CN117666157A - 扰动信道环境下的复振幅slm自适应光路对准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统和方法，用于对扰动信道中的待对准光束进行对准，扰动信道中的待对准光束经过分束镜后被分解为目标光和参考光；波前传感器接收参考光，获取参考光的相位信息并输入处理器；处理器根据对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量并生成相位全息图，将相位全息图输入液晶控制器；相位全息图包括若干个同心圆环，用于模拟在预设的对准位置聚焦光线的环状闪耀光栅；相位型SLM的液晶接收目标光，液晶控制器将相位全息图转换为控制电压，并控制液晶对目标光进行对准输出；本发明基于纯相位SLM进行复振幅调控，能够对受扰动光学信道中传输的光束进行持续校正和对准。

Description

扰动信道环境下的复振幅SLM自适应光路对准系统和方法

技术领域

本发明涉及光学补偿和水下无线光通信技术领域，更具体地，涉及一种面向扰动信道的复振幅空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）自适应光路对准系统和方法。

背景技术

水下无线光通信（Underwater Optical Wireless Communication，UOWC）是以光作为载波的水下信息无线传输方式。相比之前的水声通信等技术，UOWC技术在中短距离范围内可有效支持高速、宽带、安全的无线传输业务。

由于水体容易受到不同程度的海洋湍流、气泡、盐度梯度、温度梯度、洋流、海浪、海风等效应的影响，这将引起接收光强的时变波动，从而导致UOWC链路性能的严重下降。例如，为了减少湍流扰动对UOWC系统的影响，针对水下湍流的时变影响，有研究者提出了基于自适应光学的闪烁抑制技术，该技术属于主动补偿技术，能够有效提高信号的质量；自适应光学系统由波前检测器件和补偿器件组成，通过采用适当的补偿器件和算法，实现对入射波前像差的补偿校正，从而减少光学闪烁。该技术具有可实时补偿相位、可动态跟踪对准等优点，因而成为提升UOWC系统在水下扰动条件下的传输性能的解决方案之一。

自适应系统的波前补偿器件分为可变形反光镜（Deformable Mirror，DM）、数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）、SLM等，相较于DM和DMD，SLM是最常用的自适应元件。SLM是一种高速率、高精度且具备多维度调制的器件，被广泛应用于自适应光学系统中，其主要用于提供仅相位或强度调制，但依赖于入射激光偏振状态的方向。SLM可用于控制输出光束的幅度、相位和/或偏振，在采用高速液晶材料的情况下，调制速率可以达到1kHz。

目前，已有多项研究探讨了基于SLM的自适应光学技术对闪烁补偿的应用，例如在文献“Y. Baykal, ‘Adaptive optics correction of scintillation in underwatermedium,’ J. Mod. Opt., vol. 67, no. 3, pp. 220-225, Jan. 2020”中，作者将湍流扰动引起的像差使用低阶Zernike滤波函数进行表示，然后通过自适应光学的作用实现了像差校正，并分析了像差对闪烁的影响；但Zernike系数的运算和调整较为耗时，很难做到实时动态补偿。在文献“沈川, 刘凯峰, 张成等.可编程菲涅耳相位透镜应用于多平面全息投影[J].光子学报, vol. 43, no. 5, pp. 94-101, May 2014”中，作者基于SLM的可编程菲涅耳相位透镜实现了特定画面的投影，可生成对应的图案；该方案使用的可编程菲涅耳相位透镜可实现对光束的聚焦，但无法在焦平面任意一处自定义聚焦点。

在现有的专利文献中公开了一种基于机器学习的高速自适应光学环形光斑校正系统和方法，其通过搭建学习模型，建立起畸变环形光斑形态与校正该畸变所需的相位重构系数之间的映射关系，将待测的畸变环形光斑输入训练好的模型中，求解出校正该畸变的相位重构系数，再进一步将相位重构系数重构出的校正相位加载到SLM上可以校正畸变。虽然该方案能够通过SLM实现环形光斑像差的校正，但其整体思路是采集畸变后的光斑之后再利用机器学习模型进行校正，在训练过程中需要尽量穷举所有可能的畸变光斑作为训练集，其系统性能严重受限于模型的训练精度。由于在实际部署中难以获得畸变后的光斑全集，因而无法实现对畸变光斑的100%正确校正，在动态环境下的光学矫正效果较差。此外，该方案是通过机器学习求解相应畸变相位的相位重构系数，仅限于恢复出初始的环形光斑，而无法实现不同焦距和焦平面中任意位置点的实时动态聚焦，难以支持对光路的有效跟踪和对准。

综上，尽管现有方案提出了针对SLM的自适应补偿算法，能够对波前失真进行迭代补偿，同时使用可编程菲涅耳相位透镜实现了对光束的聚焦控制，但依然存在以下两个缺点：一个是现有方案大多仅研究了通过纯相位SLM对光场的强度调控补偿，但较少考虑对不同焦距和焦平面中任意位置点的实时动态聚焦，因此难以实现光路的有效跟踪和对准；另一个是目前在纯相位SLM上采用复振幅调控技术实现波前校正和光路自定义对准的相关研究尚不多见，具体的解决方案仍需探索。

发明内容

本发明为克服上述现有技术难以实现光路的有效跟踪和对准的缺陷，提供一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统和方法，能够对受扰动光学信道中传输的光束进行光场校正和对准，如湍流、气泡、盐度梯度、温度梯度、洋流、海浪、海风等扰动信道中的UOWC系统接收机对准、携带相位信息的光信号的相位恢复等；本发明旨在面向这些场景进行复振幅SLM调控方案设计，使纯相位SLM同时具备强度和相位调控的能力，并基于该能力实现对光电探测器（Photoelectric Detector，PD）的受控持续对准。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统，用于对扰动信道中的待对准光束进行对准，包括：分束镜、波前传感器、处理器和相位型SLM；所述相位型SLM包括液晶和液晶控制器；所述波前传感器、处理器和液晶控制器依次连接；

所述分束镜用于接收待对准光束，并将待对准光束分解为目标光和参考光；

所述波前传感器用于接收参考光，获取参考光的相位信息并输入处理器；

所述处理器用于根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量，根据复振幅调控的叠加补偿量生成相位全息图，并将相位全息图输入液晶控制器；

在所述相位型SLM的液晶控制器中，相位全息图包括若干个渐变灰度的环状结构，用于模拟在预设的对准位置聚焦光线的环状闪耀光栅；

所述相位型SLM的液晶用于接收目标光，液晶控制器用于将相位全息图转换为控制电压，并控制液晶对目标光进行对准输出，对准输出后的目标光聚焦于预设的对准位置。

优选地，所述波前传感器包括相机和设置于相机镜头前的微透镜阵列，相机与处理器连接。

优选地，所述相机具体为CMOS相机。

优选地，所述系统还包括设置于预设的对准位置的光电探测器，用于接收对准输出后的目标光并进行光电转换和后处理。

优选地，所述扰动信道具体为UOWC信道，所述扰动包括不同特性的湍流、气泡、盐度梯度、温度梯度、洋流、海浪和海风中的任意一种或多种。

本发明还提供一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准方法，其处理过程包括以下步骤：

扰动信道中的待对准光束经过所述分束镜后被分解为目标光和参考光；

所述波前传感器接收参考光，获取参考光的相位信息并输入处理器；

所述处理器根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量，根据复振幅调控的叠加补偿量生成相位全息图，并将相位全息图输入液晶控制器；

在所述相位型SLM的液晶控制器中，相位全息图包括若干个同心圆环，用于模拟在预设的对准位置聚焦光线的环状闪耀光栅；

所述相位型SLM的液晶接收目标光，液晶控制器将相位全息图转换为控制电压，并控制液晶对目标光进行对准输出，对准输出后的目标光聚焦于预设的对准位置。

优选地，所述复振幅调控的叠加补偿量包括相位型SLM液晶每个点的光强补偿量和相位补偿量。

优选地，所述处理器根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量的步骤具体为：

所述处理器根据预设的对准位置计算相位型SLM液晶第个点的光强补偿量，/>为正整数，具体为：

其中，为相位型SLM液晶第/>个点的横纵坐标对，/>为预设的对准位置点的坐标，/>为预设的对准位置点到相位型SLM液晶表面的垂直距离，/>为待对准光束的波长，/>表示求模操作；

所述处理器根据参考光的相位信息反演获取待对准光束的波前分布，根据待对准光束的波前分布获取相位型SLM液晶第个点相位补偿量/>；

所述复振幅调控的叠加补偿量具体表示为：

其中，为相位型SLM液晶上第/>个点的复振幅调控的叠加补偿量。

优选地，所述相位全息图所模拟的环状闪耀光栅包括若干个共顶点的圆锥结构；

所述环状闪耀光栅的纵截面为对称的锯齿形状，对称轴为过所述顶点且与环状闪耀光栅底面垂直的直线。

本发明还提供一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统和方法，用于对扰动信道中的待对准光束进行对准，首先扰动信道中的待对准光束经过分束镜后被分解为目标光和参考光；波前传感器接收参考光，获取参考光的相位信息并输入处理器；处理器根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量，根据复振幅调控的叠加补偿量生成相位全息图，并将相位全息图输入液晶控制器；在相位型SLM的液晶控制器中，相位全息图包括若干个同心圆环，用于模拟在预设的对准位置聚焦光线的环状闪耀光栅；相位型SLM的液晶接收目标光，液晶控制器将相位全息图转换为控制电压，并控制液晶对目标光进行对准输出，对准输出后的目标光聚焦于预设的对准位置；

本发明通过在相位型SLM上加载全息图来模拟特定位置聚焦的闪耀光栅分布，并通过叠加初始相差实现复振幅调控，在自适应光学系统的驱动下，本发明可对特定位置的光路持续跟踪对准和实时相位补偿，可广泛用于在受扰动光学信道中传输的光束的光场校正和对准应用场景，如湍流、气泡、盐度梯度、温度梯度、洋流、海浪、海风等扰动信道中的UOWC系统接收机对准场景、携带相位信息的光信号的相位恢复场景等；其次，本发明基于环状闪耀光栅的干涉原理构造出一种可对任意焦距、焦平面中任意位置聚焦的相位分布表达式，基于该表达式并结合所需聚焦的坐标点，可生成对应的相位分布，该相位分布可用于反演并制造能在特定位置聚焦的特种闪耀光栅；另外，本发明所模拟的环状闪耀光栅具有全新的结构，可通过调整闪耀角改变最强光环所在位置，从而控制目标平面上何处获得最强光照，能够为有特殊光强调制需求的场景提供一种新的解决方案。

附图说明

图1为实施例1所提供的基于SLM的UOWC自适应光路对准系统架构示意图。

图2为实施例2所提供的闪耀光栅示意图。

图3为实施例2所提供的环状闪耀光栅结构示意图。

图4为实施例2所提供的SLM调控光场M点增强示意图。

图5为实施例3所提供的第一个验证实验的实验装置示意图。

图6为实施例3所提供的M点坐标为（0,0,0.3）的相位补偿图及SLM全息图。

图7为实施例3所提供的第一个验证实验中的初始光斑及受控聚焦后的光斑示意图。

图8为实施例3所提供的第二个验证实验中的在任意点聚焦所对应的相位全息图示例。

图9为实施例3所提供的第三个验证实验中的光斑受控移动效果示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统，用于对扰动信道中的待对准光束进行对准，包括：分束镜、波前传感器、处理器和相位型SLM；所述相位型SLM包括液晶和液晶控制器；所述波前传感器、处理器和液晶控制器依次连接；

所述分束镜用于接收待对准光束，并将待对准光束分解为目标光和参考光；

所述波前传感器用于接收参考光，获取参考光的相位信息并输入处理器；

所述处理器用于根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量，根据复振幅调控的叠加补偿量生成相位全息图，并将相位全息图输入液晶控制器；

在所述相位型SLM的液晶控制器中，相位全息图包括若干个渐变灰度的环状结构，用于模拟在预设的对准位置聚焦光线的环状闪耀光栅；

所述相位型SLM的液晶用于接收目标光，液晶控制器用于将相位全息图转换为控制电压，并控制液晶对目标光进行对准输出，对准输出后的目标光聚焦于预设的对准位置；

所述波前传感器包括相机和设置于相机镜头前的微透镜阵列，相机与处理器连接；本实施例中的相机具体为互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）相机，也可为其他类型的相机；

所述系统还包括设置于预设的对准位置的光电探测器PD，用于接收对准输出后的目标光并进行光电转换和后处理；

本实施例中的扰动信道具体为UOWC信道，所述扰动包括若干种不同特性的湍流、气泡、盐度梯度、温度梯度、洋流、海浪、海风等。

在具体实施过程中，如图1所示，图1为本实施例中的基于SLM的UOWC自适应光路对准系统架构示意图，信息比特首先通过T型偏置器耦合到光源的驱动电路上，然后通过第一个准直镜组将光束调整为准直光束，并将信号通过UOWC信道发送出去；UOWC信道由具有扰动的水体构成，存在水下湍流、气泡、盐度梯度、温度梯度、洋流、海浪、海风等对光束的扰动行为；经过扰动的光束经过UOWC信道传播后，通过接收端准直镜组实现束宽调节，再进入自适应补偿单元（即本实施例中的对准系统）；

具体地，光束首先经过反射后被分束器按分束能量比分解为较低能量的参考光和较高能量的目标光，参考光将被Shack-Hartmann波前传感器接收用于波前测量和光强感知；此处的波前传感器由镜头前的微透镜阵列和相机组成，其中相机包括但不限于CMOS相机；测量得到的波前强度和相位信息被回传到处理器，处理器根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量，根据复振幅调控的叠加补偿量生成相位全息图，并将相位全息图输入液晶控制器；

相位全息图包括若干个同心圆环，用于模拟在预设的对准位置聚焦光线的环状闪耀光栅；

之后通过液晶控制器将相位全息图转换为控制电压，从而实现对SLM的控制；此后，较高能量的目标光被SLM补偿后被PD接收，后者再完成光电转换及后续的信号处理过程；

本系统通过在相位型SLM上加载全息图来模拟特定位置聚焦的闪耀光栅分布，在自适应光学系统的驱动下，可对特定位置的光路持续跟踪对准和实时相位补偿。

实施例2

本实施例提供一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准方法，基于实施例1中的面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统，包括以下步骤：

扰动信道中的待对准光束经过所述分束镜后被分解为目标光和参考光；

所述波前传感器接收参考光，获取参考光的相位信息并输入处理器；

所述处理器根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量，根据复振幅调控的叠加补偿量生成相位全息图，并将相位全息图输入液晶控制器；

在所述相位型SLM的液晶控制器中，相位全息图包括若干个同心圆环，用于模拟在预设的对准位置聚焦光线的环状闪耀光栅；

所述相位型SLM的液晶接收目标光，液晶控制器将相位全息图转换为控制电压，并控制液晶对目标光进行对准输出，对准输出后的目标光聚焦于预设的对准位置；

所述复振幅调控的叠加补偿量包括相位型SLM液晶每个点的光强补偿量和相位补偿量；

所述处理器根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量的步骤具体为：

所述处理器根据预设的对准位置计算相位型SLM液晶第个点的光强补偿量，/>为正整数，具体为：

其中，为相位型SLM液晶第/>个点的横纵坐标对，/>为预设的对准位置点的坐标，/>为预设的对准位置点到相位型SLM液晶表面的垂直距离，/>为待对准光束的波长，/>表示求模操作；

所述处理器根据参考光的相位信息反演获取待对准光束的波前分布，根据待对准光束的波前分布获取相位型SLM液晶第个点相位补偿量/>；

所述复振幅调控的叠加补偿量具体表示为：

其中，为相位型SLM液晶上第/>个点的复振幅调控的叠加补偿量；

所述相位全息图所模拟的环状闪耀光栅包括若干个共顶点的圆锥结构；所述环状闪耀光栅的纵截面为对称的锯齿形状，对称轴为过所述顶点且与环状闪耀光栅底面垂直的直线。

在具体实施过程中，本实施例依然是基于图1中的基于SLM的UOWC自适应光路对准系统架构进行说明，待对准光束首先经过反射后被分束器按分束能量比分解为较低能量的参考光和较高能量的目标光，参考光将被波前传感器接收用于波前测量和光强感知；测量得到的波前强度和相位信息被回传到处理器，处理器根据输出光场的优化目标计算出对应的补偿量并通过液晶控制器转换为控制电压，从而实现对SLM的控制；此后，较高能量的目标光被SLM补偿后被PD接收，后者再完成光电转换及后续的信号处理过程；

处理器中的处理过程及补偿量计算方法为本方法的重点，如何利用反射型纯相位SLM实现强度和相位的同时调控，是本方法拟解决的关键技术难题，以下对本方法提出的复振幅调控解决方案进行详细介绍；

利用单台相位型SLM实现复振幅调控的核心环节在于复振幅编码算法的设计，即如何将光场的振幅信息和相位信息同时编码到SLM的相位全息图中，下面介绍复振幅加载到入射光场的基本过程：

从UOWC信道的输入光场可以表示为：

其中：是输入光场的强度分量，/>是输入光场的相位分量；经过SLM补偿后，系统的输出光场/>可表示为：

其中：是输出光场的强度分量，/>为输出光场的相位分量；则从输入光到输出光场的整个过程中，经过SLM时加载的相位全息图/>应该满足如下关系式：

其中：，/>为输入光场的波矢，/>为输出光场的波矢；

若忽略SLM在调制过程中的能量吸收和反射衰减，则SLM调制过程中的被补偿量能够被表示为：

进一步可简化为：

其中，为需要通过SLM实现的强度调制分量，而为需要通过SLM实现的相位补偿分量；

下面将进一步介绍强度调制分量和相位补偿分量的计算方法；

强度调制分量的计算：

由于相位型SLM无法直接调制强度，因此若要在相位型SLM上实现强度调制，则需采用间接调制的技术路径，具体介绍如下：

光波作为电磁波的一种，它具有波的显著特征，例如干涉相消和相涨现象；在光学元器件中，闪耀光栅是一种可任意改变最强干涉位置的特殊光栅，其外形如图2所示，表面如锯齿状结构，刻槽平面与光栅平面的夹角为闪耀角；由于具有闪耀角，每一个刻槽平面的衍射零级与其他刻槽平面的干涉零级在在空间上是不重合的，光能可以通过设定特定的闪耀角使得所需要的某一级干涉增强，实现该级光谱的闪耀；其中/>和/>是入射光线和出射光线与光栅平面法线的夹角；闪耀光栅的光栅方程定义了第m级闪耀时，入射角/>、反射角/>、光栅常数d、以及光波长/>之间的关系；具体地，当最大光强与m级衍射重合时，光栅方程为：/>

因此，通过设计不同的闪耀角，可以实现光束的衍射能量集中在某一特定级次上，使该级次获得最大的衍射能量；

在闪耀光栅中，通过改变闪耀角可实现特定级次的光强增强；而其核心在于通过设计合理的，使所有光束通过不同刻槽平面反射后到达特定级次时出现干涉相涨现象；图2中的每一个刻槽平面分别反射光束，而改变/>可改变光程差；在SLM中，整个反射面板由大量独立的液晶分子单元构成；以Holoeye LETO-VIS反射型纯相位SLM为例，其液晶面板由1920×1080分辨率的独立液晶构成，每个区域可单独被控制；因此，可在该SLM中通过调整液晶的折射率来改变光路延迟量，从而模拟出类似闪耀光栅的结构；

由于闪耀光栅是由平行带状的刻槽平面构成，当光束经过其反射后，所形成的光强按级次呈条状纹路分布；从UOWC接收机的角度看，若能将最高亮度的级次的光强集中在PD上，可提高接收信号的信噪比；因此，本方法提出了将图2所示条状闪耀光栅取其截面，并围绕图2的截面一端旋转而形成如图3所示的圆环锯齿状的闪耀光栅结构；该环状闪耀光栅整体呈圆环状，上表面为锯齿状同心圆环，每个锯齿具有特定的闪耀角；在实际生产制造过程中，每个环状锯齿的闪耀角/>可设置相同值，也可根据需求各设置不同值；由于环状闪耀光栅所产生的光强分布呈现同心圆状，通过调整每一个刻槽平面的闪耀角/>，能够找到使同心圆圆心为最强闪耀级次的/>值；同理，也可通过SLM加载全息相位图模拟出圆环状闪耀光栅结构，此时刻槽平面到光栅平面的高度将通过液晶模拟；

因此，若要使通过UOWC信道的光束经过SLM反射后在图4所示的M点处于最大光强，则需要保证每一条光线经过SLM反射后到达M点的光程相同；为了简化模型，此处我们假设所有入射到SLM的光束具有相同相位；为了使M点获得干涉增强，SLM上的液晶点N到目标点M的距离应满足以下条件：

其中，为M点坐标，表示PD中心的位置，/>为SLM液晶上N点的横纵坐标对，/>为SLM上N点液晶应补偿的等效光程，/>为PD到SLM的距离，则有：

由于整数倍相位差的波形振动步调一致，因此/>整数倍相差可舍去，仅保留小于/>的部分；此时，N点的等效光程可转化为相位/>：

其中：表示对变量a的求模操作，/>为入射光波长；上式表示在坐标点实现聚焦时，处于图4中SLM液晶平面原点处需要补偿的相位；根据上式可以计算出在特定位置聚焦的环状闪耀光栅的相位分布，并可完成特种闪耀光栅实物的生产制造；此外，上式中的/>与/>存在对应关系，即当补偿的相差精度要求降低时，对波长的容忍度将增高；例如，假设该系统的目标相差小于/>时认为可接受，此时波长的容忍范围为/>，系统可支持最大波长偏移量为/>的多色光；

当确定了需要对准的目标点M的位置后，代入上式可逐点生成对应的全息相位图，经过上述操作，原本的入射光将被调制为汇聚于M点的光束，从而实现了强度调制；

相位补偿分量的计算：

上述纯相位SLM强度调制过程假设了入射光束具有相同的相位，并未考虑初始相差；但实际的入射光束受到水下扰动的影响，在不同湍流、气泡、盐度梯度、温度梯度、洋流、海浪等环境条件下会出现不同的扰动特性，这将导致经过UOWC信道的光束波前相位出现超前、滞后、跳跃或突变等各种情况，因而光束的初始相差一般不为零；为了使所有光束到达接收端时相差为零，因此需要对初始相差进行补偿；

在图1中右侧所示的UOWC系统的接收端自适应补偿单元中，受到水下扰动的接收光束经过分束镜后，被分成能量较高的目标光和能量较低的参考光，其中，参考光进入Shack-Hartmann波前传感器，传感器可反演出入射光的波前分布；由于/>为光束经过水下扰动后所携带的初始相位，因此在补偿过程中需要将该相位加载到SLM上一并补偿；

基于上述强度补偿和相位补偿方法，能够获得经过水下信道后的光场聚焦于M点所需的补偿相位以及校正初始相差的补偿量/>；为在同一补偿单元中实现强度和相位的同时补偿，需要在SLM中同时加入强度和相位的补偿相位分量，因此，复振幅补偿所对应的SLM全息相位/>为：

其中，为相位型SLM液晶上第/>个点的复振幅调控的叠加补偿量；

基于此，当设定好需要聚焦的点的坐标时，可获得基于当前入射光的等效实时光强补偿量/>和相位补偿量/>，也即可以获得等效的复振幅调控的叠加补偿量/>，将该补偿量加载到图1所示的自适应光学系统的SLM中，在闭环自适应系统的实时补偿操作下，可实现复振幅调制并控制光束在动态扰动下持续指向目标点M；

本方法通过在相位型SLM上加载全息图来模拟特定位置聚焦的闪耀光栅分布，并通过叠加初始相差实现复振幅调控，在自适应光学系统的驱动下，本方法可对特定位置的光路持续跟踪对准和实时相位补偿；其次，本发明基于环状闪耀光栅的干涉原理构造出一种可对任意焦距、焦平面中任意位置聚焦的相位分布表达式，基于该表达式并结合所需聚焦的坐标点，可生成对应的相位分布，该相位分布可用于反演并制造能在特定位置聚焦的特种闪耀光栅；另外，本方法所模拟的环状闪耀光栅具有全新的结构，可通过调整闪耀角改变最强光环所在位置，从而控制目标平面上何处获得最强光照，能够为有特殊光强调制需求的场景提供一种新的解决方案。

实施例3

本实施例提供3个验证实验，用于验证实施例1和2所提出的面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统和方法的有效性；

本实施例使用未准直的光束代表经过水下信道的非理想入射光（非准直光束到达SLM表面生成的是非理想光斑），搭建基于SLM的同心圆状闪耀光栅分布实验装置，并通过改变目标点M的坐标值，生成对应的相位全息图，测试光束是否受控以及检测实际光斑的位置是否与目标点相吻合，从而完成实验验证。

在具体实施过程中，搭建如图5所示的实验装置，使用532nm激光二极管作为光源，在未经准直的情况下，分别通过透镜、光衰减片、偏振片、光阑、SLM进入到CMOS相机，本实施例采用的是Daheng ME2P-1230-23U3M/C CMOS相机；通过控制SLM使非理想光束受控，可实现光束聚焦并发生偏转，由此证明本方案的性能；本实施例通过在SLM上加载对应的全息相位图，控制光束实现聚焦、离焦和偏离一定位移；

在第一个验证实验中，将SLM与CMOS相机之间的距离设定为z= 0.3m，并设M点坐标为（0,0,0.3）；z的取值与UOWC系统接收机的外形、尺寸有关，可根据水下应用场景的需求进行设置；在此情况下，通过复振幅补偿算法获得的预补偿相位以及SLM相位全息图如图6所示；将计算出的图6（b）相位全息图加载到SLM上，非理想光束将从图7（a）的不规则非均匀光斑变为聚焦且指向目标点M的光斑，如图7（b）所示；由此可知，对于任意目标点M，本方法均可实现光斑在任意位置聚焦；

在第二个验证实验中，选取SLM与CMOS相机之间的距离不同、且不位于z轴上的目标点M的相位全息图；具体地，图8（a）为z= 0.5米距离上聚焦在非z轴的（0.002,0.0015,0.5）点处生成的相位全息图，图8（b）为z= 2米距离上聚焦在非z轴的（-0.0015,-0.001,2）点处生成的全息相位图；根据焦点的焦距以及水平、垂直位移发生的变化，本方法可实时、动态生成对应的全息相位图，保持接收光信号能够时刻对准PD中心；

在第三个验证实验中，在本方法的作用下，接收信号光斑由原点向上、下、左、右四个方向受控发生位移，并实时跟踪对准，实验结果如图9所示；

上述验证实验能够验证在给定任意点M的位置时，通过计算出等效相位，并利用SLM调制，可实现对未准直光束在任意点聚焦；由此可知，本方法在纯相位SLM中实现光束强度调制具有可行性；在此基础上，将光束的初始相差考虑到补偿量中，可实现强度和相位的共同补偿，即在SLM上通过复振幅调制实现光路对准。

在上述描述中，相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统，用于对扰动信道中的待对准光束进行对准，其特征在于，包括：分束镜、波前传感器、处理器和相位型SLM；所述相位型SLM包括液晶和液晶控制器；所述波前传感器、处理器和液晶控制器依次连接；

所述分束镜用于接收待对准光束，并将待对准光束分解为目标光和参考光；

所述波前传感器用于接收参考光，获取参考光的相位信息并输入处理器；

所述处理器用于根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量，根据复振幅调控的叠加补偿量生成相位全息图，并将相位全息图输入液晶控制器；

在所述相位型SLM的液晶控制器中，相位全息图包括若干个渐变灰度的环状结构，用于模拟在预设的对准位置聚焦光线的环状闪耀光栅；

所述相位型SLM的液晶用于接收目标光，液晶控制器用于将相位全息图转换为控制电压，并控制液晶对目标光进行对准输出，对准输出后的目标光聚焦于预设的对准位置。

2.根据权利要求1所述的一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统，其特征在于，所述波前传感器包括相机和设置于相机镜头前的微透镜阵列，相机与处理器连接。

3.根据权利要求2所述的一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统，其特征在于，所述相机具体为CMOS相机。

4.根据权利要求1所述的一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统，其特征在于，所述系统还包括设置于预设的对准位置的光电探测器，用于接收对准输出后的目标光并进行光电转换和后处理。

5.根据权利要求1~4任意一项中所述的一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统，其特征在于，所述扰动信道具体为UOWC信道，所述扰动包括不同特性的湍流、气泡、盐度梯度、温度梯度、洋流、海浪和海风中的任意一种或多种。

6.一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准方法，基于权利要求1~5任意一项中所述的面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准系统，其特征在于，包括以下步骤：

扰动信道中的待对准光束经过所述分束镜后被分解为目标光和参考光；

所述波前传感器接收参考光，获取参考光的相位信息并输入处理器；

所述处理器根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量，根据复振幅调控的叠加补偿量生成相位全息图，并将相位全息图输入液晶控制器；

在所述相位型SLM的液晶控制器中，相位全息图包括若干个同心圆环，用于模拟在预设的对准位置聚焦光线的环状闪耀光栅；

所述相位型SLM的液晶接收目标光，液晶控制器将相位全息图转换为控制电压，并控制液晶对目标光进行对准输出，对准输出后的目标光聚焦于预设的对准位置。

7.根据权利要求6所述的一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准方法，其特征在于，所述复振幅调控的叠加补偿量包括相位型SLM液晶每个点的光强补偿量和相位补偿量。

8.根据权利要求7所述的一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准方法，其特征在于，所述处理器根据参考光的相位信息和预设的对准位置计算复振幅调控的叠加补偿量的步骤具体为：

所述处理器根据预设的对准位置计算相位型SLM液晶第个点的光强补偿量/>，/>为正整数，具体为：

其中，为相位型SLM液晶第/>个点的横纵坐标对，/>为预设的对准位置点的坐标，/>为预设的对准位置点到相位型SLM液晶表面的垂直距离，/>为待对准光束的波长，/>表示求模操作；

所述处理器根据参考光的相位信息反演获取待对准光束的波前分布，根据待对准光束的波前分布获取相位型SLM液晶第个点相位补偿量/>；

所述复振幅调控的叠加补偿量具体表示为：

其中，为相位型SLM液晶上第/>个点的复振幅调控的叠加补偿量。

9.根据权利要求6~8任意一项所述的一种面向扰动信道的复振幅SLM自适应光路对准方法，其特征在于，所述相位全息图所模拟的环状闪耀光栅包括若干个共顶点的圆锥结构；

所述环状闪耀光栅的纵截面为对称的锯齿形状，对称轴为过所述顶点且与环状闪耀光栅底面垂直的直线。

10.一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时实现权利要求8所述方法中的步骤。