[发明专利]一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法

说明书

本发明是一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法，首先利用环围能量法使能量集中到选定的圆域内，然后利用平均半径法使圆域内半径相同的位置能量也近似一致，从而消除能量分布不均匀和局部能量突起，这样可以实现能量的集中且均匀分布，形成类似高斯分布的能量分布形式，从而提升SPGD算法的校正精度。本发明同时对区域光强及能量分布进行控制，提高了SPGD算法的校正精度，同时也提升了SPGD算法校正结果的稳定性。

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，具体涉及一种用于提高水平激光通信SPGD算法校正精度的方法。

背景技术

空间激光通信是以激光束为载波，在空间中进行光信号的传递。激光信号在空间传输时，由于受到大气湍流等因素的影响而产生波前畸变。该波前畸变会导致光的传播方向发生改变，降低接收端的光功率，严重影响远场光斑质心的位置及其强度分布。

自适应光学技术可以实时校正由大气湍流引起的光学波前畸变，从而恢复空间光通信系统的通信能力。自适应光学技术包括传统自适应光学系统和无波前传感器自适应光学技术。传统自适应光学系统采用波前传感器探测波前畸变相位信息，由波前处理机根据波前相位信息重构出波前，再使用波前校正器校正波前畸变。这种方法需要使用波前传感器，波前处理机、波前校正器来实现，结构复杂、体积庞大。在大气激光通信中，光波穿过的路径上湍流较强或传输距离较长时，闪烁现象导致哈特曼波前传感器的波前测量困难，致使依赖波前测量的常规自适应光学系统不能正常工作。而无波前传感器自适应光学技术不采用哈特曼探测器进行畸变信息探测，只需利用成像探测器获得的像质信息建立系统像质评价函数，对校正器进行迭代优化，从而实现强湍流的校正。在无波前传感器自适应光学系统中，随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种常用的控制校正算法，具有实现容易，所有控制回路并行计算的特点。其首先采集有畸变时光斑的光强分布信息，根据公式计算光斑的性能指标，再通过算法处理产生相应的相位校正控制信号，然后根据控制信号控制变形镜进行畸变校正。

SPGD算法以性能指标为优化目标，通过性能指标的变化确定校正精度和是否终止校正。性能指标的选取尤为关键，不同的性能指标对校正精度和收敛速度的影响非常明显。目前常用的性能指标参数有：平均半径、光强峰值、成像清晰度和环围能量。实际激光通信过程中，受到大气信道的光吸收效应，到达接收端的能量会不断变化，一般采用环围能量和平均半径作为性能指标。环围能量是对一定圆域内的光强进行积分得到区域总能量，当其达到最大值时，认为此时入射光为平面波，即实现了波前畸变的校正。平均半径是对成像靶面上不同位置处的半径和光强的乘积进行积分，从而获得其弥散斑平均半径，当其到达最小值时，光斑变小，同时光斑能量在半径相同的位置分布均匀，即认为系统像差最小，实现了畸变的校正。

但是，环围能量法的缺点为：对于激光通信而言，接收到的光可以认为是点目标发出的，其理想像面应该是艾里斑，光强分布服从高斯分布；因此，在水平激光通信中，不仅要使得区域光强达到最大值，还要使得其光强分布接近高斯分布，这样才能够实现高精度校正，保持高质量激光通信；环围能量法仅能够判断区域总光强是否达到极值，无法判断区域内光强分布是否合理，导致校正精度低；此外，不同的环围半径校正精度差异较大；环围半径选择不当，会导致性能指标达到极值时，校正后仍存在较大残余像差；因此，其仅能够实现大气湍流的部分校正，从而使通信性能受限。

平均半径法的缺点为：其是以控制弥散斑的平均半径为目标，虽然能够使光斑能量分布均匀，光斑的质心更靠近理想位置，但其受SPGD算法中随机扰动的影响较大，收敛稳定性差，且校正后残余像差起伏较大，存在大残余像差的情况，导致校正精度低。