CN108196244A - 基于spgd算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，属光电探测技术领域。系统包括驱动与温控电路系统、基于SPGD算法光波相位控制系统、连续光纤激光器、光纤、电光调制器、相位调制器、光隔离器、连续光纤放大器、准直扩束器和采样器。本发明能够利用反馈精稳的驱动与温控电路对N个连续光纤激光器实现功率放大，可根据探测功率需求无限量地增加合成光束的路数N，同时利用SPGD算法控制器对N路功率放大的脉冲光变化的相位进行闭环反馈调节和相位实时补偿，可实现对N路脉冲光束在锁相的同时，又能够符合一定角度下光束相干合成偏转。且能够解决传统机械扫描惯性大、灵敏度低、探测距离近及其传统的SPGD法不能实现扫描光束偏转的难题。

Description

基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统

技术领域

本发明涉及一种基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，属光电探测技术领域。

背景技术

与传统机械扫描雷达发射系统相比，光纤相控阵激光雷达发射系统因为具有惯性小、扫描速率快、灵敏度高等优点，被广泛应用在军事侦察、多目标追踪、地形测绘等诸多领域中。但是，这些探测领域都具有地面情况复杂及距离较远的特点，而现有的光纤相控阵激光雷达由于发射功率低和灵敏度差，无法满足远距离、高灵敏的探测需求，因此，实现光纤相控阵雷达的高功率激光输出，成为了当今光电探测领域的一大难题。

目前常用的方法是通过主动相位控制对多光束激光进行相干合成，来实现高功率激光输出，而保证各光束之间良好的时间相干性，主要采用主振荡功率放大(MOPA)技术方案。该方案能实现动态相位误差检测和实时闭环校正，并具有校正精度高、闭环速度快的特点。常用于MOPA的锁相技术主要有三种方法：外差法、抖动法和随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent:SPGD)法。对于N路光束的相干合成，外差法闭环速度快，控制带宽高，但是光路与电路均比较复杂，且需要N个光强探测器与N个相位解调电路以完成系统的闭环控制，利用该方法实现多光束锁相难度非常大；抖动法只需要1个光强探测器以及N个相位解调电路以完成系统的闭环控制，降低了探测器的排列要求，使光路结构更加简单，但是对于一个有N路光束参与合成的系统而言，其相位噪声的特征频率将随着合成光束路数的增加而增加，使光束数目的增加受到了限制；基于SPGD算法的N路光束相干合成的MOPA系统则无需相位解调电路，当扩展光束路数时不需要增加光学单元和电学单元，而且该系统结构紧凑便于调节，因此，该方法能够有效地实现多光束的相位锁定。

采用SPGD算法可以简化光路，无需使用复杂的相位平移误差探测结构，通过并行优化方式实现锁相，因此，在多光束相干合成的MOPA系统中，SPGD算法可以保持较快的控制能力(如文献《基于随机并行梯度下降算法光纤激光相干合成的高精度相位控制系统》，P5)，控制的迭代速率为200kHz。由此表明，SPGD算法能够实现高速的相位控制。但是，当前基于SPGD算法的光纤阵列相干合成技术仅能实现几路脉冲光束进行相干合成(如文献《基于主动相位控制的脉冲激光相干合成技术》实现了两路脉冲激光相干合成)，合成的功率太低，还不能对相控发射系统的工作温度和激光功率进行反馈调节，所以无法满足多功能可调控的远距离探测需求。而且，现有的基于SPGD算法光纤阵列相干合成技术，又不能实现某一特定角度的偏转扫描，因此，无法对可疑目标进行实时地高灵敏探测，使光纤相控阵激光雷达在诸多领域的应用受到了严重障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，该系统采用SPGD算法实现多路光纤激光相干合成，在实现多光束相干合成功能的基础上，并向特定角度进行偏转扫描，且最大限度降低系统复杂度，提高系统稳定性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，包括：驱动与温控电路系统、基于SPGD算法光波相位控制系统、连续光纤激光器、光纤、电光调制器、相位调制器、光隔离器、连续光纤放大器、准直扩束器和采样器。

基于SPGD算法光波相位控制系统包括：射频参考振荡器，SPGD算法控制器，多路复用器，探测器和透镜。

驱动与温控电路系统驱动N个连续光纤激光器产生高功率激光；激光通过光纤传输给电光调制器，经过电光调制器调制后产生脉冲光，并对脉冲光的振幅进行放大传输给；相位调制器对脉冲光进行相位调制后，经过光隔离器传输给连续光纤放大器，光纤放大器再次对N路脉冲子光束的功率进行放大后传输给准直扩束器；准直扩束器对放大功率的脉冲光的光束直径进行准直扩束后传输给采样器；当扩束后的N路脉冲子光束一部分穿过采样器，在空间上相干合成一束高功率激光；另一部分脉冲光经采样器反射到基于SPGD算法光波相位控制系统的透镜聚集后，照射到探测器上；探测器将N个变化的相位信息数据传输到多路复用器内，多路复用器将N个输入通道的相位电信号复用到一个输出通道上，然后再传输给SPGD算法控制器；SPGD算法控制器对射频参考振荡器输出的参考相位信号与变化后的相位信号分析比对后，按照评价函数算法生成各路光束的相位控制电压信号，实时将N路补偿后的相位电压信号反馈给相位调制器，相位调制器对N路脉冲子光束的相位进行调制，经过多次重复此过程，直到N路脉冲子光束的相位信息与参考相位相同为止。

所述的驱动与温控电路系统包括：外部直流电源、恒流源数字控制器、功率放大电路、电流采样电路和温度控制电路。外部直流电源用于给恒流源数字控制器提供电能；恒流源数字控制器用于控制功率放大电路和温度控制电路。

所述的驱动与温控电路系统根据所选用光纤激光器的工作原理和性能需求，以输出电流和工作温度为目标函数，对其进行仿真分析与迭代优化，从而提供一个反馈精稳的激光器驱动，使连续光纤激光器始终工作在恒温高功率的状态下。所述恒流源数字控制器作为整个控制电路的核心。其作用为：第一，用于闭环控制电流采样电路，可为光纤激光器功率放大提供反馈精稳的电信号，当所需放大电信号经过功率放大电路的过程中，会受到电路中诸多因素的干扰，则导致功率放大信号出现偏差，为了校正这一目标电信号，功率放大电路输出的电信号同时传送给连续光纤激光器和电流采样电路；电流采样电路将收到的反馈电信号反馈给恒流源数字控制器，恒流源数字控制器对其进行分析与迭代优化进一步校正目标电信号，直到传输给激光器准确的功率放大信号为止；第二，可对光纤激光器的工作温度进行实时控制与调节，使光纤激光器工作在最佳恒温状态。

所述的基于SPGD算法光波相位控制系统包括射频参考振荡器、SPGD算法控制器、多路复用器、探测器和透镜。当SPGD算法光波相位控制系统进行工作时，射频参考振荡器会输出两路振幅、相位、频率等参数一致的高斯脉冲电信号，同时传输给电光调制器和SPGD算法控制器；驱动与温控电路系统和SPGD算法控制器进行温度信息交换；N路子光束经过透镜聚集照射到探测器上，然后探测器将N个变化的相位信息数据传输到多路复用器内，多路复用器再将N个变化的相位信息数据复用到一个输出通道上传输给SPGD算法控制器。然后由SPGD算法控制器对参考相位信号与变化后的相位信号分析比对后，按照评价函数算法生成各路光束的相位控制电压信号，实时将N路电压信号反馈给光路中的相位调制器，即可实现对N路子光束的实时相位补偿，确保输出光束的相位能够符合一定角度下光束相干合成要求。

所述的基于SPGD算法光波相位控制系统用于对N路子光束进行相位实时补偿，从而实现了在锁相的同时，又能够针对某一特定角度的N路子光束相干合成。同时，为整个相控阵偏转发射系统进行人机交互界面控制提供运行数据。

所述的光波导相控阵控制光束偏转示意结构反映了N路子光束在远场相干并偏转的过程，确保探测光在目标角度下，能够远距离探测可疑目标。N路子光束相干原理为：N路光纤激光相干合成的阵列排布呈方形或矩形，根据特定的二维扫描角度θ_xy＝(θ_x，θ_y)(其中，θ_x表示相干合成后的光束沿x方向的偏转角，θ_y表示相干合成后的光束沿y方向的偏转角)，对每束光纤对应的相位编号,即(n＝1～N，x＝1,2,3…，y＝1,2,3…，n＝xy)。当相干性良好的高斯波入射到N层光学相控阵上，若无附加相位时，输出光场的复振幅分布为：

其中，A表示振幅；exp(iδ,i2δ,…)表示各相控单元波函数的相位部分；a为相控单元的宽度，θ为衍射角；即为相邻狭缝在衍射点的相位差，d为相控单元的间隔。

衍射屏上某点的光强为：

其中，I₀表示N路子光速在远场相干后主瓣的能量；为单缝衍射因子，决定强度分布的包络；为多缝干涉因子，决定光强分布的相干特性，公式中的N表示狭缝的数量。由于此时没有对光学相控阵的每个通道光场施加附加相位，所以，当前N路脉冲子光束相干合成后的主瓣位置在δ＝0，表示合成光束此时的偏振角度θ＝0。

当相干性良好的高斯波垂直入射到N层光学相控阵上，若独立给N层光学相控阵每个通道光场施加一个附加相位，使相邻两通道相位延迟差在输出截面上均为此时输出光场的复振幅为：

当整体光束向x方向偏转θ_x角时，此时远场相应的光强分布为：

此时单缝衍射因子不变，只有多缝干涉因子发生变化，所以主瓣位置在即同相波前发生了偏移，即实现了通过控制施加相位延迟来控制光束向x方向偏转θ_x角。

以上介绍了一维光学相控阵控制光束偏转原理，二维光学相控阵原理与一维类似，可将二维光束偏转过程拆解为两次一维偏转，第一步沿x轴方向偏转θ_x角，第二步沿y轴方向偏转θ_y角。于是二维光强分布可以表示为：

因此，二维光学相控阵控制光束的偏转角度可分为两个方向，分别是：沿x轴方向的偏转角为θ_x，即沿y轴方向的偏转角为θ_y，即

一种基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，工作过程，具体步骤如下：

步骤一、根据扫描探测需求给射频参考振荡器参考相位信息，然后让驱动与温控电路系统开始工作，为连续光纤激光器提供反馈精稳的驱动，使N个连续光纤激光器发出N路连续激光，为后续N路子光束相干合成做准备。

驱动与温控电路系统将功率放大信号传输给N个连续光纤激光器，连续光纤激光器发出N路大功率连续激光，N路连续激光子光束经过光纤传输给受控于脉冲触发的电光调制器形成脉冲光束，进而通过相位调制器、光隔离器、连续光纤放大器、准直扩束器和采样器。N路子光束在采样器内被分为两部分，大部分(90％)脉冲子光束通过相控阵偏转结构实现某一特定角度的相干合成；小部分(10％)光束经采样器反射到基于SPGD算法光波相位控制系统的透镜聚集后，作为参考光用于N路脉冲子光束的相位锁定。

步骤二、N路脉冲子光束经过步骤一的一系列调制后，其相位信息发生了变化，因此，利用N个相位调制器对N路子光束进行相位调制，为N路子光束远场相干并偏转提供稳定的相位。

N个电光调制器将N路连续光触发生成脉冲光的同时，对脉冲光的振幅进行放大后传输给对应的N个相位调制器，N个相位调制器根据射频参考振荡器输送的N路子光束不同的射频参考相位信号对N路子光束进行相位调制后经过光隔离器传给连续光纤放大器，连续光纤放大器对N路子光束的功率进行再次放大后传给准直扩束器，准直扩束器对放大功率的脉冲光光束直径进行准直扩束后输出。但是，N路脉冲子光束经过上述一系列调制后，它们的相位会发生变化。因此，需要利用基于SPGD算法光波相位控制系统锁定N路脉冲子光束的相位。

N路子光束经过N个透镜聚集照射到N个探测器上，然后探测器将N个变化的相位信息数据传输到多路复用器内，多路复用器再将N个变化的相位信息数据复用到一个输出通道上传输给SPGD算法控制器。然后由SPGD算法控制器对参考相位信号与N个变化的相位信号分析比对后，按照评价函数算法生成各路光束的相位控制电压信号，实时将N路电压信号反馈给光路中的N个相位调制器，即可实现对N路子光束的实时相位补偿，确保N路子光束的相位与参考相位相同。

步骤三、在扫描过程中，需要不断改变合成光束的偏转角度，在偏转角度发生变化时，重新给射频参考振荡器一组关于N路脉冲子光束新的相位参考值。

当扫描角度发生变化时，根据扫描角度的计算公式，将计算得到的N路子光束新的射频参考相位信息，通过射频参考振荡器再次将振幅、相位、频率等参数(参数中只有相位发生改变)一致的高斯脉冲电信号，同时传输给电光调制器和SPGD算法控制器。SPGD算法控制器将N路子光束新的相位信息分别传输到对应的N个相位调制器，相位调制器再次对N路脉冲子光束的相位进行调制，具体锁相环节与步骤二相同，经过多次调节后，直到N路脉冲子光束的相位信息与新的参考相位信息相同为止。

步骤四、驱动与温控电路系统调节N个连续光纤激光器始终工作在最佳恒温状态。

由于光纤相控阵激光雷达在执行工作任务时，外界环境温度变化具有不可预测性，再加上连续光纤激光器经常工作在大功率状态，自然会增加整个发射系统的温度，这些因素都会影响连续光纤激光器的正常工作温度，从而影响连续光纤激光器的输出功率。当光纤阵列相控阵偏转发射系统所处的环境温度发生变化时，SPGD算法控制器将采集到的温度信息传给驱动与温控电路系统的恒流源数字控制器，恒流源数字控制器以电信号形式传给温度控制电路，温度控制电路以此温度电信号为目标函数，对其进行仿真分析与迭代优化后，对N个连续光纤激光器的工作温度进行控制与调节，在调节过程中，恒流源数字控制器与SPGD算法控制器实时进行温度信息交换，直到N个连续光纤激光器处于最佳恒温状态时调节完毕。

有益效果

本发明公开的一种基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，可对N个连续光纤激光器输出的连续光触发生成N路脉冲光，同时可对N路脉冲光实现振幅调制、相位调制、隔离放大、准直扩束等并行处理，使N路子光束沿某一特定角度下实现远场相干合成；

本发明公开的一种基于MOPA结构SPGD算法控制器，结合N路呈矩形或方形排布的光纤阵列相控阵光束扫描偏转理论计算推导，利用SPGD算法能够对N路功率放大的脉冲子光束变化的相位进行闭环反馈调节，对每路子光束可进行相位实时补偿，确保N路脉冲子光束能够在远场实现大功率偏转扫描，满足远距离、无惯性、高灵敏的目标探测需求。不仅如此，相比传统的基于SPGD算法主动相位控制的脉冲激光相干合成系统，本系统可根据探测功率需求无限量地增加合成光束的路数N，而不需要增加光学单元和电学单元，既不增加系统的复杂度，又可确保系统的稳定性。

本发明公开的一种驱动与温控电路系统能够对连续光纤激光器进行准确稳定的反馈调节，并可与SPGD算法控制器实时进行温度信息交换。当光纤阵列相控阵偏转发射系统所处的环境温度发生变化时，SPGD算法控制器将采集到的温度信息传给驱动与温控电路系统，驱动与温控电路系统以温度电信号为目标函数，对其进行仿真分析与迭代优化，对N个连续光纤激光器的工作温度进行实时控制与调节，使N个连续光纤激光器始终工作在最佳恒温状态。

附图说明

图1为基于SPGD算法的光纤阵列相控阵发射系统原理图；

图2为49路光纤阵列方形排布示意图；

图3驱动与温控电路系统框图；

图4光波导相控阵控制光束偏转示意图；

图5子光束相干后的远场分布仿真结果图；

图6为SPGD算法流程图。

其中：1—驱动与温控电路系统、1.1—外部直流电源、1.2—恒流源数字控制器、1.3—功率放大电路、1.4—电流采样电路、1.5—温度控制电路、2—基于SPGD算法光波相位控制系统、2.1—射频参考振荡器、2.2—SPGD算法控制器、2.3—多路复用器、2.4—探测器、2.5—透镜、3—光波导相控阵控制光束偏转示意结构、4—连续光纤激光器、5—光纤、6—电光调制器、7—相位调制器、8—光隔离器、9—连续光纤放大器、10—准直扩束器、11—采样器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

根据远距离探测需求无限量地增加合成光束的路数N，实现对目标的远距离、无惯性、高灵敏探测。利用反馈精稳的驱动与温控电路，可实现对N个连续光纤激光器的功率并行放大，结合SPGD算法对N路功率放大的脉冲光进行相位闭环反馈调节与实时补偿，达到锁相的目的，为确保N路脉冲光束在某一特定角度下实现远场相干合成，对基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射的步骤进行详细解释。

实施例1

本实施例的一种基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，如图1所示，具体实现步骤如下：

步骤一、将49根光纤按二维方形排布，具体排布方式如图2所示，x轴方向排列7根，y轴方向排列7根，且设置相控单元的间距d＝d_x＝d_y＝4.1um。根据扫描探测需求给射频参考振荡器2.1参考相位信息然后让驱动与温控电路系统1开始工作，为连续光纤激光器4提供反馈精稳的驱动，使连续光纤激光器4始终工作在恒温高功率状态，并让49个连续光纤激光器4发出49路连续激光，为后续49路子光束相干合成做准备。

如图3所示，外部直流电源1.1为控制中心恒流源数字控制器1.2供电。第一，恒流源数字控制器1.2将用于功率放大的电信号传输给功率放大电路1.3，如果所需电信号经过功率放大电路1.3的过程中发生偏差，则闭环控制电流采样电路1.4发挥作用，电流采样电路1.4将该功率放大电信号反馈给恒流源数字控制器1.2，恒流源数字控制器1.2对其进行分析与迭代优化进一步校正目标电信号，直到传输给49个连续光纤激光器4准确精稳的功率放大信号为止；第二，恒流源数字控制器1.2根据SPGD算法控制器2.2反馈的发射系统的最佳工作温度需求信息，及时将温控电信号传输给温度控制电路1.5，温度控制电路1.5以此温度电信号为目标函数，对其进行仿真分析与迭代优化后，对49个连续光纤激光器4的工作温度进行控制与调节，使49个光纤激光器工作在最佳恒温状态。在驱动与温控电路1的作用下，每个连续光纤激光器4发出一束连续激光，经过49路光纤5传输到49个电光调制器6。

步骤二、49个电光调制器6为系统提供49路脉冲子光束的同时，分布对49路脉冲光的振幅进行放大。

射频参考振荡器2.1将49路脉冲电信号传给对应的49个电光调制器6，在脉冲触发下，将输入49个电光调制器6的连续光变为脉冲光，同时，49个电光调制器6将49路脉冲光的振幅并行放大，然后传给49个相位调制器7。

步骤三、49个相位调制器7对49路脉冲光进行相位调制，为49路子光束远场相干及偏转提供稳定的相位。

首先，SPGD算法控制器2.2将49路脉冲电信号的相位信息传输给49个相位调制器7；其次，49个相位调制器7根据每路子光束要求的不同相位信息对49路脉冲信号的相位进行调制。如果调制后的信号光经过后续放大电路的相位发生了变化，在反馈电路的作用下，SPGD算法控制器2.2将补偿后的相位信息再次传输给49个相位调制器7对49路脉冲光的相位信息进行调制，这样下去直到为49路子光束调制出稳定的相位。然后，将具有稳定相位的49路子光束传输给49个光隔离器8，所述的49个光隔离器8的作用是为了隔离光纤放大器反射的光波，防止反射光进入对应的相位调制器7，从而提高信号光波的传输效率。最后，将具有稳定相位的49路子光束传输给49个光纤放大器9，49个光纤放大器9根据探测需求对49路脉冲子光束的功率进行再次放大。

步骤四、49个准直扩束器10对放大功率的脉冲光的光束直径进行准直扩束，确保光纤相控发射系统能够进行远距离探测。

当扩束后的49路脉冲子光束，提高了高斯光束的聚焦性能，减小了远场发散角，当经过采样器11后，49路脉冲子光束90％的光穿过分光镜用于某一特定角度的相干合成，49路脉冲子光束10％的光作为参考光束，被透镜2.5聚焦后并由探测器2.4接收，探测器2.4将探测到的光信号转化为电信号，然后将49路脉冲子光束的电信号传输给多路复用器2.3。

步骤五、SPGD算法控制器2.2补偿并调节多路复用器2.3反馈回来的49路子光束变化的相位电信号，确保49路子光束在锁相的同时，又能在远场相干合成。

多路复用器2.3将输入通道的相位电信号复用到一个输出通道上，然后将该路相位电信号送入SPGD算法控制器2.2。SPGD算法控制器将反馈得到的49路子光束不同的相位电信号与射频参考振荡器2.1发送的射频参考相位信号进行分析比对，按照相应的评价函数算法生成各路光束的相位控制信号，将补偿后的相位信息实时反馈给49个相位调制器7，即可实现对49路子光束的实时相位补偿，这样经过多次的相位反馈调节，确保发射系统输出的49路子光束在锁相的同时，又能够针对某一特定角度的49路子光束相干合成。

步骤六、49路子光束在某一特定角度下实现远场相干合成。

经过SPGD算法控制器2.2对49路子光束变化的相位信息多次调节后，相干性良好的49路高斯波经过49层光学相控阵时，在相位延迟的作用下，同相波前发生了偏移，即实现了通过控制施加相位延迟来控制光束偏转。

实施例2：

本实施例一种基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统的光波导相控阵控制光束偏转原理如图3所示，具体过程如下：

本实施例采用49路光纤按7×7方形排布方式，x方向为7束光纤，y方向为7束光纤，对每束光纤对应的相位编号,即(n＝1～49，x＝1～7，y＝1～7，n＝xy)。如果特定的二维扫描角度θ_xy＝(θ_x，θ_y)＝(15°，15°)(其中，θ_x＝15°表示相干合成后的光束沿x方向偏转15°角，θ_y＝15°表示相干合成后的光束沿y方向偏转15°角)，当相干性良好的高斯波入射到49层光学相控阵上，若无附加相位时，输出光场的复振幅分布为：

其中，A表示振幅，取A＝5；n表示子光速的路数；i表示虚数单位；a为相控单元的宽度a＝1.2um；θ为偏转角度，即θ＝θ_xy＝(θ_x，θ_y)＝(15°，15°)；即为相邻狭缝在衍射点的相位差；λ表示光的波长，λ＝1064nm；d为相控单元的间隔，令d＝4.1um。

此时，衍射屏上某点的光强分布为：

其中，I₀表示N路子光速在远场相干后主瓣的能量；为单缝衍射因子，决定强度分布的包络；为多缝干涉因子，公式中的N表示狭缝的数量，即N＝49。由于此时没有对光学相控阵的每个通道光场施加附加相位，所以，当前49路脉冲子光束相干合成后的主瓣位置在δ＝0，图4中的远场分布1表示当前的主瓣位置，表示合成光束此时的偏振角度θ＝0°。

当相干性良好的高斯波垂直入射到49层光学相控阵上，若独立给49层光学相控阵每个通道光场施加一个附加相位，使相邻两通道相位延迟差在输出截面上均为时，此时输出光场的复振幅为：

如果光束整体向x方向偏转θ_x角时，此时远场相应的光强分布为：

此时单缝衍射因子不变，只有多缝干涉因子发生变化，所以主瓣位置在即同相波前发生了偏移，将λ＝1064nm，d＝4.1um代入公式可得θ_x＝15°。由此实现了通过控制施加相位延迟来控制光束向x方向偏转了15°角。

以上介绍了一维光学相控阵控制光束偏转原理，二维光学相控阵原理与一维类似，可将二维光束偏转过程拆解为两次一维偏转，第一步沿x轴方向偏转θ_x＝15°角，第二步沿y轴方向偏转θ_y＝15°角。于是二维光波前分布可以表示为：

相应的偏转角度按照一维的公式进行计算，即可实现49路脉冲子光束按特定角度θ_xy＝(θ_x，θ_y)＝(15°，15°)的二维相干合成并偏转，图4中的远场分布2表示当前的主瓣位置，表示合成光束此时在x方向与y方向均偏振了15°角。

下面利用仿真的方法，对方形排布的49路光纤阵列在任意方向(例如：x轴方向，y轴方向，x轴与y轴对角线方向以及其他方向)偏转15°角进行了仿真研究。用到的主要仿真参数有束腰半径ω₀＝1.2um，波长λ＝1064nm，相控单元间距d＝4.1um等，得到的49路子光束相干后的远场分布如图5所示。该仿真结果很好地验证了呈方形排布的49路脉冲子光束可实现θ_xy＝(θ_x，θ_y)＝(15°，15°)的二维相干合成并偏转。同时，可为实际情况中光纤阵列相控阵实现N路脉冲子光束，在自由空间相干合成实验提供理论依据。

实施例3：

本实施例一种基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统对49路光束实现主动相位控制，基于SPGD算法实现49路光束相位控制的原理具体过程如下：

定义评价函数J＝J(μ₁,μ₂,…,μ₄₉)为施加在各路脉冲子光束的相位控制信号(μ₁,μ₂,…,μ₄₉)的函数。评价函数对各路光束控制信号的影响可以表示为：

式中，J′_j表示在第m次调整后，评价函数相对于第j路光束控制信号的梯度；γ为相应的系数。

用δu_j表示第j路光束控制信号的变化量，那么，评价函数的变化量为：

δJ＝J(u₁,u₂,...,u_j+δu_j,...,u₄₉)-J(u₁,u₂,...,u_j,...,u₄₉) (12)

对于SPGD算法，各个相位控制通道的增量同时叠加，评价函数的变化量表示为：

δJ＝J(u₁+δu₁,u₂+δu₂,...,u_j+δu_j,...,u₄₉+δu₄₉)-J(u₁,u₂,...,u_j,...,u₄₉) (13)

假设SPGD算法的评价函数的梯度为则评价函数表达式变为

u^(m+1)＝u^(m)-γδu^(m)δJ^(m) (14)

将进行Taylor展开，得到

由于微扰增量δμ_j是围绕μ_j随机分布且统计独立，则上式第一项以后的数学期望趋向于0，因此即可作为SPGD算法中的估计梯度，评价函数J变化量。

通过向各路相位调制器施加随机扰动电压并计算评价函数J变化量，并不断更新施加在各路相位调制器上的控制电压信息，直至评价函数J取全局最大值，即可使对应49路脉冲子光束的相位一致达到锁相运行，实现49路脉冲子光束的相干合成输出。

SPGD算法的计算流程如图6所示，初始化γ、电压向量u⁽¹⁾＝0及迭代次数k＝1后进入主循环。进行第k次迭代时，首先生成扰动电压Δu^(k)，施加电压u^(k-1)+Δu^(k)到相位调制器，然后采集探测器传给多路复用器的数据计算。类似地施加电压u^(k-1)-Δu^(k)到相位调制器，采集探测器传给多路复用器的数据计算得到由得到性能指标J的变化量，然后更新控制电压向量u^(k)并施加到相位调制器，采集探测器传给多路复用器的数据得到第k次迭代的校正结果。如此反复，直至探测的光强信号达到允许的误差极限，至此完成49路激光锁相运行，实现49路脉冲子光束激光的相干合成输出。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，其特征在于：包括：所述的驱动与温控电路系统(1)、基于SPGD算法光波相位控制系统(2)、连续光纤激光器(4)、光纤(5)、电光调制器(6)、相位调制器(7)、光隔离器(8)、连续光纤放大器(9)、准直扩束器(10)和采样器(11)；

基于SPGD算法光波相位控制系统(2)包括：射频参考振荡器(2.1)，SPGD算法控制器(2.2)，多路复用器(2.3)，探测器(2.4)和透镜(2.5)；

驱动与温控电路系统(1)驱动N个连续光纤激光器(4)产生高功率激光；激光通过光纤(5)传输给电光调制器(6)，经过电光调制器(6)调制后产生脉冲光，并对脉冲光的振幅进行放大传输给(7)；相位调制器(7)对脉冲光进行相位调制后，经过光隔离器(8)传输给连续光纤放大器(9)，光纤放大器(9)再次对N路脉冲子光束的功率进行放大后传输给准直扩束器(10)；准直扩束器(10)对放大功率的脉冲光的光束直径进行准直扩束后传输给采样器(11)；当扩束后的N路脉冲子光束一部分穿过采样器(11)，在空间上相干合成一束高功率激光；另一部分脉冲光经采样器(11)反射到基于SPGD算法光波相位控制系统(2)的透镜(2.5)聚集后，照射到探测器(2.4)上；探测器(2.4)将N个变化的相位信息数据传输到多路复用器(2.3)内，多路复用器(2.3)将N个输入通道的相位电信号复用到一个输出通道上，然后再传输给SPGD算法控制器(2.2)；SPGD算法控制器(2.2)对射频参考振荡器(2.1)输出的参考相位信号与变化后的相位信号分析比对后，按照评价函数算法生成各路光束的相位控制电压信号，实时将N路补偿后的相位电压信号反馈给相位调制器(7)，相位调制器(7)对N路脉冲子光束的相位进行调制，经过多次重复此过程，直到N路脉冲子光束的相位信息与参考相位相同为止；射频参考振荡器(2.1)输出两路振幅、相位和频率一致的高斯脉冲电信号，同时传输给电光调制器(6)和SPGD算法控制器(2.2)；驱动与温控电路系统(1)和SPGD算法控制器(2.2)进行温度信息交换。

2.如权利要求1所示的基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，其特征在于：所述的驱动与温控电路系统(1)用于闭环控制电流采样电路，为光纤激光器功率放大提供反馈精稳的电信号，以及对光纤激光器(4)的工作温度进行实时控制与调节，使光纤激光器工作在最佳恒温状态。

3.如权利要求1或2所示的基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，其特征在于：所述的驱动与温控电路系统(1)包括：外部直流电源(1.1)、恒流源数字控制器(1.2)、功率放大电路(1.3)、电流采样电路(1.4)和温度控制电路(1.5)；外部直流电源(1.1)用于给恒流源数字控制器(1.2)提供电能；恒流源数字控制器(1.2)用于控制功率放大电路(1.3)和温度控制电路(1.5)；功率放大电路(1.3)输出的电信号同时传送给连续光纤激光器(4)和电流采样电路(1.4)；电流采样电路(1.4)将收到的反馈电信号反馈给恒流源数字控制器(1.2)，恒流源数字控制器(1.2)对其进行分析与迭代优化进一步校正目标电信号，直到传输给激光器(4)准确的功率放大信号为止。

4.如权利要求1所示的基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，其特征在于：所述的基于SPGD算法光波相位控制系统(2)包括射频参考振荡器(2.1)、SPGD算法控制器(2.2)、多路复用器(2.3)、探测器(2.4)和透镜(2.5)；当SPGD算法光波相位控制系统(2)进行工作时，射频参考振荡器(2.1)会输出两路振幅、相位、频率等参数一致的高斯脉冲电信号，同时传输给电光调制器(6)和SPGD算法控制器(2.2)；驱动与温控电路系统(1)和SPGD算法控制器(2.2)进行温度信息交换；N路子光束经过透镜(2.5)聚集照射到探测器(2.4)上，然后探测器(2.4)将N个变化的相位信息数据传输到多路复用器(2.3)内，多路复用器(2.3)再将N个变化的相位信息数据复用到一个输出通道上传输给SPGD算法控制器(2.2)；然后由SPGD算法控制器(2.2)对参考相位信号与变化后的相位信号分析比对后，按照评价函数算法生成各路光束的相位控制电压信号，实时将N路电压信号反馈给光路中的相位调制器(7)，即可实现对N路子光束的实时相位补偿，确保输出光束的相位能够符合一定角度下光束相干合成要求。

5.如权利要求1所示的基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射系统，其特征在于：发射系统的工作过程，具体步骤如下：

步骤一、根据扫描探测需求给射频参考振荡器(2.1)参考相位信息，然后让驱动与温控电路系统(1)开始工作，为连续光纤激光器(4)提供反馈精稳的驱动，使N个连续光纤激光器(4)发出N路连续激光，为后续N路子光束相干合成做准备；

驱动与温控电路系统(1)将功率放大信号传输给N个连续光纤激光器(4)，连续光纤激光器(4)发出N路大功率连续激光，N路连续激光子光束经过光纤(5)传输给受控于脉冲触发的电光调制器(6)形成脉冲光束，进而通过相位调制器(7)、光隔离器(8)、连续光纤放大器(9)、准直扩束器(10)和采样器(11)；N路子光束在采样器(11)内被分为两部分，大部分(90％)脉冲子光束通过相控阵偏转结构(3)实现某一特定角度的相干合成；小部分(10％)光束经采样器(11)反射到基于SPGD算法光波相位控制系统(2)的透镜(2.5)聚集后，作为参考光用于N路脉冲子光束的相位锁定；

步骤二、N路脉冲子光束经过步骤一的一系列调制后，其相位信息发生了变化，因此，利用N个相位调制器(7)对N路子光束进行相位调制，为N路子光束远场相干并偏转提供稳定的相位；

N个电光调制器(6)将N路连续光触发生成脉冲光的同时，对脉冲光的振幅进行放大后传输给对应的N个相位调制器(7)，N个相位调制器(7)根据射频参考振荡器(2.1)输送的N路子光束不同的射频参考相位信号对N路子光束进行相位调制后经过光隔离器(8)传给连续光纤放大器(9)，连续光纤放大器(9)对N路子光束的功率进行再次放大后传给准直扩束器(10)，准直扩束器(10)对放大功率的脉冲光光束直径进行准直扩束后输出；但是，N路脉冲子光束经过上述一系列调制后，它们的相位会发生变化；因此，需要利用基于SPGD算法光波相位控制系统(2)锁定N路脉冲子光束的相位；

N路子光束经过N个透镜(2.5)聚集照射到N个探测器(2.4)上，然后探测器(2.4)将N个变化的相位信息数据传输到多路复用器(2.3)内，多路复用器(2.3)再将N个变化的相位信息数据复用到一个输出通道上传输给SPGD算法控制器(2.2)；然后由SPGD算法控制器(2.2)对参考相位信号与N个变化的相位信号分析比对后，按照评价函数算法生成各路光束的相位控制电压信号，实时将N路电压信号反馈给光路中的N个相位调制器(7)，即可实现对N路子光束的实时相位补偿，确保N路子光束的相位与参考相位相同；

步骤三、在扫描过程中，需要不断改变合成光束的偏转角度，在偏转角度发生变化时，重新给射频参考振荡器(2.1)一组关于N路脉冲子光束新的相位参考值；

当扫描角度发生变化时，根据扫描角度的计算公式，将计算得到的N路子光束新的射频参考相位信息，通过射频参考振荡器(2.1)再次将振幅、相位、频率等参数(参数中只有相位发生改变)一致的高斯脉冲电信号，同时传输给电光调制器(6)和SPGD算法控制器(2.2)；SPGD算法控制器(2.2)将N路子光束新的相位信息分别传输到对应的N个相位调制器(7)，相位调制器(7)再次对N路脉冲子光束的相位进行调制，具体锁相环节与步骤二相同，经过多次调节后，直到N路脉冲子光束的相位信息与新的参考相位信息相同为止；

步骤四、驱动与温控电路系统(1)调节N个连续光纤激光器(4)始终工作在最佳恒温状态；

由于光纤相控阵激光雷达在执行工作任务时，外界环境温度变化具有不可预测性，再加上连续光纤激光器(4)经常工作在大功率状态，自然会增加整个发射系统的温度，这些因素都会影响连续光纤激光器(4)的正常工作温度，从而影响连续光纤激光器(4)的输出功率；当光纤阵列相控阵偏转发射系统所处的环境温度发生变化时，SPGD算法控制器(2.3)将采集到的温度信息传给驱动与温控电路系统(1)的恒流源数字控制器(1.2)，恒流源数字控制器(1.2)以电信号形式传给温度控制电路(1.5)，温度控制电路(1.5)以此温度电信号为目标函数，对其进行仿真分析与迭代优化后，对N个连续光纤激光器(4)的工作温度进行控制与调节，在调节过程中，恒流源数字控制器(1.2)与SPGD算法控制器(2.3)实时进行温度信息交换，直到N个连续光纤激光器(4)处于最佳恒温状态时调节完毕。