CN115566522B - 激光相干合成相位误差补偿装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种激光相干合成相位误差补偿装置,其被配置为使得初始干涉条纹信号以第一表达式表达:经预处理的干涉条纹信号以第二表达式表达的干涉条纹信号中不同像素位置处的光强:将所述经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的以第二表达式表达的该干涉通道的多个波形数据进行模式匹配得到该干涉通道的所述推算出相位误差,该干涉通道的所述推算出相位误差与其对应的阵列信号光的通道信号的相位误差一致。本申请的装置可快速推算出系统的相位误差值,以基于该误差值调整相位调制器,使得系统的激光相干合成输出的相干性、稳定性得以保证。本申请还公开了对应的方法。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域,具体的说是一种多路激光相干性控制装置及方法。
背景技术
在激光相干合成系统中,受环境变化以及各通道间固有光程差异等因素的影响,导致各通道间的波阵面彼此失配,激光相干合成输出的稳定性被减损,进而影响远场光束合成的质量和能量集中度。由此,出现了激光锁相技术。锁相技术的目标在于,各个通道激光的相干性需要保持稳定,每个通道的相位差维持恒定。根据相位控制的物理机理,可分为被动相位控制和主动相位控制。一般来说,被动相位控制是基于某种耦合机理,在无需主动控制元件情况下进行相位补偿,但其操作性较差,锁相效果较低。主动相位控制是利用主动相位补偿控制系统,对阵元之间的相位差进行主动反馈控制,其相位补偿精度及控制带宽较被动相位控制更高。
目前,在激光相干合成领域中,多阵元相干合成系统大多采用主动锁相技术完成。Thales Research&Technology公司的Marie Antier等首先提出了一种主动相位控制方法,其核心是通过在像面上不同区域获取各个信号光通道和单个参考光的干涉图,根据干涉图和预设模式的相关系数来求解每个信号光通道上的相位波动。这一方法有利于实现多通道下的相位并行控制。但是,发明人也注意到,系统整体控制带宽和装配精度对多通道的相位误差控制精度共同起到决定性作用,即控制带宽和系统装配精度越高相位误差越小,相干合成性越好;在多通道闭环控制中,控制带宽体现在相机帧频、算法处理时间以及调制器响应速度上的三者时间累计,系统装配精度体现在光波长量级。
在上述方法中,由于相关系数的计算复杂导致系统计算速度慢、且受噪声影响大。此外该方法中采用的相位合成系统需要确定信号光与参考光的夹角,该夹角需要专门的仪器测量,这带来了对系统中的部件装配精度要求严苛的问题。
发明内容
针对上述技术不足中的一种、两种或者多种,本申请的一些实施例提供了一种激光相干合成相位误差补偿装置,其包括阵列信号光生成单元,用以产生包括多个通道信号的阵列信号光,其包括相位调制器用于调整阵列信号光中各通道信号的相位;干涉条纹生成单元,包括配置为提供与所述阵列信号光相同性质的参考光的参考光生成组件;配置为使得所述参考光与阵列信号光发生干涉产生各通道信号的干涉条纹的干涉组件;以及配置为在其像面采集包括所述各通道信号的干涉条纹的图像帧的图像采集组件;相位误差推算单元,用于推算所述阵列信号光的每个通道信号的相位误差;以及,多通道相位同步控制单元,用以根据所述推算出的相位误差对所述相位调制器的实时调整;所述相位误差推算单元包括处理器和存储器,所述处理器被配置为执行所述存储器中存储的相位误差推算程序,运行所述相位误差推算程序执行以下处理:接收所述图像数据帧;识别所述图像数据帧中的多个每个干涉通道对应的干涉条纹所在的分区的像素位置以及所述干涉条纹中的每个像素的光强值以形成每个干涉通道的初始干涉条纹信号;该初始干涉条纹信号以第一表达式表达:对所述初始干涉条纹信号进行预处理得到经预处理的干涉条纹信号,经预处理的干涉条纹信号以第二表达式表达的干涉条纹信号中不同像素位置处的光强,其中所述第二表达式与所述经预处理的干涉条纹信号条纹干涉通道经过预处理后得到的像素数量相关联:将所述经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的以第二表达式表达的该干涉通道的多个波形数据进行模式匹配得到该干涉通道的所述推算出相位误差,该干涉通道的所述推算出相位误差与其对应的阵列信号光的通道信号的相位误差一致。
在本申请的一些实施例的装置中,将所述经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的该干涉通道的波形数据进行模式匹配得到所述推算出的相位误差的步骤包括:将经过预处理后的干涉波形依次与数据库里所存不同相位模式下的干涉波形进行对位像素误差值求取,通过快速求得所有相位模式下最小的均方误差值所对应的相位模式,将其认定为环境扰动引起的相位变化值。
在本申请的一些实施例的装置中,所述预存的干涉波形通过所述第二表达式步进推导出。
在本申请的一些实施例的装置中,所述第一表达式为 其中,I1为信号光的光强、I2为参考光的光强,λ为激光器的波长,a为像素尺寸间距,k为像素位置,N为数据库相位模式数量,为环境变化引起相位值,ω0为信号光束腰半径,Inoise为光源纹波和寄生干涉引起的光强噪声;所述第二表达式为/>其中,xx为一个基准条纹周期所占用像素数量,k'为预处理后干涉条纹的像素位置,i为步长值,N为数据库相位模式数量;一个基准条纹周期为经过预处理后的基准干涉条纹波形的周期,其包含的数量即波形的峰-峰或者谷-谷之间的像素数量。
在本申请的一些实施例的装置中,所述的阵列信号光生成单元在包括激光器、1×2光纤耦合器、1×N光纤耦合器、相位调制器阵列、光纤阵列以及微透镜阵列;其中激光器发出的激光通过1×2光纤耦合器后一路耦合至1×N光纤耦合器,1×N光纤耦合器输出的各通道的信号经过相位调制器阵列后输出到光纤阵列出射端,并在自由空中通过微透镜阵列进行准直输出;其中,所述的干涉组件单元包括分束器,其被配置为将准直后大部分能量的激光进行透射在远场形成相干合成信号光输出,将小部分能量的阵列信号光作为检测信号光反射入缩束组件,所述缩束组件被配置为对导入的检测阵列信号光缩束,并在缩束后使其与参考光以干涉夹角干涉并在图像采集组件的像面处产生干涉条纹;其中,所述缩束组件包括4f透镜模组,将图像采集组件的像面放置在光纤阵列所对应的4f透镜模组的焦平面上。
在本申请的一些实施例的装置中,所述干涉夹角为所述信号光和所述参考光在自由空间中的相对位置,所述干涉夹角可调。
在本申请的一些实施例的装置中,还包括对所述远场阵列信号光的光场中心进行标定,通过两两通道干涉校准的方式,调整设定相位值,在实时相位控制加持下补偿装置固有静态相位误差;选择其中任意一个信号通道作为参考通道,将其余的信号通道依次与所述参考通道进行两两干涉校准形成多个信号通道对,调整每个信号通道对的设定相位值,使得干涉的暗条纹中心过光场中心,所述其余的信号通道相位调整完后,将所述参考通道相位翻转180°,实现所有信号通道的相位一致。
在本申请的一些实施例的装置中,对所述初始干涉条纹信号进行预处理包括对所述初始干涉条纹信号依次进行滤波、插值、希尔伯特变换以及归一化处理。
在本申请的一些实施例的装置中,重复执行相位误差推算程序。
本申请的里一些实施例还提供了激光相干合成相位误差补偿方法,其包括根据相位误差推算程序推算出的相位误差对所述相位调制器的实时调整;所述相位误差推算程序包括以下处理:接收所述图像数据帧;识别所述图像数据帧中的多个每个干涉通道对应的干涉条纹所在的分区的像素位置以及所述干涉条纹中的每个像素的光强值以形成每个干涉通道的初始干涉条纹信号;该初始干涉条纹信号以第一表达式表达:对所述初始干涉条纹信号进行预处理得到经预处理的干涉条纹信号,经预处理的干涉条纹信号以第二表达式表达的干涉条纹信号中不同像素位置处的光强,其中所述第二表达式与所述经预处理的干涉条纹信号条纹干涉通道经过预处理后得到的像素数量相关联:将所述经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的以第二表达式表达的该干涉通道的多个波形数据进行模式匹配得到该干涉通道的所述推算出相位误差,该干涉通道的所述推算出相位误差与其对应的阵列信号光的通道信号的相位误差一致。
在本申请的一些实施例的方法中,将所述经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的该干涉通道的波形数据进行模式匹配得到所述推算出的相位误差的步骤包括将经过预处理后的干涉波形依次与数据库里所存不同相位模式下的干涉波形进行对位像素误差值求取,通过快速求得所有相位模式下最小的均方误差值所对应的相位模式,将其认定为环境扰动引起的相位变化值。
在本申请的一些实施例的方法中,所述预存的干涉波形通过所述第二表达式步进推导出。
在本申请的一些实施例的方法中,所述第一表达式为 其中,I1为信号光的光强、I2为参考光的光强,λ为激光器的波长,a为像素尺寸间距,k为像素位置,N为数据库相位模式数量,为环境变化引起相位值,ω0为信号光束腰半径,Inoise为光源纹波和寄生干涉引起的光强噪声;所述第二表达式为/>其中,xx为一个基准条纹周期所占用像素数量,k'为预处理后干涉条纹的像素位置,i为步长值,N为数据库相位模式数量;一个基准条纹周期为经过预处理后的基准干涉条纹波形的周期,其包含的数量即波形的峰-峰或者谷-谷之间的像素数量。
在本申请的一些实施例的方法中,对所述远场阵列信号光的光场中心进行标定,通过两两通道干涉校准的方式,调整设定相位值,在实时相位控制加持下补偿装置固有静态相位误差;其中所述的干涉校准实现过程如下:选择其中任意一个信号通道作为参考通道,将其余的信号通道依次与所述参考通道进行两两干涉校准形成多个信号通道对,调整每个信号通道对的设定相位值,使得干涉的暗条纹中心过光场中心,所述其余的信号通道相位调整完后,将所述参考通道相位翻转180°,实现所有信号通道的相位一致。
在本申请的一些实施例的方法中,对所述初始干涉条纹信号进行预处理包括对所述初始干涉条纹信号依次进行滤波、插值、希尔伯特变换以及归一化处理。
在本申请的一些实施例的方法中,重复执行所述相位误差推算程序。
本发明与现有技术相比,具有以下主要的优点:
本申请的一些实施例的装置和/或方法采用去除噪声项的简化的表达式推算相位误差,并与数据库预存的相位误差进行匹配的方式,可快速推算出系统的相位误差值,以基于该误差值调整相位调制器,使得系统的激光相干合成输出的相干性、稳定性得以保证。
本申请的一些实施例的装置和/或方法以最小均方误差作为相位变化值的判断依据;简单、快速,可快更快得到相位误差推算结果。
本申请的一些实施例的装置和/或方法采用步进采样推导的方式,采样充分、系统精细度更高。
本申请的一些实施例的装置和/或方法采用特定的第二表达式,降低了系统因噪声的影响而产生的相位误差,降低了系统复杂度。
本申请的一些实施例的装置和/或方法将图像采集组件设置在适当位置使得信号光呈理想的平面波,从而提高采集到的图像相位的精确度。
本申请的一些实施例的装置和/或方法中干涉夹角可调,从而可以保证采集到的图像的清晰度,得到清晰的条纹,提高图像相位的精确度。
本申请的一些实施例的装置和/或方法采用了多通道相位同步控制单元以及对相位调制器的控制方式,调整速度快,调整精度高。
本申请的一些实施例的装置和/或方法采用的干涉校准过程以及光场中心标定方法可补偿因系统装配误差导致的各通道间的固有光程差异,校准方式简单,仅需校准一次,有效降低系统装配精度和复杂度。
本申请的一些实施例的装置和/或方法采用了特定的预处理的步骤,可实现第一表达式向第二表达式的转换,实现相位误差推算结果的高精度。
本申请的一些实施例的装置和/或方法重复执行相位误差推算程序,从而实现对环境扰动造成的相位误差的实时补偿。
附图说明
图1为根据本申请的激光相干合成相位误差补偿装置的示意图;
图2为根据本申请的干涉相位测量原理示意图;
图3为根据本申请的实施例的激光相干合成相位误差补偿方法的流程图;
图4为根据本申请的实施例的校准步骤的流程图;
图5为根据本申请的相位闭环控制的流程图;
图6为根据本申请的两通道干涉校准的示意图;
图7为根据本申请的远场相干合成示意图;
图8为根据本申请的开环和闭环控制效果对比图;
图9为显示阵列信号光与参考光的干涉夹角以及与相机的靶面的位置关系的示意图。
图中,1为激光器,2为1×2光纤耦合器,3为1×N光纤耦合器,4为相位调制器阵列,5为光纤阵列,6为微透镜阵列,7为参考光,8为分束器,9为4f透镜模组,10为扩束器,11为相机,12为上位机,13为下位机、14为数模转换器。
具体实施方式
本申请总体涉及两路或多路激光相干性控制装置和/或方法。该装置和/或方法通过对激光相干合成的样本的干涉条纹图像进行采集并对其进行处理从而得到推算出由于环境因素造成的激光器相位波动,即相位误差,并对其进行补偿。
【干涉条纹生成装置】
参照图1,本发明的一个实施例提出的激光相干合成相位误差补偿装置可以作为多路激光相干合成系统的辅助装置存在或者与多路激光相干合成系统结合。
多路激光相干合成系统一般包括阵列信号光生成单元,阵列信号光生成单元包括:激光器1、1×N光纤耦合器3、相位调制器阵列4、信号光光纤阵列5、微透镜阵列6。其中,激光器1、1×N光纤耦合器3、相位调制器阵列4、光纤阵列5、微透镜阵列6共同构成阵列信号生成单元;其中,1×N光纤耦合器3的输入端连接激光器1,1×N光纤耦合器3的输出端分别与相位调制器阵列4的各输入端熔接,相位调制器阵列4的各输出端分别与光纤阵列5输入端熔接,微透镜阵列6的输出端发射阵列信号光到自由空间中。激光器1发出的激光经过1×N光耦合器3分为N束信号光,N束信号光在光纤中经过相位调制器阵列4传输至信号光光纤阵列5出射端,利用微透镜阵列6进行准直输出到自由空间中形成阵列信号光。
在本申请的其他实施例中,阵列信号光生成单元作为激光相干合成相位误差补偿装置的一部分向激光相干合成相位误差补偿装置提供阵列信号光。
在一些实施例中,光纤阵列5输出端与微透镜阵列6输入侧端用透明粘合剂紧密粘合,以提高准直效果。
如图1所示,本实施例中的多路激光相干性控制装置可以包括1×2光纤耦合器2、参考光光纤7、分束器8、4f透镜模组9、扩束器10、相机11、上位机12,下位机13、数模转换器14。其中,激光器1的输出端与1×2光纤耦合器输入端端口熔接,1×2光纤耦合器2的一个输出端与1×N光纤耦合器3输入熔接,1×2光纤耦合器2的另一个输出端与参考光光纤7输入端熔接,激光器1发出的激光经过1×2光耦合器2分为两束,其中一束光作为参考光经参考光光纤7经过扩束器8准直输出,另一束光如上所述经过1×N光耦合器3分为N束信号光。
其中,可以将上述器件进行功能划分,例如,1×2光纤耦合器2、参考光光纤7、扩束器10形成参考光生成组件用于提供参考光;分束器8、4f透镜模组9、扩束器10构成干涉组件用于形成干涉条纹;相机11为图像采集组件用于采集形成的干涉条纹。
具体而言,扩束器10的输入端与参考光光纤7连接用于将参考光引向相机11的靶面;分束器8被配置为将来自微透镜阵列6输出端的阵列信号光经过分束器8将99%能量的光透射到远场进行相干合成,将1%能量的光被反射进入4f透镜模组9经过其缩束后与扩束器10的输出端以干涉夹角θ设置使得经缩束后的阵列信号光与来自扩束器10的所述参考光在相机11的靶面发生干涉,如图2、9所示。并由相机11采集包含多通道干涉条纹像素位置处的光强值(或称灰度值)的图像数据。所述相机11的靶面,也即其像面,其与4f透镜模组的焦平面重合。如图9所示,所述干涉夹角θ为参考光,如图所示的平行虚线,与阵列信号光,如图所示的平行实线,发生干涉并在相机的焦平面,如图所示的水平线,形成干涉条纹的角度。如果参考光与阵列信号光的初始夹角不是该干涉夹角,则可以通过调节安装扩束器10的支架的角度达到所述干涉夹角。图9中,平行的阵列信号光间隔为一个像素。
在本申请的其他实施例中,4f透镜模组9也可以是其它缩束组件,例如缩束器。
分束器8除了可以以1%和99%的分配比例分配4f透镜模组9的输出外,在本申请的其他实施例中,该比例还可以是2%和98%,3%和97%,4%和96%,5%和95%等等。
所述相机11,例如是CMOS相机或者传感器单元等激光图像采集设备。其以预设的帧频率获取位于靶面的包含多个干涉通道的每个干涉通道的干涉条纹像素位置处的光强值的图像数据帧。
【上位机的相位误差推算】
上位机12可以是服务器、工作站、桌面计算机、笔记本、基于嵌入式系统,例如ARM系统、DSP或者优选地为基于FPGA的处理设备。
上位机12可以访问本地或者远程的数据库,数据库中以数组的形式预存基准多个波形数据。数据库可以在上述多路激光相干合成系统以及多路激光相干合成相干性控制装置的结构确定后根据采集到的干涉条纹的图像数据帧建立。
具体而言,数据库中的每个所述基准波形数据可以通过运行以下数据库构建程序得到。该数据库构建程序由处理器执行后进行以下处理。
首先接收所述相机11采集的包含的每个干涉通道的干涉条纹各像素位置处的光强值的基准图像数据帧;
其次,识别基准图像数据帧中的每个干涉通道的干涉条纹所在的像素位置以及干涉条纹中的每个像素的光强值以形成每个干涉通道的初始干涉条纹信号;对于任意干涉通道,该初始干涉条纹信号用第一表达式表达:
在第一表达式中,I1为信号光的光强、I2为参考光的光强,λ为激光器的波长,a为像素尺寸间距,k为像素位置,N为数据库相位模式数量,为环境变化引起相位值,ω0为信号光束腰半径(因为信号光有束腰影响组分),Inoise为光源纹波和寄生干涉引起的光强噪声;
再次,对所述初始基准干涉条纹信号进行预处理得到经预处理的基准干涉条纹信号,其中,用第二表达式表达干涉条纹信号中不同像素位置处的光强:
在该第二表达式中,xx为一个基准条纹周期所占用像素数量,k'为预处理后干涉条纹的像素位置,i为步长值,N为数据库相位模式数量。一个基准条纹周期为经过预处理后的基准干涉条纹波形的周期,其包含的数量即波形的峰—峰或者谷—谷之间的像素数量。所述预处理包括对初始基准干涉条纹信号进行滤波以去除第一表达式中的Inoise项、进行三次样条插值增加像素样点、以及进行希尔伯特变换以去除第一表达式中的exp指数项,从而得到经预处理的基准干涉条纹信号。进一步进行归一化处理,得到归一化后的经预处理的基准干涉条纹信号。归一化后降低了噪声的影响,提高数据库匹配精度;归一化后不需要进行光强的幅值无需测量,去除了第一表达式中的I1,I2项,以及系数从而简化了测量装置,降低建立数据库的难度。
应当理解,除了三次样条插值还可以采用其他插值处理,例如拉格朗日插值、有理函数插值、双三次样条插值等处理。
根据插值处理的结果确定一个条纹周期所占用像素数量xx的值,例如是310个像素。将数据库相位模式数量N确定为任意值,例如100,将步长值i设定为从1开始,得到预处理的第一数组,I预处理模式1,继而以1为步长,继续推导得到I预处理模式2、I预处理模式3、直至I预处理模式100。这样,就完成了针对一个干涉通道的预存多个波形数据的数据库的建立。重复以上步骤则完成对每个干涉通道预存波形数据建立。
数据库建立后,可以在相同的系统结构和系统设置下对多路激光相干合成系统运行中的因环境引起的相位扰动进行推算。
例如,可以在上位机12上安装用于推算相位误差的计算机程序。该计算机程序可以存储于上位机的存储器中,运行该程序后执行以下处理,如图3所示:
步骤S101,接收所述相机11采集的包含的多个干涉通道的每个干涉通道中干涉条纹各像素位置处的光强值的图像数据帧;
步骤S102,识别图像数据帧中的每个干涉通道中的干涉条纹所在的像素位置以及干涉条纹中的每个像素的光强值以形成初始干涉条纹信号;该初始干涉条纹信号以上述第一表达式表达:
步骤S103,对所述初始干涉条纹信号进行预处理得到经预处理的待测干涉条纹信号,经预处理的干涉条纹信号以上述第二表达式表达每个干涉条纹信号中不同像素位置处的光强:
步骤S104,将所述以第二表达式表达的经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的该干涉通道的多个相位模式下的波形数据进行模式匹配;包括将数据库的该干涉通道的每个相位模式下的波形与所述预处理后的波形进行均方误差求解并将最小均方误差确定为该干涉通道的相位误差值。该干涉通道的所述推算出相位误差与其对应的阵列信号光的通道信号的相位误差一致。
将经过预处理后的波形数据与数据库中每个干涉通道预存的波形数据进行模式匹配具体包括求解数据库的每个相位模式下的波形与预处理后的波形的均方误差(MSE),均方误差(MSE)可通过公式得出,其中,m为一个条纹干涉通道经过插值后得到的像素数量;以及求得最小均方误差MSE=min{模式1(MSE)、...、模式N(MSE)}下对应的相位值,并将其认定为环境变化引入的相位误差值。该算法实现简单,执行速度快。
相比于直接采集得到用第一表达式表达的干涉条纹的像素位置的光强值进行匹配,当对采集到的干涉条纹经过预处理后,系统的装配误差以及光源噪声对相位噪声测量的影响消失,仅留下环境变化引起的相位扰动,提升了相位误差测量精度,同时,由于不需要对束腰及夹角进行测量,降低了系统的装配复杂度。
重复执行对每个干涉通道的匹配即可完成对整个采集的图像帧中的各干涉通道的相位误差的推算。
【下位机的相位调节】
参照图3,下位机13、数模转换器14共同构成多通道相位控制模块,其中上位机根据干涉条纹像素位置处的灰度值完成对一个通道的相位值的测量,与参考值比对得到相位误差,利用千兆以太网将获得的相位误差传输至下位机13,下位机可由ARM、DSP或者FPGA构成,由下位机13计算出补偿电压,通过数模转换器14将补偿电压施加到相位调制器4中对应的相位调制器上,实现相位闭环控制。
具体而言,将上位机12推算出的相位误差值传输给下位机13,并在下位机13内部根据数模转换器14的数字量与电压值存在线性对应的关系,以及相位调制器的相位改变量与所施加电压存在线性对应关系,计算出所需的补偿电压的数字量。同时要保持数模转换器14输出范围至少为相位调制器4半波电压的两倍。
可以重复上述图像采集、波形匹配以及补偿电压调节步骤,从而对受环境变换引起的波阵面失配进行快速实时的控制,并时刻观察远场的能量分布的稳定性。
本申请的可对多个通道的相位误差采集,并通过快速的处理算法对多个通道的相位误差进行测量,对于像素数量为32,匹配模式数量为100的场景下,下位机采用FPGA(EP4CE10F17C8N)和并行模式DAC(AD9767),算法处理时间被控制在0.06ms以内。
基于像面分区匹配的多路激光相干合成相干性控制可以使阵列通道避免受环境影响而造成波阵面的失配,从而保证了各通道单位光波周期内的相位一致性,但其受限于系统装配精度影响(um量级差异)使所有通道在远场上并不具备相位一致的条件,因此,在完成动态的相位闭环控制后可以进行一次系统校准。具体校准步骤参照图4、5;包括步骤S201:在开环情况下,对形成合成光的系统远场光场中心进行标定,即如图6所示的十字黑线位置;步骤S202,在闭环控制加持下,选择其中任意一个信号通道作为参考通道,例如将信号通道1作为参考通道,将其余信号通道,例如信号通道2到信号通道n依次与信号通道1进行两两干涉校准,形成多个信号通道对;步骤S203,通过调整每一对信号通道的设定相位值,使得干涉的暗条纹中心过所述远场光场中心;最后,步骤S204,将信号通道1的相位翻转180°,实现所有信号通道的相位一致,如图7所示。
本发明的多路激光相干性控制装置是建立在多通道的激光相干合成系统上的,因此具有并行同时控制的优势。同时利用快速算法处理,在不影响系统控制带宽下,提高系统的控制精度,如图5所示在闭环控制下,如图8所示,相位误差精度可达满足多通道工程化应用/>条件。
在本申请的一些实施例中,可以采用铌酸锂相位调制器作为移相元件,其响应带宽在GHz量级,因此实际控制带宽仅受相机帧频的限制。本发明的实施例采用一个相机完成对两个或多个干涉通道,即多通道的相位误差采集,并通过快速的推算方法对多通道的相位误差进行测量,算法处理时间被控制在1~10%毫秒级。此外,除发明内容部分已经描述的哟室外,本发明的方案无需对参考光进行调制,使得系统反应迅速。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式,而且本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种激光相干合成相位误差补偿装置,其特征在于:包括阵列信号光生成单元,用以产生包括多个通道信号的阵列信号光,其包括相位调制器用于调整阵列信号光中各通道信号的相位;干涉条纹生成单元,包括配置为提供与所述阵列信号光相同性质的参考光的参考光生成组件,配置为使得所述参考光与阵列信号光发生干涉产生各通道信号的干涉条纹的干涉组件,以及配置为在其像面采集包括所述各通道信号的干涉条纹的图像数据帧的图像采集组件;相位误差推算单元,用于推算所述阵列信号光的每个通道信号的相位误差;以及,多通道相位同步控制单元,用以根据所述推算出的相位误差对所述相位调制器的实时调整;所述相位误差推算单元包括处理器和存储器,所述处理器被配置为执行所述存储器中存储的相位误差推算程序,运行所述相位误差推算程序执行以下处理:接收所述图像数据帧;识别所述图像数据帧中的多个每个干涉通道对应的干涉条纹所在的分区的像素位置以及所述干涉条纹中的每个像素的光强值以形成每个干涉通道的初始干涉条纹信号;该初始干涉条纹信号以第一表达式表达,对所述初始干涉条纹信号进行预处理得到经预处理的干涉条纹信号,经预处理的干涉条纹信号以第二表达式表达的干涉条纹信号中不同像素位置处的光强,其中所述第二表达式与所述经预处理的干涉条纹信号条纹干涉通道经过预处理后得到的像素数量相关联,将所述经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的以第二表达式表达的该干涉通道的多个波形数据进行模式匹配得到该干涉通道的所述推算出相位误差,该干涉通道的所述推算出相位误差与其对应的阵列信号光的通道信号的相位误差一致。
2.根据权利要求1所述的激光相干合成相位误差补偿装置,其特征在于:将所述经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的该干涉通道的波形数据进行模式匹配得到所述推算出的相位误差的步骤包括:将经过预处理后的干涉波形依次与数据库里所存不同相位模式下的干涉波形进行均方误差求解,并将所有相位模式下最小的均方误差值所对应的相位模式,将其认定为环境扰动引起的相位变化值。
3.根据权利要求1所述的激光相干合成相位误差补偿装置,其特征在于:所述预存的干涉波形通过所述第二表达式步进推导出。
4.根据权利要求1所述的激光相干合成相位误差补偿装置,其特征在于:所述第一表达式为;其中,I1为信号光的光强、I2为参考光的光强,λ为激光器的波长,a为像素尺寸间距,k为像素位置,N为数据库相位模式数量,Δφ/>为环境变化引起相位值,ω0为信号光束腰半径,Inoise 为光源纹波和寄生干涉引起的光强噪声;所述第二表达式为;其中,xx为一个基准条纹周期所占用像素数量,k'为预处理后干涉条纹的像素位置,i为步长值,N为数据库相位模式数量;一个基准条纹周期为经过预处理后的基准干涉条纹波形的周期,其包含的数量即波形的峰-峰或者谷-谷之间的像素数量。
5.根据权利要求1所述的激光相干合成相位误差补偿装置,其特征在于:所述的阵列信号光生成单元包括激光器、1X2光纤耦合器、1XN光纤耦合器、相位调制器阵列、光纤阵列以及微透镜阵列;其中激光器发出的激光通过1X2光纤耦合器后一路耦合至1XN光纤耦合器,光纤耦合器输出的各通道的信号经过相位调制器阵列后输出到光纤阵列出射端,并在自由空中通过微透镜阵列进行准直输出;其中,所述的干涉组件单元包括分束器,其被配置为将准直后大部分能量的激光进行透射在远场形成相干合成信号光输出,将小部分能量的阵列信号光作为检测信号光反射入缩束组件,所述缩束组件被配置为对导入的检测阵列信号光缩束,并在缩束后使其与参考光以干涉夹角干涉并在图像采集组件的像面处产生干涉条纹;其中,所述缩束组件包括4f透镜模组,将图像采集组件的像面放置在光纤阵列所对应的4f透镜模组的焦平面上。
6.根据权利要求5所述的激光相干合成相位误差补偿装置,其特征在于:所述干涉夹角为所述信号光和所述参考光在自由空间中的相对位置,所述干涉夹角可调。
7.根据权利要求5所述的激光相干合成相位误差补偿装置,其特征在于:还包括对所述相干合成信号光输出的光场中心进行标定,通过两两通道干涉校准的方式,调整设定相位值,在实时相位控制加持下补偿装置固有静态相位误差;选择其中任意一个信号通道作为参考通道,将其余的信号通道依次与所述参考通道进行两两干涉校准形成多个信号通道对,调整每个信号通道对的设定相位值,使得干涉的暗条纹中心过光场中心,所述其余的信号通道相位调整完后,将所述参考通道相位翻转180°,实现所有信号通道的相位一致。
8.根据权利要求1所述的激光相干合成相位误差补偿装置,其特征在于:对所述初始干涉条纹信号进行预处理包括对所述初始干涉条纹信号依次进行滤波、插值、希尔伯特变换以及归一化处理。
9.根据权利要求1所述的激光相干合成相位误差补偿装置,其特征在于:包括重复执行相位误差推算程序。
10.一种激光相干合成相位误差补偿方法,其特征在于:包括根据相位误差推算程序推算出的相位误差对相位调制器的实时调整;所述相位误差推算程序包括以下处理:接收图像数据帧;识别所述图像数据帧中的多个每个干涉通道对应的干涉条纹所在的分区的像素位置以及所述干涉条纹中的每个像素的光强值以形成每个干涉通道的初始干涉条纹信号;该初始干涉条纹信号以第一表达式表达,对所述初始干涉条纹信号进行预处理得到经预处理的干涉条纹信号,经预处理的干涉条纹信号以第二表达式表达的干涉条纹信号中不同像素位置处的光强,其中所述第二表达式与所述经预处理的干涉条纹信号条纹干涉通道经过预处理后得到的像素数量相关联,将所述经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的以第二表达式表达的该干涉通道的多个波形数据进行模式匹配得到该干涉通道的所述推算出相位误差,该干涉通道的所述推算出相位误差与其对应的阵列信号光的通道信号的相位误差一致。
11.根据权利要求10所述的激光相干合成相位误差补偿方法,其特征在于:将所述经预处理的干涉条纹信号与数据库中预存的该干涉通道的波形数据进行模式匹配得到所述推算出的相位误差的步骤包括将经过预处理后的干涉波形依次与数据库里所存不同相位模式下的干涉波形进行均方误差求解,将所有相位模式下最小的均方误差值所对应的相位模式,将其认定为环境扰动引起的相位变化值。
12.根据权利要求10所述的激光相干合成相位误差补偿方法,其特征在于:所述预存的干涉波形通过所述第二表达式步进推导出。
13.根据权利要求10所述的激光相干合成相位误差补偿方法,其特征在于:所述第一表达式为;其中,I1为信号光的光强、I2为参考光的光强,λ为激光器的波长,a为像素尺寸间距,k为像素位置,N为数据库相位模式数量,Δφ/>为环境变化引起相位值,ω0为信号光束腰半径,Inoise 为光源纹波和寄生干涉引起的光强噪声;所述第二表达式为;其中,xx为一个基准条纹周期所占用像素数量,k'为预处理后干涉条纹的像素位置,i为步长值,N为数据库相位模式数量;一个基准条纹周期为经过预处理后的基准干涉条纹波形的周期,其包含的数量即波形的峰-峰或者谷-谷之间的像素数量。
14.根据权利要求10所述的激光相干合成相位误差补偿方法,其特征在于:在远场形成相干合成信号光输出,对所述相干合成信号光输出的光场中心进行标定,通过两两通道干涉校准的方式,调整设定相位值,在实时相位控制加持下补偿装置固有静态相位误差;其中所述的干涉校准实现过程如下:选择其中任意一个信号通道作为参考通道,将其余的信号通道依次与所述参考通道进行两两干涉校准形成多个信号通道对,调整每个信号通道对的设定相位值,使得干涉的暗条纹中心过光场中心,所述其余的信号通道相位调整完后,将所述参考通道相位翻转180°,实现所有信号通道的相位一致。
15.根据权利要求10所述的激光相干合成相位误差补偿方法,其特征在于:对所述初始干涉条纹信号进行预处理包括对所述初始干涉条纹信号依次进行滤波、插值、希尔伯特变换以及归一化处理。
16.根据权利要求10所述的激光相干合成相位误差补偿方法,其特征在于:重复执行所述相位误差推算程序。
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