專利名稱：基于蟻群算法的自適應光學系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無波前傳感器的自適應光學系統，可用于校正光學系統的靜態和動態相差。
背景技術：
光學系統中存在的各種靜態和動態相差嚴重制約了光學系統的性能。自適應光學技術 是一種實時校正光學系統波前畸變的技術，可以有效補償各種靜態和動態相差，顯著提高 光學系統的性能，目前已在天文成像、激光傳輸、工業和醫學等領域得到了應用。常規的 自適應光學系統由波前傳感器、波前校正器和波前控制器三部分組成。波前傳感器用于測 量入射光束的相差，目前應用最廣泛的是哈特曼波前傳感器；波前校正器用于補償相位畸 變，主要包括變形反射鏡和空間調制器兩大類；波前控制器用于處理波前相差信息并向波 前校正器發出控制信號。常規自適應光學系統已經在包括天文觀測等的領域中得到了成功 的應用，但是這些系統也存在一些缺陷。首先波前傳感器的引入造成整個自適應光學系統 結構復雜，降低了系統的可靠性，而且波前傳感器價格昂貴，提高了系統的成本。其次波 前傳感器在某些系統中難以使用，例如在強閃爍條件下，由于存在相位不連續點而無法準 確地進行波前測量和重構。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服常規自適應光學系統結構復雜、可靠性相對較低、價 格昂貴、在某些場合難以應用的不足，提供一種基于蟻群算法的無波前傳感器的簡易自適 應光學系統。
本發明的技術解決方案是基于蟻群算法的自適應光學系統，其特征在于包括變形反 射鏡、分光鏡、鏡頭、CCD相機、計算機、高壓放大器，入射光束由變形反射鏡反射后被 分光鏡分為兩束， 一束透過分光鏡后被鏡頭聚焦到置于其焦平面的CCD相機上，計算機采 集CCD相機的光斑圖像，評價光束質量并執行蟻群算法，優化變形反射鏡的驅動電壓，然 后向髙壓放大器輸出電壓信號，經高壓放大器放大后向變形反射鏡輸出驅動電壓以改變變形 反射鏡的面形，最終校正入射光束波前的各種像差。
所述被分光鏡反射的另一束光可用于成像或激光加工。
當系統用于對低亮度目標成像時，取消分光鏡，光束直接被聚焦到CCD相機上, 所述的評價光束質量的指標為環圍能量EE:<formula>formula see original document page 5</formula>
其中/(:c)為光斑強度，W為需要獲得光束能量的區域。 所述的蟻群算法優化變形反射鏡電壓的具體實現步驟如下-
a. 確定變形反射鏡每個單元驅動電壓"的范圍
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中n為變形鏡驅動單元個數，將各驅動電壓分為iV等份
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中第J'個驅動電壓的第i份為
b. 若mox(^,&, 則算法停止，變形反射鏡的最優控制電壓為-
<formula>formula see original document page 5</formula>
c.參數重新設定令循環次數nc-0，信息素強度^ = r薩(i-l， 2, ... , W , _/ =1, 2,..., n)，信息素揮發系數/)=/)0;
d.令第A只螞蟻采用輪盤賭的方式根據下面的狀態轉移概率公式所計算的概率選擇電壓 節點并前進，從w—直前進到
<formula>formula see original document page 5</formula>e.將能使光束環圍能量最大的螞蟻的路徑向量賦給第1只螞蟻，令循環次數 iVC=WC+l，根據下式更新p:<formula>formula see original document page 5</formula> 根據下式更新第l只螞蟻路徑上的信息素強度-
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中j為第i只螞蟻路徑向量對應的電壓輸出到變形反射鏡后得到光斑的環圍能量
EE,《w的范圍限制到[^,T,]:
<formula>formula see original document page 6</formula>f.若MT〈WC;^，跳轉到步驟d，否則找出^矩陣中每列最大的元素對應的行Om， m2，...
Wn)，并縮小電壓的取值范圍
<formula>formula see original document page 6</formula>
跳轉到步驟a 。，
將蟻群算法獲得的最優控制電壓經高壓放大器放大后輸出到變形反射鏡，入射光束的波 前相差就得到了校正。
本發明與現有的常規自適應光學技術相比，優點在于本發明利用光束的質量指標直
接優化變形反射鏡的面型而達到校正入射光束波前相差的目的，不需要波前傳感器測量波 前相差，因而結構簡單、成本低、可靠性高，適用于要求低成本或難以探測波前相差的場
合o
圖l為本發明的結構示意圖2為本發明用于對低亮度目標成像時去掉分光鏡后的結構示意圖中l為變形反射鏡，2為分光鏡，3為鏡頭，4為CCD相機，5為計算機，6為高壓
放大器。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。
如圖1所示，系統的入射光束由變形反射鏡l反射后被分光鏡2分為兩束，其中一束 透過分光鏡2后由鏡頭3聚焦到置于其焦平面的CCD相機4上，計算機5采集CCD相機 4的光斑圖像數據，評價光束質量并執行蟻群算法，向高壓放大器6輸出由迭代運算得到
的電壓信號，高壓放大器6向變形反射鏡l輸出控制電壓以改變變形反射鏡1的面形，最 終校正入射光束波前的各種像差；被分光鏡2反射另一束光用于成像等用途。當系統用于 對低亮度目標成像時，取消分光鏡2，光束直接被鏡頭3聚焦到CCD相機4上，如圖2 所示。
所述的蟻群算法優化變形反射鏡電壓的具體實現步驟如下
a. 初始化蟻群算法的最大循環次數iVC皿(本實施例取40)、信息素最高強度t,(本 實施例取2000)、信息素最低強度r幽(本實施例取IO)、信息素更新參數g (本實施例取 系統性能達到衍射極限時環圍能量的0.1%)、信息素揮發系數初始值Pc (本實施例取 0.9)、信息素揮發系數最小值/> , (本實施例取0.4)、螞蟻數目附(本實施例取20)、算 法停止條件參數e (本實施例取1)、電壓份數iV (本實施例取10)。確定變形反射鏡每個
驅動電壓"的范圍^V力邵e,2,…， );其中 為變形鏡驅動單元個
數，將各驅動電壓分為JV等份
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中第_/個驅動電壓的第/份為<formula>formula see original document page 7</formula>
b. 若WOX(^，fe ...,/2 )<e，則算法停止，變形反射鏡的最優控制電壓為-
<formula>formula see original document page 7</formula>
c. 參數重新設定令循環次數"c-0，信息素強度^ = Tmai (!'=1， 2， ... ， W , / =1, 2,...， n)，信息素揮發系數
d. 令第A只螞蟻采用輪盤賭的方式根據下面的狀態轉移概率公式所計算的概率選擇電壓
節點并前進，從W—直前進到TV.
<formula>formula see original document page 7</formula>
e.將每只螞蟻路徑對應的控制電壓輸出到變形反射鏡，采集獲得的光斑圖像并計算環圍 能量EE，將能使環圍能量最大的螞蟻的路徑向量賦給第l只螞蟻；環圍能量EE的定義為 其中/0)為光斑強度，本實施例中積分區域^取為CCD相機靶面中心區域；令循環
次數ATC-ATC+1，根據下式更新/>:
<formula>formula see original document page 8</formula>
^min， 其他
根據下式更新第1只螞蟻路徑上的信息素強度
其中j為第i只螞蟻對應的控制電壓輸出到變形反射鏡后得到光斑的環圍能量，《w的
范圍限制到[T;^,T皿〗
7" 7 、 T .
& min5 !).一 mm
從w "ew <
max<formula>formula see original document page 8</formula>
f,若iVC〈iVC廳，跳轉到步驟d，否則找出巧矩陣中每列最大的元素對應的行(;^，m2，… wn)，并縮小電壓的取值范圍
V;X+(m廣^)'一，2，
其中A"和A,2的定義如下
<formula>formula see original document page 8</formula>其他
本實施例中Ao=2。跳轉到步驟a 。
將蟻群算法獲得的最優控制電壓經高壓放大器6放大后輸出到變形反射鏡1,入射光束 的波前相差就得到了校正。
權利要求
1、基于蟻群算法的自適應光學系統，其特征在于包括變形反射鏡(1)、分光鏡(2)、鏡頭(3)、CCD相機(4)、計算機(5)、高壓放大器(6)，入射光束由變形反射鏡(1)反射后被分光鏡(2)分為兩束，一束透過分光鏡(2)后被鏡頭(3)聚焦到置于其焦平面的CCD相機(4)上，計算機(5)采集CCD相機(4)的光斑圖像，評價光束質量并執行蟻群算法，優化變形反射鏡(1)的驅動電壓，然后向高壓放大器(6)輸出電壓信號，經高壓放大器(6)放大后向變形反射鏡(1)輸出驅動電壓以改變變形反射鏡(1)的面形，最終校正入射光束波前的各種像差。
2、 根據權利要求1所述的基于蟻群算法的自適應光學系統，其特征在于所述被分光 鏡(2)反射的另一束光可用于成像或激光加工。
3、 根據權利要求1所述的基于蟻群算法的自適應光學系統，其特征在于當系統用于 對低亮度目標成像時，取消分光鏡(2),光束直接被聚焦到CCD相機(4)上。
4、 根據權利要求1所述的基于蟻群算法的自適應光學系統，其特征在于所述的評價 光束質量的指標為環圍能量EE-其中/(;)為光斑強度，況為需要獲得光束能量的區域。
5、 根據權利要求1所述的基于蟻群算法的自適應光學系統，其特征在于所述的蟻群 算法優化變形反射鏡驅動電壓的步驟如下a. 確定變形反射鏡每個單元驅動電壓力的范圍<formula>complex formula see original document page 2</formula>其中"為變形反射鏡驅動單元個數，將各驅動電壓分為M等份:<formula>complex formula see original document page 2</formula>其中第J'個驅動電壓的第i份為<formula>complex formula see original document page 2</formula>b. 若附欲max(h1，h2....，hn)，則算法停止，最優驅動電壓為<formula>complex formula see original document page 2</formula>c. 參數重新設定令循環次數M>0,信息素強度<formula>complex formula see original document page 3</formula>,信息素揮發系數;9-A);d. 令第Zt只螞蟻采用輪盤賭的方式根據下面的狀態轉移概率公式所計算的概率選擇電壓 節點并前進，從v1—直前進到vn:<formula>complex formula see original document page 3</formula>e.將使得光斑環圍能量最大的螞蟻的路徑向量賦給第1只螞蟻，循環次數AC-M:+1,根據下式更新/>:<formula>complex formula see original document page 3</formula>， 其他其中/^ 為設定的信息素揮發系數最小值。根據下式更新第l只螞蟻路徑上的信息素強<formula>complex formula see original document page 3</formula>其中J為第1只螞蟻路徑向量對應的電壓輸出到變形反射鏡后得到光斑的環圍能量EE, 2為信息素更新參數，rjrw的范圍限制到[r自,^^:<formula>complex formula see original document page 3</formula>f,若iVC〈iVC自，跳轉到步驟d，否則找出巧矩陣中每列最大的元素對應的行(mh/n2, mn)，并縮小電壓的取值范圍<formula>complex formula see original document page 3</formula>跳轉到步驟a 。
全文摘要
基于蟻群算法的自適應光學系統，由變形反射鏡、高壓放大器、CCD相機、計算機和蟻群算法組成；系統的入射光束由變形反射鏡反射后被分光鏡分為兩束，一束透過分光鏡后被鏡頭聚焦到CCD相機上，計算機采集CCD相機的光斑圖像，評價光束質量并執行蟻群算法，優化變形反射鏡的驅動電壓，向高壓放大器輸出電壓信號，經高壓放大器放大后向變形反射鏡輸出驅動電壓以改變變形反射鏡的面形，最終校正入射光束波前的各種像差；另一束用于成像等用途。本發明采用蟻群算法優化變形反射鏡的驅動電壓，無需信標光，不依賴于變形反射鏡的特性，具有成本低、結構簡單、可靠性高的優點，可用于多種低成本或不便采用波前傳感器的自適應光學系統。
文檔編號G06N3/00GK101344639SQ200810119130
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月27日 優先權日2008年8月27日
發明者平 楊, 董理治, 冰 許 申請人:中國科學院光電技術研究所