專(zhuān)利名稱：基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著激光在工業(yè)、國(guó)防領(lǐng)域中的應(yīng)用，大氣對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懯?到廣泛重視。大氣對(duì)激光的主要影響是大氣吸收、大氣散射和大氣 湍流效應(yīng)，其中大氣湍流效應(yīng)對(duì)激光傳輸通信質(zhì)量的影響最大。大氣 湍流效應(yīng)的主要影響為光強(qiáng)閃爍、相位起伏、到達(dá)角起伏、光束的擴(kuò) 展與漂移等，使大氣激光通信系統(tǒng)的誤碼率提高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使通信發(fā) 生中斷。
傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)的核心內(nèi)容是對(duì)光束畸變波前進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，以 提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)采用波前探測(cè)器 探測(cè)畸變波前，在計(jì)算機(jī)中根據(jù)探測(cè)的圖像信息重構(gòu)入射波前，再使 用波前校正器對(duì)畸變波前進(jìn)行校正，在監(jiān)視器系統(tǒng)可得到理想成像。 傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在天文成像、人眼像差檢測(cè)、光束質(zhì)量分析和光 學(xué)元件檢測(cè)等領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)如圖1所示，是由，望遠(yuǎn)系統(tǒng)1、分光
棱鏡2、縮束器3、波前探測(cè)器4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5、波前校正器6、波 前控制器7、監(jiān)測(cè)相機(jī)8組成。望遠(yuǎn)系統(tǒng)l、分光棱鏡2和波前校正器 6同軸依次排列?？s束器3和波前探測(cè)器4放在分光棱鏡2的反射方向上并與分光棱鏡4同軸依次排列。監(jiān)測(cè)相機(jī)8放在與縮束器3相對(duì) 應(yīng)的分光棱鏡2另一側(cè)，用于接收信號(hào)。
光束經(jīng)過(guò)大氣由望遠(yuǎn)系統(tǒng)1接收，經(jīng)過(guò)分光棱鏡2分成兩束準(zhǔn)直 光束， 一束光經(jīng)過(guò)縮束器3縮束后，由波前探測(cè)器4接收，計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)5計(jì)算得出波前控制器7的閉環(huán)控制信號(hào)；另一束光射入波前校正 器6，波前控制器7控制波前校正器6，實(shí)時(shí)調(diào)整射入波前校正器6的 光束的相位；調(diào)整后的光束由波前校正器6反射，再次經(jīng)過(guò)分光棱鏡 3反射，由監(jiān)測(cè)相機(jī)8得到理想的成像，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)光學(xué)校正。(參考 文獻(xiàn):l、周仁中.自適應(yīng)光學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社1996.2、姜文漢. 自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)[J].自然雜志.2005 (7). 28巻1期.3、姜文漢，吳旭斌, 凌寧等.37單元自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng).光電工程,1995, 22(1): 38 45. 4、葉嘉 雄，余永林.自適應(yīng)光學(xué)[M].武漢華中理工大學(xué)出版社，1992.5、 YE Jia-xiong ， YU Yong-lin. Adaptive optics [M]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology(HUST) Press, 1992.)
隨著激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，如自由空間光通信，激光測(cè)距等， 相位起伏現(xiàn)象導(dǎo)致光束波前產(chǎn)生不連續(xù)性，給波前探測(cè)帶來(lái)很大的誤 差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于相位共軛的補(bǔ)償，補(bǔ)償效果受到很大限制，造成波 前測(cè)量困難，致使依賴波前測(cè)量的傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)不能正常工作， 因此傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)控制技術(shù)在這些情況下的應(yīng)用就顯得無(wú)能為力。
而無(wú)需波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。(參考文獻(xiàn) 1、楊慧珍，蔡冬梅，陳波，李新陽(yáng)，姜文漢.無(wú)波前傳感自適應(yīng)光學(xué)
技術(shù)及其在大氣光通信中的應(yīng)用.[J]中國(guó)激光.2008(5).第35巻第5期；2、李敏，李新陽(yáng)，姜文漢.線性相位反演傳感器與哈特曼傳感器的實(shí)
驗(yàn)研究對(duì)比[J].光學(xué)學(xué)報(bào).2008(4).第28巻第4期；3、楊慧珍，李新陽(yáng)， 姜文漢.自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)并行梯度下降控制算法仿真與分析[J].光 學(xué)學(xué)報(bào).2007(8).第27巻第8期；4、李大禹，胡立發(fā)，穆全全，宣麗.GPU 計(jì)算液晶自適應(yīng)光學(xué)波前重構(gòu)的并行性研究[J].液晶與示.2007(10).第 22巻第5期)。
本發(fā)明為了克服上述不足和缺點(diǎn)，依據(jù)現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和動(dòng)態(tài)光學(xué) 技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了基于空間 光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)。采用普通CCD相機(jī)成像，根據(jù) 無(wú)模型迭代理論分析光束的斯特列爾比值，得出波前校正器所需優(yōu)化 參量的控制信號(hào)；以成像清晰度、接收光能量等系統(tǒng)性能指標(biāo)直接作 為優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化得到接近理想的校正效果；優(yōu)化參量由 帶有圖形處理器的計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算，并把得到多通道的控制信號(hào) 傳遞給波前控制器，再由波前控制器對(duì)空間光調(diào)制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn) 實(shí)時(shí)的畸變波前相位的校正。本發(fā)明有效解決了在更廣泛的條件下大 氣激光通信中波前畸變的問(wèn)題。
與傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)相比，基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波 前畸變校正系統(tǒng)復(fù)雜性大大降低；由于無(wú)需進(jìn)行波前探測(cè)，基于空間 光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)比較適用于閃爍效應(yīng)較為嚴(yán)重的 大氣激光通信，激光測(cè)距等應(yīng)用領(lǐng)域。
基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)采用隨機(jī)并行梯度 下降算法，并行控制波前校正器的各個(gè)控制通道，使得收斂速度大大提高；空間光調(diào)制器采用液晶空間光調(diào)制器用作波前校正器件，具有 低成本、可靠性好、體積小、低能耗、易與控制等優(yōu)點(diǎn)，相比變形鏡 有更大的應(yīng)用空間；圖形處理器采集卡多通道數(shù)據(jù)輸出能力實(shí)現(xiàn)了快 速并行圖像數(shù)據(jù)的采集和處理，有效提高校正系統(tǒng)的控制帶寬和精度， 從而對(duì)大氣湍流的影響進(jìn)行充分有效的抑制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)，采用普通 CCD相機(jī)成像，根據(jù)無(wú)模型迭代理論分析光束的斯特列爾比值，得出 波前校正器所需優(yōu)化參量的控制信號(hào)，以成像清晰度、接收光能量等 系統(tǒng)性能指標(biāo)直接作為優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化得到接近衍射極限 的校正效果，優(yōu)化參量由帶有圖形處理器的計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算，并 把得到多通道的控制信號(hào)傳遞給波前控制器，再由波前控制器對(duì)空間 光調(diào)制器迸行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的畸變波前相位的校正，從而有效的解 決了大氣激光通信中波前畸變的問(wèn)題。
本發(fā)明基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)，采用普通 CCD相機(jī)成像，根據(jù)無(wú)模型迭代理論分析光束的斯特列爾比值，得出 波前校正器所需優(yōu)化參量的控制信號(hào)，以成像清晰度、接收光能量等 系統(tǒng)性能指標(biāo)直接作為優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化得到接近理想的校 正效果，優(yōu)化參量由帶有圖形處理器的計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算，并把得 到多通道的控制信號(hào)傳遞給波前控制器，再由波前控制器對(duì)空間光調(diào) 制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的畸變波前相位的校正，從而有效的解決了 大氣激光通信中波前畸變的問(wèn)題。本發(fā)明是一種基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)，其
特征在于，該系統(tǒng)是由起偏片l、望遠(yuǎn)系統(tǒng)2、分光棱鏡3、空間光調(diào) 制器7、波前控制器8、監(jiān)測(cè)相機(jī)9、成像系統(tǒng)10組成；其中成像系 統(tǒng)10是由縮束器4、 CCD相機(jī)5和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6組成。
起偏片1、望遠(yuǎn)系統(tǒng)2、分光棱鏡3和空間光調(diào)制器7同軸依次排 列；縮束器4和CCD相機(jī)5放在分光棱鏡3的反射方向上并與分光棱 鏡3同軸依次排列；CCD相機(jī)5與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6相連；波前控制器8 一端與空間光調(diào)制器7相連，另一端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6連接；監(jiān)測(cè)相機(jī) 9放在與縮束器4相對(duì)應(yīng)的分光棱鏡3的另一側(cè)，用于接收信號(hào)。
1、 光束經(jīng)過(guò)大氣，先經(jīng)過(guò)起偏片1進(jìn)行線偏振調(diào)制，由望遠(yuǎn)系統(tǒng) 2接收，經(jīng)過(guò)分光棱鏡3分成兩束光， 一束光入射成像系統(tǒng)10中的縮 束器4，另一束光入射空間光調(diào)制器7;
2、 入射縮束器4的光束經(jīng)過(guò)縮束，由CCD相機(jī)5接收；計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)6裝配具有圖形處理功能的圖像采集卡，可以進(jìn)行多通道并行采 集、處理數(shù)據(jù)信息，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6的圖像采集卡從CCD相機(jī)5實(shí)時(shí)獲 取光斑圖像；采用隨機(jī)并行梯度下降算法，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6計(jì)算出控 制信號(hào)傳遞給波前控制器8;
3、 波前控制器8以驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)空間光調(diào)制器7對(duì)入射空間光調(diào) 制器7的光束進(jìn)行校正；
4、 所述的隨機(jī)并行梯度下降算法，以光束的斯特列爾比值J為性 能指標(biāo)，分析此性能指標(biāo)的參數(shù)變化量AJ，根據(jù)性能指標(biāo)的變化量A J與驅(qū)動(dòng)電壓的變化量A u進(jìn)行梯度估計(jì)，把性能指標(biāo)的參數(shù)A J直接作為優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)，以迭代方式在梯度下降方向上進(jìn)行優(yōu)化得
到驅(qū)動(dòng)電壓。第k次迭代時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓為u,UuW+YuW盧。其中，u(k) 為第k次迭代時(shí)施加的驅(qū)動(dòng)電壓向量，y為增益系數(shù)。
波前控制器8以驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)空間光調(diào)制器7進(jìn)行校正；再次計(jì) 算校正相位后殘余波前的系統(tǒng)性能指標(biāo)；如此迭代進(jìn)行，直至滿足系 統(tǒng)對(duì)指標(biāo)的要求為止；
5、空間光調(diào)制器7校正后的光束，再次經(jīng)過(guò)分光棱鏡3反射，由 監(jiān)測(cè)相機(jī)9得到校正后的信號(hào)，完成激光在大氣傳輸過(guò)程中波前畸變 的實(shí)時(shí)校正功能。


圖1激光通信系統(tǒng)中傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)，其 特征在于，該系統(tǒng)是由起偏片l、望遠(yuǎn)系統(tǒng)2、分光棱鏡3、空間光調(diào) 制器7、波前控制器8、監(jiān)測(cè)相機(jī)9、成像系統(tǒng)10組成；其中成像系 統(tǒng)10是由縮束器4、 CCD相機(jī)5和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6組成。
起偏片1、望遠(yuǎn)系統(tǒng)2、分光棱鏡3和空間光調(diào)制器7同軸依次排 列；縮束器4和CCD相機(jī)5放在分光棱鏡3的反射方向上并與分光棱 鏡3同軸依次排列；CCD相機(jī)5與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6相連；波前控制器8一端與空間光調(diào)制器7相連，另一端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6連接；監(jiān)測(cè)相機(jī)
9放在與縮束器4相對(duì)應(yīng)的分光棱鏡3的另一側(cè)，用于接收信號(hào)。
1、 光束經(jīng)過(guò)大氣，先經(jīng)過(guò)起偏片1進(jìn)行線偏振調(diào)制，由望遠(yuǎn)系統(tǒng)
2接收，經(jīng)過(guò)分光棱鏡3分成兩束光， 一束光入射成像系統(tǒng)10中的縮 束器4，另一束光入射空間光調(diào)制器7;
2、 入射縮束器4的光束經(jīng)過(guò)縮束，由CCD相機(jī)5接收；計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)6裝配具有圖形處理功能的圖像采集卡，可以進(jìn)行多通道并行采 集、處理數(shù)據(jù)信息，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6的圖像采集卡從CCD相機(jī)5實(shí)時(shí)獲 取光斑圖像；采用隨機(jī)并行梯度下降算法，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6計(jì)算出控 制信號(hào)傳遞給波前控制器8;
3、 波前控制器8以驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)空間光調(diào)制器7對(duì)入射空間光調(diào) 制器7的光束進(jìn)行校正；
4、 所述的隨機(jī)并行梯度下降算法，以光束的斯特列爾比值J為性 能指標(biāo)，分析此性能指標(biāo)的參數(shù)變化量AJ，根據(jù)性能指標(biāo)的變化量A J與驅(qū)動(dòng)電壓的變化量Au進(jìn)行梯度估計(jì)，把性能指標(biāo)的參數(shù)AJ直接 作為優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)，以迭代方式在梯度下降方向上進(jìn)行優(yōu)化得 到驅(qū)動(dòng)電壓。第k次迭代時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓為i/k+^uW+io^盧。其中，u(k) 為第k次迭代時(shí)施加的驅(qū)動(dòng)電壓向量，Y為增益系數(shù)。
波前控制器8以驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)空間光調(diào)制器7進(jìn)行校正；再次計(jì) 算校正相位后殘余波前的系統(tǒng)性能指標(biāo)；如此迭代進(jìn)行，直至滿足系 統(tǒng)對(duì)指標(biāo)的要求為止；
5、空間光調(diào)制器7校正后的光束，再次經(jīng)過(guò)分光棱鏡3反射，由監(jiān)測(cè)相機(jī)9得到校正后的信號(hào)，完成激光在大氣傳輸過(guò)程中波前畸變 的實(shí)時(shí)校正功能。
權(quán)利要求
1、本發(fā)明涉及一種基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)是由起偏片(1)、望遠(yuǎn)系統(tǒng)(2)、分光棱鏡(3)、空間光調(diào)制器(7)、波前控制器(8)、監(jiān)測(cè)相機(jī)(9)、成像系統(tǒng)(10)組成；其中成像系統(tǒng)(10)是由縮束器(4)、CCD相機(jī)(5)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(6)組成。
2、 起偏片(I)、望遠(yuǎn)系統(tǒng)(2)、分光棱鏡(3)和空間光調(diào)制器(7)同軸 依次排列；縮束器(4)和CCD相機(jī)(5)放在分光棱鏡(3)的反射方向上并 與分光棱鏡(3)同軸依次排列；CCD相機(jī)(5)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(6)相連；波 前控制器(8)—端與空間光調(diào)制器(7)相連，另一端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(6)連 接；監(jiān)測(cè)相機(jī)(9)放在與縮束器(4)相對(duì)應(yīng)的分光棱鏡(3)的另一側(cè)，用于 接收信號(hào)。
3、 光束經(jīng)過(guò)大氣，先經(jīng)過(guò)起偏片(l)進(jìn)行線偏振調(diào)制，由望遠(yuǎn)系統(tǒng) (2)接收，經(jīng)過(guò)分光棱鏡(3)分成兩束光， 一束光入射成像系統(tǒng)(10)中的 縮束器(4)，另一束光入射空間光調(diào)制器(7);入射縮束器(4)的光束經(jīng)過(guò)縮束，由CCD相機(jī)(5)接收；計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)(6)裝配具有圖形處理功能的圖像采集卡，可以進(jìn)行多通道并行采集、 處理數(shù)據(jù)信息，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(6)的圖像采集卡從CCD相機(jī)(5)實(shí)時(shí)獲取 光斑圖像；采用隨機(jī)并行梯度下降算法，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(6)計(jì)算出控制 信號(hào)傳遞給波前控制器(8);波前控制器(8)以驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)空間光調(diào)制器(7)對(duì)入射空間光調(diào) 制器(7)的光束進(jìn)行校正；空間光調(diào)制器(7)校正后的光束，再次經(jīng)過(guò)分光棱鏡(3)反射，由監(jiān)測(cè)相機(jī)(9)得到校正后的信號(hào)，完成激光在大氣傳輸過(guò)程中波前畸變的 實(shí)時(shí)校正功能。
全文摘要
本發(fā)明提供了基于空間光調(diào)制器的無(wú)模型波前畸變校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由，起偏片1、望遠(yuǎn)系統(tǒng)2、分光棱鏡3、縮束器4、CCD相機(jī)5、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6、空間光調(diào)制器7、波前控制器8和監(jiān)測(cè)相機(jī)9組成。采用普通CCD相機(jī)成像，根據(jù)無(wú)模型迭代理論分析光束的斯特列爾比值，得出波前校正器所需優(yōu)化參量的控制信號(hào)，以成像清晰度、接收光能量等系統(tǒng)性能指標(biāo)直接作為優(yōu)化算法的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化得到接近衍射極限的校正效果，優(yōu)化參量由帶有圖形處理器的計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算，并把得到多通道的控制信號(hào)傳遞給波前控制器，再由波前控制器對(duì)空間光調(diào)制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的畸變波前相位的校正，從而有效的解決了大氣激光通信中波前畸變的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G02B26/00GK101546037SQ20091006690
公開(kāi)日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者強(qiáng) 付, 智 劉, 姜會(huì)林, 景文博, 王曉曼, 趙義武 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)