CN111273410A - 一种空间光-光纤耦合自动对准系统及其控制方法 - Google Patents

一种空间光-光纤耦合自动对准系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间光‑光纤耦合自动对准系统，包括空间光线及依次设置的聚焦耦合透镜、五自由度精调节组件和处理单元；五自由度精调节组件设置有耦合光纤，空间光线通过聚焦耦合透镜与耦合光纤耦合；处理单元包括依次线连接的光电探测模块、控制处理模块和压电陶瓷驱动模块，压电陶瓷驱动模块与五自由度精调节组件线连接，耦合光纤与光电探测模块相连接。本发明还公开了一种空间光‑光纤耦合自动对准系统的控制方法。本发明一种空间光‑光纤耦合自动对准系统，解决了现有技术中存在的空间光‑光纤耦合对准精度低、费时、费力的问题。

Description

一种空间光-光纤耦合自动对准系统及其控制方法
技术领域
本发明属于无线激光通信技术领域，具体涉及一种空间光-光纤耦合自动对准系统，本发明还涉及上述空间光-光纤耦合自动对准系统的控制方法。
背景技术
无线激光通信具有很多优点，其通信容量巨大、传输速率快、抗干扰能力强、隐蔽性好、无需频谱许可，是高速、大容量信息传输的重要模式之一，已成为各国在通信领域高度认可的通信解决方案之一，同时在各个领域也获得了较为广泛的应用，尤其是在军用领域。传统的无线电通信容易被窃听和干扰，这对军事作战的影响是巨大的。无线激光通信技术配合微波通信和光纤通信可有效解决上述问题。为进一步提高接收系统的探测灵敏度与通信容量，可以将成熟的光纤通信技术应用到空间激光通信中，如掺饵光纤放大器、波分复用器等核心器件的使用。而空间光到光纤的耦合是应用光纤技术的前提，因大气衰减、大气湍流、接收与发射端随机抖动等影响因素的存在，使空间光到单模光纤的耦合较为困难。如何快速、高效、稳定地实现空间光到单模光纤耦合是空间激光通信的急需解决的问题。
将空间光高效耦合进光纤有着很重要的意义：可以提高光传输效率，使得无线传输的空间光通信转化成光纤传输，实现全光网络，从而提高整个光网络的效率。但是光纤的纤芯直径很小，人工操作空间光-光纤耦合对准是非常费工、费时，且准确性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种空间光-光纤耦合自动对准系统，解决了现有技术中存在的空间光-光纤耦合对准精度低、费时、费力的问题。
本发明的另一目的是提供上述空间光-光纤耦合自动对准系统的控制方法，解决了现有技术中存在的空间光-光纤耦合对准精度低、费时、费力的问题。
本发明所采用的技术方案是一种空间光-光纤耦合自动对准系统，包括空间光线及依次设置的聚焦耦合透镜、五自由度精调节组件和处理单元；
五自由度精调节组件设置有耦合光纤，空间光线通过聚焦耦合透镜与耦合光纤耦合；处理单元包括依次线连接的光电探测模块、控制处理模块和压电陶瓷驱动模块，压电陶瓷驱动模块与五自由度精调节组件线连接，耦合光纤与光电探测模块相连接。
本发明的特点还在于：
五自由度精调节组件包括三维电动粗调节台，三维电动粗调节台的顶部转动安装有支架，支架的端部安装有过度件，过度件内安装有压电陶瓷c的一端，压电陶瓷c的另一端依次安装有压电陶瓷b和压电陶瓷a，耦合光纤设置于压电陶瓷a的外侧。
压电陶瓷c、压电陶瓷b和压电陶瓷a依次粘接。
过度件为内置凹槽的柱形，压电陶瓷c的一端安装在凹槽内。
光电探测模块包括相连接的光电探测器和光电流放大电路，光电探测器和耦合光纤的端部相连接；光电探测器的型号为PIN7787。
控制处理模块包括安装有FPGA芯片和数模转换芯片的外围电路，数模转换芯片的型号为AD9708，外围电路与光电流放大电路相连接。
压电陶瓷驱动模块包括至少三个功率放大器，三个功率放大器分别与压电陶瓷c、压电陶瓷b和压电陶瓷a相连接，三个功率放大器均连接有恒压供电源，恒压供电源安装在外围电路。
本发明所采用的另一种技术方案是一种空间光-光纤耦合自动对准系统的控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、空间光线经聚焦耦合透镜聚焦到耦合光纤的端面附近；
步骤2、开启三维电动粗调节台，对空间光线的聚焦光斑和耦合光纤端面的位置进行粗调节，使光电探测器探测到光信号，同时将光信号转换为光电流信号；光电流放大电路将光电流信号进行放大处理得到电压信号，并输出至控制处理模块作为闭环反馈信号；
步骤3、FPGA芯片和数模转换芯片根据寻优算法对闭环反馈信号进行寻优迭代，每次迭代后输出一组控制压电陶瓷驱动模块的控制信号；
步骤4、控制信号分别到达对应的压电陶瓷c、压电陶瓷b和压电陶瓷a的控制电路通道，每个控制电路通道的功率放大器将控制信号进行放大处理，并驱动对应的压电陶瓷c、压电陶瓷b和压电陶瓷a产生所需的位移量，带动耦合光纤进行微位移；
步骤5、当闭环反馈信号达到最大或收敛于最大值时，停止迭代，空间光-光纤耦合达到了稳定状态，即实现了空间光线的聚焦光斑和耦合光纤端面的自动对准。
本发明的有益效果是：
(1)、本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统，采用具有高精度、高分辨率特性的压电陶瓷作为微调节的执行器，即采用可以实现XY方向、θxθy方向以及Z方向位移的压电陶瓷b、压电陶瓷a、以及电陶瓷c组合成复合位移装置，对耦合光纤位置进行微米级别的调整，不仅提高了光纤位置调整的自由度，也提高了空间光-光纤耦合的对准精度，并且具有小体积、低成本的优点；
(2)、本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统，采用粗对准与精对准相结合的方式，即将压电陶瓷b、压电陶瓷a、以及电陶瓷c与三维电动粗调节台进行结合，实现了对耦合光纤位置的多方位精确调整，同时又能实现高精度的空间光-光纤耦合；
(3)、本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统，采用处理单元结合随机并行梯度下降算法来寻找空间光线和耦合光纤耦合的最佳位置，可以实现对准过程的自动化，并且相比于传统的人工对准方式具有准确度更高、效率高的优点。
附图说明
图1是本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统的整体结构示意图；
图2是本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统中五自由度精调节组件的结构示意图；
图3是本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统中压电陶瓷的扫描轨迹示意图；
图4是空间光线与耦合光纤耦合的示意图；
图(a)空间光线与耦合光纤完全对准耦合的示意图
图(b)空间光线与耦合光纤径向偏差耦合的示意图
图(c)空间光线与耦合光纤角度偏差耦合的示意图
图(d)空间光线与耦合光纤轴向偏差耦合的示意图
图5是本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统中的随机并行梯度下降算法的流程示意图；
图6是本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统中压电陶瓷驱动模块的示意图。
图中，1.空间光线，2.五自由度精调节组件，2-1.三维电动粗调节台，2-2.支架，2-3.过度件，2-4.压电陶瓷a，2-5.压电陶瓷b，2-6.压电陶瓷c，3.聚焦耦合透镜，4.耦合光纤，5.光电探测模块，5-1.光电探测器，5-2.光电流放大电路，6.控制处理模块，7.压电陶瓷驱动模块，7-1.功率放大器，7-2.恒压供电源。
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。
本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统，如图1所示，包括空间光线1及依次设置的聚焦耦合透镜3、五自由度精调节组件2和处理单元；五自由度精调节组件2设置有耦合光纤4，空间光线1通过聚焦耦合透镜3与耦合光纤4耦合；
处理单元包括依次线连接的光电探测模块5、控制处理模块6和压电陶瓷驱动模块7，压电陶瓷驱动模块7与五自由度精调节组件2线连接，耦合光纤4与光电探测模块5相连接。
优选地，如图2所示，五自由度精调节组件2包括三维电动粗调节台2-1，三维电动粗调节台2-1的顶部转动安装有支架2-2，支架2-2的端部安装有过度件2-3，过度件2-3内安装有压电陶瓷c2-6的一端，压电陶瓷c2-6的另一端依次安装有压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4，耦合光纤4设置于压电陶瓷a2-4的外侧。
压电陶瓷c2-6、压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4依次粘接。过度件2-3为内置凹槽的柱形，压电陶瓷c2-6的一端安装在凹槽内。
优选地，光电探测模块5包括相连接的光电探测器5-1和光电流放大电路5-2，光电探测器5-1和耦合光纤4的端部相连接；光电探测器5-1的型号为PIN7787。
优选地，控制处理模块6包括安装有FPGA芯片和数模转换芯片的外围电路，数模转换芯片的型号为AD9708，外围电路与光电流放大电路5-2相连接。
优选地，压电陶瓷驱动模块7包括至少三个功率放大器7-1，三个功率放大器7-1分别与压电陶瓷c2-6、压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4相连接，三个功率放大器7-1均连接有恒压供电源7-2，恒压供电源7-2安装在外围电路。
本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统中主要部件的作用分别如下：
三维电动粗调节台2-1：可对耦合光纤4实现X、Y、Z方向位移的调节，其调节范围为10mm，调节精度为10μm，实现了空间光线1的聚焦光斑和耦合光纤4端面的粗对准；
压电陶瓷c2-6、压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4可对耦合光纤4分别实现Z方向、XY方向和方向位移的调节，实现空间光线1的聚焦光斑和耦合光纤4端面的精对准，如图3所示；压电陶瓷c2-6、压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4的微位移精度均可以达到微米级，可以很好的弥补粗调节精度不足的问题；
光电探测模块5：由于耦合光纤4的光功率过小时容易在光电探测器5-1输出后导致控制处理模块无法检测到反馈信息，所以将光电探测器5-1的输出信号进行放大，然后作为反馈信号来提高控制处理模块6的灵敏度；
控制处理模块6：主要作用在于根据随机并行梯度下降算法生成控制信号，经数模转换芯片将控制信号转换为控制压电陶瓷进行微位移的模拟信号，实现空间光线1的聚焦光斑和耦合光纤4端面的精对准；
压电陶瓷驱动模块7：主要作用在于通过恒压供电源7-2分别对压电陶瓷c2-6、压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4提供所需的稳定直流电压，压电陶瓷a2-4的供电直流电压为±30V，压电陶瓷b2-5的供电直流电压为±100V，压电陶瓷c2-6的供电直流电压为120V，如图6所示；功率放大器7-1主要是将控制信号进行放大，方便驱动压电陶瓷c2-6、压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4进行微位移。
本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统，其工作原理如下：
空间光线1经大气链路传输后，经聚焦耦合透镜3汇聚到其焦平面处；开启三维电动粗调节台2-1对空间光线1的聚焦光斑和耦合光纤4端面的位置进行粗调节，光电探测模块5将耦合到的光信号进行光电转换，并发送给控制处理模块6作为闭环反馈信号，以闭环反馈信号作为迭代优化评价函数，将控制处理模块6输出的控制电压信号作为变量；控制处理模块6以评价函数最优进行随机并行梯度下降算法的迭代，并输出控制信号到压电陶瓷驱动模块7，压电陶瓷驱动模块7将接收到的控制信号经功率放大器7-1进行放大，经放大后的控制信号分别控制对应的压电陶瓷c2-6、压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4产生相应的位移量，从而带动耦合光纤4产生位移；以评价函数最优(耦合光纤4中的光功率最大或收敛于最大值)进行多次迭代，实现空间光线1的聚焦光斑和耦合光纤4端面的自动对准，使耦合效率达到最大。
空间光线1与耦合光纤4耦合的情况分为四种，如图4所示，空间光线1与耦合光纤4完全对准耦合；空间光线1与耦合光纤4径向偏差耦合；空间光线1与耦合光纤4角度偏差耦合；空间光线1与耦合光纤4轴向偏差耦合；采用本发明的空间光-光纤耦合自动对准系统，均可以实现空间光线1与耦合光纤4完全对准耦合。
本发明一种空间光-光纤耦合自动对准系统的控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、空间光线1经聚焦耦合透镜3聚焦到耦合光纤4的端面附近；
步骤2、开启三维电动粗调节台2-1，对空间光线1的聚焦光斑和耦合光纤4端面的位置进行粗调节，使光电探测器5-1探测到光信号，同时将光信号转换为光电流信号；光电流放大电路5-2将光电流信号进行放大处理得到电压信号，并输出至控制处理模块6作为闭环反馈信号；
粗调节采用栅形扫描方式，原理在于：以聚焦耦合透镜3所在平面为XY平面，在三维电动粗调节台2-1的行程范围内，先对XY平面进行扫描，以最小步距调节Z方向调节台，Z方向调节台每调节一次，XY方向扫描整个平面，直到光电探测器5-1探测到光信号，并能达到识别范围；
步骤3、FPGA芯片和数模转换芯片根据寻优算法对闭环反馈信号进行寻优迭代，每次迭代后输出一组控制压电陶瓷驱动模块7的控制信号；
步骤4、控制信号分别到达对应的压电陶瓷c2-6、压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4的控制电路通道，每个控制电路通道的功率放大器7-1将控制信号进行放大处理，并驱动对应的压电陶瓷c2-6、压电陶瓷b2-5和压电陶瓷a2-4产生所需的位移量，带动耦合光纤4进行微位移；
步骤5、当闭环反馈信号达到最大或收敛于最大值时，停止迭代，空间光-光纤耦合达到了稳定状态，即实现了空间光线1的聚焦光斑和耦合光纤4端面的自动对准。
空间光线1在湍流大气中传输时，会受到大气湍流引起的折射率起伏影响，产生光斑抖动、光束飘移和光强闪烁等现象，导致已经耦合对准的光纤位置姿态不再适合变化后的情况。具体分为如下两种情况：
(1)聚焦光斑的偏移量在压电陶瓷a、压电陶瓷b和压电陶瓷c的动态范围
聚焦光斑的位置可能会随光传输过程链路上的湍流影响发生变化，当聚焦光斑的位置中心并未偏移出压电陶瓷a、压电陶瓷b和压电陶瓷c的动态范围，此时，采用压电陶瓷a、压电陶瓷b和压电陶瓷c重新调节空间光线1和耦合光纤4的位置即可实现最优对准姿态；
(2)聚焦光斑的偏移量移出压电陶瓷a、压电陶瓷b和压电陶瓷c的动态范围
先驱动三维电动粗调节台2-1将聚焦光斑的位置中心重新移至压电陶瓷a、压电陶瓷b和压电陶瓷c的动态范围内，然后采用压电陶瓷a、压电陶瓷b和压电陶瓷c调节空间光线1和耦合光纤4的位置，即可实现最优对准姿态。
如图5所示，本发明中随机并行梯度下降算法的原理是将系统性能指标的变化量ΔJ与控制参数的扰动电压变化量Δu进行控制参数的梯度估计，以迭代方式在梯度下降方向上进行控制参数的搜索。具体流程如下：
首先初始化，获得系统目标函数值J，并生成一组初始的控制电压
Figure BDA0002427282690000091
对控制电压施加扰动，随机生成扰动向量，各扰动向量相互独立且同为伯努利分布，依次计算获得正向扰动和负向扰动后的电压值、正向扰动和负向扰动后的J值、两次扰动后的J值之差，然后计算获得迭代电压，完成初始电压值的更新，即完成一次的算法迭代；重复随机并行梯度下降算法的迭代过程，直到系统目标函数值J满足系统收敛条件(耦合光纤4中的光功率最大或收敛于最大值)，停止迭代，此时，空间光-光纤耦合达到了稳定状态，即实现了空间光线1的聚焦光斑和耦合光纤4端面的自动对准。
其中，随机并行梯度下降算法的迭代公式为：
u(m+1)＝u(m)+kδJ(m)δu(m) (1)，
式(1)中：u(m)＝{u1,u2,…uN}(m)是第m次迭代后控制参数的扰动电压向量；u(m+1)是第m+1次迭代后控制参数的扰动电压向量；k是增益系数；δJ(m)是第m次系统性能指标测量值的变化量；δu(m)是第m次迭代后控制参数的扰动电压。
δJ(m)的计算公式为：
Figure BDA0002427282690000101
式(2)中：
Figure BDA0002427282690000102
是正的系统性能指标；
Figure BDA0002427282690000103
为负的系统性能指标；
本发明采用耦合效率作为系统性能指标，耦合效率是耦合进光纤的平均光功率和接收平面内的平均光功率之比，公式如下：
Figure BDA0002427282690000104
式(3)中：η为光纤耦合效率；<PT>为接收平面内的平均光功率；<Pa>为耦合进光纤中的平均光功率；Ui(r)为接收孔径上的入射光场分布；
Figure BDA0002427282690000105
为接收孔径上的光纤模场分布。

Claims (9)

1.一种空间光-光纤耦合自动对准系统，其特征在于，包括空间光线(1)及依次设置的聚焦耦合透镜(3)、五自由度精调节组件(2)和处理单元；
所述五自由度精调节组件(2)设置有耦合光纤(4)，所述空间光线(1)通过聚焦耦合透镜(3)与耦合光纤(4)耦合；
所述处理单元包括依次线连接的光电探测模块(5)、控制处理模块(6)和压电陶瓷驱动模块(7)，所述压电陶瓷驱动模块(7)与五自由度精调节组件(2)线连接，所述耦合光纤(4)与光电探测模块(5)相连接。
2.如权利要求1所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统，其特征在于，所述五自由度精调节组件(2)包括三维电动粗调节台(2-1)，所述三维电动粗调节台(2-1)的顶部转动安装有支架(2-2)，所述支架(2-2)的端部安装有过度件(2-3)，所述过度件(2-3)内安装有压电陶瓷c(2-6)的一端，所述压电陶瓷c(2-6)的另一端依次安装有压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4)，所述耦合光纤(4)设置于压电陶瓷a(2-4)的外侧。
3.如权利要求2所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统，其特征在于，所述压电陶瓷c(2-6)、压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4)依次粘接。
4.如权利要求2所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统，其特征在于，所述过度件(2-3)为内置凹槽的柱形，所述压电陶瓷c(2-6)的一端安装在凹槽内。
5.如权利要求1所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统，其特征在于，所述光电探测模块(5)包括相连接的光电探测器(5-1)和光电流放大电路(5-2)，所述光电探测器(5-1)和耦合光纤(4)的端部相连接；所述光电探测器(5-1)的型号为PIN7787。
6.如权利要求5所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统，其特征在于，所述控制处理模块(6)包括安装有FPGA芯片和数模转换芯片的外围电路，所述数模转换芯片的型号为AD9708，所述外围电路与光电流放大电路(5-2)相连接。
7.如权利要求6所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统，其特征在于，所述压电陶瓷驱动模块(7)包括至少三个功率放大器(7-1)，三个所述功率放大器(7-1)分别与压电陶瓷c(2-6)、压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4)相连接，三个所述功率放大器(7-1)均连接有恒压供电源(7-2)，所述恒压供电源(7-2)安装在外围电路。
8.如权利要求1～7任意一项所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统的控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、所述空间光线(1)经聚焦耦合透镜(3)聚焦到耦合光纤(4)的端面附近；
步骤2、开启三维电动粗调节台(2-1)，对空间光线(1)的聚焦光斑和耦合光纤(4)端面的位置进行粗调节，使光电探测器(5-1)探测到光信号，同时将光信号转换为光电流信号；所述光电流放大电路(5-2)将光电流信号进行放大处理得到电压信号，并输出至控制处理模块(6)作为闭环反馈信号；
步骤3、所述FPGA芯片和数模转换芯片根据寻优算法对闭环反馈信号进行寻优迭代，每次迭代后输出一组控制压电陶瓷驱动模块(7)的控制信号；
步骤4、所述控制信号分别到达对应的压电陶瓷c(2-6)、压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4)的控制电路通道，每个控制电路通道的功率放大器(7-1)将控制信号进行放大处理，并驱动对应的压电陶瓷c(2-6)、压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4)产生所需的位移量，带动耦合光纤(4)进行微位移；
步骤5、当所述闭环反馈信号达到最大或收敛于最大值时，停止迭代，空间光-光纤耦合达到了稳定状态，即实现了空间光线(1)的聚焦光斑和耦合光纤(4)端面的自动对准。
9.如权利要求8所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统的控制方法，其特征在于，步骤3中，所述寻优算法将控制处理模块(6)输出的控制电压信号作为变量，闭环反馈信号作为迭代优化评价函数；
所述寻优算法为随机并行梯度下降算法，迭代公式为：
u(m+1)＝u(m)+kδJ(m)δu(m) (1)，
式(1)中：u(m)＝{u1,u2,…uN}(m)是第m次迭代后控制参数的扰动电压向量；u(m+1)是第m+1次迭代后控制参数的扰动电压向量；k是增益系数；δJ(m)是第m次系统性能指标测量值的变化量；δu(m)是第m次迭代的扰动电压。
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