CN117977361A - 光纤激光倾斜控制方法、装置及合束方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤激光倾斜控制方法、装置及合束方法,包括生成合束激光,由倾斜控制器阵列改变合束激光中各子光束的偏转角度,采集一小部分功率输出的合束激光至光电探测器,光电探测器探测到的远场光斑信息作为倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;另还采集一小部分功率输出的合成激光入射至高速相机,利用高速相机成像获取合束激光在高速相机成像面上的实际坐标值;利用结合比例‑积分‑微分控制优化所述倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号,由此利用训练好的神经网络模型生成新的输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号并加载到各路子光束对应的倾斜控制器上,实现对各子光束的倾斜角度的闭环控制。
Description
技术领域
本发明主要涉及到光纤激光阵列中的多路激光合束控制技术领域,尤其是一种光纤激光倾斜控制方法、装置及合束方法。
背景技术
光纤激光具有光束质量好、易维护、可扩展、结构灵活的优点。但是,受非线性效应等影响,单路光纤激光能量提升受限。光纤激光阵列通过多路激光合束,可以提高输出光束质量,能够满足实际应用需求。为了使各路激光在目标处进行有效重叠,获得高质量的合成光束,需要实时控制各单元光束的倾斜角度。
针对这一问题,目前普遍通过手动调节控制光束指向的机械结构来实现各单元光束在目标处有效重合,这一方案存在瞄准精度低,响应速度慢,空间光路多,系统复杂,稳定性较差的弊端。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题,本发明提出一种光纤激光倾斜控制方法、装置及合束方法。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一方面,本发明提供一种光纤激光倾斜控制方法,包括:
生成合束激光,所述合束激光包括n路子光束;
所述合束激光传输至倾斜控制器阵列,由倾斜控制器阵列改变合束激光中各子光束的偏转角度,其中倾斜控制器阵列包括n路倾斜控制器,n路倾斜控制器分别对应合束激光中的一路子光束,通过控制输入倾斜控制器的电压信号控制倾斜控制器偏转角度,进而控制对应子光束的偏转角度;
倾斜控制器阵列输出的大部分功率的合成激光射向自由空间;采集一小部分功率输出的合束激光至光电探测器,光电探测器探测到的远场光斑信息作为倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;另还采集一小部分功率输出的合成激光入射至高速相机,利用高速相机成像获取合束激光在高速相机成像面上的实际坐标值;
计算输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角度;
由输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角以及合束激光发射面距离高速相机成像面的距离信息计算出合束激光在高速相机成像面上的理论坐标值;
获取实际坐标值与理论坐标值之间的差值,基于实际坐标值与理论坐标值之间的差值利用结合比例-积分-微分控制优化所述倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;
基于优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号生成新的输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号并加载到各路子光束对应的倾斜控制器上,实现对各子光束的倾斜角度的闭环控制。
另一方面,本发明提供一种光纤激光倾斜控制系统,包括:
合束激光产生单元,用于生成合束激光,所述合束激光包括n路子光束;
倾斜控制器阵列,合束激光产生单元输出的合束激光传输至倾斜控制器阵列,由倾斜控制器阵列改变合束激光中各子光束的偏转角度,其中倾斜控制器阵列包括n路倾斜控制器,n路倾斜控制器分别对应合束激光中的一路子光束,通过控制输入倾斜控制器的电压信号控制倾斜控制器偏转角度,进而控制对应子光束的偏转角度;
激光输出及采样单元,用于将倾斜控制器阵列输出的大部分功率的合成激光射向自由空间;采集一小部分功率输出的合束激光至光电探测器,光电探测器探测到的远场光斑信息作为倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;另还采集一小部分功率输出的合成激光入射至高速相机,利用高速相机成像获取合束激光在高速相机成像面上的实际坐标值;
计算单元,用于计算输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角度;由输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角以及合束激光发射面距离高速相机成像面的距离信息计算出合束激光在高速相机成像面上的理论坐标值;
偏转角度反馈信号优化单元,用于获取实际坐标值与理论坐标值之间的差值,基于实际坐标值与理论坐标值之间的差值利用结合比例-积分-微分控制优化所述倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;
倾斜控制单元,用于基于优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号生成新的输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号并加载到各路子光束对应的倾斜控制器上,实现对各子光束的倾斜角度的闭环控制。
另一方面,本发明提供一种光纤激光合束控制方法,基于上述的光纤激光倾斜控制系统实现光纤激光合束对准。
相比现有技术,本发明的技术效果:
光纤激光相干合成系统在多路激光合束上主要依靠人工手动调节使得远场光斑重合,或者是利用控制算法(主要是SPGD算法),以远场光斑的某个参数为优化目标,控制多路激光的指向,实现激光合束。然而,目前的算法存在控制带宽小和稳定性差的缺点。在环境振动等影响下,随着相位噪声强度和频率的提高,算法的有效控制带宽减小,只能控制较少路数的激光合束,难以拓宽光纤激光相干合成系统的规模。本发明提出一种光纤激光倾斜控制系统,利用实际坐标值与理论坐标值之间的差值作为评价函数,用于倾斜角度控制。一方面,该算法利用实际坐标值与理论坐标值之间的差值作为评价函数,可以通过简单计算从远场成像中得到,不涉及复杂光学现象,易于扩展;另一方面,该算法通过神经网络模型拟合,结合PID控制优化反馈信号,进一步提高了倾斜控制的精度和反应速度,为激光倾斜控制更好的应用于大型光纤激光相干合成系统做支撑。
本发明实现了动态偏差的自动对准,降低了对光路手动调整的要求,提升了光纤相干合成系统对光路机械装置对准偏差的容忍度;
另一方面,本发明可以实现多路光束合成,光束合成的精度依赖于倾斜指向控制的精度,它利用同时合成光斑灰度探测和光轴指向高精度控制的方式,抑制光束漂移、抖动等误差,可以对一定程度的外部影响实现稳定闭环,提升指向控制稳定性,实现多路光束合成。
本发明结构简单,易于实现,性能可靠,不仅可用于静止平台上,也可用于车、船、飞机等运动平台上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是一实施例的结构示意图;
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例,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作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。
一实施例中,提供一种光纤激光倾斜控制方法,包括:
生成合束激光,所述合束激光包括n路子光束;
所述合束激光传输至倾斜控制器阵列,由倾斜控制器阵列改变合束激光中各子光束的偏转角度,其中倾斜控制器阵列包括n路倾斜控制器,n路倾斜控制器分别对应合束激光中的一路子光束,通过控制输入倾斜控制器的电压信号控制倾斜控制器偏转角度,进而控制对应子光束的偏转角度;
倾斜控制器阵列输出的大部分功率的合成激光射向自由空间;采集一小部分功率输出的合束激光至光电探测器,光电探测器探测到的远场光斑信息作为倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;另还采集一小部分功率输出的合成激光入射至高速相机,利用高速相机成像获取合束激光在高速相机成像面上的实际坐标值;
计算输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角度;
由输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角以及合束激光发射面距离高速相机成像面的距离信息计算出合束激光在高速相机成像面上的理论坐标值;
获取实际坐标值与理论坐标值之间的差值,基于实际坐标值与理论坐标值之间的差值利用结合比例-积分-微分控制优化所述倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;
基于优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号生成新的输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号并加载到各路子光束对应的倾斜控制器上,实现对各子光束的倾斜角度的闭环控制。
一实施例提出一种基于优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号生成新的输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号的方法。具体地所述优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号输入训练好的神经网络模型,得到输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号。其中,所述神经网络模型的训练方法,包括:
将输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号以及所述电压信号对应的子光束的偏转角度作为训练样本;
利用训练样本训练神经网络模型,学习输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号与子光束偏转角度之间的映射关系,并更新神经网络模型参数,直至收敛,保存模型收敛时的模型参数,得到训练好的神经网络模型。进一步地,所述倾斜控制器阵列为压电倾斜镜阵列,包括n路压电倾斜镜。
在原有系统机械控制的基础上,使用压电倾斜镜作为倾斜调节的方式,并结合深度学习,利用反向传播神经网络技术非线性映射能力强的优点,实现光纤激光阵列出射光束的高精度快速光纤激光倾斜控制,提高相干合成的光束质量和合成效率。
另一方面,本发明提供一种光纤激光倾斜控制系统,包括:
合束激光产生单元,用于生成合束激光,所述合束激光包括n路子光束;
倾斜控制器阵列,合束激光产生单元输出的合束激光传输至倾斜控制器阵列,由倾斜控制器阵列改变合束激光中各子光束的偏转角度,其中倾斜控制器阵列包括n路倾斜控制器,n路倾斜控制器分别对应合束激光中的一路子光束,通过控制输入倾斜控制器的电压信号控制倾斜控制器偏转角度,进而控制对应子光束的偏转角度;
激光输出及采样单元,用于将倾斜控制器阵列输出的大部分功率的合成激光射向自由空间;采集一小部分功率输出的合束激光至光电探测器,光电探测器探测到的远场光斑信息作为倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;另还采集一小部分功率输出的合成激光入射至高速相机,利用高速相机成像获取合束激光在高速相机成像面上的实际坐标值;
计算单元,用于计算输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角度;由输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角以及合束激光发射面距离高速相机成像面的距离信息计算出合束激光在高速相机成像面上的理论坐标值;
偏转角度反馈信号优化单元,用于获取实际坐标值与理论坐标值之间的差值,基于实际坐标值与理论坐标值之间的差值利用结合比例-积分-微分控制优化所述倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;
倾斜控制单元,用于基于优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号生成新的输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号并加载到各路子光束对应的倾斜控制器上,实现对各子光束的倾斜角度的闭环控制。
参照图1,所述合束激光产生单元包括种子激光器1、分束器2、放大器3、相位调制器4、光纤准直阵列5,种子激光器1连接分束器2,由分束器2将种子激光器1输出的种子激光分束为n路子光束,n路子光束分别对应一路子光束传输路径,各路子光束传输路径上至少设置有放大器3、相位调制器4以及光纤准直器,n路子光束传输路径中的光纤准直器按照设定的阵列排布形成光纤准直阵列5,由光纤准直阵列5输出合束激光。光纤准直阵列5输出合束激光经一个大口径反射镜6传输至所述倾斜控制器阵列13。所述倾斜控制器阵列13为压电倾斜镜阵列,包括n路压电倾斜镜,合束激光中的一路子光束对应一路压电倾斜镜。倾斜控制单元14通过控制输入各压电倾斜镜的电压信号控制各压电倾斜镜的偏转角度,进而控制对应子光束的偏转角度。倾斜控制器阵列13输出的合束激光入射至第一分光镜11,大部分功率的合束激光经第一分光镜11反射输出至自由空间,作为整个系统的输出激光。小部分功率的合束激光经第一分光镜11透射至凸透镜10,经凸透镜10后入射至第二分光镜9,经第二分光镜9反射的合束激光传输至光电探测器7,光电探测器7探测到的远场光斑信息作为倾斜控制器阵列13的偏转角度反馈信号;经第二分光镜9透射的合束激光传输至高速相机7,利用高速相机7成像获取合束激光在高速相机成像面上的实际坐标值。
控制计算机12包括计算单元和偏转角度反馈信号优化单元,所述计算单元用于计算输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角度;由输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角以及合束激光发射面距离高速相机成像面的距离信息计算出合束激光在高速相机成像面上的理论坐标值;所述偏转角度反馈信号优化单元,用于获取实际坐标值与理论坐标值之间的差值,基于实际坐标值与理论坐标值之间的差值利用结合比例-积分-微分控制优化所述倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号。倾斜控制单元14用于基于优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号生成新的输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号并加载到各路子光束对应的倾斜控制器上,实时校正每一路子光束的光轴偏差,实现对各子光束的倾斜角度的闭环控制,实现多路光束的稳定控制和合束控制。
本发明所述n大于等于2。所述种子激光器1的类型不限,可以采用光纤激光器、固体激光器等一切可以转换成空间光束的激光器。
所述的相位控制器4上预先加载有相同的现有的相位控制算法。所述相位控制器包括但不限于目前本领域广泛应用的液晶电光调制器件,相位控制算法包括但不限于目前本领域广泛应用的随机并行梯度下降算法。
所述倾斜控制器阵列13为压电倾斜镜阵列,包括n路压电倾斜镜。所述压电倾斜镜可以是透射式结构,也可以是反射式结构。
控制计算机12可以是STM32系列芯片(STM32 F407 ZGT6),也可以采用单片机或DSP或计算机实现,提高数据的处理和传输速率。
另一方面,本发明提供一种光纤激光合束控制方法,基于上述实施例如图1所示实施例提供的光纤激光倾斜控制系统实现光纤激光合束对准。
实现光纤激光合束对准的方法,包括:
在光纤激光倾斜控制系统中的光电探测器初始标定阶段,定义合束激光中的其中一束子光束为第0路子光束,第0路子光束进入光电探测器形成远场光斑,将其质心坐标记为(x0,y0);
在光纤激光倾斜控制系统正式工作阶段,基于光电探测器探测到的远场光斑图像,计算远场光斑图像的等效半径R0;
等效半径R0,计算公式为:
其中N和M为图像的列和行像素总数,xi和yi为图像第i列第j行对应坐标值,I(xi,yj)为第i列第yj行像元对应灰度值。
以计算到的计算远场光斑图像的等效半径作为性能指标,利用随机平行梯度下降算法计算得到输入到倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的控制电压,通过多路倾斜驱动器驱动各路倾斜控制器组校正其他激光束与初始激光束对准误差;
在光路自动对准过程中,实时监测光电探测器接收到的远场光斑的光能量,当合成激光对应灰度值达到极大值时,表明已实现光纤激光合束对准。
进一步地,所述自动合束对准的方式不但包括系统启动时所有子路光束在给定目标点的情况下,由倾斜控制器驱动向目标方向聚焦合束,实现初始自动合束对准;也包括在高精度指向控制模式阶段,由于初始对准精度不高或外部机械误差等因素导致合成光束灰度值和小于给定阈值(经验值)时,控制方式由高精度倾斜角度控制模式切换为光路自动合束对准模式,当合成光束的灰度值和大于给定阈值时,再切换回高精度指向控制模式,重复迭代,完成自动高精度对准合成。
本发明未尽事宜为公知技术。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已,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 (10)
1.光纤激光倾斜控制方法,其特征在于,包括:
生成合束激光,所述合束激光包括n路子光束;
所述合束激光传输至倾斜控制器阵列,由倾斜控制器阵列改变合束激光中各子光束的偏转角度,其中倾斜控制器阵列包括n路倾斜控制器,n路倾斜控制器分别对应合束激光中的一路子光束,通过控制输入倾斜控制器的电压信号控制倾斜控制器偏转角度,进而控制对应子光束的偏转角度;
倾斜控制器阵列输出的大部分功率的合成激光射向自由空间;采集一小部分功率输出的合束激光至光电探测器,光电探测器探测到的远场光斑信息作为倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;另还采集一小部分功率输出的合成激光入射至高速相机,利用高速相机成像获取合束激光在高速相机成像面上的实际坐标值;
计算输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角度;
由输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角以及合束激光发射面距离高速相机成像面的距离信息计算出合束激光在高速相机成像面上的理论坐标值;
获取实际坐标值与理论坐标值之间的差值,基于实际坐标值与理论坐标值之间的差值利用结合比例-积分-微分控制优化所述倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;
基于优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号生成新的输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号并加载到各路子光束对应的倾斜控制器上,实现对各子光束的倾斜角度的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的光纤激光倾斜控制方法,其特征在于,所述优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号输入训练好的神经网络模型,得到输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号。
3.根据权利要求2所述的光纤激光倾斜控制方法,其特征在于,所述神经网络模型的训练方法,包括:
将输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号以及所述电压信号对应的子光束的偏转角度作为训练样本;
利用训练样本训练神经网络模型,学习输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号与子光束偏转角度之间的映射关系,并更新神经网络模型参数,直至收敛,保存模型收敛时的模型参数,得到训练好的神经网络模型。
4.根据权利要求2所述的光纤激光倾斜控制方法,其特征在于,所述倾斜控制器阵列为压电倾斜镜阵列,包括n路压电倾斜镜。
5.光纤激光倾斜控制系统,其特征在于,包括:
合束激光产生单元,用于生成合束激光,所述合束激光包括n路子光束;
倾斜控制器阵列,合束激光产生单元输出的合束激光传输至倾斜控制器阵列,由倾斜控制器阵列改变合束激光中各子光束的偏转角度,其中倾斜控制器阵列包括n路倾斜控制器,n路倾斜控制器分别对应合束激光中的一路子光束,通过控制输入倾斜控制器的电压信号控制倾斜控制器偏转角度,进而控制对应子光束的偏转角度;
激光输出及采样单元,用于将倾斜控制器阵列输出的大部分功率的合成激光射向自由空间;采集一小部分功率输出的合束激光至光电探测器,光电探测器探测到的远场光斑信息作为倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;另还采集一小部分功率输出的合成激光入射至高速相机,利用高速相机成像获取合束激光在高速相机成像面上的实际坐标值;
计算单元,用于计算输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角度;由输入倾斜控制器的电压信号所对应的理论倾斜控制器偏转角以及合束激光发射面距离高速相机成像面的距离信息计算出合束激光在高速相机成像面上的理论坐标值;
偏转角度反馈信号优化单元,用于获取实际坐标值与理论坐标值之间的差值,基于实际坐标值与理论坐标值之间的差值利用结合比例-积分-微分控制优化所述倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号;
倾斜控制单元,用于基于优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号生成新的输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号并加载到各路子光束对应的倾斜控制器上,实现对各子光束的倾斜角度的闭环控制。
6.根据权利要求4所述的光纤激光倾斜控制系统,其特征在于,所述合束激光产生单元包括种子激光器、分束器、放大器、相位调制器、光纤准直阵列,种子激光器连接分束器,由分束器将种子激光器输出的种子激光分束为n路子光束,n路子光束分别对应一路子光束传输路径,各路子光束传输路径上至少设置有放大器、相位调制器以及光纤准直器,n路子光束传输路径中的光纤准直器按照设定的阵列排布形成光纤准直阵列,由光纤准直阵列输出合束激光。
7.根据权利要求4所述的光纤激光倾斜控制系统,其特征在于,所述倾斜控制器阵列为压电倾斜镜阵列,包括n路压电倾斜镜,合束激光中的一路子光束对应一路压电倾斜镜。
8.根据权利要求4所述的光纤激光倾斜控制系统,其特征在于,所述优化后的倾斜控制器阵列的偏转角度反馈信号输入训练好的神经网络模型,得到输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号,所述神经网络模型的训练方法,包括:
将输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号以及所述电压信号对应的子光束的偏转角度作为训练样本;
利用训练样本训练神经网络模型,学习输入倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的电压信号与子光束偏转角度之间的映射关系,并更新神经网络模型参数,直至收敛,保存模型收敛时的模型参数,得到训练好的神经网络模型。
9.光纤激光合束控制方法,其特征在于,基于如权利要求4所述的光纤激光倾斜控制系统实现光纤激光合束对准。
10.基于权利要求9所述的光纤激光合束控制方法,其特征在于,实现光纤激光合束对准的方法,包括:
在光纤激光倾斜控制系统中的光电探测器初始标定阶段,定义合束激光中的其中一束子光束为第0路子光束,第0路子光束进入光电探测器形成远场光斑,将其质心坐标记为(x0,y0);
在光纤激光倾斜控制系统正式工作阶段,基于光电探测器探测到的远场光斑图像,计算远场光斑图像的等效半径;
以计算到的计算远场光斑图像的等效半径作为性能指标,利用随机平行梯度下降算法计算得到输入到倾斜控制器阵列中各倾斜控制器的控制电压,通过多路倾斜驱动器驱动各路倾斜控制器组校正其他激光束与初始激光束对准误差;
在光路自动对准过程中,实时监测光电探测器接收到的远场光斑的光能量,当合成激光对应灰度值达到极大值时,表明已实现光纤激光合束对准。
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2024
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