CN117856023A - 基于改进spgd算法的多路激光主动相干合成的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法及装置。利用集成板卡通过A/D模块的转换采集多路激光合成后的光强，同时利用设备提供的可编程FPGA，实现改进后的SPGD控制算法，再经过D/A模块的转换，输出多路电压信号至相位调制器，对各路光束进行相位校正与锁定；模块化编程及实时系统，可于上位机实现状态监控与参数设置，下位机实现信号实时的采集处理与输出。在SPGD控制算法的基础上，根据自适应光学系统中相位调制器的电光特性加入超限复位法，达到快速稳定地收敛，解决了多路光束的稳定锁相与高效合成的问题，实现高功率激光的稳定输出。
Description
技术领域
本发明涉及高功率激光技术领域，尤其涉及一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法及装置。
背景技术
随机并行梯度下降算法（stochastic parallel gradient descent algorithm，SPGD）因其稳定性、可控制性强、控制精度高、收敛效果好，现被广泛应用于自适应光学控制系统中。目前算法的实现方法大致分为3种，一是通过MCU集成电路来实现，利用FPGA或DSP处理器搭载后端集成电路，其特点是实时性强，可重复编程，但是芯片可重复利用率低，软件编程复杂，算法实现难度高；二是通过PC端用软件编程来实现控制算法，其特点是灵活性较强但控制带宽较低，实时性差；三是同过大规模的集成电路，仅通过硬件电路手段实现软件算法，其特点是实时性较好但是灵活性差、成本高。三种方法都需要配合各类硬件电路，而本文提出的改进后的SPGD实现方法与装置，不需要在搭载后端复杂电路，可实现PC端的FGPA模块化编程，以及系统中所需要的模拟量采集输出和复杂算法数据处理功能，灵活编程的同时也可以满足自适应光学系统实时性高的要求。
自适应光学系统中，影响SPGD算法收敛速度及收敛效果的因素有很多，包括算法各参数的选取，硬件的处理效率，光路的复杂性等。但随着激光光路的增加，光学系统更为复杂，传统的SPGD算法的实时性、稳定性降低，收敛速度及效果已经不满足现阶段复杂自适应光学系统的研究。
有鉴于此，有必要设计一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法及装置，以解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法及装置，能够有针对性的对算法进行优化，在保证算法的收敛效果和稳定性的同时，加快算法的收敛速度。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法，包括如下步骤：
S1、在算法控制器的上位机的参数设置界面中将系统的控制变量初始化；所述控制变量包括每次迭代产生的扰动电压幅度、增益系数/>；
S2、在所述算法控制器的下位机的控制算法处理中确定各路光束的扰动向量相互独立且服从伯努利分布；借助软件开发环境自带的伯努利分布模块产生对应的若干组伪随机数列；
S3、在所述算法控制器的下位机的控制算法处理中控制算法迭代过程的电压至预定范围内；所述算法迭代过程的电压的预定范围为-10V~+10V；
S4、再将经过步骤S3调控的电压更新至相位调制器中，使得各路光束间的相位差逐渐减小，直至合成后的光束功率趋于稳定，且为经过若干次实验后的合成效率的最大值。
进一步地，在所述算法控制器内所执行的SPGD算法的为：
选择合成后的光束的光强作为系统的评价函数；产生每路光束的所述相位调制器第n次所需的正向扰动电压为：
，
此时正向扰动时的合成光束的光强评价函数为：
；
随后产生每路光束的所述相位调制器第n次所需的负向扰动电压为：
，
此时负向扰动时的合成光束的光强评价函数为：
；
经过此时正向扰动和负向扰动后，合成光束的光强评价函数的增量为：
；
更新迭代后第次的控制电压为：
。
进一步地，步骤S3中，算法迭代过程的所述电压即传递至控制信号输出板卡的电压范围的控制方法为：当所述正向扰动电压或负向扰动电压达到或者超过信号采集处理模块的输出电压的范围时，则在当前电压值的基础上减去2个半波电压，进行超限复位，直至恢复至所述信号采集处理模块的输出电压的限定范围内。
本发明还提供了一种用于实现上述方法的基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，包括：光学处理模块、所述信号采集处理模块、用于将光信号转换成电信号的电子元器件。
进一步地，所述光学处理模块包括光源、用于调节光束相位的所述相位调制器、其他光学元器件。
进一步地，所述电子元器件包括示波器、光电探测器。
进一步地，所述信号采集处理模块包括信号采集与输出板卡、所述算法控制器。
进一步地，所述信号采集与输出板卡的采集电压与输出电压的范围均为-10V~+10V；所述信号采集处理模块的AI采样率达1MS/s。
进一步地，所述算法控制器包括所述上位机、所述下位机；所述上位机与所述下位机通过FIFO模块进行数据传输。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，所使用的嵌入式系统集成了A/D、D/A模块以及可编程FPGA模块，可实现信号高速采集、处理、输出，大大缩减了研发成本。此外，通过简易的图像化编程，可实现上位机控制界面的实时状态监控、输入参数设置，下位机的信号采集、处理。模块化编程，可实现软件上下位机单独模块的编译与调试，不必编译整个系统工程就可实现参数的配置与波形的实时监控。信号采集、算法控制循环及输出可运行于嵌入式“硬实时”系统中。相较于常见的通用操作系统，此系统具有更高的实时性，加快信号的采集及算法的迭代速度。
2、本发明提供的一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法，利用集成板卡通过A/D模块的转换采集多路激光合成后的光强，同时利用设备提供的可编程FPGA，实现改进后的SPGD控制算法，再经过D/A模块的转换，输出多路电压信号至相位调制器，对各路光束进行相位校正与锁定。
附图说明
图1为实施例1中基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置的结构框图。
图2为实施例1中实施例1中基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法的算法流程图。
图3为实施例1中基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置的具体控制框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，包括光学处理模块、信号采集处理模块、用于将光信号转换成电信号的电子元器件。所述光学处理模块包括光源、用于调节光束相位的相位调制器、其他光学元器件。所述电子元器件包括示波器、光电探测器。所述信号采集处理模块包括信号采集与输出板卡、算法控制器。所述算法控制器包括上位机（上位机包括参数设置界面、波形监控、输入输出数值监控）、下位机（下位机包括控制算法循环迭代）；所述上位机与所述下位机通过FIFO模块进行数据传输。
如此设置，相比于传统的FPGA、单片机等嵌入式集成电路，本发明所使用的嵌入式系统集成了A/D、D/A模块以及可编程FPGA模块，可实现信号高速采集、处理、输出，大大缩减了研发成本。此外，通过简易的图像化编程，可实现上位机控制界面的实时状态监控、输入参数设置，下位机的信号采集、处理。模块化编程，可实现软件上下位机单独模块的编译与调试，不必编译整个系统工程就可实现参数的配置与波形的实时监控。信号采集、算法控制循环及输出可运行于嵌入式“硬实时”系统中。相较于常见的通用操作系统，此系统具有更高的实时性，加快信号的采集及算法的迭代速度。
具体地，在本发明的一些实施例中，所述信号采集与输出板卡的采集电压与输出电压的范围均为-10V~+10V；所述信号采集处理模块的AI采样率达1MS/s。
如此设置，将信号采集与输出板卡的采集输入电压、输出电压的范围均为设置在-10V~+10V的较大范围内，可避免信号变化频繁而引起的系统误差，及合成收敛效果不稳定的问题。
一种采用所述装置且基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法，包括如下步骤：
S1、在所述算法控制器的上位机的参数设置界面中将系统的控制变量初始化；所述控制变量包括每次迭代产生的扰动电压幅度、增益系数/>；
S2、在所述算法控制器的下位机的控制算法处理中确定各路光束的扰动向量相互独立且服从伯努利分布；借助软件开发环境自带的伯努利分布模块产生对应的若干组伪随机数列；
S3、在所述算法控制器的下位机的控制算法处理中控制算法迭代过程的电压至-10V~+10V范围内；算法迭代过程的所述电压即传递至控制信号输出板卡的电压范围为-10V~+10V；
S4、再将经过步骤S3调控的电压更新至所述相位调制器中，使得各路光束间的相位差逐渐减小，直至合成后的光束功率趋于稳定，且为经过若干次实验后的合成效率的最大值。
如此设置，无需其它数据分析或仿真软件（例如MATLAB软件），可直接产生服从伯努利分布的伪随机数列，完成SPGD算法中的正负扰动。
具体地，在本发明的一些实施例中，在所述算法控制器内所执行的SPGD算法为：
选择合成后的光束的光强作为系统的评价函数；产生每路光束的所述相位调制器第n次所需的正向扰动电压为：
，
此时正向扰动时的合成光束的光强评价函数为：
；
随后产生每路光束的所述相位调制器第n次所需的负向扰动电压为：
，
此时负向扰动时的合成光束的光强评价函数为：
；
经过此时正向扰动和负向扰动后，合成光束的光强评价函数的增量为：
；
更新迭代后第次的控制电压为：
；
步骤S3中，算法迭代过程的所述电压即传递至控制信号输出板卡的电压范围的控制方法为：当所述正向扰动电压或负向扰动电压达到或者超过所述信号采集处理模块的输出电压的范围时，则在当前电压值的基础上减去2个半波电压，进行超限复位，直至恢复至所述信号采集处理模块的输出电压的限定范围内。
如此设置，在SPGD算法的基础上，根据相位调制器的周期变化及电光特性，加入超限快速复位法，可解决因输出信号超出相位调制器范围而引起的系统失锁问题，和相位调制器因相位突变而引起的系统震荡问题，加快系统收敛速度稳定收敛效果。
本发明提供的一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法及装置的工作原理如下：
由于激光光束在空间传输时受到很多因素的影响，使光束的相位发生各不相同的畸变，多路激光光束合成后功率损失较多，同时，所述信号采集处理模块向所述相位调制器输出电压，所述相位调制器接收电信号后改变各路所述光束的相位，减小各光束之间的相位差；所述光束合成光路再将经过所述相位调制器调制后的光束合成一路；接着利用所述光电探测器将合成后的光束的光强转换成电信号，并利用所述信号采集板卡将所述电信号采集后输入至所述算法控制器，经过算法迭代，更新所述相位调制器的电压，使得各路光束间的相位差逐渐减小，提高光束合成功率，由此形成闭环。
下面对本发明提供的一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法及装置的工作方式进行说明：
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，包括：光学处理模块、信号采集处理模块、用于将光信号转换成电信号的电子元器件。所述光学处理模块包括光源、用于调节光束相位的4个相位调制器、其他光学元器件。所述电子元器件包括示波器、光电探测器。所述信号采集处理模块包括信号采集与输出板卡、算法控制器。所述算法控制器包括上位机、下位机；所述上位机与所述下位机通过FIFO模块进行数据传输。
所述信号采集与输出板卡的采集电压与输出电压的范围均为-10V~+10V；所述信号采集处理模块的AI采样率达1MS/s。
如图2所示，本实施例还提供了一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法，包括如下步骤：
S1、在所述算法控制器的上位机的参数设置界面中将系统的控制变量初始化；所述控制变量包括每次迭代产生的扰动电压幅度、增益系数/>；
S2、在所述算法控制器的下位机的控制算法处理中确定各路光束的扰动向量相互独立且服从伯努利分布；借助软件开发环境自带的伯努利分布模块产生对应的若干组伪随机数列；
S3、在所述算法控制器的下位机的控制算法处理中控制算法迭代过程的电压至-10V~+10V范围内；
S4、再将经过步骤S3调控的电压更新至所述相位调制器中，使得各路光束间的相位差逐渐减小，直至合成后的光束功率趋于稳定，且为经过若干次实验后的合成效率的最大值。
算法控制器内所执行的SPGD算法为：
选择合成后的光束的光强作为系统的评价函数；产生每路光束的所述相位调制器第n次所需的正向扰动电压为：
，
此时正向扰动时的合成光束的光强评价函数为：
；
随后产生每路光束的所述相位调制器第n次所需的负向扰动电压为：
，
此时负向扰动时的合成光束的光强评价函数为：
；
经过此时正向扰动和负向扰动后，合成光束的光强评价函数的增量为：
；
更新迭代后第次的控制电压为：
；
步骤S3中，所述电压的预定范围的控制方法为：为了防止输出电压过大而超出器件可输出范围，导致电压输出不再变化，需要对迭代过程的电压的范围进行限制，一旦超出限定范围时，需要快速恢复至有效值，若停留至输出电压范围边界或恢复至任意值，可能会使算法无法正确计算出梯度方向，导致系统无法收敛。
由于铌酸锂电光相位调制器的线性电光效应，相位改变时所加的电压为半波电压/>，入射至相位调制器中光束的相位变化量/>与输入电压/>呈线性变化关系：
光束相位随着相位调制器的输入电压在2个半波电压范围内呈周期性变化。根据试验测量：若输入电压范围恰好与相位调制器相位翻转时电压重合，可能会导致因相位翻转突变而引起系统震荡或相位失锁。
根据相位调制器的上述特性，本实施例中将4路相位调制器的半波电压实际测量并标定出结果，在算法中对4路输出电压加入判断，若计算出的输出电压超出板卡输出电压的范围，或计算出的输出电压接近相位调制器相位翻转时的电压，则在当前电压值的基础上减去2个半波电压，达到快速复位的效果，避免出现系统震荡或无法锁相的问题，稳定收敛效果，提高收敛速度。
将增益系数、扰动幅度/>、4路相位调制器的半波电压参数放置软件程序中上位机的参数设置界面中，通过FIFO模块传输至下位机。下位机主要完成控制算法迭代循环，包括性能评价函数的信号采集、伯努利伪随机数列生成、正扰动、负扰动、电压超限判断复位、控制电压输出等模块。其中下位机可采集到的输入电压、每次迭代计算的正负扰动、及最后的输出电压，通过FIFO模块传输至上位机界面，用于实时状态监控显示，具体控制框图如图3所示。
经过多次试验验证后，当选取增益系数为2.5，扰动幅度为0.075时系统的迭代速度与锁相效果同时达到最佳。
实施例2
本实施例提供了一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法及装置，与实施例1的区别在于，采用的相位调制器不同，本实施例采用的是8个相位调制器（相较于实施例1多了一倍的光束通道）。将其中1路光束作为参考光束，其他7路光束改变相位向参考光束相位靠近达到锁相效果。即在算法处理上直接将参考光路无需做任何处理，保持初始相位不改变，与其他7路光束合成即可。这样可以减少算法控制器的计算任务，提高运算效率。
若继续维持4路合成时算法的收敛速度，需提高采集卡本身的采样速率。在本实施例中，将系统采样速率也放置软件程序中上位机的参数设置操作界面中，作为系统关键性输入参数，影响系统的迭代速度与收敛速度。上位机可配置参数包括：增益系数、扰动幅度、8路相位调制器的半波电压及采样频率。
经多次试验验证，当增益系数为2.5，扰动幅度为0.075时，系统的迭代速度与锁相效果同时达到最佳。
综上所述，本发明提供了一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法及装置，利用集成板卡通过A/D模块的转换采集多路激光合成后的光强，同时利用设备提供的可编程FPGA，实现改进后的SPGD控制算法，再经过D/A模块的转换，输出多路电压信号至相位调制器，对各路光束进行相位校正与锁定；模块化编程及实时系统，可于上位机实现状态监控与参数设置，下位机实现信号实时的采集处理与输出。简易化的硬件电路与软件编程，大大缩减了研发成本提高试验效率。其次在SPGD控制算法的基础上，根据光学系统中相位调制器的电光特性加入超限复位法，达到快速稳定地收敛，解决了多路光束的稳定锁相与高效合成的问题，实现高功率激光的稳定输出。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在算法控制器的上位机的参数设置界面中将系统的控制变量初始化；所述控制变量包括每次迭代产生的扰动电压幅度、增益系数/>；
S2、在所述算法控制器的下位机的控制算法处理中确定各路光束的扰动向量相互独立且服从伯努利分布；借助软件开发环境自带的伯努利分布模块产生对应的若干组伪随机数列；
S3、在所述算法控制器的下位机的控制算法处理中控制算法迭代过程的电压至预定范围内；所述算法迭代过程的电压的预定范围为-10V~+10V；
S4、再将经过步骤S3调控的电压更新至相位调制器中，使得各路光束间的相位差逐渐减小，直至合成后的光束功率趋于稳定，且为经过若干次实验后的合成效率的最大值。
2.根据权利要求1所述的基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法，其特征在于：在所述算法控制器内所执行的SPGD算法为：
选择合成后的光束的光强作为系统的评价函数；产生每路光束的所述相位调制器第n次所需的正向扰动电压为：
，
此时正向扰动时的合成光束的光强评价函数为：
；
随后产生每路光束的所述相位调制器第n次所需的负向扰动电压为：
，
此时负向扰动时的合成光束的光强评价函数为：
；
经过此时正向扰动和负向扰动后，合成光束的光强评价函数的增量为：
；
更新迭代后第次的控制电压为：
。
3.根据权利要求1所述的基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的方法，其特征在于：在步骤S3中，算法迭代过程的所述电压即传递至控制信号输出板卡的电压范围的控制方法为：当正向扰动电压或负向扰动电压达到或者超过信号采集处理模块的输出电压的范围时，则在当前电压值的基础上减去2个半波电压，进行超限复位，直至恢复至所述信号采集处理模块的输出电压的限定范围内。
4.一种基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，其特征在于，用于实现权利要求1~3中任一权利要求所述的方法，包括：光学处理模块、所述信号采集处理模块、用于将光信号转换成电信号的电子元器件。
5.根据权利要求4所述的基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，其特征在于：所述光学处理模块包括光源、用于调节光束相位的所述相位调制器、其他光学元器件。
6.根据权利要求4所述的基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，其特征在于：所述电子元器件包括示波器、光电探测器。
7.根据权利要求4所述的基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，其特征在于：所述信号采集处理模块包括信号采集与输出板卡、所述算法控制器。
8.根据权利要求4所述的基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，其特征在于：所述信号采集与输出板卡的采集电压与输出电压的范围均为-10V~+10V；所述信号采集处理模块的AI采样率达1MS/s。
9.根据权利要求7所述的基于改进SPGD算法的多路激光主动相干合成的装置，其特征在于：所述算法控制器包括所述上位机、所述下位机；所述上位机与所述下位机通过FIFO模块进行数据传输。
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