CN112260751A - 一种用于水平空间激光通信的spgd性能指标控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于水平空间激光通信的SPGD性能指标控制方法，具体操作方法为：将圆域分割成多个环形区域，并通过控制每个环形区域光强起伏方差最小的方法来实现每个环域光强均匀分布，进而通过控制由外及内的每个环域光强逐渐递增且符合高斯分布，来实现光强在中心集中、分布形式接近高斯分布。这样既实现了圆域内总光强最大，又实现了光强分布的控制，从而提升大气湍流像差的校正精度，降低激光通信误码率。

Description

一种用于水平空间激光通信的SPGD性能指标控制方法

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，特别涉及一种用于水平空间激光通信的SPGD性能指标控制方法。

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。

自适应光学技术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。自适应光学技术包括经典的自适应光学系统和无波前探测技术，自适应光学系统主要包括哈特曼波前探测器、变形镜和波前处理器，其利用哈特曼探测器探测波前的位相畸变，经波前控制器处理后，控制变形镜进行畸变波前校正。无波前探测技术不采用哈特曼探测器进行畸变信息探测，而是利用成像相机里的图像信息进行畸变控制和校正。在无波前探测技术中，随机并行梯度下降算法(SPGD)是一个广泛应用的无波前恢复算法，具有易实现、可以对计算对象进行多维计算的优点。其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优化目标，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。校正后，通过性能指标的变化确定校正效果和是否终止校正。

在SPGD算法中，性能指标的选取至关重要，通常选择系统某个参数作为性能指标，如最大光强值，光斑半径等，然后经过多次的迭代计算，使性能指标达到最优，从而实现波前畸变的校正。目前常用的性能指标参数有：光斑的能量分布、光强峰值、成像清晰度和区域总光强。实际激光通信过程中，受到大气信道的光吸收效应，到达接收端的能量会不断变化，一般采用区域总光强作为性能指标。其是对一定圆域内的光强进行积分得到区域总能量，当达到最大值时，认为此时入射光为平面波，即实现了波前畸变的校正。

然而，对于激光通信而言，接收到的光可以认为是点目标发出的，其理想像面应该是艾里斑，光强分布服从高斯分布。因此，在水平激光通信中，不仅要使得区域光强达到最大值，还要使得其光强分布接近高斯分布，这样才能够实现高精度校正，保持高质量激光通信。区域光强法仅能够判断区域总光强是否达到极值，无法判断区域内光强分布是否合理。因此，其仅能够实现大气湍流的部分校正，从而使得通信性能受限。

导致原因：

大气湍流随机变化，其参数格林伍德频率和大气相干长度都是统计平均值。对于水平湍流，其强度和水平距离、工作时间以及海拔高度密切相关，变化范围更大，随机性更大。受湍流影响，即使圆域内区域总光强达到最大，光斑还是会出现变形和局部突起的能量分布形式。当采用SPGD算法进行湍流畸变校正时，如果区域光强性能指标已经达到极大值，SPGD算法就停止迭代，校正终止。但是由于没有限制光强的空间分布形式，会出现光斑形状并不规则或者存在多个光强突起点。对于理想艾里斑，其光强分布规则、能量从中心逐渐减弱。因此，和理想通信系统相比，此时波前依然存在严重的畸变像差，从而严重影响激光通信性能。因此，单纯的通过区域总光强无法准确判断SPGD算法的校正效果，从而使得通信质量大幅降低。

所以，针对水平空间激光通信中，区域总光强性能指标无法限制光斑能量分布形式、从而无法准确判断SPGD算法的校正效果问题，有必要设计一种用于水平空间激光通信的随机并行梯度下降算法的性能指标控制方法，以解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种用于水平空间激光通信的SPGD性能指标控制方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种用于水平空间激光通信的SPGD性能指标控制方法，具体操作如下：

将圆域分割成多个环形区域，然后按照式(1)计算每个环域的光强方差：

式(1)中，N表示环域内像素数，I_i表示第i个像素的光强，

表示环域内平均光强，m表示第m个环域；通过给变形镜发送控制电压，经过多次迭代使得环域内方差最小来控制环域内光强分布均匀，避免出现局部峰值和部分区域无光现象；接着限制由外及内、不同环域光强I环呈逐渐上升趋势，使得光强分布趋近高斯分布。

1.本方案采用对整个圆域进行环形区域分割的方法，进行区域总光强和光强分布形式的控制：当空间激光通信系统在进行水平通信时，利用SPGD算法进行像差校正之前，首先把成像相机里光斑分布的圆域分割成多个环形区域；然后分别计算每个环形区域的光强起伏方差，并给变形镜发送控制电压，通过多次迭代，使得每个环形区域的光强起伏方差最小；最后分别计算每个环域的光强，并通过控制变形镜的电压，通过多次迭代，使得环域的光强由外及内依次以高斯分布形式递增。这样便可以控制成像相机里的光斑接近理想艾里斑分布，从而实现对大气湍流的高精度校正，降低激光通信误码率。

2。本方案采用的环形区域法相对于传统的区域总光强法的性能指标评价方法，具有更强的限制约束，从而降低了SPGD算法迭代过程中的随机性，使得迭代的目标更加明确，从而可以降低迭代次数，大幅提升迭代速度。

附图说明

图1为SPGD算法流程图。

图2为点目标的成像光强分布二维图。

图3为点目标的成像光强分布三维图。

图4为光斑变形时采用圆域总光强法和环形区域光强法作为性能指标J时的成像光强分布图，虚线表示圆域总光强。

图5为存在局部光强峰值时采用圆域总光强法和环形区域光强法作为性能指标J时的成像光强分布图，虚线表示圆域总光强。

图6为改进前后SPGD算法恢复结果对比。

图7为性能指标改进前后迭代次数变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

在水平激光通信的大气湍流校正中，针对变形镜波前校正器，采用SPGD算法进行畸变校正时，其校正流程如图1所示，其中性能指标J是成像相机采集到的圆域总光强。以Zernike多项式来表达变形镜产生的校正信号n，n表示第n项Zernike多项式。首先对第n项Zernike像差进行恢复，利用变形镜生成正负单位像差，改变跟踪相机光斑的性能指标，得到性能指标J。根据J的变化量，确定下一循环施加给变形镜的像差面形。经过多次迭代，当性能指标的变化量达到极小值时，停止迭代，完成湍流畸变的校正。从该校正流程可以看出，性能指标决定着最终的校正效果。因此性能指标J的选取和计算方法至关重要。

本发明提出一种针对圆域总光强性能指标J的计算方法，其可以同时对总光强和光强分布进行控制，从而使得最终的光强分布更接近理想光强的高斯分布，实现大气湍流的高精度校正。对于点目标而言，其理想的光强分布如图2、图3所示，其中图2是二维分布图，图3是三维分布图，其服从高斯分布。当湍流畸变被校正后，在成像相机里应该获得如图2所示的校正结果。

具体实施过程如下：

由于大气湍流的干扰，当采用圆域总光强作为性能指标J时，会出现虽然圆域内的总光强达到最大，但是存在光斑形状变形和局部峰值的情形，如图4和5虚线圆包围区域所示。该校正结果和图2所示的理想结果差别较大，校正效果差。

本申请提出环域光强法如图4和5所示，对光强分布进行约束，从而使得校正结果更接近图2所示的理想结果。

具体操作如下：

首先把圆域分割成多个环形区域(如图4和5所示)，然后分别计算每个环域的光强方差：

N是环域内像素数，I_i是第i个像素的光强，

是环域内平均光强，m代表第m个环域。通过给变形镜发送控制电压，经过多次迭代使得环域内方差最小来控制环域内光强分布均匀，避免出现局部峰值和部分区域无光现象。接着限制由外及内、不同环域光强I环呈逐渐上升趋势，即I_环1<I_环2<I_环3<I_环4，使得光强分布趋近高斯分布。这样，既可以使得圆域总光强最大，还可以控制光强的分布，从而实现高精度校正。

实施结果：为了验证环域光强性能指标对校正效果的改善，首先利用MATLAB软件生成50幅不同大气湍流畸变像差的波前。分别利用区域总光强和环域光强法作为性能指标，对第3-8项Zernike像差进行校正，得到校正结果如图6所示，×、Δ和o分别代表原始畸变、圆域总光强法校正后和环域光强法校正后的波前PV值。可以看出，针对不同畸变量的湍流像差，环域光强法的校正精度都优于圆域光强法。尤其是对大畸变量像差，环域光强法的校正效果更加明显。对于PV＝10rad的初始像差，圆域光强法可将其校正至9rad，环域光强法可校正到7rad，校正效果提升22％。对于PV＝18rad的初始像差，圆域光强法可将其校正至13.2rad，环域光强法可校正到9.1rad，校正效果提升31％。说明利用环域光强作为性能指标能够大幅提升校正效果，从而降低激光通信误码率。图7是两种算法的收敛速度，即针对50幅畸变波前，两种性能指标的的平均迭代次数。可以看出，圆域光强法需要迭代40次才能收敛到极小值，而环域光强法只需要迭代20次即可收敛到极小值，其收敛速度比区域光强法快一倍。因此，利用环域光强法不仅可以提升校正精度，还可以提升校正速度。

所以，本发明具有以下优点：

1.能够同时对总光强和光强分布形式进行控制，提升SPGD算法对大气湍流的校正精度：

采用对整个圆域进行环形区域分割的方法，进行区域总光强和光强分布形式的控制：当空间激光通信系统在进行水平通信时，利用SPGD算法进行像差校正之前，首先把成像相机里光斑分布的圆域分割成多个环形区域；然后分别计算每个环形区域的光强起伏方差，并给变形镜发送控制电压，通过多次迭代，使得每个环形区域的光强起伏方差最小；最后分别计算每个环域的光强，并通过控制变形镜的电压，通过多次迭代，使得环域的光强由外及内依次以高斯分布形式递增。这样便可以控制成像相机里的光斑接近理想艾里斑分布，从而实现对大气湍流的高精度校正，降低激光通信误码率。

2.加快SPGD算法的收敛速度，减少迭代次数：

由于环形区域法相对于传统的区域总光强法的性能指标评价方法，具有更强的限制约束，从而降低了SPGD算法迭代过程中的随机性，使得迭代的目标更加明确，从而可以降低迭代次数，大幅提升迭代速度。实施例显示，其迭代速度可以提升一倍。

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和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 (1)

1.一种用于水平空间激光通信的SPGD性能指标控制方法，其特征在于：具体操作如下：

将圆域分割成多个环形区域，然后按照式(1)计算每个环域的光强方差：

式(1)中，N表示环域内像素数，I_i表示第i个像素的光强，

表示环域内平均光强，m表示第m个环域；通过给变形镜发送控制电压，经过多次迭代使得环域内方差最小来控制环域内光强分布均匀，避免出现局部峰值和部分区域无光现象；接着限制由外及内、不同环域光强I环呈逐渐上升趋势，使得光强分布趋近高斯分布。

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