CN114721145A - 一种用于提高水平激光通信spgd算法校正精度的方法 - Google Patents

一种用于提高水平激光通信spgd算法校正精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，首先利用环围能量法使能量集中到选定的圆域内，然后利用平均半径法使圆域内半径相同的位置能量也近似一致，从而消除能量分布不均匀和局部能量突起，这样可以实现能量的集中且均匀分布，形成类似高斯分布的能量分布形式，从而提升SPGD算法的校正精度。本发明同时对区域光强及能量分布进行控制，提高了SPGD算法的校正精度，同时也提升了SPGD算法校正结果的稳定性。

Description

一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，具体涉及一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法。
背景技术
空间激光通信是以激光束为载波，在空间中进行光信号的传递。激光信号在空间传输时，由于受到大气湍流等因素的影响而产生波前畸变。该波前畸变会导致光的传播方向发生改变，降低接收端的光功率，严重影响远场光斑质心的位置及其强度分布。
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。自适应光学技术包括传统自适应光学系统和无波前传感器自适应光学技术。传统自适应光学系统采用波前传感器探测波前畸变相位信息，由波前处理机根据波前相位信息重构出波前，再使用波前校正器校正波前畸变。这种方法需要使用波前传感器，波前处理机、波前校正器来实现，结构复杂、体积庞大。在大气激光通信中，光波穿过的路径上湍流较强或传输距离较长时，闪烁现象导致哈特曼波前传感器的波前测量困难，致使依赖波前测量的常规自适应光学系统不能正常工作。而无波前传感器自适应光学技术不采用哈特曼探测器进行畸变信息探测，只需利用成像探测器获得的像质信息建立系统像质评价函数，对校正器进行迭代优化，从而实现强湍流的校正。在无波前传感器自适应光学系统中，随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种常用的控制校正算法，具有实现容易，所有控制回路并行计算的特点。其首先采集有畸变时光斑的光强分布信息，根据公式计算光斑的性能指标，再通过算法处理产生相应的相位校正控制信号，然后根据控制信号控制变形镜进行畸变校正。
SPGD算法以性能指标为优化目标，通过性能指标的变化确定校正精度和是否终止校正。性能指标的选取尤为关键，不同的性能指标对校正精度和收敛速度的影响非常明显。目前常用的性能指标参数有：平均半径、光强峰值、成像清晰度和环围能量。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，一般采用环围能量和平均半径作为性能指标。环围能量是对一定圆域内的光强进行积分得到区域总能量，当其达到最大值时，认为此时入射光为平面波，即实现了波前畸变的校正。平均半径是对成像靶面上不同位置处的半径和光强的乘积进行积分，从而获得其弥散斑平均半径，当其到达最小值时，光斑变小，同时光斑能量在半径相同的位置分布均匀，即认为系统像差最小，实现了畸变的校正。
但是，环围能量法的缺点为：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；环围能量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，导致校正精度低；此外，不同的环围半径校正精度差异较大；环围半径选择不当，会导致性能指标达到极值时，校正后仍存在较大残余像差；因此，其仅能够实现大气湍流的部分校正，从而使通信性能受限。
平均半径法的缺点为：其是以控制弥散斑的平均半径为目标，虽然能够使光斑能量分布均匀，光斑的质心更靠近理想位置，但其受SPGD算法中随机扰动的影响较大，收敛稳定性差，且校正后残余像差起伏较大，存在大残余像差的情况，导致校正精度低。
大气湍流的变化具有随机性和强非线性，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。因此，采用环围能量进行校正时，即使圆域内区域总光强达到最大，光斑还是会出现形状不规则和局部突起的能量分布形式；在SPGD算法中，性能指标达到极值时，SPGD算法停止迭代，校正终止；此时，虽然环围能量达到最大，但是却无法限制光强的能量分布；原因在于：在选定在圆域内能量最大，相当于把能量集中在选取的圆域内，但是却无法控制圆域内的能量分布，致使校正后光斑形状仍不规则或存在多个光强突起点，校正精度低，无法实现类似理想艾里斑的光强分布；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。
平均半径法的性能指标与能量分布和质心位置有关；当利用平均半径法进行大气湍流校正时，由于水平大气湍流较强，当性能指标达到极小值时，其能控制弥散斑半径减小且能量分布均匀；但该性能指标的收敛对SPGD算法施加的随机扰动非常敏感，导致系统工作稳定性差，常出现大校正残差情形，因而导致校正精度低，严重影响激光通信性能。
针对在水平激光通信中，环围能量法无法控制能量分布、平均半径法稳定性差而导致的校正精度低的问题，本发明提出一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，将环围能量法与平均半径法相结合，提升校正精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，首先利用环围能量法使能量集中到选定的圆域内，然后利用平均半径法使圆域内半径相同的位置能量也近似一致，从而消除能量分布不均匀和局部能量突起，这样可以实现能量的集中且均匀分布，形成类似高斯分布的能量分布形式，从而提升SPGD算法的校正精度。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，包括发射系统和接收系统，所述发射系统发出的平行光束经大气湍流扰动后，发生畸变并被接收系统接收，接收到的畸变光束由接收系统内的相机成像为一个畸变点像；在所述相机的进光路上设有变形镜，为了对该畸变点像进行校正，首先产生随机扰动并发送控制信号给变形镜，使变形镜发生形变；然后在相机里采集畸变点像的光强信息并进行光斑质量分析和梯度估计，得到表达光斑质量的性能指标；依据性能指标的变化情况，发送校正控制信号给变形镜进行波前畸变的校正，依次循环，直到性能指标达到要求为止。
进一步的，所述性能指标包括环围能量J1和平均半径J2，首先利用环围能量法使能量集中到选定的圆域内，然后利用平均半径法使圆域内半径相同的位置能量也近似一致，从而消除能量分布不均匀和局部能量突起，使得能量集中且均匀分布，形成类似高斯分布的能量分布形式，从而提升SPGD算法的校正精度。
进一步的，依据像差校正原理，将环围能量J1和平均半径J2相结合，先后分别以其为SPGD算法的性能指标，进行波前畸变的校正：首先以环围能量J1为性能指标进行像差校正，待环围能量J1达到极值时，切换到以平均半径J2为性能指标，接着进行像差校正，直至平均半径J2达到极值，停止校正。
进一步的，波前畸变校正的具体方法为：首先，初始化增益系数γ1，γ2，γ1取正，使环围能量J1向着极大值方向收敛，γ2取负，使平均半径J2向着极小值方向收敛；其次，将随机扰动电压向量施加到变形镜，利用双边扰动法，分别计算环围能量的正向性能指标J1+和J2+以及负向性能指标J1-和J2-；先根据环围能量J1的变化量δJ1计算电压向量u，并将其施加到变形镜，更新环围能量J1，直至环围能量J1收敛至极值；再根据平均半径J2的变化量δJ2计算电压向量u，将其施加到变形镜，更新平均半径J2，直至平均半径J2收敛至极值，SPGD算法迭代终止，校正结束。
进一步的，所述环围能量J1和平均半径J2具体采用如下表达式：
Figure 356032DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 676286DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 460397DEST_PATH_IMAGE004
，其中，I(x,y)为畸变波前远场光斑光强分布，(x 0 ,y 0 )为远场光斑质心坐标，R表示环围半径，利用上述计算公式，进行性能指标的计算。
本发明的有益效果是:
1、同时对区域光强及能量分布进行控制，提高了SPGD算法的校正精度：采用环围能量与平均半径相结合的方法对畸变波前进行校正：对于点目标成像系统，环围能量通常采用CCD相机采集，当环围能量全部集中于圆域内，即性能指标达到极值时，继续以平均半径为性能指标，可以将光斑质心移向中心位置，并在能量集中的基础上使能量分布均匀，从而解决了环围能量能量分布不均匀的问题，也解决了平均半径稳定性差的问题，两种性能指标相结合实现了优势互补，从而提升SPGD算法的校正精度。
2、提升了SPGD算法校正结果的稳定性：环围能量/平均半径组合法能够在不同环围半径下、每次都能够获得稳定一致的校正结果，从而显著提升SPGD算法的校正稳定性。
附图说明
图1为本发明水平空间激光通信大气湍流的SPGD校正示意图；
图2为本发明环围能量+平均半径组合法的SPGD算法流程图；
图3为采用本发明改进SPGD算法前后校正结果图：(a)平均半径校正法；(b)环围能量+平均半径组合校正法；
图4为SPGD算法对远场成像的校正结果比对图：(a)畸变光斑；(b)环围能量校正后；(c)平均半径校正后；(d)环围能量+平均半径组合法校正后；
图5为SPGD算法校正后的斯特列尔比。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1所示，一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，包括发射系统和接收系统，所述发射系统发出的平行光束经大气湍流扰动后，发生畸变并被接收系统接收，接收到的畸变光束由接收系统内的相机成像为一个畸变点像；在所述相机的进光路上设有变形镜，为了对该畸变点像进行校正，首先产生随机扰动并发送控制信号给变形镜，使变形镜发生形变；然后在相机里采集畸变点像的光强信息并进行光斑质量分析和梯度估计，得到表达光斑质量的性能指标；依据性能指标的变化情况，发送校正控制信号给变形镜进行波前畸变的校正，依次循环，直到性能指标达到要求为止。
所述性能指标包括环围能量J1和平均半径J2，首先利用环围能量法使能量集中到选定的圆域内，然后利用平均半径法使圆域内半径相同的位置能量也近似一致，从而消除能量分布不均匀和局部能量突起，使得能量集中且均匀分布，形成类似高斯分布的能量分布形式，这样既解决了环围能量校正后光斑形状不规则及能量不均匀导致残余像差较大的问题，也解决了平均半径校正结果不稳定的问题，实现大气湍流的高精度校正，从而提升SPGD算法的校正精度。
依据像差校正原理，将环围能量J1和平均半径J2相结合，先后分别以其为SPGD算法的性能指标，进行波前畸变的校正：首先以环围能量J1为性能指标进行像差校正，待环围能量J1达到极值时，切换到以平均半径J2为性能指标，接着进行像差校正，直至平均半径J2达到极值，停止校正，这样既能使区域内光强达到最大，能量向圆域集中，又能使质心漂移量减少，能量分布均匀，进一步降低残余像差。
如图2所示，波前畸变校正的具体方法为：首先，初始化增益系数γ1，γ2，γ1取正，使环围能量J1向着极大值方向收敛，γ2取负，使平均半径J2向着极小值方向收敛；其次，将随机扰动电压向量施加到变形镜，利用双边扰动法，分别计算环围能量的正向性能指标J1+和J2+以及负向性能指标J1-和J2-；先根据环围能量J1的变化量δJ1计算电压向量u，并将其施加到变形镜，更新环围能量J1，直至环围能量J1收敛至极值；再根据平均半径J2的变化量δJ2计算电压向量u，将其施加到变形镜，更新平均半径J2，直至平均半径J2收敛至极值，SPGD算法迭代终止，校正结束。
所述环围能量J1和平均半径J2具体采用如下表达式：
Figure 149873DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 531045DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 837130DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 525731DEST_PATH_IMAGE004
，其中，I(x,y)为畸变波前远场光斑光强分布，(x 0 ,y 0 )为远场光斑质心坐标，R表示环围半径，利用上述计算公式，进行性能指标的计算。
实施结果：为了验证本发明对校正精度的提升，首先利用MATLAB软件生成RMS值为0.534λ的大气湍流畸变像差的波前；分别以环围能量、平均半径及环围能量和平均半径相结合为性能指标对畸变像差进行校正，校正结果如图3所示，图3（a）是利用平均半径法进行10次校正的结果，可以看出，平均半径法校正后的波前残差随机性较大，校正后残余像差最大达到0.431λ，最小为0.01λ，校正的稳定性较差，图3（b）中，*、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分别代表环围能量法及环围能量与平均半径组合法的校正结果，其中R表示环围半径，r表示理想情况下艾里斑半径，可以看出，环围能量和平均半径组合法校正后，像差的RMS值稳定在0.01λ左右，而环围能量法的校正残差较大，且与环围半径的选取有关，当R≥1.5r时，校正后像差的RMS值仍高于1/14λ，三种方法相比较可以看出，环围能量和平均半径组合法的校正精度高且稳定，因此利用其可以提升SPGD算法的校正精度；三种方法校正后远场光强分布如图4所示，可以看出，组合法校正后光强集中且光斑强度分布均匀；图5是校正前后的斯特列尔比(SR)结果，◇、□、★、△分别代表校正前、环围能量、平均半径和组合法校正后的斯特列尔比，结果显示，环围能量校正后SR为0.54，平均半径校正后SR为0.75，环围能量和平均半径组合校正后SR达到1，说明利用环围能量与平均半径结合作为性能指标能够大幅提升校正精度，同时也提高了稳定性，从而降低激光通信误码率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，其特征在于，包括发射系统和接收系统，所述发射系统发出的平行光束经大气湍流扰动后，发生畸变并被接收系统接收，接收到的畸变光束由接收系统内的相机成像为一个畸变点像；在所述相机的进光路上设有变形镜，为了对该畸变点像进行校正，首先产生随机扰动并发送控制信号给变形镜，使变形镜发生形变；然后在相机里采集畸变点像的光强信息并进行光斑质量分析和梯度估计，得到表达光斑质量的性能指标；依据性能指标的变化情况，发送校正控制信号给变形镜进行波前畸变的校正，依次循环，直到性能指标达到要求为止。
2.根据权利要求1所述的用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，其特征在于，所述性能指标包括环围能量J1和平均半径J2，首先利用环围能量法使能量集中到选定的圆域内，然后利用平均半径法使圆域内半径相同的位置能量也近似一致，从而消除能量分布不均匀和局部能量突起，使得能量集中且均匀分布，形成类似高斯分布的能量分布形式，从而提升SPGD算法的校正精度。
3.根据权利要求2所述的用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，其特征在于，依据像差校正原理，将环围能量J1和平均半径J2相结合，先后分别以其为SPGD算法的性能指标，进行波前畸变的校正：首先以环围能量J1为性能指标进行像差校正，待环围能量J1达到极值时，切换到以平均半径J2为性能指标，接着进行像差校正，直至平均半径J2达到极值，停止校正。
4.根据权利要求3所述的用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，其特征在于，波前畸变校正的具体方法为：首先，初始化增益系数γ1，γ2，γ1取正，使环围能量J1向着极大值方向收敛，γ2取负，使平均半径J2向着极小值方向收敛；其次，将随机扰动电压向量施加到变形镜，利用双边扰动法，分别计算环围能量的正向性能指标J1+和J2+以及负向性能指标J1-和J2-；先根据环围能量J1的变化量δJ1计算电压向量u，并将其施加到变形镜，更新环围能量J1，直至环围能量J1收敛至极值；再根据平均半径J2的变化量δJ2计算电压向量u，将其施加到变形镜，更新平均半径J2，直至平均半径J2收敛至极值，SPGD算法迭代终止，校正结束。
5.根据权利要求4所述的用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，其特征在于，所述环围能量J1和平均半径J2具体采用如下表达式：
Figure 340634DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 867561DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 354955DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 359951DEST_PATH_IMAGE008
，其中，I(x,y)为畸变波前远场光斑光强分布，(x 0 ,y 0 )为远场光斑质心坐标，R表示环围半径，利用上述计算公式，进行性能指标的计算。
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