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自适应光学系统扰动模型辨识及最优控制技术研究

王佳英  
【摘要】:自适应光学(Adaptive Optics,AO)是一种通过克服动态波前畸变对光学系统成像质量的影响,从而获得接近衍射极限的高分辨率成像的技术,广泛的应用于天文观测、激光传输、人眼视网膜成像等领域。地基天文望远镜进行科学观测时,由随机变化的大气湍流造成的波前畸变是系统成像质量下降的主要原因。此外,工作环境的变化以及系统平台本身也会带来一些非湍流像差扰动,主要包括由风或其他激发源(冷却器,百叶窗等)引起的窄带扰动。除大气湍流扰动外,这些窄带扰动很大程度上限制了系统性能的提高。目前,大多数AO系统都采用经典的比例积分(Proportional integral,PI)控制器,然而由于控制算法本身的限制,其无法对这些窄带扰动进行有效抑制,并且忽略了这些扰动包括大气湍流扰动随时间演变的特性,无法满足大口径天文望远镜高分辨成像的需求。基于此,本文针对AO系统中随时间变化的光束扰动(Disturbance)(包括湍流扰动和非湍流扰动)的校正问题开展了以下内容的研究并取得了一系列成果:1.对AO系统中光束扰动的存在问题进行了详细阐述,建立了具有实际物理意义的光束扰动动态模型。首先,通过对AO系统中光束扰动信号特性的分析,建立了可表征实际物理过程的独立扰动分量模型,即自回归二阶模型(second-order Auto-Regressive,AR2);然后,根据系统中不同频率扰动分量所对应的来源不同且彼此相互独立的关系,建立了AO系统中复杂频率光束扰动的时域动态模型和频域动态模型。通过对随时间变化的光束扰动信号模型的构建,实现了AO系统中光束扰动信号的准确描述并为扰动控制器的设计提供模型依据。2.针对AO系统中存在的复杂频率的动态光束扰动信号,提出了一种自动扰动模型辨识方法,包含了扰动频谱分离过程和基于粒子群优化(Particle swarm optimization,PSO)算法的模型参数辨识过程两个部分。整个辨识过程无需额外辅助系统及人为调试,可以在线周期运行。首先,通过对复杂频率的光束扰动信号的功率谱曲线进行有效分割,从而实现了对独立扰动分量的准确提取,同时确定了有效扰动分量的数目;其次,利用PSO算法初值随机、所需调整参数少和收敛速度快等特性,可以快速有效地辨识出扰动的频域模型参数。此外,我们将辨识结果与其他辨识方法进行了性能对比并通过人为合成扰动数据进行了仿真验证,结果表明本文提出的辨识算法使得辨识计算时间大大减少,并且由于对惯性权重系数的调节使得辨识算法减少了陷入局部极小值的可能性,从而得到的模型参数辨识精度更高,为扰动控制器的设计提供支撑。3.针对AO系统中高阶模式中窄带扰动难以校正的问题,提出了控制结构可调整的线性二次高斯(Linear quadratic Gaussian,LQG)多模式扰动控制器。首先,根据辨识获得的单阶模式光束扰动模型参数及其所包含的独立扰动分量的个数,以光束扰动校正残差最小为优化指标设计了控制结构可调整的LQG单模式扰动控制器;然后,根据多阶扰动模式中各模式中分别获得的独立扰动分量的个数以及相应的模型参数,确定多模式扰动抑制器的控制矩阵维度并计算得出其相应的控制参数矩阵,获得了控制结构可调整的LQG多模式扰动控制器;最后,将设计的控制器与重演仿真得到的最优模式增益积分(Optimized Model Gain Integrator,OMGI)控制器进行了性能对比。仿真结果表明,本文提出的多模式扰动控制器对高阶模式中存在的光束扰动表现出良好的抑制性能,同时相较于OMGI控制器,本文提出的控制方法对高阶模式中的窄带扰动表现出更好地控制性能。此外,进一步地验证了光束扰动模型的有效性及辨识方法的可靠性。4.通过对1-m新真空太阳望远镜实际测量连续扰动数据进行重演仿真,进一步分析评估了基于频谱分离和粒子群优化算法的自动扰动辨识方法和基于辨识模型的LQG控制器在实际望远镜系统中的可行性。然后,搭建了自适应光学系统室内实验平台,对系统中存在的多项高阶模式扰动的抑制进行了实验验证。最后,对1.8m中国大型太阳望远镜(Chinese Large Solar Telescope,CLST)系统中由制冷机造成的窄带扰动进行了抑制实验。5.考虑到实际系统中计算资源有限,提出了一种适用于自适应光学系统高阶扰动校正的混合控制方法,在无需专门配置高性能计算机的情况下,既能减少实时计算机的计算量又能够保证对高阶扰动尤其是窄带扰动的有效抑制。通过本文的研究,获得了AO系统中随时间变化的复杂频率光束扰动信号的时域动态模型和频域动态模型,并通过结合频谱分离和粒子群优化算法的自动扰动辨识方法实现了对光束扰动模型的精确描述,解决了目前AO系统中光束扰动模型难以准确获得的问题。其次,根据辨识得到的不同模式分别对应的扰动模型参数和相应的扰动分量个数,以光束扰动校正残差最小为优化指标设计了控制结构可调整的多模式LQG扰动控制器,解决了目前AO系统中高阶模式上光束扰动尤其是窄带扰动难以有效抑制的问题,提高了自适应光学系统对光束扰动的控制性能。此外,本文还提出了一种适用于AO系统中高阶扰动校正的混合控制策略,一定程度上减小了系统进行高阶扰动校正时面临的计算压力,为LQG控制在实际系统中的应用提供解决方案,对AO系统应用性能的提升具有十分重要的意义。


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