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RSS2021年 33卷 第8期
波前传感是自适应光学系统的重要组成部分，在地基大口径望远镜、激光大气传输、无线光通信、激光驱动核聚变等领域发挥了关键作用，同时也常应用于自由曲面的光学测量中。与此同时，深度学习作为一种较为通用的前沿技术，成功在计算机视觉、自然语言处理等众多领域取得了革命性进展。使用深度学习的方法改进自适应光学系统中的波前传感器，以期实现更精准的波前探测，以及适应更复杂的应用场景是自适应光学的发展趋势，也是深度学习应用领域的一个新课题。介绍了深度学习在自适应光学波前传感中的应用现状，主要分析了在相位反演波前传感器和哈特曼波前传感器中的研究特点，并在最后进行了总结和展望。
地基激光空间碎片清除和利用激光辐射把转换的太阳能从空间轨道输运到地面等应用中，不可避免地遇到高功率激光在非均匀大气中的传输问题。由于激光功率已远远超过大气非线性自聚焦临界功率，大气自聚焦效应是影响光束质量的一个重要物理因素。概述了近年来国内外高功率激光在非均匀大气中上行或下行传输的自聚焦效应研究进展，主要介绍了高功率激光在非均匀大气中的传输模型、理论基础、数值和解析研究方法，着重介绍了自聚焦效应对激光传输特性和光束质量的影响，并总结了优化靶面光束质量的方案。此外，还介绍了大气群速度色散效应和大气湍流效应等物理因素对激光光束质量的影响。最后，还提出了该领域值得进一步深入研究的一些问题。
总结了国内外自适应光学技术在无线光通信系统应用中的研究进展和技术分类，同时介绍了西安理工大学在该领域的工作，包括有波前测量的自适应光学系统、无波前测量的自适应光学系统、液晶空间光调制器波前校正、偏摆镜和变形镜组合的波前校正、空间光光纤耦合自适应光学波前校正等。自适应光学技术可有效修正无线光通信系统中由大气湍流引起的畸变波前，提高耦合效率和通信性能。虽然这些方法在理论分析和工程实际中尚不完善，但不失为人们在该领域进行的有益探索。
近年来自适应光学（AO）系统向着小型化和低成本化趋势发展，无波前探测自适应光学（WFSless AO）系统由于结构简单、应用范围广，成为目前相关领域的研究热点。硬件环境确定后，系统控制算法决定了WFSless AO系统的校正效果和系统收敛速度。新兴的深度学习及人工神经网络为WFSless AO系统控制算法注入了新的活力，进一步推动了WFSless AO系统的理论发展与应用发展。在回顾前期WFSless AO系统控制算法的基础上，全面介绍了近年来卷积神经网络（CNN）、长短期记忆神经网络（LSTM）、深度强化学习在WFSless AO系统控制中的应用，并对WFSless AO系统中各种深度学习模型的特点进行了总结。概述了WFSless AO技术在天文观测、显微成像、眼底成像、激光通信等领域的应用。
光学相控阵光束扫描技术在激光雷达、空间光通信和光开关等领域拥有巨大的应用潜力。微透镜阵列光学相控阵可以通过微透镜阵列间μm量级的相对位移同时对多个出射光束的二维倾斜相位进行调制，从而实现大角度二维光束扫描，具有出射口径大、结构简单、体积小、微惯性、多功能等优点。首先介绍了微透镜阵列光学相控阵的扫描原理，之后对微透镜阵列光学相控阵国内外的发展现状、应用和现阶段存在的问题进行了阐述，最后对微透镜阵列光学相控阵的发展趋势进行了展望。
近年来，光场调控逐渐成为光学领域的热点研究课题，光场相干性调控可以引发许多新颖物理效应。其中，通过相干性调控得到的特殊关联结构光束不仅展现出奇特的传输特性，而且可以有效地降低大气湍流引起的光强退化、光束漂移、光强闪烁和退偏振等负面效应。因此，特殊关联结构光束在自由空间光通信领域具有重要的应用前景。本文回顾了特殊关联结构光束的构建基础理论和大气传输研究方法及其发展历程，举例展示近些年典型特殊关联结构光束的大气传输研究成果。
“之字形”光路薄管固体激光是一种结构紧凑、增益高且利于发射的新型激光光源。针对薄管固体激光光源及其大气长程传输过程中的光束质量退化问题，提出了基于直角锥面变形镜的薄管激光校正方法，进而通过建立薄管激光校正模型以及大气长程传输模型，开展了薄管激光大气长程传输光束质量分析。首先，针对大遮拦比窄环宽环形光束与发射系统的匹配问题，提供了一种薄管激光环形光束整形变换方案，有效实现了薄管激光的整形和变换。然后，分析了薄管激光光源光束质量、大气湍流效应和热晕效应等对整形变换后的薄管激光大气长程传输特性的影响，进而明确了薄管激光大气长程传输光束质量退化机理。最后，分析了直角锥面变形镜对薄管激光的光源畸变、大气湍流的低频分量和热晕导致的离焦相位等的校正效果。结果表明，经过直角锥面变形镜的校正，薄管激光光源光束质量明显改善，大气长程传输后的远场光束质量有所提高。若进一步配合常规变形镜进行联合校正，薄管激光大气长程传输后的远场光束质量可得到显著提升。
等晕角是重要大气光学参数之一，对天文光学站址选择、大气湍流效应自适应光学校正效果评价等有着重要的意义。分析了国内外等晕角测量技术，介绍了等晕角测量的基本原理，设计了三环变迹镜并开展了数值验证，分析并提出了高精度等晕角测量仪的主要技术指标，研制了一套高精度等晕角测量仪，结果表明，该仪器能够满足全天时的等晕角测量。
介绍了平台间光路耦合传输系统的构成及光轴稳定控制的实现方法，开展了耦合校正系统和探测控制系统的设计，对校正系统进行了动态范围和模态仿真，优化设计后研制出光束耦合传输与控制系统。在对快反镜性能参数测试之后，开展了平台间光束耦合传输与控制实验，当振动台加载0 db振动谱且控制系统开环时，光轴X轴抖动10.9″@RSM，Y轴抖动102.3″@RSM，闭环时，光轴X轴抖动0.75″@RSM，Y轴抖动1.11″@RSM，通过频谱分析发现，快反镜光轴耦合系统闭环时对28 Hz以内光轴抖动具有较好地抑制作用，在系统开环残差较大的频率段2～6 Hz的抑制比为−40～−30 dB。实验结果表明，该光轴耦合控制系统对平台间光束传输过程中光束抖动具有较好地抑制和稳定效果。
相位差技术可以直接利用两幅或多幅图像的强度信息，重构出波前相位信息和目标清晰图像，具有光路简单、成本较低、适用于扩展目标等优点，在望远镜的系统像差检测和目标图像重建方面得到了大量应用。相位差波前探测的关键在于求解非线性代价函数的最优化问题，需要避免陷入局部极值并降低计算时间，才能满足动态变化波前实时探测的需求。同时在重建目标清晰图像时，通常需要做正则化和去噪处理，来提高重建图像的质量。本文主要介绍相位差技术的基本原理，以及近年来的研究进展，并对该技术未来的发展进行了展望。
探测波前相位信息是实现自适应光学波前补偿的关键，使用卷积神经网络（CNN）代替波前传感器进行波前重构，系统简单易于实现，同时重构过程不依赖迭代运算，快速实时。为准确提取远场中的波前特征，CNN需要事先使用大量样本进行训练。研究中根据4～30阶大气湍流泽尼克像差系数与其远场强度的对应关系，仿真制作样本数据集，训练CNN从输入的一帧远场图像中预测出畸变波前的泽尼克像差系数，重构原始波前。验证结果表明，该方法能快速实时地还原出波前相位信息，重构波前较原始波前具有极高的波面吻合度和较小的残差剩余量，有望实现实际自适应光学系统中的闭环校正。
将适用于复杂系统各个节点电磁响应同步求解的电磁拓扑方法引入到配电网络雷电过电压问题的分析中。首先，给出了传输线网络的BLT方程及其元素构建方法；然后，通过一个复杂的配电网络对电磁拓扑的分析流程进行了详细说明，并重点展示了理想节点散射矩阵的求解步骤。结果表明：电磁拓扑方法可以应用在配电网络节点雷电过电压的分析中，其计算结果与CST的结果非常吻合，且耗时远远低于CST。
利用随机降阶模型（SROM）对影响线缆串扰的不确定变量进行了敏感性分析，在此基础上预测了在这些不确定性变量影响下的串扰不确定度。并搭建三导体传输线串扰实验系统，测量了近端串扰和远端串扰，根据标准GB/Z 6113.401—2018/CISPR/TR 16-4-1:2009，评估了串扰实验的测量不确定度。将基于SROM方法的串扰不确定度，与实际测量获得的不确定度进行对比。结果表明，二者随频率变化趋势一致，且实验测试不确定度在预测不确定度范围内。采用SROM方法选取样本计算的不确定度可用于预测串扰实际测量结果不确定度。
强流重离子加速器装置（HIAF）将采用电子冷却技术，降低重离子束流的发射度和动量分散，提高核物理及原子物理实验的精度与亮度。电子冷却装置的冷却段磁场均匀度是影响冷却效率的主要参数，HIAF电子冷却装置采用多个独立高精度线圈串联产生纵向磁场的设计，获得极高的冷却段磁场均匀度。本文介绍了一种测量高精度线圈磁轴偏角的装置，采用定位装置测量线圈的几何对称轴，通过旋转霍尔探头测量线圈中心平面上的径向与轴向磁场分布，再根据磁场测量数据计算出线圈磁轴与几何对称轴之间的偏角。实际测量表明该装置的磁轴偏角测量精度达到±0.10 mrad。测量得到的HIAF电子冷却装置冷却段线圈样品的磁轴偏角为（1.28±0.10）mrad，达到设计要求。
基于同步光的干涉法，是一种非拦截高精度的束流截面测量手段。相比传统成像法，干涉法可以测量更小的束团尺寸、分辨率更好，较短测量波长下有望获得亚μm级的分辨率，因此在同步辐射光源中得到广泛应用。对合肥光源HLS II的原有同步光干涉装置，提出了将原有的干涉光路中第一面聚焦透镜换成RC结构聚焦反射镜，第二面单透镜换成双胶合透镜，以达到在不改变光路光轴情况下减小色散和几何像差，从而提高光路成像质量的目的。采用几何光路设计方法对成像质量进行评价，并进行物理光学仿真计算，得到测量系统的干涉条纹。仿真结果表明：光学系统成像的艾里斑半径减小约35%，点列图的均方根半径减小了约99%，波前差也减小了约75%，调制传递函数（MTF）的截止频率提高了约65%，采用聚焦反射镜代替原有的聚焦透镜可大幅提升光路成像质量。
模态分析可以获得结构的动特性参数。对32级模块化Marx发生器机芯进行了力学特性仿真分析和模态试验，用以评估Marx发生器的力学环境适应性。首先，建立了模块化Marx机芯的有限元模型，获得了初步振型；其次，在自由边界条件下分别开展了Marx机芯整体模态试验、局部模态试验和传递特性试验，得到了整体和局部结构的模态参数。研究表明，模块化Marx机芯在23.58 Hz处出现整体一阶扭转；机芯局部结构固有频率较高；机芯在x，y，z三个方向的振动传递率的范围分别为5～15，6～10和10～35，为后续工程中Marx发生器机芯的针对性设计提供了参考。
中性束注入弧电源的性能严重影响弧放电的稳定性和中性束加热的效率。HL-2A装置弧电源采用基于晶闸管相控调压和12脉波不控整流的线性电源技术；HL-2M测试束线弧电源采用基于超级电容和IGBT全控整流的开关电源技术。为了优化电源系统性能、改进弧放电稳定性，研究了采样频率对弧放电稳定性的影响。通过对两套电源控制系统进行建模，利用MATLAB仿真了不同采样频率下HL-2M弧流电源控制系统的阶跃响应性能和HL-2A的控制系统性能，分析了采样频率对系统性能的影响。利用离子源测试平台进行不同采样频率下的弧放电实验对仿真结果进行验证，实验结果与仿真结果一致。实验结果验证：采样频率对弧放电稳定性有很大影响，在频率可调范围内，增大采样频率，可以提高控制系统性能，优化弧放电稳定性；HL-2A弧放电不稳定的原因是晶闸管导通特性和滤波电路引起的。
为满足中国散裂中子源（CSNS）多功能反射谱仪（MR）主探测器高气压3He多丝正比室探测器（MWPC）的需求，研制了专用的读出电子学系统。该系统主要由核心前放板和触发扇出板构成，其中以前放板为核心，采用了6块前放板实现探测器142路模拟信号的数字化，并通过判选机制甄别中子信息，将有效中子事例打包发送给后端，触发扇出板提供同一时刻到达的T0信号和触发信号，以确保数据的对齐。读出电子学系统分别在实验室和束流条件下，进行了相关指标测试，测试结果表明性能优于设计要求。目前MWPC探测器已经成功安装到MR谱仪现场，并且已经开始稳定运行。
利用有限元程序ANSYS，开展潘宁离子俘获装置的电场模拟计算。基于电场数据，结合Runge_Kutta_Fehlberg方法进行潘宁装置在多种模式下的离子俘获过程模拟工作，得到了准确的离子俘获结果。并对实际条件下具有偏离理想情况电极分布的俘获装置进行了优化计算及电场分析，同样实现了离子俘获过程的准确模拟。有限元方法用于离子俘获装置的电场计算以及后续离子俘获过程模拟流程的建立，为类似的电势阱离子俘获装置建造运行提供有效的技术支持。
