空间功率合束中改进的光束指向优化算法研究

CIOMP OpenIR

	空间功率合束中改进的光束指向优化算法研究
	杨国庆
学位类型	博士
导师	郭劲
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	非相干合束随机并行梯度下降算法光束指向局部极值动量法
摘要	自上世纪六十年代激光诞生以来,其作为一项革命性的技术迄今已渗透到几乎所有的自然科学领域,包括物理学、化学、生命科学、医学以及工业生产、国防技术等应用领域中。在激光的利用过程中,功率以及光束质量是激光本身尤为重要的两个方面,但受限于一些非线性效应的影响,当激光输出功率不断提高时,输出光束的光束质量会逐渐下降。激光合束技术的提出正是为了缓解激光本身的这一根本性矛盾。光束指向优化技术是激光合束中的关键性技术之一,除此之外,光束指向优化技术同样也被广泛应用于天文观测、现代精确制导、空间激光通信以及航空照相系统等领域,因而针对光束指向优化技术进行深入的研究具有重要的意义,对其进行深入的探究是实现大功率激光合束技术的一条必由之路。本文选取应用于空间功率合束中的光束指向控制的改进后的优化算法作为主要的研究内容。对光束指向优化技术中存在的一系列关键性问题进行了深入研究,包括激光的大气传输时光束指向受到湍流影响的问题以及指向优化控制算法的改进等。重点分析了激光大气传输过程中受湍流影响产生并对合束系统影响较大的效应,包括平均光场、光束扩展以及光斑漂移。并且对合束系统进行了仿真实现,验证了传统算法在合束系统中的适用性以及针对传统算法存在的一系列问题进行改进后的算法应用的正确性,并搭建实验平台对空间功率非相干合束系统进行了实现,验证了改进后的算法实际系统的可行性。文章的主要内容可以概括如下:首先对激光合束技术的国内外研究现状进行了阐述,重点分析了各种不同的合束方式的优缺点。并在此基础上根据实际的需求选取了空间功率非相干合束技术作为重点的研究内容并确定了空间非相干合束系统的整体架构。之后对常用于光学领域的优化算法进行分析比对,最终为了保证校正系统的带宽,选用随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法作为光束指向优化控制算法。紧接着对算法进行了深入的分析,包括算法的数学原理建模以及算法的收敛速度与收敛精度。建立了激光光束大气传输模型,应用湍流的功率谱理论以及光束传输理论对光束在Kolmogorov湍流下以及非Kolmogorov湍流下进行了理论上的推导和分析,为合束系统的进一步实现提供了前期的验证工作以及理论基础。文章接着对合束系统进行数学建模,仿真验证系统的可行性以及算法的有效性,并且针对原始算法存在的一系列问题分别提出了相应的改进措施。为了提高算法的收敛性以及实现更优的最终校正结果并且缓解校正过程中评价函数的半径选取难题,提出了自适应评价函数的SPGD算法,对其进行了仿真上的验证,仿真结果表明所提出的算法可以加快整体的收敛进程并且无需对桶中功率的半径进行事先选取;针对算法在迭代步长选取不当的情况下会有较大的概率陷入局部极值的问题,提出将模式识别理论与算法进行结合,实时检测校正过程是否陷入局部极值并当校正过程陷入局部极值时采用一定的方式进行跳出,保证校正过程之后的顺利实现;提出了将动量法与传统随机并行梯度下降算法相结合的方法,通过在传统的梯度估计项中加入上一步的动量项,可以快速提升初始校正阶段的速度以及保证后续校正的稳定性。为了验证改进算法的有效性,进一步的搭建了实验平台,完成合束系统的实际搭建。选用快速反射镜作为光束指向校正器件实现光束指向的校正,并将改进后的算法应用到实际的实验系统中,对实验结果进行了分析。最终的分析结果表明应用改进后的优化算法实现光束指向控制可以很好的满足空间功率合束系统的要求,验证了改进后的算法在实际系统中应用的可行性,为实际系统的进一步搭建提供了依据。最后对整篇文章进行了总结,并对激光合束系统以及基于优化算法的光束指向优化技术进行了展望,分析其未来的发展方向以及趋势。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61660
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	杨国庆. 空间功率合束中改进的光束指向优化算法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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