CN114200664B - 基于改进相位差算法的自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于改进相位差算法的自适应光学系统，包括：接收模块，接收模块用于接收畸变的复用光束并使用解复用器将信息光束与探针光束解复用；自适应光学模块，自适应光学模块用于探测探针光束的波前畸变，并采用改进相位差算法计算探针光束传输过程中的畸变相位信息，以及根据畸变相位信息对信息光束进行校正。根据本发明的基于改进相位差算法的自适应光学系统，不仅大大降低了自适应光学系统的复杂性和成本，而且采用改进相位差算法，收敛速度更快，重建精度更高，能够应用于自适应光学高精度实时校正领域。

Description

基于改进相位差算法的自适应光学系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种基于改进相位差算法的自适应光学系统。

背景技术

在当前通信技术发展浪潮中，无线光通信技术结合了光纤通信与微波通信的优点，凭借其带宽大、链路部署快、安全性好等优点，成为当前各国通信发展的重要方向之一。近年来网络流量持续爆炸式增长的态势更是决定了无线光通信需朝着高速大容量的方向演进。

前人研究发现，激光光束除了具有振幅、相位、波长和偏振态等维度以外，还可携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)。1992年L.Allen等人发现，具有螺旋相位波前exp(ilφ)的涡旋光束中每个光子携带的轨道角动量为l，其中l为OAM阶数，也称为方位角指数、拓扑荷数，理论上取值可以为任意整数，φ为空间方位角。不同拓扑荷数的OAM光束是相互正交的，并且理论上拓扑荷取值可以为任意整数。OAM为通信系统提供了一个新的自由度，不论是利用OAM态编码还是利用OAM光束作为载波实现模分复用，都可以有效提升通信系统的容量。

然而，在实际OAM无线光通信链路中，低海拔大气信道引起的湍流效应是OAM无线光链路面对的主要挑战。对于OAM无线光链路而言，OAM光束的解调往往依赖于OAM光束的螺旋相位。当激光经过较低海拔的大气信道时，大气湍流导致的光束漂移、闪烁等会动态扭曲OAM光束的结构相位，引起波前畸变，进而导致光信号辐照度发生波动、系统误码率增大。目前，面向OAM无线光通信的信号损伤抑制技术主要可分为数字信号处理(Digital SignalProcessing，DSP)以及近年来逐渐受到关注的自适应光学(Adaptive Optics，AO)技术两大类。当采用时域或频域多入多出等DSP技术降低信道扰动影响时，其结构复杂度及计算复杂度会随信道数的增长而快速增加，较难实现性能提升与系统成本等因素之间的平衡。与DSP技术不同的是，AO技术在光域直接对光信号本身进行处理，可实时补偿由大气湍流等因素造成的光束畸变，且方案结构受通信系统信道数目的影响不大。可见，相比DSP技术，AO技术是实现OAM光束灵活可控损伤抑制的有效手段。

然而，在OAM无线光通信链路中，接收到的畸变OAM光束含有振幅为零的点，即相位奇点，围绕该点的光学相位必定不连续。以夏克哈特曼波前传感器为代表的自适应光学波前传感器大都通过测量入射光束对应区域的光强位置偏移斜率，利用矩阵运算反推波前信息。当相位奇点存在时，使用传统波前传感器不可避免的会存在探测误差，很难完成OAM光束这类具有非连续波前的高精度波前重构，进而阻碍了整个方案校正精度的提升。与此同时，采用传统自适应光学方案存在着成本高，结构较为复杂的问题，不利于其在要求通信系统中的实际应用。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于改进相位差算法的自适应光学系统，不仅大大降低了自适应光学系统的复杂性和成本，而且采用改进相位差算法，收敛速度更快，重建精度更高，能够应用于自适应光学高精度实时校正领域。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于改进相位差算法的自适应光学系统，包括：接收模块，所述接收模块用于接收畸变的复用光束并使用解复用器将信息光束与探针光束解复用；自适应光学模块，所述自适应光学模块用于探测所述探针光束的波前畸变，并采用改进相位差算法计算所述探针光束传输过程中的畸变相位信息，以及根据所述畸变相位信息对所述信息光束进行校正。

所述接收模块包括偏振分光棱镜。

所述信息光束为透射光，所述探针光束为反射光。

所述自适应光学模块包括：傅里叶透镜，所述傅里叶透镜设置在所述偏振分光棱镜的反射光路后方，用于对所述探针光束进行傅里叶变换；CCD相机，所述CCD相机设置在所述傅里叶透镜后方激光光路，用于接收所述探针光束在后焦面、前离焦面和后离焦面的强度分布；波前控制器，所述波前控制器与所述CCD相机相连，所述波前控制器用于利用所述改进相位差算法并根据所述CCD相机接收到的所述探针光束在后焦面、前离焦面和后离焦面的强度分布计算所述探针光束传输过程中的畸变相位信息；波前校正器，所述波前校正器与所述波前控制器相连，所述波前矫正器用于根据所述畸变相位信息对所述信息光束进行校正。

所述波前控制器具体用于：设置前焦面初始光场复振幅分布；对所述前焦面初始光场复振幅分布进行傅里叶变换以获取第一后焦面光场复振幅分布，并将所述第一后焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在后焦面的强度分布相结合以获取第二后焦面光场复振幅分布；对所述第二后焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第一前离焦面光场复振幅分布，并将所述第一前离焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在前离焦面的强度分布相结合以获取第二前离焦面光场复振幅分布；对所述第二前离焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第三后焦面光场复振幅分布，并将所述第三后焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在所述后焦面的强度分布相结合以获取第四后焦面光场复振幅分布；对所述第四后焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第一后离焦面光场复振幅分布，并将所述第一后离焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在后离焦面的强度分布相结合以获取第二后离焦面光场复振幅分布；对所述第二后离焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第五后焦面光场复振幅分布，并将所述第五后焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在所述后焦面的强度分布相结合以获取第六后焦面光场复振幅分布；对所述第六后焦面光场复振幅分布进行傅里叶逆变换以获取第一前焦面光场复振幅分布；根据所述第一离焦面光场复振幅分布获取下一次迭代所需的前焦面光场复振幅分布。

本发明的有益效果：

本发明不仅大大降低了自适应光学系统的复杂性和成本，而且采用改进相位差算法，收敛速度更快，重建精度更高，能够应用于自适应光学高精度实时校正领域。

附图说明

图1为本发明实施例的基于改进相位差算法的自适应光学系统的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的傅里叶透镜前焦面、后焦面以及前离焦面、后离焦面位置示意图。

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做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。

图1是根据本发明实施例的基于改进相位差算法的自适应光学系统的结构示意图。

需要说明的是，本发明实施例的基于改进相位差算法的自适应光学系统可应用在轨道角动量无线光通信链路中。

如图1所示，本发明实施例的基于改进相位差算法的自适应光学系统可包括：接收模块100和自适应光学模块200。

其中，接收模块100用于接收畸变的复用光束并使用解复用器将信息光束与探针光束解复用；自适应光学模块200用于探测探针光束的波前畸变，并采用改进相位差算法计算探针光束传输过程中的畸变相位信息，以及根据畸变相位信息对信息光束进行校正。

根据本发明的一个实施例，所述接收模块100可包括偏振分光棱镜110。其中，偏振分光棱镜110用于将偏振复用的探针光束与信息光束解复用，其中，信息光束为透射光，探针光束为反射光。

自适应光学模块200用于探测探针光束的波前畸变，并采用改进相位差算法快速精确计算探针光束传输过程中的畸变相位信息，从而根据畸变相位信息对畸变的信息光束实现校正。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，自适应光学模块200可包括：傅里叶透镜210、CCD相机220、波前控制器230和波前校正器240。

其中，傅里叶透镜210设置在偏振分光棱镜110的反射光路后方，用于对探针光束进行傅里叶变换；CCD相机220设置在傅里叶透镜210后方激光光路，用于接收探针光束在后焦面、前离焦面和后离焦面的强度分布；波前控制器230与CCD相机220相连，波前控制器230用于利用改进相位差算法并根据CCD相机220接收到的探针光束在后焦面、前离焦面和后离焦面的强度分布计算探针光束传输过程中的畸变相位信息；波前校正器240与波前控制器230相连，波前矫正器240用于根据畸变相位信息对信息光束进行校正。

其中，CCD相机220所处位置与傅里叶透镜210所处位置之间的距离在f-d、f、f+d之间变换。其中，f为傅里叶透镜210的焦距，d为离焦量。

下面结合具体实施例来详细说明波前控制器230如何利用改进相位差算法并根据CCD相机220接收到的探针光束在后焦面、前离焦面和后离焦面的强度分布计算探针光束传输过程中的畸变相位信息。

根据本发明的一个实施例，波前控制器230具体用于：设置前焦面初始光场复振幅分布；对前焦面初始光场复振幅分布进行傅里叶变换以获取第一后焦面光场复振幅分布，并将第一后焦面光场复振幅分布的相位信息与CCD相机220接收到的探针光束在后焦面的强度分布相结合以获取第二后焦面光场复振幅分布；对第二后焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第一前离焦面光场复振幅分布，并将第一前离焦面光场复振幅分布的相位信息与CCD相机220接收到的探针光束在前离焦面的强度分布相结合以获取第二前离焦面光场复振幅分布；对第二前离焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第三后焦面光场复振幅分布，并将第三后焦面光场复振幅分布的相位信息与CCD相机220接收到的探针光束在后焦面的强度分布相结合以获取第四后焦面光场复振幅分布；对第四后焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第一后离焦面光场复振幅分布，并将第一后离焦面光场复振幅分布的相位信息与CCD相机220接收到的探针光束在后离焦面的强度分布相结合以获取第二后离焦面光场复振幅分布；对第二后离焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第五后焦面光场复振幅分布，并将第五后焦面光场复振幅分布的相位信息与CCD相机220接收到的探针光束在后焦面的强度分布相结合以获取第六后焦面光场复振幅分布；对第六后焦面光场复振幅分布进行傅里叶逆变换以获取第一前焦面光场复振幅分布；根据第一前焦面光场复振幅分布获取下一次迭代所需的前焦面光场复振幅分布。

具体而言，傅里叶透镜210的前焦面201、后焦面203以及前离焦面202、后离焦面204的位置可如图2所示。具体地，波前控制器230可执行以下步骤：

步骤S1，设置前焦面初始光场复振幅分布，其中，前焦面初始光场复振幅分布可设置为

其中，|g₀|和φ₀分别为未畸变的探针光束的幅度与相位分布。

步骤S2，可进行前焦面201至后焦面203的变换。具体地，可对前焦面初始光场复振幅分布进行傅里叶变换以获取第一后焦面光场复振幅分布，即并将第一后焦面光场复振幅分布的相位信息与CCD相机220接收到的探针光束在后焦面的强度分布(|G_F|²)相结合以获取第二后焦面光场复振幅分布，即/>其中，探针光束在后焦面的强度分布的获取方式为：将CCD相机220置于距离傅里叶透镜210为f的平面处，此时，CCD相机220获取的光场强度分布即为探针光束在后焦面的强度分布。

步骤S3，进行后焦面203至前离焦面202的变换。具体地，对第二后焦面光场复振幅分布G′_{F_k}进行光场变换以获取第一前离焦面光场复振幅分布，即并将第一前离焦面光场复振幅分布的相位信息与CCD相机220接收到的探针光束在前离焦面的强度分布(|G₁|²)相结合以获取第二前离焦面光场复振幅分布，即/>其中，/>其中，探针光束在前离焦面的强度分布的获取方式为：将CCD相机220置于距离傅里叶透镜210为f+d的平面处，此时，CCD相机220获取的光场强度分布即为探针光束在前离焦面的强度分布。

步骤S4，进行前离焦面202至后焦面203的变换。具体地，对第二前离焦面光场复振幅分布G′_{1_k}进行光场变换以获取第三后焦面光场复振幅分布，即并将第三后焦面光场复振幅分布的相位信息与CCD相机220接收到的探针光束在后焦面的强度分布(|G_F|²)相结合以获取第四后焦面光场复振幅分布，即/>其中，

步骤S5，进行后焦面203至后离焦面204的变换。具体地，对第四后焦面光场复振幅分布G′_{F_k}进行光场变换以获取第一后离焦面光场复振幅分布，即并将第一后离焦面光场复振幅分布的相位信息与CCD相机220接收到的探针光束在后离焦面的强度分布(|G₂|²)相结合以获取第二后离焦面光场复振幅分布，即/>其中，/>探针光束在后离焦面204的强度分布的获取方式为：将CCD相机220置于距离傅里叶透镜210为f-d的平面处，此时，CCD相机220获取的光场强度分布即为探针光束在后离焦面204的强度分布。

步骤S6，进行后离焦面204至后焦面203的变换。具体地，对所述第二后离焦面光场复振幅分布G′_{2_k}进行光场变换以获取第五后焦面光场复振幅分布，即并将所述第五后焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机220接收到的所述探针光束在所述后焦面的强度分布(|G_F|²)相结合以获取第六后焦面光场复振幅分布，即

步骤S7，进行后焦面203至前焦面201的变换。具体地，对所述第六后焦面光场复振幅分布进行傅里叶逆变换以获取第一前离焦面光场复振幅分布g_k′(x，y)。

步骤S8，根据第一前离焦面光场复振幅分布g_k′(x，y)获取下一次迭代所需的前焦面光场复振幅分布。其中，下一次迭代所需的前焦面光场复振幅分布为：

其中，γ为光场在空间域的限制区域，在限制区域外认为光场无能量分布，β为反馈系数，k为迭代次数。

需要说明的是，可判断k是否小于预设值，如果k小于预设值，则继续进行迭代过程，即根据下一次迭代所需的前焦面光场复振幅分布返回执行步骤S2，继续进行迭代过程；如果k大于或等于预设值，则说明迭代完成，此时可推出迭代过程。

由此，本发明通过动态调整傅里叶透镜与CCD相机之间的距离，完成探针光束在后焦面以及前离焦面、后离焦面的光场强度探测，利用改进相位差算法即可对OAM光束实现高精度相位信息重建，大大降低自适应光学系统的复杂性和成本，并且本发明所使用的改进相位差算法，与传统的GS算法相比，收敛速度更快，重建精度更高，可应用于自适应光学高精度实时校正领域。

综上所述，根据本发明实施例的基于改进相位差算法的自适应光学系统，通过接收模块接收畸变的复用光束并使用解复用器将信息光束与探针光束解复用，以及通过自适应光学模块探测探针光束的波前畸变，并采用改进相位差算法计算探针光束传输过程中的畸变相位信息，以及根据畸变相位信息对信息光束进行校正。由此，不仅大大降低了自适应光学系统的复杂性和成本，而且采用改进相位差算法，收敛速度更快，重建精度更高，能够应用于自适应光学高精度实时校正领域。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，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“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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；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。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种基于改进相位差算法的自适应光学系统，其特征在于，包括：

接收模块，所述接收模块用于接收畸变的复用光束并使用解复用器将信息光束与探针光束解复用，所述接收模块包括偏振分光棱镜；

自适应光学模块，所述自适应光学模块用于探测所述探针光束的波前畸变，并采用改进相位差算法计算所述探针光束传输过程中的畸变相位信息，以及根据所述畸变相位信息对所述信息光束进行校正，其中，所述信息光束为透射光，所述探针光束为反射光，所述自适应光学模块包括：

傅里叶透镜，所述傅里叶透镜设置在所述偏振分光棱镜的反射光路后方，用于对所述探针光束进行傅里叶变换；

CCD相机，所述CCD相机设置在所述傅里叶透镜后方激光光路，用于接收所述探针光束在后焦面、前离焦面和后离焦面的强度分布；

波前控制器，所述波前控制器与所述CCD相机相连，所述波前控制器用于利用所述改进相位差算法并根据所述CCD相机接收到的所述探针光束在后焦面、前离焦面和后离焦面的强度分布计算所述探针光束传输过程中的畸变相位信息；

波前校正器，所述波前校正器与所述波前控制器相连，所述波前矫正器用于根据所述畸变相位信息对所述信息光束进行校正；其中，所述波前控制器具体用于：

设置前焦面初始光场复振幅分布；

对所述前焦面初始光场复振幅分布进行傅里叶变换以获取第一后焦面光场复振幅分布，并将所述第一后焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在后焦面的强度分布相结合以获取第二后焦面光场复振幅分布；

对所述第二后焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第一前离焦面光场复振幅分布，并将所述第一前离焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在前离焦面的强度分布相结合以获取第二前离焦面光场复振幅分布；

对所述第二前离焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第三后焦面光场复振幅分布，并将所述第三后焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在所述后焦面的强度分布相结合以获取第四后焦面光场复振幅分布；

对所述第四后焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第一后离焦面光场复振幅分布，并将所述第一后离焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在后离焦面的强度分布相结合以获取第二后离焦面光场复振幅分布；

对所述第二后离焦面光场复振幅分布进行光场变换以获取第五后焦面光场复振幅分布，并将所述第五后焦面光场复振幅分布的相位信息与所述CCD相机接收到的所述探针光束在所述后焦面的强度分布相结合以获取第六后焦面光场复振幅分布；

对所述第六后焦面光场复振幅分布进行傅里叶逆变换以获取第一前焦面光场复振幅分布；

根据所述第一前焦面光场复振幅分布获取下一次迭代所需的前焦面光场复振幅分布。