CN118011628A - 一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置，能够有效解决阵列激光大气传输时因湍流效应导致的合成光束质量退化问题。该装置结合阵列激光光束特点，借鉴传统激光大气传输自适应光学校正方法，建立了基于哈特曼波前传感器和分离表面变形镜的同一口径收发的大气像差补偿系统，涵盖照明激光传输、目标回光散射、目标回光传输、回光波前探测以及工作激光像差预补偿各个部分。本发明设计的系统结构精简，具有良好的实时性、稳定性和精确度，可广泛应用于激光传输、激光通信、激光雷达等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置，此装置能够解决阵列激光大气传输的湍流效应对校正系统的抑制问题，提高阵列激光光束经大气传输后的到靶光束质量。同时这种方法为高功率高光束质量激光相干合成提供一种新的、可靠的技术手段，可广泛应用于激光传输、激光通信、激光雷达等领域。
背景技术
当激光在大气环境中传输时，受多种线性和非线性效应的影响，光学波前会发生畸变，还会出现光强闪烁、光束抖动等问题，从而造成激光光束质量大大降低。考虑到单路激光束在功率增大到一定程度时会受到热效应和非线性效应的影响，往往采用光束合成技术来突破这一局限性，而相干合成或非相干合成的阵列激光在传输时同样会受到大气环境的影响。对于相干合成的阵列激光，大气传输中的湍流效应会引起合成光束振幅和相位的随机变化，破坏相位匹配条件，影响目标处合成光束质量，限制了激光相干合成的实际运用和发展。
对于阵列激光大气传输的湍流效应抑制问题，目前主要有两种可行的解决思路：第一种是采用基于目标在回路(TIL)技术的无波前传感优化控制方法。其心思想是利用合成激光束经大气传输至目标靶面后的散射回光信息，经优化算法对合成光束波前相位进行寻优控制。光电技术研究所于2011年在国内率先实现了基于TIL的三路光纤激光相干合成，利用随机并行梯度下降(SPGD)算法实现了对阵列光束间平移和倾斜像差的寻优操控(GengC,Li X,Zhang X,et al.Coherent beam combination of an optical array usingadaptive fiber optics collimators[J].Optics Communications,2011,284(24))。但随着合成激光路数的增多，TIL系统有效控制带宽和稳定性急剧下降；并且基于TIL需要独立的发射和接收系统，一定程度上增加了系统的复杂性和成本。
第二种方法是基于光纤自适应准直-耦合阵列的波前相位传感、控制和校正技术，由光电技术研究所于2015年首次提出。这一方法的思路是各路子光束经光纤自适应准直-耦合阵列准直输出后，由原来的发射孔径接收目标的散射回光；再通过优化算法不断调整，实现相位的校正。但此方法中采用了优化算法，导致波前探测速度较慢，探测的稳定性较差，较大程度上影响了波前探测的实时性和精确度。而且这一方法只能应用于光纤激光领域，适用范围受限。
基于上述背景，为了校正大气湍流效应带来的像差，并探寻一种结构简单、实时性好、探测精度高、适用范围广的大气像差补偿新架构，本发明提出了一种新的阵列激光大气像差补偿装置。该装置将传统激光大气传输自适应光学校正方法与阵列激光传输的特点进行了结合，结构简单、稳定，能够有效抑制大气湍流效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置，能够有效解决阵列激光大气传输时湍流效应导致的像差问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置，该装置包括相位调制器1、合束器2、耦合镜3、哈特曼波前传感器4、波前控制器5、分离表面变形镜6、发射/接收望远镜7；主激光首先经过相位调制器1，然后通过合束器2形成高填充因子的阵列光束，经过反射到达分离表面变形镜6，最终由发射/接收望远镜7发出，在大气环境中传输一定距离后到达目标处；照明激光通过一定方式耦合进主激光光路，到达目标后产生散射回光，在发射/接收望远镜7口径内的目标散射回光被望远镜所接收，再经过反射到达哈特曼波前传感器4；哈特曼波前传感器4由微透镜阵列和CCD图像传感器组成，能够测量出波前斜率，再经过波前复原计算后得到控制电压，波前控制器5根据哈特曼传感器4探测的信号产生控制电压，从而驱动相位调制器1和分离表面变形镜6产生平移和相位倾斜，拟合大气传输中引入的波前像差，对主激光进行实时预补偿。
进一步，所述照明激光与主激光选用不同波长的激光，照明激光路数、以及主激光与照明激光的排布关系可以根据实际情况灵活调整。
进一步，照明激光耦合进主激光光路包含如下两种方式：第一种方式为：主激光在经过相位调制器1后与照明激光一起通过合束器2压缩光束间隙，形成高填充因子的激光光束阵列，再经过耦合镜3反射；此时耦合镜3为分区镀膜耦合镜，对于主激光是高反射，而对于照明激光，除与发射照明激光对应位置是高反射外其余位置均为高透过；第二种方式为：合束后的主激光阵列经过反射镜8、分离表面变形镜6后，再经过耦合镜3反射，照明激光通过耦合镜3的孔径与发射的主激光形成阵列激光；此时耦合镜3为挖孔耦合镜，与发射照明激光的对应位置留有通光孔径，其余位置对主激光和照明激光均为高反射。
进一步，该装置对于相干合成阵列激光和非相干合成阵列激光均适用。
进一步，所述的哈特曼波前传感器4计算控制电压的过程如下：首先，用哈特曼波前传感器4探测到的子光斑图像计算得到子光斑斜率向量G，每个子光斑斜率就对应相应子光束需要补偿的倾斜量；其次，根据子光斑斜率采用区域法重构波前像差，假设全孔径波前像差为第i路子光束对应的子孔径波前像差为/>则第i路子光束需要校正的平移量为与/>的直流量之差，即/>将每一路激光光束需要校正的平移量和倾斜量组合并为一组向量C，即/>分离表面变形镜6每个子镜面单位电压产生的平移量和倾斜量用响应向量R表示，响应向量在器件制备完成后的性能测试时获得，接着，分离表面变形镜6驱动器电压向量V与向量C、响应向量R之间的关系式可以表示为C＝RV，该方程的最小二乘解用广义逆R+来表示，由此得到分离表面变形镜6驱动器的控制电压V＝R+C。
本发明的优点和创新点如下：
(1)本发明采用主动照明信标的思想，将工作激光和照明激光合束形成阵列激光，并提出两种耦合方式，可以实现工作激光、照明激光及目标回光在同一口径下的发射与接收，有利于简化系统结构，降低系统搭建的成本；
(2)本发明提供的阵列激光大气像差补偿方案结合了传统激光大气传输自适应光学校正方法与阵列激光传输的特点，基于哈特曼波前传感器和分离表面变形镜来进行目标回光的探测与主激光的实时预补偿，摆脱了寻优方法的部分随机性和盲目性，实现了大气像差的实时探测和校正，确保了系统的稳定性；
(3)本发明提供的方案避免了TIL技术在控制上的限制，易于实现合成路数的扩展以及高带宽的控制。
附图说明
图1(a)为采用本发明的基于分区镀膜耦合镜的7光束阵列激光大气传输像差补偿系统，图1(b)为采用本发明的基于挖孔耦合镜的7光束阵列激光大气传输像差补偿系统；
图2(a)为分区镀膜耦合镜示意图，图2(b)为挖孔耦合镜示意图；
图3(a)为7光束分离表面变形镜结构示意图，图3(b)为7光束分离表面变形镜的镜面俯视图；
图4(a)为哈特曼波前传感器的微透镜阵列与光束的位置关系，图4(b)为哈特曼波前传感器子光斑发生漂移示意图，图4(c)为由区域法重构得到的波前像差示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例并参照附图进一步详细说明：
如图1所示，该装置包括相位调制器1、合束器2、耦合镜3、哈特曼波前传感器4、波前控制器5、分离表面变形镜6、发射/接收望远镜7。
主激光首先经过相位调制器1，然后通过合束器2形成高填充因子的阵列光束，经过反射到达分离表面变形镜6，如图3所示，最终由发射/接收望远镜7发出，在大气环境中传输一定距离后到达目标处。照明激光通过一定方式耦合进主激光光路，到达目标后产生散射回光，在发射/接收望远镜7口径内的目标散射回光被望远镜所接收，再经过反射到达哈特曼波前传感器4。哈特曼波前传感器4由微透镜阵列和CCD图像传感器组成，能够测量出波前斜率，再经过波前复原计算后就能得到波前相位或控制电压。波前控制器5根据哈特曼传感器4探测的信号产生控制电压，从而驱动相位调制器1和分离表面变形镜6产生平移和相位倾斜，拟合大气传输中引入的波前像差，对主激光进行实时预补偿。
照明激光与主激光选用不同波长的激光，照明激光路数、以及主激光与照明激光的排布关系可以根据实际情况灵活调整。照明激光耦合进主激光光路包含两种方式：第一种方式如图1(a)所示：主激光在经过相位调制器1后与照明激光一起通过合束器2压缩光束间隙，形成高填充因子的激光光束阵列；此时耦合镜3为分区镀膜耦合镜，如图2(a)所示，对于主激光是高反射，而对于照明激光，除与发射照明激光对应位置是高反射外其余位置均为高透过。第二种方式如图1(b)所示：合束后的主激光阵列经过反射镜8、分离表面变形镜6反射后，再经过耦合镜3反射，照明激光通过耦合镜3的孔径与发射的主激光形成阵列激光；此时耦合镜3为挖孔耦合镜，如图2(b)所示，与发射照明激光的对应位置留有通光孔径，其余位置对主激光和照明激光均为高反射。
目标散射回光光场的计算：对于照明激光和目标回光的折叠反射光路，可以将其展开为包含上行传输链路和下行传输链路的透射光路。采用相位屏模拟法，假设目标是由高斯透镜和一个满足目标表面特性的薄相位屏组成。如果目标具有粗糙表面，则照明激光从发射到接收的过程中受到大气湍流和目标粗糙表面的影响，散射回光光场可以表示为目标表面随机高度对入射光场的调制，计算公式(1)如下所示：
其中，Ur(x,y)为回光光场，Ui(x,y)为入射光场，h(x,y)为目标随机高度，P(x,y)为孔径透过函数。
哈特曼波前传感器4波前探测与重构的过程：哈特曼波前传感器4的微透镜阵列与经过耦合镜3的目标回光光束的位置关系如图4(a)所示。探测前先用平行光对哈特曼波前传感器4进行标定，当实际光束存在波前畸变时，子孔径范围内的子光斑相对于参考的中心坐标发生漂移，如图4(b)所示。首先，用哈特曼波前传感器4探测到的子光斑图像计算得到子光斑斜率向量G，每个子光斑斜率就对应子光束需要补偿的倾斜量。其次，根据子光斑斜率采用区域法重构波前像差，假设全孔径波前像差为第i路子光束对应子孔径波前像差为/>如图4(c)所示。第i路子光束需要校正的平移量pistoni为/>与/>的直流量之差，即 将每一路激光光束需要校正的平移量和倾斜量组合并为一组向量C，即分离表面变形镜6中每个子镜面在单位电压作用下产生的平移量和倾斜量用响应向量R表示，响应向量可以在器件制备完成后的性能测试时获得。接着，分离表面变形镜6驱动器电压向量V与向量C、响应向量R之间的关系式可以表示为：C＝RV，该方程的最小二乘解可以用广义逆R+来表示，如公式(2)，由此得到分离表面变形镜6驱动器的控制电压。
V＝R+C (2)
采用PI(比例-积分)控制器来对分离表面变形镜6进行驱动控制，从而对主激光的大气像差进行补偿校正。
如图1(a)所示，采用第一种照明激光耦合进主激光光路的方式，搭建基于6路2瓦级的光纤激光器和1路照明激光的阵列激光大气像差补偿装置，该装置包括6个相位调制器1、1个合束器2、1个耦合镜3(此时为分区镀膜耦合镜)、1个哈特曼波前传感器4、1个波前控制器5、1个分离表面变形镜6、1个发射/接收望远镜7。工作激光波长选用1064nm，照明激光波长选用1030nm，将每一路激光光束的直径设置为90mm，相邻两路激光中心位置相距100mm，将6路主激光均匀排布在照明激光四周。对大气湍流的参数进行设置，大气相干长度为6cm，风速为2m/s，用湍流相位屏进行模拟，激光传输到达目标的距离为5km。
6路主激光先经过相位调制器1，再与1路照明激光经过合束器2形成高填充因子的阵列激光，依次经过耦合镜3、分离表面变形镜6的反射，由发射/接收望远镜7发出。阵列激光在大气中传输5km到达目标，形成的部分散射回光被望远镜7所接收，再经过分离表面变形镜6反射后到达耦合镜3。如图3(a)和图3(b)所示，分区镀膜耦合镜3对于主激光是高反射，而对于照明激光，除中心对应位置是高反射外其余位置均为高透过，因此只有部分照明回光(除中心位置以外的部分)可以通过耦合镜3进入哈特曼波前传感器4，其中微透镜阵列与目标回光光束的位置关系如图4(a)所示。在探测前需要事先用平行光对哈特曼波前传感器4进行标定，得到每个子孔径聚焦光斑中心的参考位置，而对于存在波前畸变的实际光束，子孔径范围内的子光斑相对于参考的中心坐标会发生漂移，如图4(b)所示，由此探测得到每个子光斑的斜率向量G，即对应每个子光束所需要校正的倾斜量。
根据所测斜率向量，采用区域法进行波前重构，可以得到全口径的波前像差为某一路子光束对应子孔径的波前像差为/>如图4(c)所示，则此路子光束所需要校正的平移量为/>再依次计算得到所有子光束需要校正的平移向量piston。将待校正的平移向量和斜率向量组合为一个新的向量C，即/>向量C与分离表面变形镜6的控制电压向量V、响应向量R之间存在关系式C＝RV，其中响应向量R表示分离表面变形镜6中每个子镜面在单位电压作用下产生的平移量和倾斜量。用R的广义逆矩阵R+来表示该方程的最小二乘解，即可以得到控制电压向量V＝R+C。
上面描述是用于实现本发明及其实施例，本发明的范围不应由该描述来限定，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求限定的范围。说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置，其特征在于：
该装置包括相位调制器(1)、合束器(2)、耦合镜(3)、哈特曼波前传感器(4)、波前控制器(5)、分离表面变形镜(6)、发射/接收望远镜(7)；主激光首先经过相位调制器(1)，然后通过合束器(2)形成高填充因子的阵列光束，经过反射到达分离表面变形镜(6)，最终由发射/接收望远镜(7)发出，在大气环境中传输一定距离后到达目标处；照明激光通过一定方式耦合进主激光光路，到达目标后产生散射回光，在发射/接收望远镜(7)口径内的目标散射回光被望远镜所接收，再经过反射到达哈特曼波前传感器(4)；哈特曼波前传感器(4)由微透镜阵列和CCD图像传感器组成，能够测量出波前斜率，再经过波前复原计算后得到控制电压，波前控制器(5)根据哈特曼传感器(4)探测的信号产生控制电压，从而驱动相位调制器(1)和分离表面变形镜(6)产生平移和相位倾斜，拟合大气传输中引入的波前像差，对主激光进行实时预补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置，其特征在于：所述照明激光与主激光选用不同波长的激光，照明激光路数、以及主激光与照明激光的排布关系可以根据实际情况灵活调整。
3.根据权利要求2所述的一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置，其特征在于：照明激光耦合进主激光光路包含如下两种方式：
第一种方式为：主激光在经过相位调制器(1)后与照明激光一起通过合束器(2)压缩光束间隙，形成高填充因子的激光光束阵列，再经过耦合镜(3)反射；此时耦合镜(3)为分区镀膜耦合镜，对于主激光是高反射，而对于照明激光，除与发射照明激光对应位置是高反射外其余位置均为高透过；第二种方式为：合束后的主激光阵列经过反射镜(8)、分离表面变形镜(6)后，再经过耦合镜(3)反射，照明激光通过耦合镜(3)的孔径与发射的主激光形成阵列激光；此时耦合镜(3)为挖孔耦合镜，与发射照明激光的对应位置留有通光孔径，其余位置对主激光和照明激光均为高反射。
4.根据权利要求1所述的一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置，其特征在于：该装置对于相干合成阵列激光和非相干合成阵列激光均适用。
5.根据权利要求1所述的一种基于同口径收发及主动照明的阵列激光大气像差补偿装置，其特征在于，所述的哈特曼波前传感器(4)计算控制电压的过程如下：
首先，用哈特曼波前传感器(4)探测到的子光斑图像计算得到子光斑斜率向量G，每个子光斑斜率就对应相应子光束需要补偿的倾斜量；其次，根据子光斑斜率采用区域法重构波前像差，假设全孔径波前像差为第i路子光束对应的子孔径波前像差为/>则第i路子光束需要校正的平移量为/>与/>的直流量之差，即/>将每一路激光光束需要校正的平移量和倾斜量组合并为一组向量C，即/>分离表面变形镜(6)每个子镜面单位电压产生的平移量和倾斜量用响应向量R表示，响应向量在器件制备完成后的性能测试时获得，接着，分离表面变形镜(6)驱动器电压向量V与向量C、响应向量R之间的关系式可以表示为C＝RV，该方程的最小二乘解用广义逆R+来表示，由此得到分离表面变形镜(6)驱动器的控制电压V＝R+C。
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