CN109682465B - 一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统 - Google Patents

一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学修复系统。本发明提供的自适应光学修复系统，由发送装置、接收装置以及自适应光学模块构成。本发明基于混合输入输出算法(Hybrid Input Output Algorithm,HIOA)，只需要在接收端探测畸变探针光束在傅里叶频域的强度分布，即可计算传输过程中大气湍流引起的畸变相位，从而达到修复畸变轨道角动量光束的目的。本发明系统结构简单，省去了传统的波前传感器，降低了系统成本，易于推广。

Description

一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学 系统
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，涉及一种新型的自适应光学系统，特别涉及一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统，用于修复畸变轨道角动量光束。
背景技术
近年来，携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)的涡旋光束在光学操纵、光捕获、生物医学以及光学信息传输等领域引起了广泛的关注。OAM光束有着独特的螺旋相位结构，含有螺旋相位因子exp(ilφ)，l为方位角指数，表征OAM态，
Figure BDA0001929834110000011
为传播方位角(l代表光束单波数内2π相移的个数)。理论上，OAM态的取值是无限的，并且不同OAM态之间相互正交，因此，不论是对OAM态编码还是利用OAM光束作为载波，均可有效提升通信系统的信道容量与频谱效率。基于OAM的新型通信体制可轻松实现通信容量的提高。对于空间光通信领域，OAM作为复用系统中的一个新自由度，可有效提高系统容量，满足高速率大容量的现代通信需求。
然而，在实际空间光通信链路中，大气湍流的存在会使光束出现衰减、散射、闪烁以及偏移等现象，从而会引起波前畸变，导致功率损耗、OAM模式串扰，大大降低系统性能。因此，如何消除大气湍流效应变得尤为重要。
自适应光学技术可有效补偿大气湍流引起的畸变。利用CCD相机探测输入光场强度分布，通过相位恢复算法重构波前信息成为了自适应光学中替代传统波前传感器的一项重要技术。近年来，国内外研究学者们对利用基于相位恢复算法的自适应光学系统削弱大气湍流影响方面做了大量研究。南京邮电大学的研究团队使用基于Gerchberg-Saxton(GS)算法的自适应光学系统修复畸变OAM光束(S.M.Zhao等，Optics Express，第20卷，452-461页)。北京邮电大学的研究团队提出基于混合输入输出(Hybrid Input Output,HIO)算法的自适应光学系统来降低大气湍流对OAM光束的影响(Xiaoli Yin等，Applied Optics，第57卷，7644-7650页)。然而，上述方法均需要分别探测输入光场在空间域以及傅里叶频域的强度分布才能重建其相位分布，增加了系统复杂度，不利于实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于如何在轨道角动量空间光通信系统中设计实现小型化、低成本的自适应光学系统。
为解决上述问题，本发明提供了一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统，仅需探测输入探针光束的频域强度分布，利用HIO算法即可重建传输过程中大气湍流引起的畸变相位，从而达到修复畸变OAM光束的目的。本发明所提方案具有结构简单，实现手段简单的优点，有效降低自适应光学系统的成本与结构复杂度。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的。
本发明提出一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统，用于修复畸变的OAM光束，其特点是：由发送装置，接收装置以及自适应光学模块组成，发送端将承载数据信息的OAM光束与扩束后的探针光束偏振复用后同轴传输，在接收端解复用后，用CCD相机读取探针光束在频域的光场分布，利用HIO算法，计算畸变探针光束的相位信息，进而重建传输过程中大气湍流的畸变相位，由数据处理器最终输出波前校正器的控制信息，通过波前校正器对畸变的OAM光束实现修复的目的。
本发明的一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统，其具备：
发送装置，用于将信息光与扩束后的探针光束偏振复用，然后同轴共线发送至大气湍流信道中，其中，信息光束为承载数据信息的轨道角动量光束；
接收装置，用于接收畸变的复用光束并使用偏振分束器将信息光与探针光解复用；
自适应光学模块，用于探测探针光束的波前畸变，计算传输过程中的畸变相位信息，从而通过波前校正器对畸变信息光束进行校正。
本发明的一种单强度探测自适应光学模块，包括：
探测畸变探针光束的频域光场分布，利用HIO算法重建畸变探针光束的波前信息，并得到传输过程中的相位畸变量，进而依据畸变相位信息对畸变信息光束进行校正。
其中，所述利用HIO算法重建畸变探针光束波前信息是按照如下的方式进行：
(1)设置初始输入相位
Figure BDA0001929834110000031
为未畸变探针光束的相位分布，将初始输入相位与畸变探针光束的频域强度分布结合，组成频域复振幅分布，记为
Figure BDA0001929834110000041
记g1(x,y)＝0；
(2)进行空间域变换：对频域变换的光场做逆傅里叶变换，得到空间域复振幅分布
Figure BDA0001929834110000042
作为频域变换部分的输出，构造下一次迭代频域变换部分的输入为
Figure BDA0001929834110000043
其中，γ代表光场在空间域的限制区域，在限制区域外认为光场无能量分布，β是反馈系数，式中k为迭代次数；
(3)进行频域变换：对空间域输入的光场做傅里叶变换，得到频域光场复振幅分布
Figure BDA0001929834110000044
并保留该复振幅的相位信息，与由CCD相机获取的傅里叶频域的强度分布|F(u,v)|结合，组成新的频域复振幅分布，记为
Figure BDA0001929834110000045
作为频域变换的结果，至空间域做下一步变换；
(4)判断k是否小于N，如果是，则退出迭代过程；若不满足，返回至步骤(2)；
所述gk(x,y)与gk′(x,y)分别为频域变换部分的输入和输出，所述|F(u,v)|代表探针光束在傅立叶频域的振幅分布，所述(x,y)为空间域的坐标，所述(u,v)为傅立叶频域的坐标；所述N为设定迭代总次数。
由上述的技术方案可见，本发明提供一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统，用于修复畸变的OAM光束。本发明与现有技术相比，有如下优点：
(1)本发明仅需要探测探针光束的频域强度分布即可对OAM光束实现波前探测，大大降低自适应光学系统的复杂性和成本。
(2)本发明所使用的HIO算法，与传统的GS算法相比，收敛速度更快，有望应用于自适应光学实时校正领域。
附图说明：
图1为本发明的基于HIO算法的OAM光束自适应修复系统的发送装置结构图。
图2为本发明的基于HIO算法的OAM光束自适应修复系统的接收装置以及自适应光学模块结构图。
图3为基于HIO算法的探针光束波前信息计算流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统，用于修复畸变的轨道角动量光束，仅需探测畸变探针光场的频域强度分布即可修复畸变OAM光束，该系统包括：发送装置10、接收装置11以及自适应光学模块12。
发送装置10，用于将信息光与扩束后的探针光束偏振复用，然后同轴共线发送至大气湍流信道中，其中，信息光束指承载数据信息的轨道角动量光束。如图1所示，包括双透镜系统101，半波片102，半波片103，偏振分光棱镜104。其中：
所述双透镜系统101用于探针光束的扩束操作，实现不同倍数的扩束效果；
所述半波片102用于调整探针光束的偏振态；半波片103用于调整信息光束的偏振态；
所述偏振分光棱镜104用于将探针光束与信息光束偏振复用，并输出。
接收装置11用于接收畸变的复用光束并使用偏振分束器将信息光与探针光解复用，透射光为畸变信息光束，反射光为畸变的探针光束。
自适应光学模块12用于探测探针光束的波前畸变，计算传输过程中的畸变相位信息，从而通过波前校正器对畸变信息光束实现校正。如图2所示，包括傅里叶透镜121，CCD相机122，数据处理器123以及波前校正器124。其中：
所述傅里叶透镜121置于偏振分光棱镜的反射光路后方，用于实现探针光束光场的傅里叶变换；
所述CCD相机122置于傅里叶透镜的后方激光光路中且置于傅里叶透镜的像方焦平面处，用于接收畸变探针光束的频域强度分布，并将数据信息传输至数据处理器；
所述数据处理器123与CCD相机连接，用于计算畸变探针光束的波前相位信息，从而计算得到传输过程中的相位畸变量，并生成相应数据信息传输至波前校正装置。
所述波前校正器124用于修复畸变OAM信息光束。
图3为基于HIO算法的探针光束波前信息计算流程图。现结合图3，对利用HIO算法重建畸变探针光束波前信息的迭代过程进行说明，具体如下：
步骤201：设置初始输入相位
Figure BDA0001929834110000071
为未畸变探针光束的相位分布，将初始输入相位与畸变探针光束的频域强度分布结合，组成频域复振幅分布，记为
Figure BDA0001929834110000072
记g1(x,y)＝0；
步骤202：进行空间域变换：对频域变换的光场做逆傅里叶变换，得到空间域复振幅分布
Figure BDA0001929834110000073
作为频域变换部分的输出，构造下一次迭代频域变换部分的输入为
Figure BDA0001929834110000074
其中，γ代表光场在空间域的限制区域，在限制区域外认为光场无能量分布，β是反馈系数，式中k为迭代次数；β是取值在0.5-1之间的反馈系数(算法性能对反馈参数β取值无过度依赖)；考虑到轨道角动量光束独特的环形强度分布，本发明将限制区域γ设计为包含85％-90％光场能量的环形区域。
步骤203：进行频域变换：对空间域输入的光场做傅里叶变换，得到频域光场复振幅分布
Figure BDA0001929834110000075
并保留该复振幅的相位信息，与由CCD相机获取的傅里叶频域的强度分布|F(u,v)|结合，组成新的频域复振幅分布，记为
Figure BDA0001929834110000076
作为频域变换的结果，至空间域做下一步变换；
步骤204：判断k是否小于N，如果是，则退出迭代过程；若不满足，返回至步骤202；
所述gk(x,y)与gk′(x,y)分别为频域变换部分的输入和输出，所述|F(u,v)|代表探针光束在傅立叶频域的振幅分布，所述(x,y)为空间域的坐标，所述(u,v)为傅立叶频域的坐标；所述N为设定迭代总次数。
通过上述HIO算法计算畸变探针光束的相位信息，进而计算传输过程中的相位畸变量，最终实现对畸变信息光束的修复。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统，其特征在于，所述轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统包括发送装置，接收装置以及自适应光学模块；
所述发送装置，用于将信息光束与扩束后的探针光束偏振复用，然后同轴共线发送至大气湍流信道中，其中，所述信息光束为承载数据信息的轨道角动量光束；发送装置包括双透镜系统，半波片1，半波片2和偏振分光棱镜，所述的双透镜系统由两个凸透镜组成，用于探针光束的扩束操作；所述半波片1用于调整探针光束的偏振态；所述半波片2用于调整信息光束的偏振态；所述偏振分光棱镜用于将探针光束与信息光束偏振复用，并输出；
所述接收装置，用于接收畸变的复用光束并使用偏振分束器将信息光与探针光解复用，包括偏振分光棱镜，用于将偏振复用的探针光束与信息光束解复用，透射光为畸变信息光束，反射光为畸变的探针光束；
所述自适应光学模块，用于探测探针光束的波前畸变，利用HIO算法计算传输过程中的畸变相位信息，从而通过波前校正器对畸变信息光束实现校正；包括傅里叶透镜，CCD相机，数据处理器，波前校正器，所述傅里叶透镜置于偏振分光棱镜的反射光路后方，用于实现探针光束光场的傅里叶变换；所述CCD相机置于傅里叶透镜的后方激光光路中且置于傅里叶透镜的像方焦平面处，用于接收畸变探针光束的频域强度分布，并将数据信息传输至数据处理器；所述数据处理器与CCD相机连接，用于利用HIO算法计算畸变探针光束的波前相位信息，从而计算得到传输过程中的相位畸变量，并生成相应数据信息传输至波前校正装置；所述波前校正器用于修复畸变的信息光束；所述利用HIO算法计算畸变探针光束波前信息是按照如下的方式进行：
(1)设置初始输入相位
Figure FDA0002716207330000021
为未畸变探针光束的相位分布，将初始输入相位与畸变探针光束的频域强度分布结合，组成频域复振幅分布，记为
Figure FDA0002716207330000022
记g1(x,y)＝0；(x,y)为空间域的坐标，(u,v)为傅立叶频域的坐标
(2)进行空间域变换：对频域变换的光场做逆傅里叶变换，得到空间域复振幅分布
Figure FDA0002716207330000023
作为频域变换部分的输出，构造下一次迭代频域变换部分的输入为
Figure FDA0002716207330000024
其中，γ代表光场在空间域的限制区域，在限制区域外认为光场无能量分布，β是反馈系数，式中k为迭代次数；
(3)进行频域变换：对空间域输入的光场做傅里叶变换，得到频域光场复振幅分布
Figure FDA0002716207330000025
并保留该复振幅的相位信息，与由CCD相机获取的傅里叶频域的强度分布|F(u,v)|结合，组成新的频域复振幅分布，记为
Figure FDA0002716207330000026
作为频域变换的结果，至空间域做下一步变换；
(4)判断k是否小于N，如果是，则退出迭代过程；若不满足，返回至步骤(2)；
所述gk(x,y)与gk′(x,y)分别为频域变换部分的输入和输出，所述|F(u,v)|代表探针光束在傅立叶频域的振幅分布；所述N为设定迭代总次数。
2.一种单强度探测自适应光学模块用于校正畸变信息光束的方法，包括：
探测畸变探针光束的波前信息，并得到光束传输过程中的畸变相位信息，依据畸变相位信息对畸变信息光束进行校正；
所述畸变探针光束的波前信息按照如下方式获得：对畸变的探针光束进行傅里叶变换，并探测畸变探针光束的频域强度分布，利用HIO算法通过数据处理器计算畸变探针光束的波前信息；所述利用HIO算法计算畸变探针光束波前信息是按照如下的方式进行：
(1)设置初始输入相位
Figure FDA0002716207330000031
为未畸变探针光束的相位分布，将初始输入相位与畸变探针光束的频域强度分布结合，组成频域复振幅分布，记为
Figure FDA0002716207330000032
记g1(x,y)＝0；(x,y)为空间域的坐标，(u,v)为傅立叶频域的坐标；
(2)进行空间域变换：对频域变换的光场做逆傅里叶变换，得到空间域复振幅分布
Figure FDA0002716207330000033
作为频域变换部分的输出，构造下一次迭代频域变换部分的输入gk+1(x,y)，
Figure FDA0002716207330000034
其中，γ代表光场在空间域的限制区域，在限制区域外认为光场无能量分布，β是反馈系数，式中k为迭代次数；
(3)进行频域变换：对空间域输入的光场做傅里叶变换，得到频域光场复振幅分布
Figure FDA0002716207330000041
并保留该复振幅的相位信息，与由CCD相机获取的傅里叶频域的强度分布|F(u,v)|结合，组成新的频域复振幅分布，记为
Figure FDA0002716207330000042
作为频域变换的结果，至空间域做下一步变换；
(4)判断k是否小于N，如果是，则退出迭代过程；若不满足，返回至步骤(2)；
所述gk(x,y)与gk′(x,y)分别为频域变换部分的输入和输出，所|F(u,v)|代表探针光束在傅立叶频域的振幅分布；所述N为设定迭代总次数。
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