By manipulating the phase map of a wavefront of light using a spatial light modulator, the scattered light can be sharply focused on a specific target. Several iterative optimization algorithms for obtaining the optimum phase map have been explored. However, there has not been a comparative study on the performance of these algorithms. In this paper, six optimization algorithms for wavefront shaping including continuous sequential, partitioning algorithm, transmission matrix estimation method, particle swarm optimization, genetic algorithm (GA), and simulated annealing (SA) are discussed and compared based on their e±ciency when introduced with various measurement noise levels.

对随机并行梯度下降算法(SPGD)性能与不同变形镜排布规律的关系进行了研究。以采用Roddier方法生成的由52项Zernike像差构成的畸变波前为整形对象, 对SPGD算法的收敛速率和整形效果与变形镜排布规律(单元数分别为19、21、32、37、45、60、61、77、91)之间的关系进行了仿真研究。结果表明: 从整体分析, 随着变形镜单元数逐渐增多, SPGD算法的收敛速率和整形效果均逐渐变差; 从局部分析, 由于变形镜元胞类型变化和边缘占空比的影响, 在渐变规律中产生了局部差异。

由于强散射介质的散射作用，使得传统光学成像系统难以有效探测其内部目标。针对这一难点，提出了一种对强散射介质内部目标进行高分辨率实时成像的方法。基于强散射介质波前校正原理，采用汇聚照明方式，通过纯相位型空间光调制器，对散射介质表面点目标进行校正，使其清晰成像。在此基础上，保持调制图样不变，将汇聚照明改为扩展照明，即可实现对校正点附近较大视场和景深范围内目标的实时清晰成像。基于此方法搭建的实验系统很好地实现了强散射介质内部目标的实时成像，通过比较传统光学系统在无散射介质条件下和散射成像系统在有强散射介质条件下的成像质量，结果表明，散射成像系统具有更高的成像锐度。

本文首先介绍了基于Zernike模式的SPGD算法对大气湍流畸变波前的整形原理, 通过推导得到了关于性能指标的简明表达式, 使SPGD算法收敛速率得到明显提升。然后建立了自适应光学随机并行梯度下降算法波前整形系统模型, 主要对SPGD算法收敛速率、整形能力和整形效果随波前畸变量和变形镜模型的变化规律作了较为详细的仿真研究, 整体定性结果表明: 三者的变化规律有一定的相似性, 同时利用最小二乘法得到了关于整形能力和整形效果变化规律的定量表达式, 若从自适应光学波前整形系统的实时性和简单性考虑, 在保证一定整形效果的情况下, 选择37单元变形镜对畸变波前的3~27(25)阶Zernike像差进行整形即可。

为了加快控制变形镜进行波前整形的随机并行梯度下降(SPGD)算法的收敛速率, 提高实时波前整形能力, 本文利用由12阶Zernike多项式构成的畸变波前和32单元变形镜建立了仿真模型。基于Zernike多项式的单位正交性, 得到了两个常数矩阵, 当斯特列尔比(SR)达到08时, 需要算法迭代660次, 简化了算法的运算过程, 加快了算法运行时间。通过Matlab7.8.0对6种SPGD算法进行仿真对比, 结果显示: 当SR要求不高时, 可使用间接固定双边SPGD算法来提高收敛速度; 当SR要求较高时, 则应当使用间接自动双边SPGD算法。提出的算法为实际的激光整形提供了理论指导。