟合提取得到的各个单一频率光束抖动信号所对应的功率谱密度曲线,实现了复杂频率成分下的光束抖动信号模型辨识,从而实现了对自适应光学系统中不同系统元件引起的光束抖动信号的处理和分析。3.接着,根据光束抖动控制系统,建立了以光束抖动校正残差最小为优化指标的线性二次高斯(Linear quadratic Gaussian,LQG)控制。通过对光束抖动信号功率谱密度曲线的平滑和分割,以及Levenberg-Marquardt优化算法对功率谱密度曲线的拟合,获得了LQG控制器的各项控制参数,也即实现了基于频谱辨识的LQG光束抖动控制技术。仿真结果显示,基于频谱辨识的LQG光束抖动控制技术能够有效地抑制低频宽带和高频窄带光束抖动,且与积分控制器相比,显现出了极好的光束抖动控制性能。另外,对提出的光束抖动控制技术还进行了在线辨识和在线控制的可能性分析。4.最后,在实验室条件下,实现了基于频谱辨识的LQG光束抖动控制技术对自适应光学系统中不同频率的光束抖动的有效控制。实验结果表明,基于频谱辨识的LQG光束抖动控制技术不仅能够控制由于大气湍流或平台扰动引起的低频宽带光束抖动,也能够有效地抑制不同器件振动引入的高频窄带光束抖动。通过本文的研究,实现了自适应光学系统对不同频率光束抖动的有效抑制,极大地提高了自适应光学系统对光束抖动的控制性能。同时,基于频谱辨识的LQG光束抖动控制技术的实施一定程度上解决了目前自适应光学系统中高频窄带光束抖动难以抑制的问题,对自适应光学系统应用性能的提升十分有益。
【学位授予单位】：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
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O439
【图文】：

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