CN110109244A - 一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统及其校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统，其特征在于，包括激光器，激光器的光束行进方向上依次设置有偏振片a、透镜a、透镜b、分光棱镜a和空间光调制器、反射镜、偏振片b和分光棱镜b、变形镜、透镜c，经透镜c汇聚光入射进CCD相机，空间光调制器连接有计算机a，变形镜依次连接有变形镜控制箱和计算机b，计算机b与CCD相机连接。本发明还公开了该系统的校正方法，首先测量变形镜的影响函数矩阵推导出变形镜本征模式；其次通过计算机上的校正算法对畸变信号光校正；最后评判接收光信号是否满足要求。本发明优点在于系统结构较简单，降低了系统成本及复杂度具有有校正速度快，校正实时性强的特点，适用于多种场合。

Description

一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统及其校正方法

技术领域

本发明属于激光通信技术领域，涉及一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统，本发明还涉及该系统的校正方法。

背景技术

自由空间光通信系统具有通信速率高、无需频带许可、保密性强和安装架设灵活等优点，已经广泛应用于军事通信、航空航天、商用地面通信等领域，有着巨大的应用价值和发展前景。自适应光学(Adaptive Optics，AO)技术是抑制大气湍流的有效途径之一，常规自适应光学系统由波前传感器、波前校正器和波前控制器构成，但其系统结构较为复杂，设备尺寸无法精简，导致有很多场合无法安装应用，且在中强湍流的大气信道中，光束会产生闪烁，抖动，相位不连续等现象。

相比常规自适应光学技术，无波前探测自适应光学系统不需要波前探测环节，系统复杂性大大降低，可以有效的应对闪烁现象，有着更为广泛的应用空间，现有的无波前探测自适应光学系统多为无模型优化，即采用各种盲优化算法作为系统控制算法，其收敛速度慢，校正精度低，不能有效的进行像差实时校正，难以用于实时像差校正系统，仅适用于对时间没有要求的应用场合，难以保证激光通信的实时通畅。

发明内容

本发明的目的是提供一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统，具有对无线激光通信系统中畸变的信号光进行实时校正的特点。

本发明所采用的技术方案是，一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统，包括偏振片a，光束穿过偏振片a依次经过透镜a、透镜b和分光棱镜a，分光棱镜a将光束进行分束后入射到空间光调制器，空间光调制器将光束调制后入射到反射镜，经反射镜反射后的光束行进方向上依次设置有偏振片b和分光棱镜b，分光棱镜b将光进行分束后入射到变形镜，光束经变形镜反射后入射进透镜c，经透镜c汇聚光入射进CCD相机。

本发明的特点还在于：

空间光调制器连接有计算机a。

变形镜依次连接有变形镜控制箱和计算机b，计算机b与CCD相机连接。

本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法，具体按照下述步骤实施：

步骤1，搭建所述校正无线激光通信中畸变信号光的系统，利用变形镜控制箱给变形镜促动器施加单位电压，利用波前传感器测量得到变形镜影响函数矩阵ω；

步骤2，通过步骤1得到的变形镜影响函数矩阵ω得到变形镜本征模式矩阵M；

步骤3，通过CCD相机采集畸变后的远场光斑，根据步骤2得到的变形镜本征模式矩阵M计算初始远场光斑的系统评价指标G₀；

步骤4，利用变形镜分别产生各阶模式系数的正负偏移量±b_i，根据变形镜本征模式的系数矩阵N＝U^T·C推导出产生此偏置所需要的电压值，将此电压通过变形镜控制箱分别施加给变形镜，通过CCD相机采集对应光斑图像，计算得到相应的系统评价指标G₊、G_-，结合步骤3得到的系统评价指标G₀计算出i阶变第形镜本征模式的系数校正量N_i，corr：

步骤5，根据步骤4得到的系数校正量N_i，corr计算变形镜各通道的校正电压，将此电压通过变形镜控制箱施加给变形镜进行校正；

步骤6，判断校正后的信号光是否满足要求，如不满足继续进行校正至满足像质要求。

本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法特点还在于：

步骤2按照下述方法实施：

变形镜影响函数矩阵ω与变形镜的面型函数Ψ以及控制电压矩阵c之间的关系为：

Ψ＝ω·c (1)

通过变形镜影响函数矩阵ω求得变形镜影响函数之间的耦合矩阵Γ，其定义为：

Γ＝ω^Tω (2)

式中，ω^T是ω的转置矩阵；

由于矩阵Γ是厄米矩阵，故将其奇异值分解为：

Γ＝U·S·U^T (3)

式中，U为酉矩阵，U^T为U的转置矩阵，S为对角阵；

根据酉矩阵的特点将公式(1)改写为：

Ψ＝ω·U·U^T·C (4)

令M＝ω·U，N＝U^T·C，则公式(4)写为

Ψ＝M·N (5)

式中，矩阵M为变形镜本征模式矩阵，矩阵N为本征模式的系数矩阵，其每一列元素对应一个变形镜的本征模式。

步骤3按照下述方法实施：

打开激光器电源，首先对空间光调制器进行标定，使其在纯相位工作状态，并将不同的相位屏加载到空间光调制器上以模拟不同的湍流情况，利用CCD相机采集畸变后的远场光斑，采用远场光斑图像的功率谱密度S_j(m)在低频区域的积分作为系统初始指标，即：

式中，m为归一化空间频率，M₁和M₂为归一化空间频率范围，ξ是空间频率方向角；

评价函数g与波前误差φ的关系近似的表示为：

式中，q₀与q₁是和图像结构相关的常数，表示对受光面进行积分；

波前误差φ用变形镜本征模式M展开为：

式中，N_i是第i阶模式的变形镜本征模式系数，M_i是第i阶变形镜本征模式矩阵，p为模式阶数；

评价函数与变形镜本征模式系数的关系近似于洛伦兹函数，此时，公式(7)可以表示为

式中公式(9)同时适用于大像差和小像差情况。

依据此原理，由CCD相机探测到的远场光斑图像计算出初始远场光斑的系统初始指标G₀：

公式(7)可以用变形镜本征模式系数表示为：

公式(11)同样适用于小像差情况。

步骤4按照下述方法实施：

利用变形镜分别产生各阶模式系数的正负偏移量±b_i，根据变形镜本征模式的系数矩阵N＝U^T·C推导出产生此偏置所需要的电压值，将此电压通过变形镜控制箱分别施加给变形镜，通过CCD相机采集对应光斑图像，计算得到相应的像质评价函数G₊、G_-，结合步骤3得到的系统评价指标G₀计算出i阶变第形镜本征模式的系数校正量N_i，corr：

根据公式(10)得到以下方程组

求解公式(12)可以得到第i阶变形镜本征模式的系数校正量N_i，corr为

步骤5按照下述方法实施：

得到各阶系数校正量N_i，corr之后，通过公式N＝U^T·C获得校正畸变波前所需的控制电压C；

步骤6按照下述方法实施：

CCD相机采集进行校正后的畸变信号光，取远场光斑图像的斯特列尔比作为像质评价指标，若其SR＜0.8，则返回步骤3继续进行波前误差校正，根据步骤5得到变形镜的控制电压，计算机a通过控制变形镜控制箱将电压施加给变形镜，实现波前误差校正，直至CCD相机采集进行校正后的畸变信号光满足像质要求。

本发明的有益效果是：本发明系统结构简单，设备尺寸精简，适应于多场合安装应用，且本发明不需要波前传感器，大大降低了系统成本及复杂度；本发明模式优化算法相比无模式优化算法无需多次迭代，校正速度快，校正实时性强。

附图说明

图1是本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的结构示意图；

图2是本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法的工作流程图；

图3是本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统及其校正方法中使用的69促动器单元变形镜的影响函数图；

图4是本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统及其校正方法的69阶变形镜本征模式图；

图5是本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统及其校正方法在不同湍流情况下的远场光斑图；

图6是本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统及其校正方法在不同湍流情况下校正后的远场光斑图。

图中，1.偏振片a，2.透镜a，3.透镜b，4.分光棱镜a，5.空间光调制器，6.反射镜，7.偏振片b，8.分光棱镜b，9.变形镜，10.透镜c，11.CCD相机，12.变形镜控制箱，13.计算机a，14.计算机b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统，其系统结构示意图如图1所示，包括偏振片a1，光束穿过偏振片a1后依次经过透镜a2、透镜b3和分光棱镜a4，分光棱镜a4将光束进行分束后入射到空间光调制器5，空间光调制器5将光束调制后入射到反射镜6，经反射镜6反射后的光束行进方向上依次设置有偏振片b7和分光棱镜b8，分光棱镜b8将光进行分束后入射到变形镜9，光束经变形镜9反射后入射进透镜c10，透镜c10汇聚光入射进CCD相机11。

本发明的特点还在于：

空间光调制器5连接有计算机b14。

变形镜9依次连接有变形镜控制箱12和计算机a13，计算机a13与CCD相机11连接。

如图1所示，一种校正激光通信中畸变信号光的系统，激光器发出的平行光经偏振片a1后，入射到透镜a2和透镜b3组成的4F系统中扩束准直，准直后的光束经分光棱镜a4分束后入射到空间光调制器5，计算机b14通过控制加载有相位屏的空间光调制器5对平行光进行相位调制并将调制后的光束由反射镜6反射通过偏振片b7再由分光棱镜b8分束，经分光棱镜b8分束后的光入射到变形镜9，变形镜9对畸变光进行初次校正后由透镜c10汇聚入射到CCD相机11，CCD相机11对畸变光束光强进行采集并将信息传递给计算机a13，计算机a13通过模式法校正算法产生变形镜控制信号对波前畸变进行多次闭环校正。

本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法，其工作流程图如图2所示，具体按照下述步骤实施：

步骤1，搭建如图1所示的校正无线激光通信中畸变信号光的系统，利用变形镜控制箱12给变形镜促动器施加单位电压，利用波前传感器测量得到变形镜影响函数矩阵ω，如图3所示为本发明所测量得到的69促动器单元变形镜的影响函数图；

步骤2，通过步骤1得到的变形镜影响函数矩阵ω得到变形镜本征模式矩阵M：

变形镜影响函数矩阵ω与变形镜的面型函数Ψ以及控制电压矩阵c之间的关系为：

Ψ＝ω·c (1)

通过变形镜影响函数矩阵ω求得变形镜影响函数之间的耦合矩阵Γ，其定义为：

Γ＝ω^Tω (2)

式中，ω^T是ω的转置矩阵；

由于矩阵Γ是厄米矩阵，故将其奇异值分解为：

Γ＝U·S·U^T (3)

式中，U为酉矩阵，U^T为U的转置矩阵，S为对角阵；

根据酉矩阵的特点将公式(1)改写为：

Ψ＝ω·U·U^T·C (4)

令M＝ω·U，N＝U^T·C，则公式(4)写为

Ψ＝M·N (5)

式中，矩阵M为变形镜本征模式矩阵，矩阵N为本征模式的系数矩阵，其每一列元素对应一个变形镜的本征模式。

通过以上推导求出将要使用的变形镜本征模式，其结果如图4所示，可以看出，变形镜9的面型可以由本征模式的线性组合表示出来。

步骤3，通过CCD相机11采集畸变后的远场光斑，根据步骤2得到的变形镜本征模式矩阵M计算初始远场光斑的系统评价指标G₀；

打开激光器电源，首先对空间光调制器5进行标定，并且使其在纯相位工作状态，然后将不同的相位屏加载到空间光调制器5上以模拟不同的湍流情况，利用CCD相机11采集畸变后的远场光斑，如图5(a)为大气相干长度r₀＝0.2时CCD相机11探测到的远场光斑，图5(b)为大气相干长度r₀＝0.04时CCD相机11探测到的远场光斑，图5(c)为大气相干长度r₀＝0.02时CCD相机11探测到的远场光斑。

采用远场光斑图像的功率谱密度S_j(m)在低频区域的积分作为系统评价指标，即：

式中，m为归一化空间频率，M₁和M₂为归一化空间频率范围，ξ是空间频率方向角；

评价函数g与波前误差φ的关系近似的表示为：

式中，q₀与q₁是和图像结构相关的常数，表示对受光面进行积分；

波前误差φ用变形镜本征模式M展开为：

式中，N_i是第i阶模式的变形镜本征模式系数，M_i是第i阶变形镜本征模式矩阵，p为模式阶数；

公式(7)可以用变形镜本征模式系数表示为：

公式(9)适用于小像差情况；

对于大像差，评价函数与变形镜本征模式系数的关系近似于洛伦兹函数，此时，公式(7)可以表示为

式中公式(10)同样适用于小像差情况。

依据此原理，由CCD相机探测到的远场光斑图像计算出初始远场光斑的系统评价指标G₀：

步骤4，利用变形镜分别产生各阶模式系数的正负偏移量±b_i，根据变形镜本征模式的系数矩阵N＝U^T·C推导出产生此偏置所需要的电压值，将此电压通过变形镜控制箱12分别施加给变形镜9，通过CCD相机11采集对应光斑图像，计算得到相应的系统评价指标G₊、G_-，结合步骤3得到的系统评价指标G₀计算出第i阶变形镜本征模式的系数校正量N_i，corr：

根据公式(11)得到以下方程组

求解公式(12)可以得到第i阶变形镜本征模式的系数校正量N_i，corr为

步骤5，根据步骤4得到的系数校正量N_i，corr计算变形镜各通道的校正电压，将此电压通过变形镜控制箱12施加给变形镜9进行校正；

得到各阶系数校正量N_i，corr之后，通过公式N＝U^T·C获得校正畸变波前所需的控制电压C；

步骤6，CCD相机11采集进行校正后的信号光，取远场光斑图像的斯特列尔比作为像质评价指标，若其SR＜0.8，则返回步骤3继续进行波前误差校正，求出变形镜9的控制电压后，计算机a13通过控制变形镜控制箱12将电压施加给变形镜9，实现波前误差校正，直至CCD相机11采集进行校正后的畸变信号光满足像质要求。

如图5和图6所示，图5是本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统在不同湍流情况下校正前的远场光斑图，其畸变后的光斑破碎，能量分散，不能满足像质要求，图6是本发明一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统在不同湍流情况下校正后的远场光斑图，可以看出其光斑汇聚，能量集中，可以满足像质要求。

Claims (10)

1.一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统，其特征在于，包括偏振片a(1)，光束穿过偏振片a(1)后依次经过透镜a(2)、透镜b(3)和分光棱镜a(4)，分光棱镜a(4)将光束进行分束后入射到空间光调制器(5)，空间光调制器(5)将光束调制后入射到反射镜(6)，经反射镜(6)反射后的光束行进方向上依次设置有偏振片b(7)和分光棱镜b(8)，分光棱镜b(8)将光进行分束后入射到变形镜(9)，光束经变形镜(9)反射后入射进透镜c(10)，经透镜c(10)汇聚光入射进CCD相机(11)。

2.根据权利要求1所述的一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统，其特征在于，所述空间光调制器(5)连接有计算机b(14)。

3.根据权利要求1所述的一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统，其特征在于，所述变形镜(9)依次连接有变形镜控制箱(12)和计算机a(13)，计算机a(13)与CCD相机(11)连接。

4.根据权利要求1所述的一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法，其特征在于，具体按照下述步骤实施：

步骤1，搭建所述校正无线激光通信中畸变信号光的系统，利用变形镜控制箱(12)给变形镜促动器施加单位电压，利用波前传感器测量得到变形镜影响函数矩阵ω；

步骤2，通过步骤1得到的变形镜影响函数矩阵ω得到变形镜本征模式矩阵M；

步骤3，通过CCD相机(11)采集畸变后的远场光斑，根据步骤2得到的变形镜本征模式矩阵M计算初始远场光斑的系统评价指标G₀；

步骤4，利用变形镜(9)分别产生各阶模式系数的正负偏移量±b_i，根据变形镜本征模式的系数矩阵N＝U^T·C推导出产生此偏置所需要的电压值，将此电压通过变形镜控制箱(12)分别施加给变形镜(9)，通过CCD相机(11)采集对应光斑图像，计算得到相应的系统评价指标G₊、G_-，结合步骤3得到的系统评价指标G₀计算出i阶变第形镜本征模式的系数校正量N_i，corr：

步骤5，根据步骤4得到的系数校正量N_i，corr计算变形镜各通道的校正电压，将此电压通过变形镜控制箱(12)施加给变形镜(9)进行校正；

得到各阶系数校正量N_i，corr之后，通过公式N＝U^T·C获得校正畸变波前所需的控制电压C；

步骤6，判断校正后的信号光是否满足要求，如不满足继续进行校正至满足像质要求。

5.根据权利要求4所述的一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法，其特征在于，所述步骤2按照下述方法实施：

变形镜影响函数矩阵ω与变形镜的面型函数Ψ以及控制电压矩阵c之间的关系为：

Ψ＝ω·c (1)

通过变形镜影响函数矩阵ω求得变形镜影响函数之间的耦合矩阵Γ，其定义为：

Γ＝ω^Tω (2)式中，ω^T是ω的转置矩阵；

由于矩阵Γ是厄米矩阵，故将其奇异值分解为：

Γ＝U·S·U^T (3) 式中，U为酉矩阵，U^T为U的转置矩阵，S为对角阵；

根据酉矩阵的特点将公式(1)改写为：

Ψ＝ω·U·U^T·C (4)

令M＝ω·U，N＝U^T·C，则公式(4)写为

Ψ＝M·N (5)

式中，矩阵M为变形镜本征模式矩阵，矩阵N为本征模式的系数矩阵，其每一列元素对应一个变形镜的本征模式。

6.根据权利要求4所述的一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法，其特征在于，所述步骤3按照下述方法实施：

打开激光器电源，首先对空间光调制器(5)进行标定，使其在纯相位工作状态，并将不同的相位屏加载到空间光调制器(5)上以模拟不同的湍流情况，利用CCD相机(11)采集畸变后的远场光斑，采用远场光斑图像的功率谱密度S_j(m)在低频区域的积分作为系统初始指标，即：

式中，m为归一化空间频率，M₁和M₂为归一化空间频率范围，ξ是空间频率方向角；

评价函数g与波前误差φ的关系近似的表示为：

式中，q₀与q₁是和图像结构相关的常数，表示对受光面进行积分；

波前误差φ用变形镜本征模式M展开为：

式中，N_i是第i阶模式的变形镜本征模式系数，M_i是第i阶变形镜本征模式矩阵，p为模式阶数；

评价函数与变形镜本征模式系数的关系近似于洛伦兹函数，此时，公式(7)可以表示为

式中公式(9)同时适用于大像差和小像差情况。

依据此原理，由CCD相机(11)探测到的远场光斑图像计算出初始远场光斑的系统初始指标G₀：

7.根据权利要求6所述的一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法，其特征在于，所述公式(7)可以用变形镜本征模式系数表示为：

公式(11)同样适用于小像差情况。

8.根据权利要求6所述的一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法，其特征在于，所述步骤4按照下述方法实施：

利用变形镜(9)分别产生各阶模式系数的正负偏移量±b_i，根据变形镜本征模式的系数矩阵N＝U^T·C推导出产生此偏置所需要的电压值，将此电压通过变形镜控制箱(12)分别施加给变形镜(9)，通过CCD相机(11)采集对应光斑图像，计算得到相应的像质评价函数G₊、G_-，结合步骤3得到的系统评价指标G₀计算出i阶变第形镜本征模式的系数校正量N_i，corr：

根据公式(10)得到以下方程组

求解公式(12)可以得到第i阶变形镜本征模式的系数校正量N_i，corr为

9.根据权利要求5所述的一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法，其特征在于，所述步步骤5按照下述方法实施：

得到各阶系数校正量N_i，corr之后，通过公式N＝U^T·C获得校正畸变波前所需的控制电压C。

10.根据权利要求4所述的一种校正无线激光通信中畸变信号光的系统的校正方法，其特征在于，所述步骤6按照下述方法实施：

CCD相机(11)采集进行校正后的畸变信号光，取远场光斑图像的斯特列尔比作为像质评价指标，若其SR＜0.8，则返回步骤3继续进行波前误差校正，根据步骤5得到变形镜(9)的控制电压，计算机a(13)通过控制变形镜控制箱(12)将电压施加给变形镜(9)，实现波前误差校正，直至CCD相机(11)采集进行校正后的畸变信号光满足像质要求。