CN110995343A - 一种用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法，包括无波前探测和自适应光学系统相结合的混合波前探测方法，以实现强湍流的波前探测；当哈特曼探测器无法探测畸变波前信息时，利用无波前探测方法进行探测和校正，随着校正过程的进行，畸变像差逐渐变小，当像差进入哈特曼探测器的探测范围时，切换到哈特曼探测器进行波前的高速和高精度探测。这样，既实现了强湍流的波前探测和校正，又能够高精度校正。
Description
技术领域
本发明属于激光通信技术领域，涉及一种用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法。
背景技术
自由空间激光通信以其传输速率高、保密性强、方向性强等许多明显优于射频无线通信系统的特点而受到众多国际研究机构的关注。其是通过发射端调制并发射激光光束、接收端接收并解调激光光束来实现通信的。其中水平激光通信链路利用激光在水平大气中传输来进行通信，在传输过程中激光信号受到大气湍流的干扰而产生波前畸变。该畸变波前会导致光的传播方向发生改变，降低接收端的光功率，从而使得通信误码率急剧增大。
自适应光学系统可以实时校正由大气湍流引起的光学波前畸变，从而恢复空间光通信系统的通信能力。因此，目前研究者都采用自适应光学技术来提升水平空间激光通信的通信性能。目前的自适应光学系统主要包括哈特曼波前探测器、变形镜波前校正器和波前处理器。激光通信接收端接收到波前发生畸变的光束后，先由哈特曼探测器探测波前的位相畸变，并将畸变信息发送给波前控制器，波前控制器对畸变信息进行处理获得校正信号，并发送校正信息给变形镜，变形镜依据校正信号对畸变波前进行校正。校正后便可获得近似理想光束传播，从而降低通信误码率，获得近似理想的通信性能。由于大气湍流实时变化，因此也要求自适应光学系统能够实时探测波前畸变，并进行高速实时校正。
大气湍流的强弱主要体现在两个基本参数：格林伍德频率fG和大气相干长度r0。格林伍德频率指的是大气湍流变化快慢的特征频率，其值越大，湍流越强。大气相干长度r0描述的是大气湍流的空间频率，其值越大，湍流越弱。通常情况下，自适应光学系统需要依据大气湍流的格林伍德频率和大气相干长度进行设计。由于大气湍流是随机变化的，因此格林伍德频率和大气相干长度都是统计平均值。对于垂直大气湍流而言，其统计平均值相对稳定，因此可以提前进行站址的大气湍流参数测量，然后依据测量结果进行自适应光学系统的设计。但是对于水平湍流，其变化范围更大，随机性更大。最为关键的是，其强度和水平距离、工作时间以及海拔高度密切相关。当自适应光学系统的哈特曼探测器以一个r0值进行设计后，在实际使用过程中，由于工作距离、海拔高度和工作时间的变化，导致大气湍流急剧变强，会大量出现哈特曼探测器无法探测而给出的错误畸变波前信息。由于自适应光学系统采用闭环控制，当出现错误校正信息时，会导致累加器出错、系统崩溃。空间激光通信系统是一个码元实时传输的过程，当自适应光学系统校正出错时，就会产生断码，导致通信误码率急剧增大，甚至通信中断。
在水平激光通信过程中，针对强湍流下自适应光学系统无法探测畸变波前的问题，一种利用无波前探测的自适应校正系统应运而生。该方案与传统自适应系统最大的区别在于，它没有波前探测器，取而代之的是成像相机。首先获取有波前畸变时成像光斑的光强分布信息，分析光斑的性能指标，之后将性能指标作为参数，通过理论计算系获得畸变像差信息，然后依据畸变信息控制变形镜进行畸变校正。这种探测方式的优势是结构简单、操作方便，探测范围广，动态范围大。但是无波前探测通常选择系统某一项参数作为评价指标，如最大光强值，光斑半径等，然后经过成百上千次的迭代计算，才能获得波前畸变信息。因此无波前探测方法的校正速度非常缓慢，校正精度低。由于水平大气湍流变化速度非常快，因此该方法无法满足空间激光通信应用需求。
对于经典自适应光学系统，哈特曼探测器无法有效探测强湍流的畸变波前，导致自适应光学系统无法对强湍流实现有效校正，甚至会产生反向校正；对于无波前探测自适应光学系统，其探测和校正速度慢，校正精度低，由于水平大气湍流变化速度非常快，因此该方法无法满足空间激光通信应用需求。
发明内容
为克服上述现有技术中的不足，针对空间激光通信中，水平强湍流下自适应光学系统无法探测和校正畸变波前、无波前探测方法探测速度慢、精度低的问题，本发明目的在于提供一种用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法，尤其是一种采无波前探测与哈特曼探测结合的混合波前探测方法，以实现强湍流的高速、高精度探测和校正。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法，包括无波前探测和自适应光学系统相结合的混合波前探测方法，以实现强湍流的波前探测；所述无波前探测和自适应光学系统包括哈特曼探测器、跟踪相机、变形镜、快反镜及望远镜；所述探测和校正方法包括以下步骤：
S1、在大气湍流产生畸变波前时，首先提取跟踪相机的光斑质心，计算脱靶量，依据脱靶量控制快反镜进行脱靶校正，从而实现对发射光束的实时跟踪和接收发射光路的对准；
S2、接着利用哈特曼探测器的阵列光斑强度信息判断畸变波前是否超出哈特曼探测器的探测范围；若超出探测范围，则利用跟踪相机获得的光强分布信息，依据无波前探测方法进行畸变信息的探测，根据畸变信息产生校正信号并利用变形镜进行校正；
S3、校正后，再次利用哈特曼探测器的光斑阵列数据判断是否进入哈特曼探测器的探测范围，如果还是超出探测范围，再次利用跟踪相机获得的光强信息，依据无波前探测方法进行畸变波前的探测和校正；
S4、当畸变像差减小到哈特曼探测器能够探测时，则切换到哈特曼探测器，利用其直接进行畸变波前的高速和高精度探测，同时依据探测到的畸变信息控制变形镜进行畸变波前的校正，从而实现对强湍流的高速、高精度探测和校正，获得近似理想的空间激光通信。
进一步地，所述自适应光学系统包括通信发射端机，所述通信发射端机同时发射信标光和信号光，所述信标光用于发射端和接收端的光路对接，所述信号光用于传输携带各种信息的光信号。
进一步地，所述信标光为808nm波长的激光，所述信号光为1550nm的激光；808nm波长的信标光用于进行波前探测，1550nm激光用于信号传输；其中，808nm波长的信标光又被分束器分成两束光，一束进入哈特曼探测器进行波前探测，一束进入跟踪相机，进行无波前探测和对发射端的实时跟踪。
进一步地，所述跟踪相机采集的光斑信息，利用无波前探测方法进行畸变波前的探测，其采用随机并行梯度下降算法(SPGD)进行畸变波前的恢复，经过多次迭代运算，获得准确的畸变波前。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的有益效果如下：
1、本发明采用无波前探测和哈特曼探测器相结合的混合波前探测方法，以实现强湍流的波前探测和校正：当空间激光通信系统在进行水平通信时，在进行自适应校正之前，先计算哈特曼探测器探测到的光斑和理论参照光斑之间的相关度，当相关度小于0.81时，采用无波前探测方式进行畸变像差的探测，并控制变形镜进行畸变校正；校正后，再次计算探测光斑和理论参照光斑的相关度并判断是否切换到哈特曼探测器进行探测；一直循环到相关度大于0.81，这时采用哈特曼探测器进行畸变波前探测，充分发挥哈特曼探测器的高速和高精度探测优势，能够针对水平激光通信中的强湍流进行高速探测和高精度校正。
2、本发明无需增加任何硬件，仅需通过改进控制软件和方法即可实现强湍流的探测；传统激光通信接收端机中都有一个跟踪相机，信标光聚焦在该相机上形成光斑。依据光斑的位置移动，可以计算出脱靶量。依据脱靶量控制快反镜，可以实现对发射端信标光的实时跟踪，从而实现了和发射端的光路对准。本发明利用跟踪相机采集的光斑信息，利用无波前探测方法进行畸变波前的探测，其采用随机并行梯度下降算法(SPGD)进行畸变波前的恢复，经过多次迭代运算，可以获得较为准备的畸变波前。相当于跟踪相机同时实现了光束跟踪控制和无波前探测两个功能。此外，哈特曼探测器直接使用传统自适应光学系统中的哈特曼探测器。因此，本发明无需增加硬件设备，仅需改变控制策略、增加无波前探测算法，即可实现强湍流的高速、高精度探测。
3、本发明无波前探测和哈特曼探测器相结合的混合波前探测方法：当哈特曼探测器无法探测畸变波前信息时，利用无波前探测方法进行探测和校正，随着校正过程的进行，畸变像差逐渐变小，当像差进入哈特曼探测器的探测范围时，切换到哈特曼探测器进行波前的高速和高精度探测。这样，既实现了强湍流的波前探测和校正，又能够高精度校正。
4、本发明把无波前探测和哈特曼探测器进行有机结合，充分发挥各自的优势，同时避开了各自的缺点：当水平湍流较强时，先利用无波前探测的探测范围大的优势，进行畸变波前的探测和校正。但是由于无波前探测方法速度慢、精度低，只能进行部分畸变像差的校正。为此，本发明充分利用这一特点，只要畸变像差校正到小于哈特曼探测器的探测范围，便由哈特曼探测器进行畸变像差的探测，从而完美避开了无波前探测的缺点，同时充分发挥哈特曼探测器的优势，实现剩余畸变波前的高速、高精度探测，从而实现水平强湍流的高精度校正。
5、本发明设置哈特曼探测器的光斑阵列强度分布，作为两种波前探测方式的切换判据：以没有畸变像差时哈特曼探测器的光斑阵列作为理论参照，受畸变波前影响的光斑阵列与其进行相关运算，得到二者之间的相关度。以相关度0.81作为切换阈值，当相关度小于0.81时，采用无波前探测方式进行畸变像差的探测和校正；当相关度大于0.81时，采用哈特曼探测器进行畸变波前的探测和校正。
说明书附图
图1为本发明水平强湍流自适应光学系统探测方案示意图；
图2为本发明水平强湍流探测和校正流程示意图；
图3为本发明实施例中校正残差随着时间的变化示意图；
图4为本发明实施例中通信误码率随时间的变化示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例结合附图说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
实施例：
一种用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法，包括无波前探测和自适应光学系统相结合的混合波前探测方法，以实现强湍流的波前探测；所述无波前探测和自适应光学系统包括哈特曼探测器、跟踪相机、变形镜、快反镜及望远镜；所述探测和校正方法包括以下步骤：如图2所示：
S1、在大气湍流产生畸变波前时，首先提取跟踪相机的光斑质心，计算脱靶量，依据脱靶量控制快反镜进行脱靶校正，从而实现对发射光束的实时跟踪和接收发射光路的对准；
S2、接着利用哈特曼探测器的阵列光斑强度信息判断畸变波前是否超出哈特曼探测器的探测范围；若超出探测范围，则利用跟踪相机获得的光强分布信息，依据无波前探测方法进行畸变信息的探测，根据畸变信息产生校正信号并利用变形镜进行校正；
S3、校正后，再次利用哈特曼探测器的光斑阵列数据判断是否进入哈特曼探测器的探测范围，如果还是超出探测范围，再次利用跟踪相机获得的光强信息，依据无波前探测方法进行畸变波前的探测和校正；
S4、当畸变像差减小到哈特曼探测器能够探测时，则切换到哈特曼探测器，利用其直接进行畸变波前的高速和高精度探测，同时依据探测到的畸变信息控制变形镜进行畸变波前的校正，从而实现对强湍流的高速、高精度探测和校正，获得近似理想的空间激光通信。
这种方法既避免了利用无波前探测恢复畸变像差时迭代次数多，耗时长、精度低的问题，同时又能够充分利用哈特曼探测器的高速、高精度探测的特点，解决了空间激光通信中遇到的强湍流无法探测和校正的问题。
为了校正大气湍流，通常在空间激光通信接收端机上加装自适应光学系统，在激光通信过程中对大气湍流产生的波前畸变实时校正，从而获得低误码率的高速通信。在空间激光通信中，所述自适应光学系统包括通信发射端机，所述通信发射端机同时发射信标光和信号光，所述信标光用于发射端和接收端的光路对接，所述信号光用于传输携带各种信息的光信号。所述信标光为808nm波长的激光，所述信号光为1550nm的激光；808nm波长的信标光用于波前探测，1550nm激光用于信号传输；其中，808nm波长的信标光又被分束器分成两束光，一束进入哈特曼探测器进行波前探测，一束进入跟踪相机，进行无波前探测和对发射端的实时跟踪。如图1所示：从发射端发射出的808nm信标光和1550nm信号光同时进入接收端机的接收望远镜，然后被反射镜M1反射、透镜L1准直后，入射到快反镜并被其再次反射；该反射光被透镜L2、反射镜M2和透镜L3组成的扩束系统扩束后，入射到变形镜并被其再次反射；该反射光先被分色片P1分成两束光：反射光为808nm，透射光为808nm和1550nm，其中808nm激光的80％被反射，20％透射；反射的80％808nm激光经L6、M5和L7组成的缩束系统后，进入哈特曼探测器；透射的20％808nm激光和1550nm激光经L4和L5组成的缩束系统后被分束器P2分成两束：808nm激光被反射后经M4反射后进行跟踪相机，透射的1550nm激光进入光纤进行信号接收。由图1光路可以看出，本发明利用本来用于跟踪的相机进行无波前探测，因此不增加任何硬件复杂度。
所述跟踪相机采集的光斑信息，利用无波前探测方法进行畸变波前的探测，其采用随机并行梯度下降算法(SPGD)进行畸变波前的恢复，经过多次迭代运算，获得准确的畸变波前。
本发明采用无波前探测和哈特曼探测器相结合的混合波前探测方法，以实现强湍流的波前探测和校正：当空间激光通信系统在进行水平通信时，在进行自适应校正之前，先计算哈特曼探测器探测到的光斑和理论参照光斑之间的相关度，当相关度小于0.81时，采用无波前探测方式进行畸变像差的探测，并控制变形镜进行畸变校正；校正后，再次计算探测光斑和理论参照光斑的相关度并判断是否切换到哈特曼探测器进行探测；一直循环到相关度大于0.81，这时采用哈特曼探测器进行畸变波前探测，充分发挥哈特曼探测器的高速和高精度探测优势，能够针对水平激光通信中的强湍流进行高速探测和高精度校正。
如图3所示，是实际空间激光通信自适应光学系统的校正效果：纵坐标是校正后波前残差的均方根(RMS)值，横坐标是校正时间。可以看出，采用无波前探测时，校正残差较大；当切换到哈特曼探测器探测时，校正残差急剧减小，最后稳定。
如图4所示，是通信误码率随校正时间的变化，可以看出，当采用无波前探测进行校正时，通信误码率逐渐降低，但是误码率还是较高；当切换到哈特曼探测器进行波前探测时，通信误码率继续降低，直到最后稳定在一个低误码水平。这些结果充分说明，本发明能够实现对水平强湍流的高速、高精度探测和校正，从而获得高性能的水平激光通信。
传统的经典方法为：
自适应光学系统：采用哈特曼探测器进行大气湍流畸变波前的探测，当遇到水平强湍流时，无法有效探测强湍流的畸变波前，导致自适应光学系统无法对强湍流实现有效校正，甚至会产生反向校正；
无波前探测：利用成像相机获得的光斑图像进行畸变像差的探测，需要经过多次迭代计算才能获得较为准确的畸变信息，其探测和校正速度缓慢，校正精度低，由于水平大气湍流变化速度非常快，因此该方法无法满足空间激光通信应用需求。
本发明无需增加任何硬件，仅需通过改进控制软件和方法即可实现强湍流的探测；传统激光通信接收端机中都有一个跟踪相机，信标光聚焦在该相机上形成光斑。依据光斑的位置移动，可以计算出脱靶量。依据脱靶量控制快反镜，可以实现对发射端信标光的实时跟踪，从而实现了和发射端的光路对准。本发明利用跟踪相机采集的光斑信息，利用无波前探测方法进行畸变波前的探测，其采用随机并行梯度下降算法(SPGD)进行畸变波前的恢复，经过多次迭代运算，可以获得较为准备的畸变波前。相当于跟踪相机同时实现了光束跟踪控制和无波前探测两个功能。此外，哈特曼探测器直接使用传统自适应光学系统中的哈特曼探测器。因此，本发明无需增加硬件设备，仅需改变控制策略、增加无波前探测算法，即可实现强湍流的高速、高精度探测。
本发明无波前探测和哈特曼探测器相结合的混合波前探测方法：当哈特曼探测器无法探测畸变波前信息时，利用无波前探测方法进行探测和校正，随着校正过程的进行，畸变像差逐渐变小，当像差进入哈特曼探测器的探测范围时，切换到哈特曼探测器进行波前的高速和高精度探测。这样，既实现了强湍流的波前探测和校正，又能够高精度校正。
本发明把无波前探测和哈特曼探测器进行有机结合，充分发挥各自的优势，同时避开了各自的缺点：当水平湍流较强时，先利用无波前探测的探测范围大的优势，进行畸变波前的探测和校正。但是由于无波前探测方法速度慢、精度低，只能进行部分畸变像差的校正。为此，本发明充分利用这一特点，只要畸变像差校正到小于哈特曼探测器的探测范围，便由哈特曼探测器进行畸变像差的探测，从而完美避开了无波前探测的缺点，同时充分发挥哈特曼探测器的优势，实现剩余畸变波前的高速、高精度探测，从而实现水平强湍流的高精度校正。
本发明设置哈特曼探测器的光斑阵列强度分布，作为两种波前探测方式的切换判据：以没有畸变像差时哈特曼探测器的光斑阵列作为理论参照，受畸变波前影响的光斑阵列与其进行相关运算，得到二者之间的相关度。以相关度0.81作为切换阈值，当相关度小于0.81时，采用无波前探测方式进行畸变像差的探测和校正；当相关度大于0.81时，采用哈特曼探测器进行畸变波前的探测和校正。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法，其特征在于：包括无波前探测和自适应光学系统相结合的混合波前探测方法，以实现强湍流的波前探测；所述无波前探测和自适应光学系统包括哈特曼探测器、跟踪相机、变形镜、快反镜及望远镜；所述探测和校正方法包括以下步骤：
S1、在大气湍流产生畸变波前时，首先提取跟踪相机的光斑质心，计算脱靶量，依据脱靶量控制快反镜进行脱靶校正，从而实现对发射光束的实时跟踪和接收发射光路的对准；
S2、接着利用哈特曼探测器的阵列光斑强度信息判断畸变波前是否超出哈特曼探测器的探测范围；若超出探测范围，则利用跟踪相机获得的光强分布信息，依据无波前探测方法进行畸变信息的探测，根据畸变信息产生校正信号并利用变形镜进行校正；
S3、校正后，再次利用哈特曼探测器的光斑阵列数据判断是否进入哈特曼探测器的探测范围，如果还是超出探测范围，再次利用跟踪相机获得的光强信息，依据无波前探测方法进行畸变波前的探测和校正；
S4、当畸变像差减小到哈特曼探测器能够探测时，则切换到哈特曼探测器，利用其直接进行畸变波前的高速和高精度探测，同时依据探测到的畸变信息控制变形镜进行畸变波前的校正，从而实现对强湍流的高速、高精度探测和校正，获得近似理想的空间激光通信。
2.根据权利要求1所述的用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法，其特征在于：所述自适应光学系统包括通信发射端机，所述通信发射端机的发射端同时发射信标光和信号光，所述信标光用于发射端和接收端的光路对接，所述信号光用于传输携带各种信息的光信号。
3.根据权利要求2所述的用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法，其特征在于：所述信标光为808nm波长的激光，所述信号光为1550nm的激光；808nm波长的信标光用于进行波前探测，1550nm激光用于信号传输；其中，808nm波长的信标光又被分束器分成两束光，一束进入哈特曼探测器进行波前探测，一束进入跟踪相机，进行无波前探测和对发射端的实时跟踪。
4.根据权利要求1所述的用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法，其特征在于：所述跟踪相机采集的光斑信息，利用无波前探测方法进行畸变波前的探测，其采用随机并行梯度下降算法进行畸变波前的恢复，经过多次迭代运算，获得准确的畸变波前。
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