CN108123356A - 一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器 - Google Patents

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Abstract

一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器，其特征在于，其包括增益调节模块、滤波模块、A/D转换模块、可扩展接口模块、数字信号处理模块、串口模块、D/A转换模块、多通道放大模块和时钟网络模块；增益调节模块有输入信号接收端，增益调节模块接收包含多个单元光束的阵列激光共同作用产生的模拟探测信号，输入的模拟探测信号依次经过增益调节模块、滤波模块、A/D转换模块、可扩展接口模块、数字信号处理模块，数字信号处理模块经过控制算法运算处理，得到三路输出模拟探测信号进入可扩展接口模块，可扩展接口模块通过串口模块输出延时控制信号到延时控制器，可扩展接口模块通过通过D/A转换模块和多通道放大模块输出偏振控制信号到偏振控制器，可扩展接口模块通过通过D/A转换模块和多通道放大模块输出相位调制信号到相位调制器。

Description

一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器
技术领域
本发明一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器，属于激光相干技术、控制电路技术领域；具体是指一种可实现相位、延时、偏振控制的多光束阵列控制器。
背景技术
阵列激光的相位、延时、偏振控制是实现阵列激光相干合成的关键。通过高精度的相位、延时、偏振控制，可以将包含多个单元光束的阵列激光相干合成为高功率、高效率、高光束质量的优质激光源，从而广泛应用于战术激光武器、激光雷达、光电对抗、相干探测以及激光通信等诸多领域。
目前，阵列激光状态控制器分为单一参数控制器和多参数控制器两种，单一参数控制器一般以相位控制为主，多参数控制器一般为控制相位与延时或相位与偏振。阵列激光相位控制的目的是对阵列中各单元光束的随机相位扰动进行补偿，使得各光束的相位保持一致；延时控制的目的是对阵列中各单元光束的光程进行匹配，使得各光束的光程保持一致；偏振控制的目的是对阵列中各单元光束的偏振态进行调整，使得各光束的偏振态保持一致。通过对相位、延时、偏振进行高精度控制，可以提高阵列激光相干合成的功率、光束质量，本发明正是为满足高效率阵列激光相干合成的需求，研制一种实现相位、延时、偏振控制的多光束阵列控制器。
2012年，美国诺格公司的S.Benjamin Weiss等人实现了阵列激光相位、延时的控制，并发表于OPTICS LETTERS/Vol.37,No.4。该方案使用双探测器结构，其中一路，含有阵列激光相位信息，另一路，加入光纤布拉格光栅，将光谱移频，含有阵列激光延时信息，在控制器结构中需要两个相关检测过程，控制器结构较为复杂，系统可靠性下降。同年，诺格公司的Gregory D.Goodno等人实现了阵列激光相位、偏振的控制，并发表于OPTICS LETTERS/Vol.37,No.20。该方案使用双探测器结构，一个含有阵列激光相位信息，另一个含有阵列激光偏振信息，在控制器结构中需要两个相关检测过程，控制器体积重量增大。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器，以实现阵列激光相位、延时、偏振的高精度控制，以满足阵列激光高效率相干合成的需求。
一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器，其特征在于，其包括增益调节模块、滤波模块、A/D转换模块、可扩展接口模块、数字信号处理模块、串口模块、D/A转换模块、多通道放大模块和时钟网络模块；增益调节模块有输入信号接收端，增益调节模块接收包含多个单元光束的阵列激光共同作用产生的模拟探测信号，输入的模拟探测信号依次经过增益调节模块、滤波模块、A/D转换模块、可扩展接口模块、数字信号处理模块，数字信号处理模块经过控制算法运算处理，得到三路输出模拟探测信号进入可扩展接口模块，可扩展接口模块通过串口模块输出延时控制信号到延时控制器，可扩展接口模块通过通过D/A转换模块和多通道放大模块输出偏振控制信号到偏振控制器，可扩展接口模块通过通过D/A转换模块和多通道放大模块输出相位调制信号到相位调制器；数字信号处理模块与时钟网络模块连接，时钟网络模块的功能是为数字信号处理模块、A/D和D/A转换模块、可扩展输入/输出接口电路模块提供高稳时钟。
所述的增益调节模块接收1路模拟探测信号或同时接收多路模拟探测信号。
所述的输出相位调制信号电路上加一个阶梯模式相位调制模块，阶梯模式相位调制模块包括频率源、增益调节放大器和移相器，阶梯模式相位调制模块采用基于散斑优化的控制算法增加对输出相位调制信号的调节。
所述数字信号处理模块，是FPGA+DSP的组合运算电路，以适应不同相位、延时、偏振控制算法的要求。
所述控制器中的时钟网络模块，可以是高稳晶振经倍频、分频、混频等方式获得。
本发明结构简单，形式巧妙，体积比现有的控制器小很多，能够同时对激光的相位、延时、偏振多项参数进行调节，满足了阵列激光高效率相干合成的需求。
附图说明
图1、为本发明实施例一的结构示意图；在本例中，采用基于随机并行梯度下降的控制算法。
图2、为本发明实施例二的结构示意图；在本例中，包含有多个探测信号输入通道，采用基于交叉分组的控制算法。
图3、为本发明实施例三的结构示意图；在本例中，包含阶梯模式相位调制模块，采用基于散斑优化的控制算法。
具体实施方式
一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器，其特征在于，其包括增益调节模块、滤波模块、A/D转换模块、可扩展接口模块、数字信号处理模块、串口模块、D/A转换模块、多通道放大模块和时钟网络模块；增益调节模块有输入信号接收端，增益调节模块接收包含多个单元光束的阵列激光共同作用产生的模拟探测信号，输入的模拟探测信号依次经过增益调节模块、滤波模块、A/D转换模块、可扩展接口模块、数字信号处理模块，数字信号处理模块经过控制算法运算处理，得到三路输出模拟探测信号进入可扩展接口模块，可扩展接口模块通过串口模块输出延时控制信号到延时控制器，可扩展接口模块通过通过D/A转换模块和多通道放大模块输出偏振控制信号到偏振控制器，可扩展接口模块通过通过D/A转换模块和多通道放大模块输出相位调制信号到相位调制器；数字信号处理模块与时钟网络模块连接，时钟网络模块的功能是为数字信号处理模块、A/D和D/A转换模块、可扩展输入/输出接口电路模块提供高稳时钟。
所述的增益调节模块接收1路模拟探测信号或同时接收多路模拟探测信号。
所述的输出相位调制信号电路上加一个阶梯模式相位调制模块，阶梯模式相位调制模块包括频率源、增益调节放大器和移相器，阶梯模式相位调制模块采用基于散斑优化的控制算法增加对输出相位调制信号的调节。
所述数字信号处理模块，是FPGA+DSP的组合运算电路，以适应不同相位、延时、偏振控制算法的要求。
所述控制器中的时钟网络模块，可以是高稳晶振经倍频、分频、混频等方式获得。
本发明的具体实施方式如下：
图1为本专利提供的第一个实施例；在本例中，增益调节电路、滤波电路和A/D转换电路构成输入通道，包含多个单元光束的阵列激光共同作用产生的模拟探测信号，由增益调节电路和滤波电路进行预处理，经处理后的模拟探测信号通过A/D转换电路转换为数字探测信号，A/D转换电路的采样率、分辨率、精度范围以及灵敏度范围等参数，可以根据不同相位控制算法或不同相位控制精度的需求来确定。数字探测信号经可扩展输入接口电路送入数字信号处理模块。数字信号处理模块采用FPGA+DSP的组合运算电路，以适应不同相位控制算法的要求。本实施例中，采用基于随机并行梯度下降的控制算法，将数字探测信号运算处理，获得阵列激光中每个单元光束所对应的数字化相位、延时、偏振控制信号。
图2为本专利提供的第二个实施例；在本例中，阵列控制器包含有多个输入通道。相比图1所提供的实施例，本例经可扩展输入接口电路增加了多个输入通道，该通道由增益调节电路、滤波电路和A/D转换电路构成。多个相互关联或各自独立的探测信号(多个探测信号是否相互关联，由所需控制的阵列激光系统和所采用的相位控制算法决定)，分别经多个输入通道(多个输入通道各自的具体实施方式如第一个实施例中所述)，由接口电路送入数字信号处理模块。数字信号处理模块对多个探测信号进行基于交叉分组的控制算法计算(具体采用的算法也可由所需控制的具体阵列激光系统决定)，输出对应数量的多组数字化相位、延时、偏振控制信号。本例中对多路数字化控制信号的后续处理电路的具体实施方式与第一个实施例中所述相同。
图3为本专利提供的第三个实施例；在本例中，阵列控制器中包含阶梯模式相位调制模块，采用基于散斑优化的控制算法。相比图1所提供的实施例，最终输出的相位控制信号由数字信号处理模块经控制算法计算后，输出的相位控制信号与阶梯模式相位调制模块输出的调制信号相加得到。其中，阶梯模式相位调制模块由频率源、增益可调放大器和移相器组成。
在图1～图3所给出的三个实施例中，各自包含一个时钟网络模块。该时钟模块为数字信号处理模块、A/D转换电路、D/A转换电路、可扩展输入接口电路和可扩展输出接口电路，提供高稳时钟，可以是高稳晶振经倍频、分频、混频等方式获得。
在图1～图3所给出的三个实施例中，各自包含一个电源模块，可以采用直流供电，也可以采用交流供电。该电源模块为实施例中的整个控制器供电。
本发明涉及一种可实现相位、延时、偏振控制的多光束阵列控制器，属于激光相干技术、控制电路技术领域。该控制器接收包含多个单元光束的阵列激光共同作用产生的模拟探测信号，经滤波器后，通过A/D电路转换为数字信号，输入数字信号处理模块，进行相位、延时、偏振控制算法运算，得到阵列激光中每个单元光束所对应的数字化相位、延时、偏振控制信号，再经可扩展接口模块送入D/A电路以及串口电路，输出最终的多通道控制信号。本发明中控制器信号接收部分采用频域滤波与分时处理技术，可将相位、延时、偏振信息解耦，实现阵列激光的多参数控制；数字信号处理模块采用FPGA+DSP的组合运算电路设计，输出接口模块采用D/A电路以及串口电路组合设计，可适应不同控制算法及控制参数的要求；接口模块具有扩展端口，可以通过该扩展端口增加输入、输出通道，可满足不同单元数目的阵列激光的相位、延时、偏振控制要求。本发明在阵列激光相干合成以及高功率、高效率、高光束质量的新型激光源技术中有极为重要的应用。
一种实现相位、延时、偏振控制的多光束阵列控制器，其特征在于，所述控制器由增益调节模块、滤波模块、A/D转换模块、可扩展输入/输出接口电路模块、数字信号处理模块、串口模块、D/A转换模块、多通道放大模块、时钟网络模块和电源模块组成。所述控制器接收的是包含多个单元光束的阵列激光共同作用产生的模拟探测信号，输出的是阵列激光中每个单元光束所对应的相位、延时、偏振控制信号。所述控制器中的增益调节模块的功能是根据数字信号处理模块的输入要求和控制算法的计算要求，将输入的模拟探测信号调整为适当的可供后续处理的模拟探测信号。滤波模块的功能是将输入的模拟探测信号进行频域滤波，实现相位信息与延时、偏振信息的解耦。A/D转换模块的功能是将处理后的模拟探测信号转换为数字信号。可扩展输入接口电路模块的功能是将数字信号输入到数字信号处理模块。数字信号处理模块的功能是将数字探测信号进行控制算法运算，输出运算得到的阵列激光中每个单元光束所对应的数字化相位、延时、偏振控制信号。可扩展输出接口电路模块的功能是将数字化相位控制信号输出到串口模块和D/A转换模块。串口模块的功能是将延时控制信号输出到延时控制器。D/A转换模块的功能是将数字化相位、偏振控制信号转换为模拟相位、偏振控制信号。多通道放大模块的功能是对模拟相位、偏振控制信号进行输出调节，使得模拟相位、偏振控制信号满足所需控制的阵列激光系统中相位调制器、偏振控制器输入信号的指标要求。时钟网络模块的功能是为数字信号处理模块、A/D和D/A转换模块、可扩展输入/输出接口电路模块提供高稳时钟。电源模块为整个控制器供电。
所述控制器中的数字信号处理模块，是FPGA+DSP的组合运算电路，以适应不同相位、延时、偏振控制算法的要求。
所述控制器中的可扩展输入/输出接口电路模块，具有扩展端口，可以通过该扩展端口增加输入、输出通道(至少具有1个输入通道，也可以是2个或多个输入通道；至少具有1个输出通道，也可以是2个或多个输出通道；输入通道和输出通道的数目不一定相同)，以满足不同单元数目的阵列激光的相位、延时、偏振控制要求。
所述控制器中的滤波模块、A/D和D/A转换模块，均采用现有成熟技术，便于实现，节约成本。
所述控制器中的时钟网络模块，可以是高稳晶振经倍频、分频、混频等方式获得。
所述控制器中的电源模块，可以采用直流输入供电，也可以采用交流输入供电。
本发明的技术方案如下：所述控制器接收包含多个单元光束的阵列激光共同作用产生的模拟探测信号，经滤波器后，通过A/D电路转换为数字信号，输入数字信号处理模块，进行相位、延时、偏振控制算法运算，得到阵列激光中每个单元光束所对应的数字化相位、延时、偏振控制信号，再经可扩展接口模块送入D/A电路以及串口电路，输出最终的多通道控制信号。
所述控制器中的滤波模块，作用是将输入的模拟探测信号进行频域滤波，实现相位信息与延时、偏振信息的解耦。
所述控制器中的A/D转换模块和D/A转换模块，其采样率、分辨率、精度范围以及灵敏度范围等参数，可以根据不同相位、延时、偏振控制算法或不同相位、延时、偏振控制精度的需求来确定。
所述控制器中数字信号处理模块，是FPGA+DSP的组合运算电路，以适应不同相位控制算法的要求。
所述控制器中的可扩展输入/输出接口电路模块，具有扩展端口，可以通过该扩展端口增加输入、输出通道(至少具有1个输入通道，也可以是2个或多个输入通道；至少具有1个输出通道，也可以是2个或多个输出通道；输入通道和输出通道的数目不一定相同)，以满足不同单元数目的阵列激光的相位控制要求。
所述控制器中的串口模块的功能是将延时控制信号输出到延时控制器，其串行接口标准可以根据延时控制信号传输速率以及传输距离的需求来确定。
所述控制器中的多通道放大模块的功能是对模拟相位、偏振控制信号进行输出调节，使得模拟相位、偏振控制信号满足所需控制的阵列激光系统中相位调制器、偏振控制器输入信号的指标要求。
所述控制器中包含一个时钟网络模块，为数字信号处理模块、A/D和D/A转换模块以及可扩展输入/输出接口电路模块等提供高稳时钟，可以是高稳晶振经倍频、分频、混频等方式获得。
所述控制器中包含一个电源模块，可以采用直流供电，也可以采用交流供电。该电源模块为整个控制器供电。

Claims (5)

1.一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器，其特征在于，其包括增益调节模块、滤波模块、A/D转换模块、可扩展接口模块、数字信号处理模块、串口模块、D/A转换模块、多通道放大模块和时钟网络模块；增益调节模块有输入信号接收端，增益调节模块接收包含多个单元光束的阵列激光共同作用产生的模拟探测信号，输入的模拟探测信号依次经过增益调节模块、滤波模块、A/D转换模块、可扩展接口模块、数字信号处理模块，数字信号处理模块经过控制算法运算处理，得到三路输出模拟探测信号进入可扩展接口模块，可扩展接口模块通过串口模块输出延时控制信号到延时控制器，可扩展接口模块通过通过D/A转换模块和多通道放大模块输出偏振控制信号到偏振控制器，可扩展接口模块通过通过D/A转换模块和多通道放大模块输出相位调制信号到相位调制器；数字信号处理模块与时钟网络模块连接，时钟网络模块的功能是为数字信号处理模块、A/D和D/A转换模块、可扩展输入/输出接口电路模块提供高稳时钟。
2.根据权利要求1所述的一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器，其特征在于，所述的增益调节模块接收1路模拟探测信号或同时接收多路模拟探测信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器，其特征在于，所述的输出相位调制信号电路上加一个阶梯模式相位调制模块，阶梯模式相位调制模块包括频率源、增益调节放大器和移相器，阶梯模式相位调制模块采用基于散斑优化的控制算法增加对输出相位调制信号的调节。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种实现相位延时偏振控制的多光束阵列控制器，其特征在于，所述数字信号处理模块，是FPGA+DSP的组合运算电路，以适应不同相位、延时、偏振控制算法的要求。
5.一种如权利要求1或2或3或4所述的实现相位、延时、偏振控制的多光束阵列控制器，其特征在于，所述控制器中的时钟网络模块，可以是高稳晶振经倍频、分频、混频等方式获得。
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