CN114006247B - 基于时空频多域信息的相位控制系统及方法 - Google Patents

基于时空频多域信息的相位控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

基于时空频多域信息的相位控制系统及方法，包括激光相干阵列模块，对N束子激光进行相干合成，输出阵列激光；参考激光模块，生成参考激光；时空频多域信息采集模块，利用光电探测器采集激光相干阵列模块输出的小部分阵列激光作为探测激光，获取探测激光其时域信号；利用高速相机采集探测激光与参考激光模块输出的参考激光的干涉条纹图像即空域信号；时空频多域控制模块，确定当前的相位控制方式，基于当前的相位控制方式产生激光相干阵列模块中各路子激光对应的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。采用时、空、频多域信息对激光阵列进行闭环控制，发挥每个维度信息的最大优势，提升系统的控制带宽与控制效果。

Description

基于时空频多域信息的相位控制系统及方法
技术领域
本发明涉及强激光技术领域，特别是涉及一种基于时空频多域信息的相位控制系统及方法。
背景技术
在未来，粒子加速器、新型高能激光系统构建、量子前沿探索等国际前沿科学领域和重大应用需求牵引下，追求更高亮度的高性能光源作为激光技术发展脉络中的一个重要分支，成为当前的国际前沿研究热点和难点。
目前，国际上正在大力发展基于光纤激光相干合成技术的大型光束集成计划，具有代表性的有：美国航天局与欧洲空间局面向下一代粒子加速器相继推出ICAN、XCAN计划，欧洲研究委员会支持的先进光子光源(ACOPS)研究计划，美国国防先期研究计划局(DAPRA)面向高能激光系统构建相继推出的APPLE计划、亚瑟神剑(Excalibur)计划等。在上述计划推动下，如何高效的实现数以万计超大阵元大功率相干合成系统中各路光束之间的相位同步和高效相干成为急需解决的迫切难题。
经过近十年的发展，针对相位控制技术，研究人员相继分别从时域提出了外差法、
Figure BDA0003335130730000011
-Couillaud探测法、干涉条纹提取法、随机并行梯度随机下降(SPGD)算法、多频抖动算法、单频抖动算法、智能控制算法等。就目前发展现状而言，当单路合成光源功率较低时，现有相位控制方法的控制能力已达百路以上。然而，目前的上述相位控制方法均从单一光场信息中提取控制信号，当单路合成光源功率达千瓦以上甚至数千瓦时，随着应用环境的复杂化，锁相控制系统的残差将会显著增强，无法实现高精度的相位控制。
发明内容
针对现有技术所存在的局限与不足，本发明提供一种基于时空频多域信息的相位控制系统及方法，旨在解决数以万计超大阵元大功率相干合成系统的高精度相位控制难题。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一方面，本发明提供的基于时空频多域信息的相位控制系统，包括：
激光相干阵列模块，对N束子激光进行相干合成，输出阵列激光，并通过各路子激光传输路径上的相位调制器控制各路子激光的相位，其中N为整数且N≥2；
参考激光模块，生成参考激光；
时空频多域信息采集模块，利用光电探测器采集激光相干阵列模块输出的小部分阵列激光作为探测激光，获取探测激光其时域信号；利用高速相机采集探测激光与参考激光模块输出的参考激光的干涉条纹图像即空域信号；
时空频多域控制模块，确定当前的相位控制方式，所述相位控制方式包括基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式中的一种或两种以上的组合；基于当前的相位控制方式产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
优选地，本发明所述N束子激光以及参考激光均来自于种子激光器。具体地，基于时空频多域信息的相位控制系统还包括种子激光器和第一分束器，种子激光器用于输出种子激光，第一分束器用于将种子激光分为两束，其中一束输入到激光相干阵列模块，由激光相干阵列模块中的第二分束器分为N束子激光，另一束输入到参考激光模块。
优选地，所述参考激光模块包括一个可调增益光纤放大器和一个可调焦距光纤准直器，输入到参考激光模块中的激光先后通过可调增益光纤放大器和可调焦距光纤准直器输出。
优选地，时空频多域控制模块包括高速相机图像空域信号处理单元、光电探测器时域信号控制单元和相位调制器频域信号调制与解调单元。
当采用基于时域信号的闭环相位控制方式时，运行光电探测器时域信号控制单元，光电探测器将当前采集到的时域信号传输给光电探测器时域信号控制单元，光电探测器时域信号控制单元根据当前采集的时域信号执行优化算法产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
当采用基于频域信号的闭环相位控制方式时，运行相位调制器频域信号调制与解调单元，相位调制器频域信号调制与解调单元对各路子激光同时施加不同频率的调制信号，并根据当前采集的时域信号对每一路子激光的调制频率进行滤波解调，得到每一路子激光的相位补偿量，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。进一步地，相位调制器频域信号调制与解调单元使用频分复用技术，为激光阵列的每一路子激光分配调制频率彼此正交的调制信号，通过同时对所有正交信号进行同步解调，将每一路子激光的解调信号分别作为每一路子激光的相位补偿量，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现各路子激光的同步锁相。
优选地，当采用基于空域信号的闭环相位控制方式时，运行高速相机图像空域信号处理单元，高速相机将当前采集到的干涉条纹图像传输给高速相机图像空域信号处理单元，高速相机图像空域信号处理单元基于当前采集到的干涉条纹图像，解算每一路子激光的相位信号，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
优选地，所述激光相干阵列模块中的各路子激光传输路径上设有的光学器件包括相位调制器、光纤放大器以及自适应光纤准直器，各路子激光分别经其对应子激光传输路径上的相位调制器进行激光相干阵列模块相位调制、经光纤放大器进行功率放大、经自适应光纤准直器后准直输出。
优选地，基于时空频多域信息的相位控制系统还包括高反镜，所述高反镜设置在激光相干阵列模块的输出端，激光相干阵列模块的输出激光经过高反镜后，透射光作为探测激光进入时空频多域信息采集模块，反射光作为有效光源输出到自由空间。
优选地，所述时空频多域信息采集模块包括长焦透镜、短焦透镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、光电探测器和高速相机，探测激光的激光传输光路上设置有长焦透镜，在长焦透镜的焦平面之前设置第一半透半反镜，第一半透半反镜其反射光的焦点处设置光电探测器，第一半透半反镜其透射光路上设置短焦透镜，第一半透半反镜其透射光的焦点作为短焦透镜的前焦面，短焦透镜的透射光路上设置有第二半透半反镜，同时第二半透半反镜也在参考激光的输出路径上，参考激光模块输出的参考激光与透过短焦透镜后的探测激光经由第二半透半反镜产生干涉条纹，高速相机设置在第二半透半反镜后，用于探测干涉条纹图像。进一步地，短焦透镜的光轴与阵列激光中心光束的光轴重合。
优选地，根据激光相干阵列模块中进行相干合成的子激光数目以及激光相干阵列模块其噪声特性，确定当前的相位控制方式。
优选地，相位控制方式还包括综合相位控制方式，利用时域信号、频域信号和空域信号中的两种或两种以上信号，对激光相干阵列模块中的各路子激光综合使用基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式中两种或两种以上的相位控制方式，实现阵列激光的锁相输出。
优选地，当激光相干阵列模块的噪声频率大于高速相机的最高运行帧率时，采用基于空域信号的闭环相位控制方式为主、基于时域信号的闭环相位控制方式为辅的综合相位控制方式：先开启高速相机采集空域信息，基于空域信号的闭环相位控制方式实现相位闭环控制，在高速相机采集两帧干涉条纹图像之间的时间间隔里，基于时域信号的闭环相位控制方式实现相位闭环控制。
另一方面，本发明提供一种基于时空频多域信息的相位控制方法，包括：
对N束子激光进行相干合成，输出阵列激光，并通过各路子激光传输路径上的相位调制器控制各路子激光的相位，其中N为整数且N≥2；
生成参考激光；
采集小部分阵列激光作为探测激光，采集探测激光其时域信号；
采集探测激光与参考激光的干涉条纹图像即空域信号；
确定当前的相位控制方式，所述相位控制方式包括基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式；
基于当前的相位控制方式产生各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明能够同时具有多种闭环相位控制方式可供选择，其中闭环相位控制方式包括基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式中的一种或多种闭环相位控制方式相结合的闭环相位控制方式。本领域技术人员可以根据实际情况和实际需求，进行闭环相位控制方式的选择和组合。
本发明通过多域信息挖掘，互相补偿采用单一光场信息域相位控制方法的不足，使得不同信息域控制采样信息优势互补，提高相位锁定的控制带宽与闭环能量集中度，实现超大阵元、更高亮度的相干合成激光输出。
本发明可以针对超大阵元大功率相干合成系统中实现高精度相位控制困难的问题，采用时、空、频三个维度的信息对激光阵列进行闭环控制，发挥每个维度信息的最大优势，提升合成系统的控制带宽与控制效果，解决采用单一维度信息时阵元拓展控制带宽显著下降等突出问题，为数以万计超大阵元相位控制提供一种更智能更有效的控制方法和系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的相位控制系统的结构示意图；
图1中的标号：
①激光相干阵列模块，②参考激光模块，③时空频多域信息采集模块，④时空频多域控制模块；
图2为本发明一实施例的结构示意图；
图2中的标号：
201、单频种子激光器；202、1×2分束器；203、1×N分束器；204、铌酸锂相位调制器；205、高功率光纤放大器；206、自适应光纤准直器；207、可调增益光纤放大器；208、可调焦距光纤准直器；209、高反镜；210、长焦透镜；211、第一半透半反镜；212、短焦透镜；213、第二半透半反镜；214、光电探测器；215、高速相机；216、时空频多域控制模块；217、高速相机图像空域信号处理单元；218、光电探测器时域信号控制单元；219、相位调制器频域信号调制与解调单元。
图3为本发明一实施例中控制效果对比图，其中其中(a)代表利用传统的不同维度信息单独进行闭环控制时的控制带宽随路数拓展的变化关系图，(b)代表采用本发明提出的多维信息联合控制方法进行闭环控制所对应的控制带宽随路数拓展的变化关系图；
图4为本发明一实施例中的时、空、域综合控制效果图，其中(a)仅利用空域信号(即干涉条纹信息)的控制效果图，(b)代表在两帧之间辅以时域信号的控制效果图。
本发明的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1，本发明一实施例提供的基于时空频多域信息的相位控制系统，包括：
激光相干阵列模块①，对N束子激光进行相干合成，输出阵列激光，并通过各路子激光传输路径上的相位调制器控制各路子激光的相位，其中N为整数且N≥2；
参考激光模块②，生成参考激光；
时空频多域信息采集模块③，利用光电探测器采集激光相干阵列模块输出的小部分阵列激光作为探测激光，获取探测激光其时域信号；利用高速相机采集探测激光与参考激光模块输出的参考激光的干涉条纹图像即空域信号；
时空频多域控制模块④，确定当前的相位控制方式，所述相位控制方式包括基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式中的一种或两种以上的组合；基于当前的相位控制方式产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
可以理解，激光相干阵列模块的具体结构不限，本领域技术人员可以根据本领域的现有技术搭建由不同光学器件构成的激光相干阵列模块。
本发明一实施例中提供一种基于时空频多域信息的相位控制方法，包括：
对N束子激光进行相干合成，输出阵列激光，并通过各路子激光传输路径上的相位调制器控制各路子激光的相位，其中N为整数且N≥2；
生成参考激光；
采集小部分阵列激光作为探测激光，采集探测激光其时域信号；
采集探测激光与参考激光的干涉条纹图像即空域信号；
确定当前的相位控制方式，所述相位控制方式包括基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式；
基于当前的相位控制方式产生各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
参照图2，在本发明的一实施例中，所搭建的激光相干阵列模块，包括单频种子激光器201、1×2分束器202、1×N分束器203、N个铌酸锂相位调制器204、N个高功率光纤放大器205、N个自适应光纤准直器206，其中N为整数且N≥2。
单频种子激光器201与1×2分束器202的输入端连接，1×2分束器202有2个输出端。单频种子激光器201输出的种子激光被1×2分束器202分为2路种子激光，分别从1×2分束器202的2个输出端输出，其中1路种子激光用作阵列激光的种子，1路种子激光用作参考激光的种子。
所述1×2分束器202的第一输出端与1×N分束器203的输入端连接，1×N分束器203具有N个输出端，1×N分束器203的第i个输出端与第i个铌酸锂相位调制器204的输入端连接，i＝1，…，N，N个铌酸锂相位调制器分别用于锁定N路子激光的活塞相位。第i个铌酸锂相位调制器204的输出端与第i个高功率光纤放大器205的输入端连接，对第i个铌酸锂相位调制器204输出的子激光进行功率放大，第i个高功率光纤放大器205的输出端与第i个自适应光纤准直器206的输入端连接，N个自适应光纤准直器206分别用于锁定的N束子激光的倾斜相位。第i个自适应光纤准直器206用于将第i个高功率光纤放大器205输出的子激光进行准直并对倾斜相位进行补偿。这样构成基于主振荡器功率放大(Master OscillatorPower-Amplifier，简称MOPA)结构的相干合成系统。
高反镜209设置在激光相干阵列模块的输出端，激光相干阵列模块的输出激光经过高反镜209后，透射光作为探测激光，反射光作为有效光源输出。
输入到1×N分束器203的种子激光，经1×N分束器203后分为功率相等的N路子激光，各路子激光分别经过铌酸锂相位调制器204进行相位调制、经过高功率光纤放大器205进行功率放大、经过自适应光纤准直器206后准直输出，激光相干阵列模块的输出激光经过高反镜209后，<1％的激光能量的透射光作为探测激光进入时空频多域信息采集模块，反射光作为有效光源输出。
可以理解，参考激光模块的具体结构不限，本领域技术人员可以根据本领域的现有技术搭建由不同光学器件构成的参考激光模块。
参照图2，在本发明的一实施例中，所搭建的参考激光模块，包括一个可调增益光纤放大器207和一个可调焦距光纤准直器208，1×2分束器202的第二个输出端连接可调增益光纤放大器207的输入端，可调增益光纤放大器207的输出端连接可调焦距光纤准直器208的输入端。通过1×2分束器202第二个输出端输出的种子激光先输入到可调增益光纤放大器207进行功率放大，再经过可调焦距光纤准直器208后实现光斑尺寸可调的准直输出，通过可调增益光纤放大器207的功率调节与可调焦距光纤准直器208的焦距调节，获得一个光斑尺寸可调、功率密度可调的参考激光。实际应用中，通过可调增益光纤放大器207的功率调节与可调焦距光纤准直器208的焦距调节，使得参考激光的功率密度与缩束激光功率密度匹配，并满足参考激光的光斑尺寸大于高速相机传感器尺寸。
时空频多域信息采集模块，包括一个长焦透镜210、一个短焦透镜212、第一半透半反镜211、第二半透半反镜213、一个光电探测器214、一个高速相机215。探测激光的激光传输光路上设置有长焦透镜210，探测激光首先通过长焦透镜210进行缩束。在长焦透镜210的焦平面之前设置第一半透半反镜211，第一半透半反镜211其反射光的焦点处设置光电探测器214，记录输出激光峰值光强的变化。第一半透半反镜211其透射光路上设置短焦透镜212，第一半透半反镜211其透射光的焦点作为短焦透镜212的前焦面，调整短焦透镜212的光轴与阵列激光其中心子激光束的光轴重合，此时，短焦透镜212的透射光为阵列激光的缩束激光。短焦透镜212的透射光路上设置有第二半透半反镜212，同时第二半透半反镜212也在参考激光的输出路径上，参考激光模块输出的参考激光与透过短焦透镜212后的探测激光经由第二半透半反镜212产生干涉条纹，高速相机215设置在第二半透半反镜212后，用于探测干涉条纹图像。高速相机215将空间上的条纹分布情况转化为电学信号，并将该电学信号传递给时空频多域控制模块216中的高速相机图像空域信号处理单元217。优选地，通过调整参考激光输出光路与短焦透镜的透射激光的输出光路间的间距与夹角，使得两束光在经过第二半透半反镜212后得到肉眼清晰可见的干涉条纹，此时将高速相机215放置在第二半透半反镜212后探测干涉条纹图像。
光电探测器214探测的光强信号为时域信号，高速相机215的成像结果为空域信号，每一路子激光的相位调制器可施加特定频率的调制信号，构成频域信号，根据时、空、频的多域信息，时空频多域控制模块216进行实时的相位解算，并对各路子激光进行相位控制。
时空频多域控制模块216，包括光电探测器时域信号控制单元218、高速相机图像空域信号处理单元217、相位调制器频域信号调制与解调单元219。光电探测器时域信号控制单元218和相位调制器频域信号调制与解调单元219的输入与光电探测器214电学连接，接收光电探测器214的时域信号，高速相机图像空域信号处理单元217与高速相机215电学连接，接收高速相机215传递的空域信号，根据系统中激光阵元数目与噪声特性的不同，时空频多域控制模块216实现对时空频域多维信息的灵活选择并提取多维信息中携带的相位误差，将相位误差的补偿量施加到相位调制器上实现相位的闭环控制。
在本发明一实施例中，当采用基于时域信号的闭环相位控制方式时，运行光电探测器时域信号控制单元218，光电探测器214将当前采集到的时域信号传输给光电探测器时域信号控制单元218，光电探测器时域信号控制单元218根据当前采集的时域信号执行优化算法(优化算法不限，本领域技术人员可以采用现有技术中成熟的相位控制优化算法均可，包括但不限于SPGD算法)产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
在本发明一实施例中，当采用基于频域信号的闭环相位控制方式时，运行相位调制器频域信号调制与解调单元219，相位调制器频域信号调制与解调单元219执行优化算法(优化算法不限，本领域技术人员可以采用现有技术中成熟的优化算法，包括但不限于多抖动法)对各路子激光同时施加不同频率的调制信号，并根据当前采集的时域信号对每一路子激光的调制频率进行滤波解调，得到每一路子激光的相位补偿量，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
上述相位调制器频域信号调制与解调单元219对各路子激光同时施加不同频率的调制信号的具体形式不限。在本发明一实施例中，当采用基于频域信号的闭环相位控制方式时，相位调制器频域信号调制与解调单元219使用频分复用技术，为激光阵列的每一路子激光分配调制频率彼此正交的调制信号，通过同时对所有正交信号进行同步解调，将每一路子激光的解调信号分别作为每一路子激光的相位补偿量，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现各路子激光的同步锁相。
在本发明一实施例中，当采用基于空域信号的闭环相位控制方式时，运行高速相机图像空域信号处理单元，高速相机215将当前采集到的干涉条纹图像传输给高速相机图像空域信号处理单元217，高速相机图像空域信号处理单元217基于当前采集到的干涉条纹图像，解算每一路子激光的相位信号，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
本发明中时空频多域控制模块216根据激光相干阵列模块中进行相干合成的子激光数目以及激光相干阵列模块其噪声特性，确定当前的相位控制方式。相位控制方式还包括综合相位控制方式，利用时域信号、频域信号和空域信号中的两种或两种以上信号，对激光相干阵列模块中的各路子激光综合使用基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式中两种或两种以上的相位控制方式，实现阵列激光的锁相输出。
本发明一实施例中，对与同一激光相干阵列模块，分别本发明提供的基于时空频多域信息的相位控制方法与传统的闭环相位控制方法进行相位控制得到的控制带宽对比图如图3所示，其中(a)代表利用传统的不同维度信息单独进行闭环控制时的控制带宽随路数拓展的变化关系图，(b)代表采用本发明提出的多维信息联合控制方法进行闭环控制所对应的控制带宽随路数拓展的变化关系图。
本发明可以充分发挥各个维度信息的优势灵活选择控制模块的工作模式，将控制系统的控制带宽最大化，实现相干合成系统的高效输出，进一步提升了相干合成系统输出激光的有效功率。
本发明中，对于阵列激光的不同子激光数目，根据相位控制方式的选择不同，获得的有效控制带宽不同，本发明可根据激光阵列的阵元数目(即N的取值)、噪声分布特性等不同的系统特点选择不同维度的信息进行活塞相位的闭环控制，从而得到超大阵元相干合成系统中对相位噪声的最大控制带宽。
在对活塞相位进行闭环控制时，采用光场的时域变化信号可以充分发挥光电探测器的高频采样优势，用来探测合成光斑中央主瓣能量的高频起伏分量。当控制系统施加调制信号或用扰动信号进行优化控制时，使用光电探测器的时域信号进行高速运算，可以实现高速的迭代而进行相位的闭环控制。采用频域信息进行相位的闭环控制时，使用频分复用技术，为激光阵列的每一路单元光束分配调制频率彼此正交的调制信号，通过同时对所有正交信号进行同步解调，将解调信号作为相位补偿量施加给各个单元光束，可以实现多阵元的同步锁相。采用空域信息进行闭环控制时，使用高速相机对光场的空域分布进行成像，通过光斑的空间位置分布实现对各个单元光束的相位控制，不失一般性地，可采用参考光照射等方法产生干涉条纹对每个单元相位信息进行计算与控制。
本发明一实施例中，基于图2所搭建的基于时空频多域信息的相位控制系统，利用光电探测器的时域信号、高速相机采集的空域信号、相位调制器频域信号调制与解调单元对各路子激光施加不同频率调制信号的频域信息，综合对激光相干阵列模块中的各个子激光进行相位控制，实现激光阵列的锁相输出。
当采用基于时域信号的闭环相位控制方式时，运行光电探测器时域信号控制单元，光电探测器将当前采集到的时域信号传输给光电探测器时域信号控制单元，光电探测器时域信号控制单元根据当前采集的时域信号执行优化算法(优化算法不限，本领技术人员可以采用现有技术中的惯用算法，比如SPGD算法)，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制，此方法的迭代次数随路数拓展而升高，因此随着阵列激光其阵元数目的拓展，该方法的控制带宽随之下降。
当采用基于频域信号的闭环相位控制方式时，控制模块可采用多抖动法进行优化控制，对不同激光单元同时施加不同频率的调制信号，运行相位调制器频域信号调制与解调单元，相位调制器频域信号调制与解调单元对各路子激光同时施加不同频率的调制信号，并根据当前采集的时域信号对每一路子激光的调制频率进行滤波解调，得到每一路子激光的相位补偿量，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制，此方法面临频谱受限问题，当阵列激光其阵元数目进一步拓展时，为了在有限的频谱内抽取更多的频率分量，对电学滤波器的滤波性能提出更苛刻的设计要求，因此在阵列激光其阵元数目进一步拓展时，该方法面临巨大困难。
当采用基于空域信号的闭环相位控制方式时，运行高速相机图像空域信号处理单元，高速相机将当前采集到的干涉条纹图像传输给高速相机图像空域信号处理单元，高速相机图像空域信号处理单元基于当前采集到的干涉条纹图像，解算每一路子激光的相位信号，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。由于不同子激光在空间上是分离的，在通过条纹进行闭环控制时，可以实现对大阵元系统的同时锁定。
进一步地，由于采用空域信号进行控制时，系统的迭代频率受限于高速相机的最高运行帧率。如高速相机的最高运行帧率为2000帧/秒(fps)，因此对于频率大于2000Hz的噪声，仅仅采用空域信号是无法补偿的。虽然光纤激光放大器中大于2000Hz的噪声强度很低，但是为了进一步提升系统的控制效能，可以在使用空域信号进行控制时，辅以时域信号进行微补偿，从而进一步提升控制性能。本发明一实施例中提出当激光相干阵列模块的噪声频率大于高速相机的最高运行帧率时，采用基于空域信号的闭环相位控制方式为主、基于时域信号的闭环相位控制方式为辅的综合相位控制方式：先开启高速相机采集空域信息，基于空域信号的闭环相位控制方式实现相位闭环控制，在高速相机采集两帧干涉条纹图像之间的时间间隔里，基于时域信号的闭环相位控制方式实现相位闭环控制，利用时域信号进行相位的微补偿，通过时空两个维度信息的综合利用，可以进一步提升合成效率，提升效果如图4所示，图4中(a)代表仅利用空域信号(即干涉条纹信息)的控制效果图，(b)代表在两帧之间辅以时域信号的控制效果图。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，包括：
激光相干阵列模块，对N束子激光进行相干合成，输出阵列激光，并通过各路子激光传输路径上的相位调制器控制各路子激光的相位，其中N为整数且N≥2；
参考激光模块，生成参考激光；
时空频多域信息采集模块，利用光电探测器采集激光相干阵列模块输出的小部分阵列激光作为探测激光，获取探测激光其时域信号；利用高速相机采集探测激光与参考激光模块输出的参考激光的干涉条纹图像即空域信号；
时空频多域控制模块，利用光电探测器探测的时域信号、高速相机采集的空域信号、相位调制器频域信号中的两种或两种以上信号，对激光相干阵列模块中的各路子激光综合使用基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式中两种或两种以上的相位控制方式；当激光相干阵列模块的噪声频率大于高速相机的最高运行帧率时，采用基于空域信号的闭环相位控制方式为主、基于时域信号的闭环相位控制方式为辅的综合相位控制方式：先开启高速相机采集空域信息，基于空域信号的闭环相位控制方式实现相位闭环控制，在高速相机采集两帧干涉条纹图像之间的时间间隔里，基于时域信号的闭环相位控制方式实现相位闭环控制。
2.根据权利要求1所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，还包括种子激光器和第一分束器，种子激光器用于输出种子激光，第一分束器用于将种子激光分为两束，其中一束输入到激光相干阵列模块，由激光相干阵列模块中的第二分束器分为N束子激光，另一束输入到参考激光模块。
3.根据权利要求2所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，所述参考激光模块包括一个可调增益光纤放大器和一个可调焦距光纤准直器，输入到参考激光模块中的激光先后通过可调增益光纤放大器和可调焦距光纤准直器输出。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，时空频多域控制模块包括高速相机图像空域信号处理单元、光电探测器时域信号控制单元和相位调制器频域信号调制与解调单元。
5.根据权利要求4所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，当采用基于时域信号的闭环相位控制方式时，运行光电探测器时域信号控制单元，光电探测器将当前采集到的时域信号传输给光电探测器时域信号控制单元，光电探测器时域信号控制单元根据当前采集的时域信号执行优化算法产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
6.根据权利要求4所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，当采用基于频域信号的闭环相位控制方式时，运行相位调制器频域信号调制与解调单元，相位调制器频域信号调制与解调单元对各路子激光同时施加不同频率的调制信号，并根据当前采集的时域信号对每一路子激光的调制频率进行滤波解调，得到每一路子激光的相位补偿量，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
7.根据权利要求6所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，当采用基于频域信号的闭环相位控制方式时，相位调制器频域信号调制与解调单元使用频分复用技术，为激光阵列的每一路子激光分配调制频率彼此正交的调制信号，通过同时对所有正交信号进行同步解调，将每一路子激光的解调信号分别作为每一路子激光的相位补偿量，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现各路子激光的同步锁相。
8.根据权利要求4所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，当采用基于空域信号的闭环相位控制方式时，运行高速相机图像空域信号处理单元，高速相机将当前采集到的干涉条纹图像传输给高速相机图像空域信号处理单元，高速相机图像空域信号处理单元基于当前采集到的干涉条纹图像，解算每一路子激光的相位信号，产生激光相干阵列模块中各路子激光的相位控制信号并施加到对应的相位调制器上，实现相位闭环控制。
9.根据权利要求4所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，所述激光相干阵列模块中的各路子激光传输路径上设有的光学器件包括相位调制器、光纤放大器以及自适应光纤准直器，各路子激光分别经其对应子激光传输路径上的相位调制器进行激光相干阵列模块相位调制、经光纤放大器进行功率放大、经自适应光纤准直器后准直输出。
10.根据权利要求4所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，还包括高反镜，所述高反镜设置在激光相干阵列模块的输出端，激光相干阵列模块的输出激光经过高反镜后，透射光作为探测激光进入时空频多域信息采集模块，反射光作为有效光源输出到自由空间。
11.根据权利要求1、2、3、5、6、7、8、9或10所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，所述时空频多域信息采集模块包括长焦透镜、短焦透镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、光电探测器和高速相机，探测激光的激光传输光路上设置有长焦透镜，在长焦透镜的焦平面之前设置第一半透半反镜，第一半透半反镜其反射光的焦点处设置光电探测器，第一半透半反镜其透射光路上设置短焦透镜，第一半透半反镜其透射光的焦点作为短焦透镜的前焦面，短焦透镜的透射光路上设置有第二半透半反镜，同时第二半透半反镜也在参考激光的输出路径上，参考激光模块输出的参考激光与透过短焦透镜后的探测激光经由第二半透半反镜产生干涉条纹，高速相机设置设置在第二半透半反镜后，用于探测干涉条纹图像。
12.根据权利要求11所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，短焦透镜的光轴与阵列激光中心光束的光轴重合。
13.根据权利要求11所述的基于时空频多域信息的相位控制系统，其特征在于，根据激光相干阵列模块中进行相干合成的子激光数目以及激光相干阵列模块其噪声特性，确定当前的相位控制方式。
14.基于时空频多域信息的相位控制方法，其特征在于，包括：
对N束子激光进行相干合成，输出阵列激光，并通过各路子激光传输路径上的相位调制器控制各路子激光的相位，其中N为整数且N≥2；
生成参考激光；
采集小部分阵列激光作为探测激光，采集探测激光其时域信号；
采集探测激光与参考激光的干涉条纹图像即空域信号；
利用光电探测器探测的时域信号、高速相机采集的空域信号、相位调制器频域信号中的两种或两种以上信号，对激光相干阵列模块中的各路子激光综合使用基于时域信号的闭环相位控制方式、基于频域信号的闭环相位控制方式和基于空域信号的闭环相位控制方式中两种或两种以上的相位控制方式；当激光相干阵列模块的噪声频率大于高速相机的最高运行帧率时，采用基于空域信号的闭环相位控制方式为主、基于时域信号的闭环相位控制方式为辅的综合相位控制方式：先开启高速相机采集空域信息，基于空域信号的闭环相位控制方式实现相位闭环控制，在高速相机采集两帧干涉条纹图像之间的时间间隔里，基于时域信号的闭环相位控制方式实现相位闭环控制。
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