專利名稱：一種基于分離模式控制和優(yōu)化算法的多變形鏡控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多變形鏡控制方法，尤其是一種基于分離模式控制和優(yōu)化算法的多變形鏡控制方法，適用于激光應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域中的波前畸變校正。
背景技術(shù)：
在激光應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域中，良好的光束質(zhì)量是追求的主要目標(biāo)之一。比如在需要使用大功率的激光器，如激光切割和加工、慣性約束核聚變(ICF)等領(lǐng)域中通常要求激光器擁有較好的光束質(zhì)量，又如在激光大氣通信中需要激光傳輸克服大氣湍流的作用，以上都能通過波前相位校正這一自適應(yīng)光學(xué)的核心技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在這些領(lǐng)域的發(fā)展當(dāng)中，對(duì)變形鏡的變形量需求也在增加，例如，在激光光束凈化領(lǐng)域，某些大型激光器的波前畸變更是達(dá)到15pm以上。而受制于現(xiàn)有的制造技術(shù)，變形鏡的大行程和高空間分辨率往往不 能同時(shí)得到滿足。為此，人們研究了雙變形鏡乃至多變形鏡的控制技術(shù)，2004年ThomasWeyrauch等提出基于隨機(jī)并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法的多變形鏡控制技術(shù)(見于Thomas Weyrauch, Mikhail A. Vorontsov, Leonid Beresnevand Ling Liu，Atmospheric compensation over a 2. 3km propagation path with amulti-conjugate(piston-MEMS/modal DM)adaptive system,Proc. of SPIE Vol. 5562.P73-82)，2005年胡詩杰等提出的雙變形鏡自適應(yīng)光學(xué)像差的限定校正算法(見于胡詩杰，許冰，吳健，姜文漢，雙變形鏡自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)像差解稱研究，光學(xué)學(xué)報(bào)，pl687-1692),但上述已有方法存在的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在Thomas Weyrauch等提出的方法中并沒有考慮兩個(gè)變形鏡在校正波前畸變時(shí)會(huì)產(chǎn)生的耦合問題，這有可能使得校正后結(jié)果變差；限定校正算法雖然能夠有效避免兩個(gè)變形鏡校正像差時(shí)出現(xiàn)耦合，但需要使用哈特曼-夏克波前傳感器測(cè)量待校正波前斜率，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且要求兩個(gè)變形鏡的驅(qū)動(dòng)器排布方式均需與哈特曼-夏克波前傳感器子孔徑優(yōu)化匹配，在某些并不能有效測(cè)量波前畸變的應(yīng)用場(chǎng)合，該方法并不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于分離模式控制和優(yōu)化算法的多變形鏡控制方法，該方法能夠應(yīng)用在波前校正領(lǐng)域中無法測(cè)量波前畸變的場(chǎng)合，并且避免了制造同時(shí)滿足大行程量和高空間分辨率的變形鏡，計(jì)算簡(jiǎn)單，工程容易實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于分離模式控制和優(yōu)化算法的多變形鏡控制方法，其特點(diǎn)在于步驟如下(I)給變形鏡的各驅(qū)動(dòng)器施加控制信號(hào)，采用波前探測(cè)設(shè)備測(cè)量變形鏡各驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)，需分別測(cè)量每一塊變形鏡驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)矩陣；(2)利用步驟(I)中測(cè)量的變形鏡驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)矩陣和待校正的波前畸變模式，建立優(yōu)化算法模式優(yōu)化擾動(dòng)信號(hào)和變形鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制響應(yīng)方程；
(3)根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)預(yù)估待校正波前畸變，選取待校正的波前畸變模式階數(shù)，執(zhí)行優(yōu)化算法，將待校正波前畸變合理分配到各變形鏡，利用步驟(2)得到的控制響應(yīng)方程，生成各變形鏡驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)；(4)利用(3)生成的控制信號(hào)施加于各變形鏡，利用探測(cè)器獲取遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)信號(hào)，以目標(biāo)光強(qiáng)分布為評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算光束質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，直至評(píng)價(jià)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，也即是光束質(zhì)量達(dá) 到最優(yōu)，校正過程結(jié)束。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明利用優(yōu)化算法控制變形鏡校正波前畸變，并利用評(píng)價(jià)函數(shù)作為反饋信號(hào)控制多變形鏡，擺脫了對(duì)波前探測(cè)器的依賴，在不能測(cè)量波前畸變的應(yīng)用場(chǎng)合同樣適用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(2)利用靜態(tài)時(shí)波前探測(cè)器測(cè)量得到的各變形鏡驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)矩陣與待校正波前畸變Zernike模式矩陣，建立優(yōu)化算法模式優(yōu)化擾動(dòng)信號(hào)和變形鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制響應(yīng)方程。利用該控制響應(yīng)方程實(shí)現(xiàn)多變形鏡的控制。(3)波前畸變的校正模式和校正量能夠在各變形鏡間合理分配，多變形鏡控制能夠避免制作同時(shí)滿足大行程量和高空間分辨率要求的變形鏡。總之，本發(fā)明能夠有效分配校正模式和校正量到各變形鏡，利用優(yōu)化算法控制多變形鏡實(shí)現(xiàn)波前畸變的控制，無需復(fù)雜的波前探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量波前像差。系統(tǒng)簡(jiǎn)單，工程易于實(shí)現(xiàn)，極具實(shí)用性。


圖I為本發(fā)明中涉及到的控制方法流程圖；圖2為本發(fā)明中所適用的雙波前校正器自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)示意圖；圖3為本發(fā)明中適用的39單元變形鏡示意圖；圖4為待校正入射激光原始波前；圖5為第一塊變形鏡上校正的波前畸變；圖6為第二塊變形鏡上校正的波前畸變；圖7為入射激光校正后波前；圖8為算法評(píng)價(jià)指標(biāo)收斂曲線；圖9為入射激光校正后遠(yuǎn)場(chǎng)效果。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此實(shí)施例中用兩塊變形鏡作為波前校正器，該方法同樣適用于多波前校正器的波前校正系統(tǒng)。實(shí)施例I :如圖2所示，適用于該多變形鏡控制方法的系統(tǒng)由激光器1，傾斜鏡2，第一塊變形鏡3，第二塊變形鏡4，分光鏡5，聚集透鏡6，探測(cè)器7，處理器8和驅(qū)動(dòng)設(shè)備9組成，根據(jù)實(shí)際情況，激光器I后可增加縮擴(kuò)束整形系統(tǒng)11，如第一塊變形鏡3和第二塊變形鏡4相隔較遠(yuǎn)則中間增加4f傳像系統(tǒng)10。其中，激光器I位于縮擴(kuò)束整形系統(tǒng)11之前，傾斜鏡2位于縮擴(kuò)束整形系統(tǒng)11和第一塊變形鏡3之間，4f傳像系統(tǒng)10位于第一塊變形鏡3和第二塊變形鏡4之間,分光鏡5位于第二塊變形鏡4之后,聚焦透鏡6位于分光鏡5和探測(cè)器7之間，探測(cè)器7和驅(qū)動(dòng)設(shè)備9與處理器8連接，傾斜鏡2、第一塊變形鏡3和第二塊變形鏡4與驅(qū)動(dòng)設(shè)備9連接，本例中所應(yīng)用的變形鏡驅(qū)動(dòng)器排布如圖3所示。激光器I出射激光，經(jīng)過縮擴(kuò)束整形系統(tǒng)11擴(kuò)束后入射到傾斜鏡2，再由傾斜鏡2反射到第一塊變形鏡3，經(jīng)過4f傳像系統(tǒng)10后入射到第二塊變形鏡4，主光束經(jīng)第二塊變形鏡4反射后通過分光鏡5后發(fā)射，采樣光束經(jīng)聚焦透鏡6聚焦后由探測(cè)器7采集并輸入到處理器8，光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)處理器8處理后輸出控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)設(shè)備9發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜鏡2、第一塊變形鏡3和第二塊變形鏡4的反饋控制。本發(fā)明的具體步驟如下( I)將驅(qū)動(dòng)設(shè)備連接至變形鏡，依次給各變形反射鏡的驅(qū)動(dòng)器施加控制信號(hào)，利用波前探測(cè)設(shè)備測(cè)量并記錄變形反射鏡的面型變化，將該面型變化與驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)歸一化 處理后，便得到該驅(qū)動(dòng)器影響函數(shù)，例如第n塊變形鏡第j個(gè)驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)為Vi^x, y)。(2)建立優(yōu)化算法模式優(yōu)化擾動(dòng)信號(hào)和變形鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制響應(yīng)方程。首先，待校正的波前畸變的數(shù)學(xué)表達(dá)式為O (X，y), ￠(-^,>0 = Sa<A(^V)，其中
m=\
6m(x, y)代表第m階波前畸變的模式，k為待校正波前畸變模式的最高階數(shù)，am代表第m階波前畸變模式的系數(shù)，m代表模式階數(shù)，由表達(dá)式乏XO，JO = =，其
./=1m 二I
中Uiy.代表第n塊變形鏡第j個(gè)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)，N代表第n塊變形鏡的驅(qū)動(dòng)器個(gè)數(shù)；
Nk其次’將表達(dá)式乙^匕僅力二^^刃二乏^義介…簡(jiǎn)寫為^ = ^! 6，其中u代表
M附二 I
第n塊變形鏡控制信號(hào)向量(unl，un2，un3...，UnN)，Vn代表第n塊變形鏡影響函數(shù)矩陣，a代表波前畸變模式系數(shù)向量( , a2, a3. . .，ak)，6代表波前畸變模式矩陣，有u = a S Vn+, Vn+為第n塊變形鏡影響函數(shù)矩陣的廣義逆，則有u = aUn,其中Un= S Vn+為第n塊變形鏡待校正波前畸變模式系數(shù)與控制信號(hào)的關(guān)系矩陣。(3)根據(jù)各變形鏡的驅(qū)動(dòng)器排布和校正能力，單一變形鏡可以校正波前畸變中的單獨(dú)一階模式，也可以校正波前畸變中的某幾階模式，設(shè)待校正波前畸變由k階波前畸變模式組成，將波前畸變模式系數(shù)重新分解為n個(gè)向量之和，其中n代表變形鏡的個(gè)數(shù)，n〈k，則有a=bi+b2+. . . +bn，其中bn為第n個(gè)變形鏡上需校正的波前畸變模式系數(shù)向量，該向量中可以有單個(gè)的波前畸變系數(shù)如(0，0,0... am, 0. . .，0)，也可以有兩個(gè)甚至多個(gè)波前畸變系數(shù)如(&1，a2, 0. . . am, 0. . . , 0),則有第n塊變形鏡最終控制信號(hào)Un = bnUn。(4)執(zhí)行優(yōu)化算法控制各變形鏡的驅(qū)動(dòng)器，該優(yōu)化算法可以是隨機(jī)并行梯度下降算法、模擬退火算法、遺傳算法等中的一種，且上述算法中的模式優(yōu)化擾動(dòng)量為指定階的波前畸變模式系數(shù)向量。利用探測(cè)器獲取經(jīng)變形鏡校正波前畸變后的激光的光強(qiáng)信號(hào)，計(jì)算該光強(qiáng)信號(hào)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。判斷是否到達(dá)極值，如未達(dá)到則繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)，如已經(jīng)達(dá)到則停止優(yōu)化算法。本實(shí)施例中采用隨機(jī)并行梯度下降算法控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生變形鏡控制信號(hào)的過程為首先，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)和系統(tǒng)特征，預(yù)估待校正對(duì)象中存在的波前畸變按照Zernike像差展開后的階數(shù)為k。其次根據(jù)各變形鏡的驅(qū)動(dòng)器排布和校正能力，分配各變形鏡所校正的波前畸變的階數(shù)，如本例中有兩個(gè)變形鏡。定義評(píng)價(jià)函數(shù)例如分配第一個(gè)變形鏡校正前兩階波前畸變，第二個(gè)變形鏡校正其余階波前畸變，階數(shù)分配可根據(jù)實(shí)際情況考慮。(Saf, Saf ,0,...0), (0,0, Saf, ...Saf)分別為算法執(zhí)行中第K次優(yōu)化過程中隨機(jī)擾動(dòng)模式系數(shù)&<是服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)變量，滿足〈Sa^Saf >= Cr12 <5y 且<^<> = 0，其中符號(hào)，O1是擾動(dòng)幅度，&和絕對(duì)值大小可根據(jù)實(shí)際情況確定。通過控制響應(yīng)方程u = aUn，便可以得到分別施加于兩個(gè)變形鏡上的控制電壓(U11，U12J U13. . .，Uin)和(U21, U22, U23. . . , U2n )，由于Zernike像差各模式之間正交無關(guān)性,故各變形鏡生成的校正面型不會(huì)因模式耦合使得校正效果變差。在施加控制電壓后，獲取新的評(píng)價(jià)函數(shù)J(af + Saf,af + Saf,af + Sat-…af + Saf),則有評(píng)價(jià)指標(biāo)更新準(zhǔn)則SJk= J{af+ Saf +Saf ,af +Saf ...af + 5a^ ) ~J(a^ ,af ,af.. l十) 為保證收斂效果，在實(shí)際系統(tǒng)中也可以使用下列評(píng)價(jià)指標(biāo)更新準(zhǔn)則
3JK=Ji + Sa^ , Ci^ + Sa^ , af + Saf ...af + Saf ) -J{ of - Sa^, af - Sa^, - Sa^ ... af - Saf )模式系數(shù)的更新準(zhǔn)則為 W1 = aj + /SafSJlc 上式中的Y是人為定義的權(quán)重系數(shù)，依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)定義。通過隨機(jī)擾動(dòng)波前畸變的模式系數(shù)，經(jīng)控制響應(yīng)方程轉(zhuǎn)換后向變形鏡輸出電壓，處理器實(shí)時(shí)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)變化量S J，能夠不斷通過控制響應(yīng)方程更新變形鏡上的控制電壓，直至評(píng)價(jià)函數(shù)J取得全局極值。
權(quán)利要求
1.一種基于分離模式控制和優(yōu)化算法的多變形鏡控制方法，其特征在于步驟如下 (1)給變形鏡的各驅(qū)動(dòng)器施加控制信號(hào)，采用波前探測(cè)設(shè)備測(cè)量變形鏡各驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)，需分別測(cè)量每一塊變形鏡驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)矩陣； (2)利用步驟(I)中測(cè)量的變形鏡驅(qū)動(dòng)器的影響函數(shù)矩陣和待校正的波前畸變模式，建立優(yōu)化算法模式優(yōu)化擾動(dòng)信號(hào)和變形鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制響應(yīng)方程； (3)根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)預(yù)估待校正波前畸變，選取待校正的波前畸變模式階數(shù)，執(zhí)行優(yōu)化算法，將待校正波前畸變合理分配到各變形鏡，利用步驟(2)得到的控制響應(yīng)方程，生成各變形鏡驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)； (4)利用步驟(3)生成的控制信號(hào)施加于各變形鏡，利用探測(cè)器獲取遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)信號(hào)，以目標(biāo)光強(qiáng)分布為評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算光束質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，直至評(píng)價(jià)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，也即是光束質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，校正過程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于分離模式控制和優(yōu)化算法的多變形鏡控制方法，其特征在于所述步驟(2)中的控制響應(yīng)方程的建立步驟為 (2. I)待校正的波前畸變的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于分離模式控制和優(yōu)化算法的多變形鏡控制方法，其特征在于 所述步驟(3)中根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)預(yù)估待校正波前畸變，選取待校正波前畸變的模式階數(shù)根據(jù)待校正的波前畸變對(duì)象的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布和形態(tài)，對(duì)待校正的波前畸變所構(gòu)成的模式階數(shù)和畸變量進(jìn)行初步判斷； 所述步驟(3)中的合理分配待校正波前畸變到各變形鏡為根據(jù)各變形鏡的驅(qū)動(dòng)器排布方式和對(duì)波前畸變模式的校正能力，能校正實(shí)際波前畸變中的單獨(dú)一階模式，也能校正實(shí)際波前畸變中的某幾階模式，設(shè)待校正波前畸變由k階波前畸變模式組成，將波前畸變模式系數(shù)重新分解為n個(gè)向量之和，其中n代表變形鏡的個(gè)數(shù)，n〈k，則有a=bi+b2+. . . +bn，其中bn為第n個(gè)變形鏡上需校正的波前畸變模式系數(shù)向量，該向量中有單個(gè)的波前畸變系數(shù)，或者有兩個(gè)甚至多個(gè)波前畸變系數(shù)，第n塊變形鏡最終控制信號(hào)un = bnUn ； 所述步驟(3)中所提到執(zhí)行的優(yōu)化算法是隨機(jī)并行梯度下降算法、模擬退火算法、遺傳算法、爬山法、高頻振動(dòng)算法、粒子群算法，禁忌搜索算法中的一種，且上述算法中的模式優(yōu)化擾動(dòng)量為指定階的波前畸變模式系數(shù)向量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于分離模式控制和優(yōu)化算法的多變形鏡控制方法，其特征在于 所述步驟(4)中利用探測(cè)器獲取遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)信號(hào)，其中探測(cè)器是CCD相機(jī)，CMOS相機(jī)或者光電二極管器件中的一種； 所述步驟(4)中以目標(biāo)光強(qiáng)分布為評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算光束質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中光束質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)是光斑的環(huán)圍能量、光強(qiáng)平方和、平均半徑、峰值光強(qiáng)、峰值斯特列爾比中的一種。
全文摘要
一種基于分離模式控制和優(yōu)化算法的多變形鏡控制方法，其利用變形鏡的影響函數(shù)和波前畸變模式，建立優(yōu)化算法模式優(yōu)化擾動(dòng)信號(hào)和變形鏡驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制響應(yīng)方程，合理分配各個(gè)變形鏡所需校正的波前畸變模式和校正量。在執(zhí)行優(yōu)化算法中，以目標(biāo)光強(qiáng)分布為評(píng)價(jià)函數(shù)，該評(píng)價(jià)函數(shù)與光束質(zhì)量為同一判據(jù)，根據(jù)光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法，對(duì)各個(gè)變形鏡實(shí)施閉環(huán)控制，使得光束質(zhì)量的判據(jù)達(dá)到極值，從而實(shí)現(xiàn)多變形鏡的有效控制。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以合理分配各變形鏡的校正模式，利用現(xiàn)有的變形鏡制造技術(shù)有效增加波前校正行程，且具有可擴(kuò)展性。
文檔編號(hào)G02B27/00GK102722023SQ20121017063
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月29日
發(fā)明者楊平, 王帥, 許冰, 雷翔 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所