CN104503042B - 一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率实时优化方法，该方法综合考虑导致光束漂移和光斑能量集中度下降的各种因素，利用快速反射镜抑制光束漂移；利用相位控制器补偿大气湍流和系统静态像差带来的光束波前畸变，并采用盲优化控制策略，以光纤耦合效率为目标函数进行优化，使之收敛并保持较高水平，从而克服大气湍流和系统静态像差对耦合效率的不利影响，最大程度提高光纤耦合效率。该方法无需位置和波前传感器，通过同时对快速反射镜和相位控制器的控制电压采用盲优化控制，使光纤耦合效率收敛并保持在较高水平。该方法原理简单，易于实现，在星地激光通信、激光雷达以及星地量子通信等领域有着重要的应用前景。

Description

一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率优化方法
技术领域
本发明涉及一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率优化方法。尤其是一种利用盲优化技术同时控制快速反射镜和相位控制器实现光纤高耦合效率的方法，该发明属于自由空间激光传输领域。
背景技术
星地激光通信等空间激光束传输通常采用光纤耦合探测器进行探测，其光纤耦合效率直接影响通信效率和成码率。因此如何提高接收端光纤耦合效率是需要解决的关键技术之一。然而，由于大气湍流的影响，以及光学天线的加工和装配误差及机械振动等因素会引起激光束波前畸变，造成光束漂移和光斑能量集中度下降，从而造成接收端的光纤耦合效率下降。
Takenaka H等(Takenaka H,Toyoshima M,Takayama Y.Experimental verify-cation offiber-coupling efficiency for satellite-to-ground atmospheric laser downlinks[J].Opt.Exp.,2012,20(14):15301-15308.)、中国专利(申请号：201110460843.6)与中国专利(申请号：201310161222.7)分别采用快速反射镜、液晶相位调制器与光纤抖动等方法来抑制光束偏移对耦合效率的影响，可一定程度上提高耦合效率。但上述方法无法抑制大气湍流导致的光束能量集中度下降的影响，只能有限提高耦合效率。韩立强等(韩立强,祁王,Katsunori S等.盲优化波前校正提高自由空间光通信光纤耦合效率[J].强激光与粒子束,2010,22(9):1999-2002.)提出盲优化方法提高耦合效率。但该方法没有采用快速反射镜，无法抑制光束偏移的影响；并且该系统的优化对象是分束后进入光电探测器的能量，而不是以耦入光纤能量为参考的耦合效率，二者存在较大差异；此外从原理上看，该方法只是一种优化式自适应光学系统的应用，不能从根本上解决耦合效率下降的问题。
综上所述，目前尚缺乏一种既能最大程度提高空间激光束的耦合效率，又结构简单、易于控制的方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率优化技术，综合考虑导致光束漂移和光斑能量集中度下降的各种因素，利用盲优化方法，通过同时控制快速反射镜和相位控制器，实现最优耦合位置和角度，并补偿大气湍流和系统静态像差带来的光束波前畸变，提高光束能量集中度，实现最大耦入能量。
本发明采用的技术方案是：本发明提供一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率优化技术，其步骤包括：
步骤一：光学天线接收空间激光束，经快速反射镜和相位控制器先后反射后由耦合透镜耦入光纤；
步骤二：进入光纤的光束经功分器或者分频器一路送入接收机进行信号处理，另一路送入光电探测器进行能量探测，并计算耦合效率；
步骤三：盲优化控制器根据光电探测器输入的耦合效率和优化策略，计算出输出电压，同时施加于快速反射镜和相位控制器，通过迭代实现耦合效率的最大化；
所述盲优化控制器采用盲优化算法，根据性能评价函数即耦合效率的变化，计算并输出快速反射镜和相位控制器的控制电压，并通过迭代，使耦合效率收敛并保持在全局最优值。
进一步的，所述盲优化控制器，所述控制电压为通过同一个耦合效率指标计算得到并同时施加到快速反射器和相位控制器上的控制电压。
进一步的，所述盲优化控制器，所述方法中的快速反射镜和相位控制器无需位置传感器和波前传感器，其控制由同一个盲优化控制器统一实施。
进一步的，所述快速反射镜通过安装在反射镜面后的两个独立运动的驱动器来改变光束的偏转方向。
进一步的，所述相位控制器为可以根据需要而改变光束横截面上各点的光程长度，从而达到校正波前畸变的目的。而光程长度的改变可以通过反射镜面的位置移动或传输介质折射率的变化而实现。典型的相位控制器包括薄膜变形镜、压电陶瓷变形镜、微机电变形镜或液晶相位控制器等。
进一步的，所述光电探测器可将光信号转换为电信号，并将电信号传输给盲优化控制器。
进一步的，所述盲优化算法包括随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或爬山法等盲优化控制算法。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明所提方案无需位置传感和波前传感等探测器件，通过盲优化策略来实现耦合效率的最大化，可减少分光器件，简化系统结构。
(2)本发明方法直接针对光纤耦合效率进行优化，可得到耦合效率的全局最优结果。
(3)本发明通过同时控制快速反射镜和相位控制器，实现最优耦合位置和角度，并提高光束能量集中度，实现最大耦入能量，降低了系统控制的复杂度。
附图说明
图1为本发明光纤耦合效率优化方法原理框图。
图2为本发明随机优化控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明提供一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率优化方法，其步骤包括：
步骤一：光学天线接收空间激光束，经快速反射镜和相位控制器先后反射后由耦合透镜耦入光纤；
步骤二：进入光纤的光束经功分器或者分频器一路送入接收机进行信号处理，另一路送入光电探测器进行能量探测，并计算耦合效率；
步骤三：盲优化控制器根据光电探测器输入的耦合效率和优化策略，计算出输出电压，同时施加于快速反射镜和相位控制器，通过迭代实现耦合效率的最大化；
所述盲优化控制器采用盲优化算法，根据性能评价函数即耦合效率的变化，计算并输出快速反射镜和相位控制器的控制电压，并通过迭代，使耦合效率收敛并保持在全局最优值。
其中，所述盲优化控制器，所述控制电压为通过同一个耦合效率指标计算得到并同时施加到快速反射器和相位控制器上的控制电压。
其中，所述盲优化控制器，所述方法中的快速反射镜和相位控制器无需位置传感器和波前传感器，其控制由同一个盲优化控制器统一实施。
其中，所述快速反射镜通过安装在反射镜面后的两个独立运动的驱动器来改变光束的偏转方向。
其中，所述相位控制器为可以根据需要而改变光束横截面上各点的光程长度，从而达到校正波前畸变的目的。而光程长度的改变可以通过反射镜面的位置移动或传输介质折射率的变化而实现。典型的相位控制器包括薄膜变形镜、压电陶瓷变形镜、微机电变形镜或液晶相位控制器等。
其中，所述光电探测器可将光信号转换为电信号，并将电信号传输给盲优化控制器。
其中，所述盲优化算法包括随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或爬山法等盲优化控制算法。
本发明主要技术内容是利用盲优化的方法，控制快速反射镜和相位控制器的控制电压，达到控制光束波前相位的目的，最终实现耦合效率的最大化。光学天线接收空间激光束，经快速反射镜和相位控制器先后反射后由耦合透镜耦入光纤。进入光纤的光束经功分器或者分频器一路送入接收机进行信号处理，另一路送入光电探测器进行能量探测，并计算耦合效率。盲优化控制器根据光电探测器输入的耦合效率和优化策略，计算出输出电压，施加于快速反射镜和相位控制器，通过迭代实现耦合效率的最大化。下面以随机并行梯度下降算法(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)为例介绍其盲随机优化策略如图2所示，工作流程为：
(1)设置快速反射镜和相位控制器当前驱动电压u＝u0(u为n+2维驱动电压向量，n为相位控制器单元数)，其中u0为初始电压，初始电压一般为系统静态偏移补偿后所施加的电压，当初始电压未知时，可以设定为0；
(2)产生服从伯努利分布的随机扰动δu；
(3)将δu叠加在控制电压u上后计算耦合效率J+＝J(u+δu)；
(4)将第(2)步产生的随机变量δu反号后，再叠加在控制电压u上计算负向扰动后的耦合效率J-＝J(u-δu)，然后计算耦合效率的改变量δJ＝(J+-J-)/2；
(5)按SPGD迭代公式计算出下一步迭代的控制电压u'＝u+γδJδu后，更新控制电压，令u＝u'；
(6)转入第(2)步继续进行迭代直到满足迭代终止条件。
本发明综合考虑导致光束漂移和光斑能量集中度下降的各种因素，通过同时控制快速反射镜和相位控制器，实现最优耦合位置和角度，并以耦合效率为优化目标函数，实时补偿大气抖动和系统机械抖动带来的光斑漂移，可大幅度提高光纤耦合效率，实现能量的最大耦入。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率实时优化方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：光学天线接收空间激光束，经快速反射镜和相位控制器先后反射后耦入光纤；
步骤二：进入光纤的光束经功分器或者分频器一路送入接收机进行信号处理，另一路送入光电探测器进行能量探测，并计算耦合效率；
步骤三：盲优化控制器根据其优化策略和光电探测器输入的耦合效率，计算出输出电压，同时施加于快速反射镜和相位控制器，通过迭代实现耦合效率的最大化；
所述盲优化控制器采用盲优化算法，根据性能评价函数即耦合效率的变化，计算并输出快速反射镜和相位控制器的控制电压，并通过迭代，使耦合效率收敛并保持在全局最优值；
所述盲优化控制器，所述控制电压为通过同一个耦合效率指标计算得到并同时施加到快速反射器和相位控制器上的控制电压；
所述盲优化控制器，所述方法中的快速反射镜和相位控制器无需位置传感器和波前传感器，其控制由同一个盲优化控制器统一实施；
所述快速反射镜通过安装在反射镜面后的两个独立运动的驱动器来改变光束的偏转方向；
所述相位控制器为可以根据需要而改变光束横截面上各点的光程长度，从而达到校正波前畸变的目的，而光程长度的改变通过反射镜面的位置移动或传输介质折射率的变化而实现，相位控制器包括薄膜变形镜、压电陶瓷变形镜、微机电变形镜或液晶相位控制器。
2.根据权利要求1所述的一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率实时优化方法，其特征在于：所述光电探测器可将光信号转换为电信号，并将电信号传输给盲优化控制器。
3.根据权利要求1所述的一种克服大气湍流的空间激光束光纤耦合效率实时优化方法，其特征在于：所述盲优化算法为随机并行梯度下降算法、模拟退火算法或爬山法。
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