提出了一种应用快速傅里叶变换算法提高哈特曼夏克波前传感器波前重构实时性的快速算法。在根据波前斜率值应用最小二乘法估计波前相位的过程中,应用快速傅里叶变换算法进行方程的对角化和相位值的解耦,算法精度高、稳定。空间分辨率越高,算法实时性的优越性就越显著。

随机并行梯度下降算法能不依赖波前传感器直接对系统性能进行优化。以32单元变形镜为校正器,采用随机并行梯度下降算法建立了自适应光学系统仿真模型。通过分析该系统对静态波前畸变的校正能力,验证了随机并行梯度下降算法的收敛性;讨论了算法增益系数、随机扰动幅度与收敛速度的关系,并指出通过算法增益系数的自适应调整可以改进算法的收敛速度。

运用Noll建议的Zernike多项式形式表征经大气扰动的波面，求出由两个离焦面上的光强分布决定的Zernike多项式的前n项在特定的探测器上的响应矩阵R.由R和输入的随机波面在两个离焦面上的光强分布，可方便地求出其Zernike多项式的系数，从而实现了波前的探测和重构.采用光线追迹的方法，用计算机模拟验证了这种方法的原理和可行性.

针对激光主动成像中的波前畸变和散斑噪声，分析了散斑噪声对基于图像指标优化的波前校正性能影响。通过仿真不同散斑噪声水平下图像清晰度指标值随波前均方根值的变化趋势，研究了散斑噪声对波前校正性能的影响。在此基础上，通过开展大气湍流波前畸变闭环校正数值仿真，对分析结果进行了验证。研究结果表明：随着散斑噪声的增大，图像清晰度指标随波前均方根(RMS)值的单调性和线性度明显变差，尤其是在RMS小于1 rad范围内，导致收敛速度和最终的校正精度变差；当散斑噪声较大时，随着波前畸变的增大，散斑噪声对校正性能的影响也越大。

随机并行梯度下降（SPGD）算法已被证明是一种较为有效的像清晰化系统控制算法，具有不依赖波前传感器直接对系统性能指标进行优化的特点。其控制参数增益系数和扰动幅度决定了算法的收敛速度以及收敛稳定性。参数取值范围较窄，超出范围将导致收敛后期的震荡，或者较慢的算法收敛速度。研究了算法增益系数和扰动幅度对校正效果和收敛速度的影响，提出了一种参数自适应优化的方法。基于52单元变形镜、位置敏感传感器等器件建立了SPGD控制算法的像清晰化实验平台，验证该方法的有效性。实验结果表明，该方法扩展了参数取值范围，提高算法收敛速度的同时具有较好的收敛稳定性。

微透镜阵列是夏克哈特曼波前传感器的核心部件。根据液晶空间光调制器(LC-SLM) 的相位调制原理，控制LC-SLM生成焦距、子孔径尺寸和排布方式可调的微透镜阵列，应用于哈特曼波前传感器，对入射光波进行分割，测量子孔径内波面的平均斜率，复原出入射波面的相位分布，以此为校正信号，对畸变波面进行单步校正，校正前后光波的斯特列尔比值从0.12变为0.59。 针对LC-SLM产生的微透镜阵列，讨论了透镜焦距、相邻间距、阵列数目及微透镜性能各影响因素。理论和实验结果表明，基于LC-SLM的动态哈特曼传感器具有子孔径大小、数目和排布方式根据外界条件变化控制灵活，可动态变化的优点。

如何有效校正随人群起伏很大的人眼像差，提高视网膜高分辨率成像技术的人群适用范围是临床应用面临的最大难题。现有的单一波前校正器无法同时清除高阶和低阶视觉像差。针对人眼高阶像差校正需求，研制成功了169单元3 mm 极间距分立式压电变形镜，并与大行程Bimorph变形镜组合，建立了一套双变形镜的人眼视网膜成像系统。系统可实现对离焦小于±4.5 D、散光小于±3.0 D 的低阶像差及前8阶Zernike像差的有效校正，极大地提高了系统的人群适用范围和成像质量。以低阶像差大小作为入选标准，进行小样本量人眼视网膜成像实验，获得了近衍射极限的视网膜图像。该系统适用范围明确，便于后续临床应用。

自适应光学系统的光路通常包含很多光学器件，而各光学器件存在加工误差、装调误差和非均匀热变形等，这些因素会对光束质量产生影响，因此系统内光路相位畸变的校正对获得好的光束质量至关重要。然而系统光路较长时，激光在传输过程中的衍射效应会对内光路相位畸变的校正效果产生重要影响。模拟了离焦和像散等实际应用中存在的主要畸变在不同衍射(以菲涅耳数表征)和像差大小下的校正效果。研究表明：校正效果随着衍射的增强而变差，校正效果良好的菲涅耳数范围为Nf>11；随着像差的增大相位校正效果变差。

为满足天文观测及激光通信等领域的1000单元级以下的自适应光学(AO)系统的高速实时处理的要求,提出一种单板上实现高速实时计算的通用化技术方案。采用多核CPU实时计算波前,结合高速图像采集卡,以满足系统高帧频的需求；计算机系统采用Xenomai实时操作系统及Linux操作系统，以满足AO 系统低延迟的需求；实现了在单台计算机上集成实时处理与监控的紧凑型处理系统。采用向量指令优化及多核并行运算，在6核的计算平台上获取了峰值每秒510亿次浮点运算的计算能力，102 GB/s的通信带宽。仿真结果表明可以对1145个驱动器，949个子孔径的系统进行2000 Hz的处理，处理延迟低于240 μs；通过修改参数后，应用于光通信的137单元AO系统中，校正后斯特列尔比为0.61。结果表明该处理方案能满足1145单元以下AO 系统2000 Hz实时处理的需要,并具有通用性。

随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种基于直接性能指标优化的相位控制方法, 在自适应光学中有较好的适用性。该算法主要包含增益系数和随机扰动幅度两个可变参数, 其取值对算法收敛性有很大的影响。对双边SPGD算法实现收敛时参数的取值要求进行研究, 结合算法原理分析了算法参数的取值范围, 并通过大量仿真实验找出所有使双边SPGD算法收敛的增益系数和随机扰动幅度值; 得到随机扰动幅度的取值下限, 理论和仿真分析了下限存在的原因及取值; 在相干合成中存在相位噪声, 研究了不同相位校正器参数的情况下可使算法收敛的参数的取值范围。