基于最优像质评价函数的自适应光学轨道角动量光束波前修复方案制造技术

本发明专利技术提供了一种基于最优像质评价函数的自适应光学系统对轨道角动量(orbital angular momentum-OAM)光束畸变波前进行校正的方案，与传统使用沙克哈特曼波前传感器进行波前修复的方法相比，我们所提方案不需要加入导频光束，建立了一套无波前传感器的波前补偿修复方案，利用梯度下降算法进行优化控制，不断更新目标函数的值，寻找最优变形镜镜面形貌对波前畸变进行修复。该波前补偿方案能够对具有相位奇点的轨道角动量光束畸变波前进行修复，无需加入导频光束，而且控制灵活，成本较低，反应速率高，结构清晰，并且易于集成实现。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种基于最优像质评价函数的自适应光学系统对轨道角动量(orbital angular momentum-OAM)光束畸变波前进行校正的方案，与传统使用沙克哈特曼波前传感器进行波前修复的方法相比，我们所提方案不需要加入导频光束，建立了一套无波前传感器的波前补偿修复方案，利用梯度下降算法进行优化控制，不断更新目标函数的值，寻找最优变形镜镜面形貌对波前畸变进行修复。该波前补偿方案能够对具有相位奇点的轨道角动量光束畸变波前进行修复，无需加入导频光束，而且控制灵活，成本较低，反应速率高，结构清晰，并且易于集成实现。【专利说明】基于最优像质评价函数的自适应光学轨道角动量光束波前 修复方案
本专利技术涉及通信技术，特别涉及基于最优像质评价函数的自适应光学对OAM光束 的波前修复方案。
技术介绍
OAM具有全新的自由度，集固有的安全性、频谱效率高、系统容量大、系统兼容性 好、模式转换效率高等优点于一身。OAM运用于自由空间光通信系统提高系统复用方式的灵 活性，可有效缓解大气湍流效应带来的信道衰落，有望大幅度提高系统频谱效率和信道容 量。 OAM光束在大气中传输时，受到热晕效应的影响，光能被路径上的大气分子吸收， 从而导致传输路径上的空气折射率发生改变，反过来影响传播激光的特性，引起光束发生 相位畸变，影响所发信号的纯度，信噪比降低，导致传输系统性能下降。自适应光学系统能 够对畸变光束进行有效补偿，从而提高光学系统的成像质量，提高系统性能。 与传统上基于沙克哈特曼波前传感器对OAM光束进行波前修复的方法相比，本文 所提方案的特点是： (1)系统结构简单。由于沙克哈特曼波前传感器无法直接探测具有相位奇点的 OAM光束，需额外添加导频光束协助探测，而该方案不需额外添加导频光束，使得修复方案 结构简单紧凑。因此可以进一步简化补偿系统结构，降低成本。 (2)无需波前重构。是以成像清晰度为性能指标作为算法优化的目标函数，降低了 系统和算法的复杂性。 (3)波前校正性能好。本方案在对自适应光学技术进行深入分析研究的基础上，对 波前修复算法进行讨论和研究，提高了自适应光学系统的波前校正性能。 (4)新型的波前校正器件。传统的波前传感技术达到高分辨率的探测水平具有相 当大的难度，即便能够实现高分辨率的波前探测，其波前重构的计算量也是相当大的。因 此，基于最优像质评价函数的自适应光学系统校正算法简单，对波前校正器件具有更好的 适应性。 图1为传统的基于沙克哈特曼波前传感器的自适应光学系统对OAM畸变光束进行 波前修复示意图。现结合图1，对传统的基于沙克哈特曼波前传感器的自适应光学系统结构 进行说明，具体如下： 传统的波前修复系统包括：修复装置一 10,波前传感器11，反馈控制器12和修复 装置二13。 OAM光束和导频光束（普通高斯光束）经过光束分离器后，该导频光束进入到修复 装置一 10进行修复，修复好的导频光束通过波前传感器11和反馈控制器12,反馈控制器通 过检测，当修复好的高斯光束达到最优时，进入到修复装置二13中，利用修复好的高斯光 束来修复OAM光束，最后得到修正的OAM光束。 上述传统的基于沙克哈特曼波前传感器的自适应光学系统初步实现了波前修复， 但是沙克哈特曼波前传感器无法直接探测具有相位奇点的OAM光束，需额外添加导频光束 协助探测，修复方案结构过于复杂，成本较高。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于最优像质评价函数的自适应光学系 统，该系统能建立一套无波前传感器的自适应光学系统方案，灵敏度高，能更快地收敛于最 优解，并且结构清晰，易于实现。 为了达到上述目的，本专利技术的技术方案具体是这样实现的： 一种基于最优像质评价函数的自适应光学系统，用于修复OAM光束波前畸变，其 特征在于，该系统包括：探测装置和修复装置组成： 所述探测装置使用像质传感器和像质分析器来实现；所述像质传感器主要包括用 来测量成像面上光强分布的光电转换器件以及配套的数据处理与传输设备；所述像质分析 器用于计算像质评价函数的数值，得到像质评价函数的瞬态值； 所述修复装置利用变形镜，扰动生成器，梯度估计器，凸透镜和控制器来实现；所 述变形镜是自适应光学系统最重要的器件；所述扰动生成器是对变形镜的所有控制单元同 时施加随机扰动电压；所述梯度估计器是通过施加的扰动电压进行梯度估计；所述凸透镜 将汇聚传输光束到像质传感器；所述控制器用于判断控制梯度下降算法的迭代次数，优化 控制电压并驱动变形镜产生形变补偿畸变波前像差。 上述装置中，所述探测装置包括： 像质传感器，主要包括用来测量成像面上光强分布的光电转换器件以及相应配套 的数据处理与传输设备。像质传感器是像清晰化自适应光学系统的关键部件，在一定程度 上决定了系统的性能和工作带宽。 像质分析器，像质传感器的测量结果输出到像质分析器用于计算像质评价函数的 数值。 上述装置中，所述修复装置包括： 变形镜，自适应光学系统最重要的器件，产生与输入畸变波前共轭的波面，经过校 正后的光束接近平面波，最终使成像系统的分辨率得到提高或者使激光传输系统的光束质 量得到改善，相位畸变消除； 凸透镜，汇聚传输光束到像质传感器； 扰动生成器，对所有的控制变量同时施加随机扰动，改变电压从而引起变形镜形 变； 梯度估计器，通过施加扰动的电压，J值的改变量进行梯度估计； 控制器，用于判断控制梯度下降算法的迭代次数，优化控制电压并驱动变形镜产 生形变补偿畸变波前像差。 -种基于最优像质评价函数的自适应光学系统，该方法包括： A.通过大气湍流后，具有相位奇点特性的OAM光束产生波前畸变，变形镜对其进 行修复后，像质传感器将测得的数值输出到像质分析器用于计算像质评价函数的数值； B.修复装置基于梯度算法得到最优像质评价函数，最终利用最优变形镜镜面形貌 有效地消除畸变OAM光束波前误差。 上述方案中步骤A所述探测装置的实现方案包括： A1、畸变的OAM光束经过用于波前校正的变形镜后，通过像质传感器测量成像面 上的光强分布I(x，y); A2、所得结果经像质分析器来计算像质评价函数J的数值，J = // Il(^y)-IciUy) |2dxdy，其中Itl(Xj)表示OAM光束的初始光强分布，得到像质评价函 数J的瞬态值，记为J1 ; A3、根据最优化控制理论，J是施加在变形镜所有校正单元上的控制电压信号Uj的 函数，J = J (U) = J (U1, . . .，Uj, . . .，Un)，其中N是变形镜的校正单元数。 上述方案中步骤B所述修复装置的实现方案包括： B1、扰动生成器对目标函数J1的所有控制变量^"同时施加扰动?(而各个扰 动电压的统计特性均满足Bernou I I i分布并且各个扰动电压是相互统计独立； B2、加扰动的电压分两路传送，一路传送到控制器：控制器将扰动电压加在 变形镜上，通过像质传感器和像质分析器进行新一轮J值的计算，记为J2 ; B3、另一路传送到梯度估计器：梯度估计器利用直接传送来的扰动电压 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最优像质评价函数的自适应光学系统，用于修复OAM光束波前畸变，其特征在于，该系统由探测装置和修复装置组成:所述探测装置使用像质传感器和像质分析器来实现；所述像质传感器主要包括用来测量成像面上光强分布的光电转换器件以及配套的数据处理与传输设备；所述像质分析器用于计算像质评价函数的数值，得到像质评价函数的瞬态值；所述修复装置利用变形镜，扰动生成器，梯度估计器，凸透镜和控制器来实现；所述变形镜是自适应光学系统最重要的器件，通过改变镜面面形可以消除大气湍流信道带来的相位畸变；所述扰动生成器是对变形镜的所有控制单元同时施加扰动电压；所述梯度估计器是根据扰动电压进行梯度估计；所述凸透镜将传输光束汇聚到像质传感器；所述控制器用于判断控制梯度下降算法的迭代次数，优化控制电压并驱动变形镜产生形变补偿畸变波前像差。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尹霄丽，徐灿，杨璇，韩晶晶，郝季，李莉，张琦，田清华，张丽佳，刘博，忻向军，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11