一种基于随机梯度下降法的光束抖动多控制参数优化方法

本发明属于光束抖动控制领域，尤其涉及一种基于随机梯度下降法的光束抖动多控制参数优化方法，适用于自适应光学系统光束抖动控制。

背景技术：

1、由于外界因素的干扰如大气湍流等传输介质引起的低频带宽扰动和机械器件、光束平台等震动等引入的高频窄带扰动，光束在传播过程中光轴会发生偏转从而导致光束传播方向会不断发生变化，这种现象称为光束抖动。传统的比例积分（proportionintegration ，pi）控制对低频带宽有较好的抑制作用，对高频窄带扰动控制能力不足；双二阶滤波器控制对单一的高频窄带抖动具有较好的抑制作用，但对低频宽带几乎没有抑制能力。随着高频窄带个数的增加，需要pi、双二阶滤波器、超前校正器、消谐振多控制环节联合作用，pi控制或双二阶滤波器由于水床效应的存在，完成抑制设计频率的同时会放大其它频率的抖动，需要手动调整多项参数，参数调整难度大且对光束抖动抑制性能的优异无法评估。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：针对自适应光学系统里由外界因素引入的高频窄带抖动、低频宽带抖动同时存在的多光束抖动控制环节参数优化问题。为解决或缓解该技术问题，本发明提出一种基于随机梯度下降法的光束抖动多控制参数优化方法。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于随机梯度下降法的光束抖动多控制参数优化方法，由数据采集装置中的波前处理机中完成，在该数据采集装置中，由平行光源产生装置产生平行光源，该平行光源经线性偏振片送入第一倾斜镜，由模拟真实光束抖动的函数发生器产生的任意抖动信号经第一高压放大器放大后传送至第一倾斜镜产生光束抖动，光束经第二倾斜镜反射后通过透镜成像于图像传感器，该方法包括以下步骤：

3、步骤1：获取倾斜镜响应曲线，并根据响应曲线设计双二阶消谐振模型，其中倾斜镜响应曲线是通过数据采集装置中的扫频仪对第二倾斜镜扫频获得的；

4、步骤2：将图像传感器获取的光束抖动开环数据的时间序列数据进行傅里叶变换，得到光束抖动开环数据按频率分布的功率谱密度函数，根据功率谱密度函数曲线的高频尖峰分布、相位延时、低频能量分布，设计多环节控制器模型，多环节控制器模型包括多个双二阶滤波器模型、相位超前补偿模型、pi控制模型；

5、步骤3：根据建立的多环节控制器模型与双二阶消谐振模型，建立多环节控制的能量抑制传递函数，并以能量抑制最小化为代价函数，采用spgd算法优化各控制环节参数；

6、其中，能量抑制最小化指的是光束抖动抑制残余能量最小。

7、本发明与现有技术相比的有益效果在于：

8、本发明通过分析研究开环光束抖动的功率谱特性，建立双二阶滤波器、超前相位补偿环节、pi控制器、消谐振模型的多环节控制器对光束抖动抑制误差函数的频域表示；通过功率谱密度点乘光束抖动抑制误差函数的频域表示求得光束抖动抑制残差，并以光束抖动抑制残差最小化为代价函数，再通过随机梯度下降方法(stochastic parallelgradient descent algorithm， spgd)求取光束抖动抑制残差最小值对应的多控制环节参数。本发明将自动优化多环节光束抖动控制的参数，实现自适应光学技术光束抖动控制器的抖动抑制残差最优化，提升光束抖动控制器的性能。

技术特征：

1.一种基于随机梯度下降法的光束抖动多控制参数优化方法，由数据采集装置中的波前处理机中完成，在该数据采集装置中，由平行光源产生装置产生平行光源，该平行光源经线性偏振片送入第一倾斜镜，由模拟真实光束抖动的函数发生器产生的任意抖动信号经第一高压放大器放大后传送至第一倾斜镜产生光束抖动，光束经第二倾斜镜反射后通过透镜成像于图像传感器，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于随机梯度下降法的光束抖动多控制参数优化方法，其特征在于，步骤1包括：

3.根据权利要求2所述的基于随机梯度下降法的光束抖动多控制参数优化方法，其特征在于，在步骤2中，所设计的第m个双二阶滤波器模型为：

4.根据权利要求3所述的基于随机梯度下降法的光束抖动多控制参数优化方法，其特征在于，步骤3：根据建立的多环节控制器模型与双二阶消谐振模型，建立多环节控制器模型的能量抑制传递函数，并以能量抑制最小化为代价函数，采用spgd算法优化各控制环节参数，其中，根据拉普拉斯算子代入式（7），得到多环节控制器模型的能量作用函数，根据能量作用函数和光束抖动的功率谱密度函数，求得多环节控制器模型的能量抑制传递函数：

技术总结本发明公开了一种基于随机梯度下降法的光束抖动多控制参数优化方法，包括：获取倾斜镜响应曲线，并根据响应曲线设计双二阶消谐振模型；将图像传感器获取的光束抖动开环数据的时间序列数据进行傅里叶变换，得到光束抖动开环数据按频率分布的功率谱密度曲线，根据功率谱密度曲线的高频尖峰分布、相位延时、低频能量分布，设计多环节控制器模型；根据建立的多环节控制器模型与双二阶消谐振模型，建立多环节控制的能量抑制传递函数，并以能量抑制最小化为代价函数，采用SPGD算法优化各控制环节参数。根据本发明，当功率谱密度函数确定后，能够实现自动快速优化多控制器参数，实现多控制器对光束抖动的参数优化调节，减小光束抖动抑制残差。技术研发人员：程勇,杨康建,孔令曦,赵旺,王帅,杨平受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/10/17