自适应光学高性能实时计算技术研究

发布时间：2017-08-20 20:21

  本文关键词：自适应光学高性能实时计算技术研究

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【摘要】：自适应光学系统是大口径天文望远镜系统、激光光束质量控制系统、激光传输等系统中的重要仪器之一。自适应光学波前实时处理机是自适应光学系统的重要组成部分,它的计算性能直接决定了系统的校正效果。提高自适应光学实时处理器的性能是降低自适应光学系统校正残差以及提高系统远场能量集中度的重要手段之一。本文以自适应光学(AO)波前实时处理方法为研究课题,以提升远场能量集中度为目标,重点研究了自适应光学实时处理的延迟对误差的影响,基于通用CPU的高性能实时处理架构,以及在该处理架构下针对激光净化等领域提升远场功率密度的新的复原算法。主要研究内容包括四个部分：1.文章首先研究了大单元数AO实时处理系统的运算特性及需求；通过对在Kolmogorov大气湍流模型下,采用积分控制器的自适应光学系统中,波前实时处理延迟对时域控制残差的影响进行分析,指出自适应光学实时处理系统的目标是在短时间内实现高性能计算。对实际处理系统的性能对残差的影响进行了数值分析,与经典的Greenwood误差模型进行了对比研究,指出在有延迟的真实系统中,Greenwood误差估计模型的fc近似为误差-3 db带宽。2.研究了基于中央处理器(CPU)的处理系统对AO实时处理的适应性；对采用CPU实现大单元数AO系统的复原计算性能进行了研究,指出CPU的计算性能具有明显的两段特性,且在短时间内具有很高的性能。研究结果为采用CPU实现极大规模自适应光学系统中的复原运算提供了设计依据。为精简实时处理机的结构,提出了一种基于实时操作系统的在单计算机中集成实时处理与监控的处理机架构,分析了该架构的极限性能,最终首次在单板上实现了2000单元级自适应光学2000 Hz的波前实时处理。3.研究了倾斜镜与变形镜的耦合问题,以提升变形镜对高阶像差的校正效果；针对无法完全抑制倾斜的闭环控制自适应光学系统,研究了倾斜镜与变形镜的耦合问题,指出传统的限定向量算法在系统含有较大倾斜残余量时,无法实现变形镜对高阶像差的高效校正；同时,会恶化自适应光学系统的稳定性,且无法完全抑制变形镜产生倾斜；提出了一种基于向量投影的算法,对比了两种方法的性能。研究结果表明,向量投影抑制算法能在较大倾斜残余像差的情况下更好地校正高阶像差；且该算法运行在基于CPU的实时处理平台上并不会增加时域校正误差。4.研究了非Marechal近似像差分布特性下实时复原算法,以提升远场的功率密度。分析板条固体激光光学像差的特性,指出在板条激光器中像差分布严重不均匀条件下,最小二乘法不再是远场强度提升最优的复原算法,分析了远场能量集中度与控制算法在目标上的异同,提出了一种加权最小二乘实时复原算法,实验对比的结果表明,采用加权最小二乘算法对板条固体激光的像差校正后,具有更高的峰值与光束质量。
【关键词】：自适应光学 波前实时处理 高性能计算 加权最小二乘复原 解耦控制
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O43;TH74
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-36
• 1.1 引言12-13
• 1.2 自适应光学的历史及国内外发展趋势13-20
• 1.3 自适应光学系统组成及波像差描述20-28
• 1.3.1 波像差的描述20-21
• 1.3.2 自适应光学系统组成21-28
• 1.3.2.1 波像差探测-波前传感器21-24
• 1.3.2.2 波像差的校正-波前校正器件24-25
• 1.3.2.3 控制系统-波前实时处理器25-28
• 1.4 波前处理系统发展历史及国内外发展趋势28-31
• 1.4.1 国外波前处理系统发展现状及趋势28-31
• 1.4.2 国内波前处理系统发展现状31
• 1.5 本文的主要研究内容、主要贡献与创新31-34
• 1.6 本论文的结构安排34-36
• 第二章 Kolmogorov大气湍流自适应光学校正误差分析36-60
• 2.1 引言36-37
• 2.2 近场的波像差与远场的能量集中度的关系37-49
• 2.2.1 光束评价指标简介37-39
• 2.2.1.1 斯特列尔比37-38
• 2.2.1.2 M_2因子38
• 2.2.1.3 桶中功率及β因子38-39
• 2.2.2 Marechal近似条件下斯特列尔比与波像差的均方根的关系39-42
• 2.2.3 自适应光学系统校正后波像差的均方根的组成42-49
• 2.2.3.1 波前传感器探测误差及对波像差的影响43-45
• 2.2.3.2 大气湍流空间拟合误差45-47
• 2.2.3.3 Kolmogorov大气湍流时域校正误差经典估计47-49
• 2.3 实际系统中控制系统模型及时域误差分析49-53
• 2.3.1 大气湍流模型49-51
• 2.3.2 基于积分控制器的闭环控制系统模型51-52
• 2.3.3 大气湍流引起的光学畸变经过控制系统后的误差52-53
• 2.4 延迟及帧频对系统残差的影响53-58
• 2.4.1 理想处理系统下的f_c的物理意义53-54
• 2.4.2 真实系统下延迟与帧频对系统残差的影响54-58
• 2.4.2.1 不同延迟对系统稳定性的影响54-56
• 2.4.2.2 相同相位裕度时不同延迟对误差的影响56-58
• 2.4.2.3 不同延迟与帧频对带宽的影响58
• 2.5 大单元数自适应光学实时处理系统面临的技术问题58-59
• 2.6 本章小结59-60
• 第三章 CPU计算性能对大单元数AO系统的适应性研究60-72
• 3.1 引言60-61
• 3.2 自适应光学系统计算需求及CPU的计算特性61-71
• 3.2.1 自适应光学各部分计算及特性分析61-63
• 3.2.2 各种架构对计算特性的适应性分析63-64
• 3.2.3 利用CPU实现复原运算的计算性能64-70
• 3.2.3.1 向量指令优化性能64-66
• 3.2.3.2 CPU实现复原运算的运算特性66-70
• 3.2.4 性能对比70-71
• 3.3 本章小结71-72
• 第四章 基于CPU的AO实时处理系统的架构及性能研究72-92
• 4.1 引言72-73
• 4.2 利用CPU实现自适应光学的实时处理73-82
• 4.2.1 实时处理架构及延迟概述74-75
• 4.2.2 系统的软件环境及对延迟的影响75-78
• 4.2.2.1 系统调度延迟77
• 4.2.2.2 计算抖动77-78
• 4.2.3 高速传输技术及对延迟的影响78-82
• 4.2.3.1 传输技术简介79-80
• 4.2.3.2 基于串行传输的自适应光学实时处理硬件架构80-81
• 4.2.3.3 顺序处理下传输对延迟的影响81
• 4.2.3.4 流水线处理模式下传输对延迟的影响81-82
• 4.3 实验验证82-90
• 4.3.1 大气湍流特征参数测试平台83-85
• 4.3.2 2415单元自适应光学实时计算结果及不同架构性能对比85-88
• 4.3.3 595单元自适应光学室内实验闭环88-89
• 4.3.4 137单元激光通信自适应光学系统模拟湍流实验及理论对比89-90
• 4.4 本章小结90-92
• 第五章 闭环控制自适应光学系统变形镜约束技术研究92-104
• 5.1 引言92-94
• 5.2 变形镜约束的数学原理94-97
• 5.2.1 变形镜约束的目标94-95
• 5.2.2 限定向量的直接斜率控制算法简介及对系统性能的影响95-96
• 5.2.3 基于向量投影抑制的算法96-97
• 5.3 数值仿真分析97-103
• 5.3.1 不带倾斜时的校正效果及对平移的约束能力对比97-100
• 5.3.2 带倾斜残差时的像差校正效果及对倾斜的约束能力100-103
• 5.4 本章小结103-104
• 第六章 非Marechal近似条件下实时复原算法优化104-119
• 6.1 引言104-106
• 6.2 板条激光器像差特性以及采用直接斜率法校正106-111
• 6.2.1 板条固体激光器的像差特性106-108
• 6.2.2 采用最小二乘标准的直接斜率法实现对系统的校正108-111
• 6.3 加权最小二乘复原算法原理111-113
• 6.3.1 加权最小二乘复原算法111-112
• 6.3.2 权重因子选取112-113
• 6.4 实验对比113-117
• 6.5 本章小结117-119
• 第七章 总结与后续工作展望119-122
• 7.1 本论文的主要研究内容119-120
• 7.2 本论文的主要创新工作120
• 7.3 后续工作展望120-122
• 致谢122-124
• 参考文献124-132
• 攻博期间取得的研究成果132-133

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