微反射镜阵列波前传感装置及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种微反射镜阵列波前传感装置及方法。

背景技术：

自由空间光通信是一种利用光波作为载波信号，在自由空间中实现图像、语音、视频等信息的传输的无线通信方式，由于其频带宽、速率高、安全性强、结构轻巧、架设方便，满足了现代社会对无线通信高速率的迫切需求，因而得到了广泛重视。自由空间光通信在星际通信、星地通信、近地通信以及机载通信方面发挥着巨大的作用，然而，自由空间光通信的发展受到了大气湍流效应的制约。激光载波信号在大气信道传播的过程中，大气湍流效应导致激光载波信号的相位和振幅在时间和空间上发生了随机抖动，降低了自由空间光通信系统的耦合效率并提高了误码率，降低了自由空间光通信的通信质量。

自适应光学技术将光学、电子学和微机械有机融合，能够有效抑制大气湍流引起的光束倾斜和波前畸变，实时探测波前畸变并进行校正，是目前克服大气湍流效应的有效方法之一，被广泛应用于深空探测、医学影像等领域。在自由空间光通信系统中，自适应光学技术主要基于波前传感装置、波前校正装置和波前控制装置实现相位畸变的实时补偿，从而有效抑制大气湍流对通信性能的影响，其中，波前传感装置是自适应光学技术的核心，但目前的波前传感装置往往存在运算时间长、实时性差以及对激光闪烁效应敏感等问题，导致传感效率降低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的波前传感装置存在的运算时间长、实时性差以及对激光闪烁效应敏感，导致传感效率降低的问题，提供一种微反射镜阵列波前传感装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采取如下的技术方案：

一种微反射镜阵列波前传感装置，所述装置包括微反射镜阵列、调节模块和探测模块，所述微反射镜阵列由2×2的倾斜镜组成，且所述2×2的倾斜镜位于光通信系统接收天线的光学焦面上，所述调节模块与所述2×2的倾斜镜连接，

所述微反射镜阵列接收自由空间光通信中的激光载波信号光束，并将所述激光载波信号光束反射至所述探测模块；

所述调节模块调节所述微反射镜阵列中的任意一块倾斜镜，将四分之三的所述激光载波信号光束反射至所述探测模块；

所述探测模块根据接收到的四分之三的激光载波信号光束的光强计算所述激光载波信号光束的相位信息。

相应地，本发明还提出一种微反射镜阵列波前传感方法，所述方法包括以下步骤：

微反射镜阵列接收自由空间光通信中的激光载波信号光束，并将所述激光载波信号光束反射至探测模块，所述微反射镜阵列由2×2的倾斜镜组成，且所述2×2的倾斜镜位于光通信系统接收天线的光学焦面上；

调节所述微反射镜阵列中的任意一块倾斜镜，将四分之三的所述激光载波信号光束反射至探测模块；

所述探测模块根据接收到的四分之三的所述激光载波信号光束的光强计算所述激光载波信号光束的相位信息。

上述微反射镜阵列波前传感装置及方法通过对自由空间光通信中的激光载波信号进行顺序操作，探测模块只需要一个光瞳图像就可以实现波前传感，减小了波前传感的延时，且对于光波闪烁不敏感，尤其对于自由空间光通信系统而言，上述波前传感装置及方法的传感效率相比于传统波前传感方法的传感效率更高。基于上述传感方法或装置的自适应光学系统可有效提高通信系统的可靠性，使得基于自适应光学的光学通信系统更加适用于远距离无线通信和机载无线通信等技术领域，为推进自适应光学在自由空间光通信中的应用奠定了基础。

附图说明

图1为本发明微反射镜阵列波前传感装置的结构示意图；

图2为本发明微反射镜阵列波前传感方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

在其中一个实施例中，一种微反射镜阵列波前传感装置，如图1所示，该装置包括微反射镜阵列100、调节模块200和探测模块300，微反射镜阵列100由2×2的倾斜镜组成且2×2的倾斜镜位于光通信系统接收天线的光学焦面上，微反射镜阵列100接收自由空间光通信中的激光载波信号光束1，并将激光载波信号光束1反射至探测模块300；调节模块200与2×2的倾斜镜连接，用于控制倾斜镜的倾斜角度，调节模块200调节微反射镜阵列100中的任意一块倾斜镜2，将四分之三的激光载波信号光束1反射至探测模块300；探测模块300根据接收到的四分之三的激光载波信号光束1的光强计算激光载波信号光束1的相位信息。图2中的激光载波信号光束3为倾斜镜2反射的部分激光载波信号光束，在计算相位信息时，忽略该激光载波信号光束的强度。

具体地，在本实施例中，微反射镜阵列100包括4个倾斜镜，且倾斜镜以2×2的方式进行组合，其中倾斜镜是指能够在外部电压控制下实现一定倾斜角度的光学设备，同时，微反射镜阵列100位于光通信系统接收天线的光学焦面上，从而能够接收自由空间光通信中的激光载波信号光束1。

微反射镜阵列100接收自由空间光通信中的激光载波信号光束1后，调节模块200调节微反射镜阵列100中的任意一块倾斜镜(如附图1所示，调节倾斜镜2)，使其它三块倾斜镜接收到的四分之三的激光载波信号光束反射至探测模块300，供探测模块300进行分析，并忽略所调节的倾斜镜2所反射的激光载波信号光束3。

最后，探测模块300根据接收到的四分之三的激光载波信号光束的光强计算激光载波信号光束1的相位信息，从而达到波前传感的目的。本实施例中的探测模块300可以利用相机作为探测平面，接收微反射镜阵列100反射的四分之三的激光载波信号光束并分析光强的相对大小，探测模块300由探测平面接收到的激光载波信号光束计算激光载波信号光束的相位信息，每次得到的x方向和y方向的信号强度可以通过公式(1)和公式(2)计算：

其中，S_x(x,y)和S_y(x,y)为每次运算得到的不同方向的光强，I_sn(x,y)为(x,y)位置的光强，n＝1，2，3，4。探测模块300根据计算得到的光强重构激光载波信号光束的相位信息，重构激光载波信号光束的波前，实现波前传感。

本发明微反射镜阵列波前传感装置中的探测模块只需要一个光瞳图像就可以实现波前传感，减小了波前传感的延时，且对于光波闪烁不敏感，尤其对于自由空间光通信系统而言，上述波前传感装置的传感效率相比于传统波前传感装置的传感效率更高。基于上述微反射镜阵列波前传感装置的自适应光学系统可有效提高通信系统的可靠性，使得基于自适应光学的光学通信系统更加适用于远距离无线通信和机载无线通信等技术领域，为推进自适应光学在自由空间光通信中的应用奠定了基础。

作为一种具体的实施方式，2×2的倾斜镜可以利用2×2的高速压电偏转镜实现，例如利用哈尔滨芯明天科技有限公司生产的P32系列压电偏转镜作为本实施方式中的倾斜镜，由于该系列压电偏转镜的响应时间为毫秒级且结构内置性能可靠，因此可以保证波前传感的实时性和可靠性。由于一般的倾斜镜并不携带控制系统，因此对于倾斜镜的调节控制可以利用与其连接的计算机实现，即可以以计算机作为调节模块来实现对倾斜镜的调节和控制。

作为一种具体的实施方式，探测模块包括依次连接的信号强度计算子模块、局部倾斜计算子模块和波前重构子模块，信号强度计算子模块根据接收到的四分之三的激光载波信号光束的光强计算x方向的信号强度和y方向的信号强度；局部倾斜计算子模块根据x方向的信号强度和y方向的信号强度计算激光载波信号光束的局部倾斜；波前重构子模块根据激光载波信号光束的局部倾斜重构激光载波信号光束的波前，获得激光载波信号光束的相位信息。

在该具体实施方式中，信号强度计算子模块根据接收到的四分之三的激光载波信号光束并利用公式(1)和公式(2)计算x方向的信号强度和y方向的信号强度，即信号强度计算子模块利用公式(1)和公式(2)计算接收到的四分之三的激光载波信号光束的x方向和y方向的光强；局部倾斜计算子模块根据x方向的信号强度和y方向的信号强度计算激光载波信号光束的局部倾斜，而波前重构子模块根据激光载波信号光束的局部倾斜重构激光载波信号光束的波前，获得激光载波信号光束的相位信息，局部倾斜计算子模块和波前重构子模块的具体计算过程如下：

光瞳面的激光载波信号光束的复振幅可表示为：

其中，u₀是振幅，是相位，P是孔径函数，λ是波长。

在微反射镜阵列上的激光载波信号光束的复振幅可表示为：

其中，f₁是激光载波信号光束入射至探测器前的透镜焦距，微反射镜阵列波前传感方法的实现原理具体可由以下公式描述：

这里：

探测模块的探测平面的复振幅分布为：

这里，f₂为焦面探测系统的焦距，将代入和带入上式，则和可表示为：

其中:

其中，δ是狄克拉函数，表示卷积。从公式(15)我们可以看出，A表示原始没有衍射的光场传播，B、C和D均表示衍射项，C表示一个边缘的衍射，D表示另外一边的衍射，B表示两边衍射的共同作用。衍射作用导致能量减弱和探测面的强度起伏。

每一次探测模块计算得到的激光载波信号光束的强度分布为：

信号S_x和S_y由计算四个部分的光强分布决定，表示为：

其中：

其中，和分别表示x和y方向的交叉项。

相应地，在另一个实施例中，如图2所示，本发明还提出一种基于前述的微反射镜阵列波前传感装置的微反射镜阵列波前传感方法，所述方法包括以下步骤：

S100微反射镜阵列接收自由空间光通信中的激光载波信号光束，并将所述激光载波信号光束反射至探测模块，所述微反射镜阵列由2×2的倾斜镜组成，且所述2×2的倾斜镜位于光通信系统接收天线的光学焦面上；

S200调节所述微反射镜阵列中的任意一块倾斜镜，将四分之三的所述激光载波信号光束反射至探测模块；

S300所述探测模块根据接收到的四分之三的所述激光载波信号光束的光强计算所述激光载波信号光束的相位信息。

具体地，在步骤S100中，微反射镜阵列包括4个倾斜镜，且倾斜镜以2×2的方式进行组合，其中倾斜镜是指能够在外部电压控制下实现一定倾斜角度的光学设备，同时，微反射镜阵列位于光通信系统接收天线的光学焦面上，从而能够接收自由空间光通信中的激光载波信号光束。

微反射镜阵列接收自由空间光通信中的激光载波信号光束后，在步骤S200中，调节微反射镜阵列中的任意一块倾斜镜，使其它三块倾斜镜接收到的四分之三的激光载波信号光束反射至探测模块，供探测模块进行分析，并忽略所调节的倾斜镜反射的激光载波信号光束。

最后，在步骤S300中，探测模块根据接收到的四分之三的激光载波信号光束的光强计算激光载波信号光束的相位信息，从而达到波前传感的目的。在该步骤中，可以利用相机作为探测模块的探测平面，接收微反射镜阵列反射的四分之三的激光载波信号光束并分析光强的相对大小，探测模块由探测平面接收到的激光载波信号光束计算激光载波信号光束的相位信息具体实现方法可以参照前述的微反射镜阵列波前传感装置中探测模块的实现方法，此处不再赘述。

本实施例所提出的微反射镜阵列波前传感方法通过对自由空间光通信中的激光载波信号光束进行顺序操作，探测模块只需要一个光瞳图像就可以实现波前传感，减小了波前传感的延时，且对于光波闪烁不敏感，尤其对于自由空间光通信系统而言，上述波前传感方法的传感效率相比于传统波前传感方法的传感效率更高。基于上述微反射镜阵列波前传感方法的自适应光学系统可有效提高通信系统的可靠性，使得基于自适应光学的光学通信系统更加适用于远距离无线通信和机载无线通信等技术领域，为推进自适应光学在自由空间光通信中的应用奠定了基础。

作为一种具体的实施方式，2×2的倾斜镜可以利用2×2的高速压电偏转镜实现，例如利用哈尔滨芯明天科技有限公司生产的P32系列压电偏转镜作为本实施方式中的倾斜镜，由于该系列压电偏转镜的响应时间为毫秒级且结构内置性能可靠，因此可以保证波前传感的实时性和可靠性。由于一般的倾斜镜并不携带控制系统，因此对于倾斜镜的调节控制可以利用与其连接的计算机实现。

作为一种具体的实施方式，探测模块根据接收到的四分之三的激光载波信号光强计算激光载波信号的相位信息的过程包括以下步骤：根据接收到的四分之三的激光载波信号光束的光强计算x方向的信号强度和y方向的信号强度；根据x方向的信号强度和y方向的信号强度计算激光载波信号光束的局部倾斜；根据激光载波信号光束的局部倾斜重构激光载波信号光束的波前，获得激光载波信号光束的相位信息。本实施方式的各个步骤的实现方法可以参照前述的信号强度计算子模块、局部倾斜计算子模块以及波前重构子模块的实现方法，此处不再赘述。以上所述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发明的几种实施方式，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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。