基于分布式SPGD算法的多光束相位控制方法及其装置与流程

本发明涉及光学相控阵、自适应光学、相干合束等多光束相位控制技术领域，特别是一种基于分布式随机并行梯度下降(spgd)算法的多光束相位控制方法及其装置。

背景技术：

多光束的相位控制在光学相控阵、自适应光学、相干合束等领域具有重要的应用需求，在这些领域中，都要求对光束的相位进行调控，使每一路光束的相位保持一致。目前，实现多光束相位一致性锁定的算法有爬山算法，模拟退火算法，随机并行梯度下降算法等，这些算法都是通过不断迭代控制光束的相位，在光束数目较少时有很好的效果，当光束数目增多，算法控制的光束数变大时，难以在较少的迭代次数下实现相位一致性的锁定。

现有技术中使用随机并行梯度下降算法实现了多路激光相干合成的方案已经存在(参见[1]周朴,王小林,马阎星,马浩统,许晓军,刘泽金.随机并行梯度下降算法实现16路光纤激光相位锁定[j].中国激光,2010,37(02):367-369.)，但在大数目激光光束相位控制中速度较慢，效率不高，难于实际应用。现有技术中存在使用两级级联方式实现激光相干合成的方案(参见[2]张志新.光纤激光相干合成中的相位控制研究[d].国防科学技术大学,2016.)，其中将多个光束分为了两级，使用了不同的锁相算法，第一级采用随机并行梯度下降算法，第二级采用多抖动算法，并且两级分别使用了独立的移相器，导致结构更加复杂。同时，该方案基于光纤结构，非空间结构，所有的光束最终合成了一束，对自适应光学和光学相控阵等不改变出射光束数目的空间型结构不适用，现有技术(参见[3]彭浩.随机并行梯度下降波前控制算法研究[d].国防科学技术大学,2008.)讲述了全局耦合算法，该算法提供了两种方式：一种方式为使用两套移相器，分别产生不同幅度的扰动用于补偿相位误差实现相位一致；另一种方式为随机并行梯度下降算法的扰动量为大扰动和小扰动之和，同时施加在同一个移相器上，对相位误差进行补偿。该方案依然同时对所有光束的相位同时进行控制，其结果显示相位锁定速度也没有显著的提升，与本发明先局部再总体的方案相差甚远。

技术实现要素：

本发明的目的是提出了基于分布式spgd算法的多光束相位控制方法及其装置。该方法可以通过较少的迭代次数实现大数目光束的相位一致性的锁定。该分布式随机并行梯度下降算法可用于自适应光学、相干合束，光学相控阵等需要进行多光束控制以获取最优值的领域。本发明在每一路光束只有一个移相器的基础上可以实现大数目的多光束快速相位一致并锁定，收敛时间短，收敛稳定。该算法的操作方式为：将需要控制的n个光束分为n级，从第一级开始，每级使用随机并行梯度下降算法对所有的移相器进行闭环控制并达到该级光束相位一致，再触发下一级的闭环，直至所有光束的相位达到一致。

本发明的技术解决方案如下：

一方面，本发明公开了一种基于分布式spgd算法的多光束相位控制方法，该方法用于数目为n的多光束的相位控制，其控制的最终对象为各个光束的相位，反馈量为光束的光功率；

该方法包括具体步骤如下：

步骤1.将n个光束进行分组和分级，共分为n级：

步骤1.1第一级：将n个光束分为t1个组，每组光束个数为m1，即t1＝n/m1，将每一组的m1个光束进行分束，反射光合为一路光束，透射光进入第二级；

步骤1.2第二级：将透射光为t2个组，第二级的每组个数为m2，每一组由r1个第一级的组构成，则m2＝r1×m1，t2＝n/m2；将每一组的m2个光束进行分束，反射光合为一路光束，透射光进入第三级；

步骤1.3第三级：将透射光分为t3个组，第二级的每组个数为m3，每一组由r2个第二级的组构成，则m3＝r2×m2，t2＝n/m3；将每一组的m3个光束进行分束，反射光合为一路光束，透射光进入第四级；

步骤1.4以此类推，直至第n级，该级将所有反射光合为一束，为最终的总光束；

步骤2.利用随机并行梯度下降算法对每一级光束进行相位控制，具体如下：

步骤2.1对第一级中每个分组的m1个光束使用随机并行梯度下降算法进行闭环控制，直至该级产生的t1路合束光束的光功率各自达到极大值；触发第二级闭环控制流程。

步骤2.2对第一级中每个分组的m2个光束使用随机并行梯度下降算法进行闭环控制，直至该级产生的t2路合束光束的光功率各自达到极大值；触发第三级闭环控制流程；以此类推，直至触发第n级闭环控制流程。

步骤2.3第n级中产生一路合束光束，即所有光合束的总光束，对所有光束使用随机并行梯度下5降算法进行闭环控制，当总光束的光功率达到极大值，一次总迭代完成；

步骤2.4返回步骤2.1，直至根据需要手动停止算法运行。

所述的基于分布式spgd算法的多光束相位控制方法，其特征在于，级数n应满足1<n<n，且每一级分组都应整分，没有余下的孤立光束。

另一方面，本发明还公开了一种实施上述基于分布式spgd算法的多光束相位控制方法的装置，该装置包括激光器1、1*n光纤耦合器2、第一移相器3-1、...、第n移相器3-n、第一准直器4-1、...、第n准直器4-n、分束镜5，接收装置6、模拟/数字转换模块7、计算机8和数字/模拟转换模块9；

所述的激光器1与1*n光纤耦合器2的输入端通过光纤相连，1*n光纤耦合器2的输出端有n路，分别跟第一移相器3-1、第二移相器3-2、...、第n移相器3-n的光纤输入端相连，第一移相器3-1、第二移相器3-2、...、第n移相器3-n的光纤输出端分别连接第一准直器4-1、第二准直器4-2、...、第n准直器4-n的光纤输入端，所述的分束镜5将各准直器出射的空间光分束为n路透射光和n路反射光，所述的反射光进入接收装置6，接收装置6与模拟/数字转换模块7的输入端相连，模拟/数字转换模块7的输出端与计算机8相连，计算机8与数字/模拟转换模块9的输入端相连，数字/模拟转换模块9的输出端分别与所述的第一移相器3-1、第二移相器3-2、...、第n移相器3-n的电学输入端相连。

所述的装置，其特征在于，所述的接收装置6由第一级分束装置6-1、第二级分束装置6-2、...、第n级分束装置6-n构成；

所述的第一级分束装置6-1由1个第一级分束镜10、t1个聚焦透镜和t1个探测器组成，所述的n路反射光与所述的第一级分束镜10的夹角均为45°，并经该第一级分束镜10分为第一级反射光和第一级透射光，所述的第一级反射光束垂直入射到第一级第一聚焦透镜11-1、第一级第二聚焦透镜11-2、...、第一级第t1聚焦透镜11-t1，每个聚焦透镜将m1路光束进行聚焦后分别进入第一级第一探测器12-1、第一级第二探测器12-2、...、第一级第t1探测器12-t1，获得的光信号进入模拟/数字转换模块7，用于第一级闭环流程；

所述的第一级透射光进入第二级分束装置6-2，第二级分束装置6-2由第二分束镜13、t2个聚焦透镜、t2个探测器组成，所述的第一级透射光与第二分束镜13的夹角为45°，并经该第二分束镜13分为第二级反射光和第二级透射光，所述的第二级反射光垂直入射到第二级第一聚焦透镜14-1、第二级第二聚焦透镜14-2、...、第二级第t2聚焦透镜14-t2，每个聚焦透镜将m2路光束进行聚焦后分别进入第二级第一探测器15-1、第二级第二探测器15-2、...、第二级第t2探测器15-t2，获得的光信号进入模拟/数字转换模块7，用于第二级闭环流程；

以此类推直至第n级，所述的第n级分束装置6-n由第n级聚焦透镜16和第n级探测器17组成，所述的第n-1级透射光经所述的第n级聚焦透镜16聚焦后进入第n级探测器17，获得的光信号进入模拟/数字转换模块7，用于第n级闭环流程。

每级闭环流程中，所述的计算机8根据获得的光信号进行计算，输出n个控制信号，并经数字/模拟转换模块9加载到n个移相器上，进而对各路光束的相位进行控制。

所述的第一移相器3-1、第二移相器3-2、...、第n移相器3-n相位扰动量分别为d1，d2,，d3，...，dn，且满足如下条件：

第一级：组数为t1，每组光束数为m1，产生n个相位扰动为du1，du2，du3，...，dun；对应每个移相器相位变化量为d1＝du1，d2＝du2，...，dn＝dun；

第二级：组数为t2，每组光束数为m2，产生t2个相位扰动为dv1，dv2，dv3，...，对应每个移相器相位变化量为

第三级：组数为t3，每组光束数为m3，产生t3个相位扰动为对应每个移相器相位变化量为

以此类推，直至第n级；

第n级：所有光束合为一束，组数为tn，每组光束数为mn，产生tn个相位扰动为对应每个移相器相位变化量为

所有的相位扰动都服从均值为0，方差可自定义设置的高斯分布，并且每级的扰动方差都是独立设置。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1.不同于现有的随机并行梯度下降算法将所有光束同时闭环的实现方式，本发明将多个光束进行分级和分组，从局部先实现相位一致性的锁定，在逐级实现总的合成光束的相位一致性的锁定。减少了算法的迭代次数，提高了相位锁定的速度。

2.不同于现有的级联算法的实现方式，本发明仅对初始每个光束上的移相器作为对象进行控制，没有逐级增加额外的移相器，仅从算法层面进行改进实现了锁相效果，结构设计更加简单，实现成本更加低廉。同时本发明通过多级分束实现相位一致性锁定，不会改变出射光束的方向和数目。

附图说明

图1为本发明装置结构的示意图，其中，a为结构示意图，b为接收装置结构示意图。

图2为本发明一个实施例的示意图，a为结构示意图，b为接收装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1(a)所示，激光器出射的光束经耦合器分为n路，每一路经过一个移相器作为相位控制器件，然后通过准直器出射到空间中。n路光束通过分束镜分束，透射光出射出去，反射光进入图1(b)的接收光路。

在图1(b)中，n路光首先进行第一级相位一致性锁定，光束分为t1组，每组m1路光束，经过t1个分束镜，被t1个聚焦透镜聚焦进入t1个探测器中，并通过模拟/数字转换装置变为数字信号进入计算机。计算机获取t1个光信号，基于随机并行梯度下降算法进行相位一致性锁定。计算机通过数字/模拟转换装置将相位控制信号发送给移相器，使其进行相移量的变化。

在图1(b)中，经过第一级相位一致性锁定后，光束进入第二级，光束分为t2组，每组m2路光束，经过t2个分束镜，被t2个聚焦透镜聚焦进入t2个探测器中，并通过模拟/数字转换装置变为数字信号进入计算机。计算机获取t2个光信号，基于随机并行梯度下降算法进行相位一致性锁定。

依次进入各级，直至第n级。第n级的光束经过一个透镜聚焦后进入探测器，计算机获取其光信号，基于随机并行梯度下降算法进行相位一致性锁定。当锁定完成后，n路光束的相位达到一致。

为保持相位一致状态，第n级相位一致性锁定完成后，返回第一级循环上述整个流程。

具体是：该装置包括激光器1、1*n光纤耦合器2、第一移相器3-1、...、第n移相器3-n、第一准直器4-1、...、第n准直器4-n、分束镜5，接收装置6、模拟/数字转换模块7、计算机8和数字/模拟转换模块9；

所述的激光器1与1*n光纤耦合器2的输入端通过光纤相连，1*n光纤耦合器2的输出端有n路，分别跟第一移相器3-1、第二移相器3-2、...、第n移相器3-n的光纤输入端相连，第一移相器3-1、第二移相器3-2、...、第n移相器3-n的光纤输出端分别连接第一准直器4-1、第二准直器4-2、...、第n准直器4-n的光纤输入端，所述的分束镜5将各准直器出射的空间光分束为n路透射光和n路反射光，所述的反射光进入接收装置6，接收装置6与模拟/数字转换模块7的输入端相连，模拟/数字转换模块7的输出端与计算机8相连，计算机8与数字/模拟转换模块9的输入端相连，数字/模拟转换模块9的输出端分别与所述的第一移相器3-1、第二移相器3-2、...、第n移相器3-n的电学输入端相连。

所述的接收装置6由第一级分束装置6-1、第二级分束装置6-2、...、第n级分束装置6-n构成；

所述的第一级分束装置6-1由1个第一级分束镜10、t1个聚焦透镜和t1个探测器组成，所述的n路反射光与所述的第一级分束镜10的夹角均为45°，并经该第一级分束镜10分为第一级反射光和第一级透射光，所述的第一级反射光束垂直入射到第一级第一聚焦透镜11-1、第一级第二聚焦透镜11-2、...、第一级第t1聚焦透镜11-t1，每个聚焦透镜将m1路光束进行聚焦后分别进入第一级第一探测器12-1、第一级第二探测器12-2、...、第一级第t1探测器12-t1，获得的光信号进入模拟/数字转换模块7，用于第一级闭环流程；

所述的第一级透射光进入第二级分束装置6-2，第二级分束装置6-2由第二分束镜13、t2个聚焦透镜、t2个探测器组成，所述的第一级透射光与第二分束镜13的夹角为45°，并经该第二分束镜13分为第二级反射光和第二级透射光，所述的第二级反射光垂直入射到第二级第一聚焦透镜14-1、第二级第二聚焦透镜14-2、...、第二级第t2聚焦透镜14-t2，每个聚焦透镜将m2路光束进行聚焦后分别进入第二级第一探测器15-1、第二级第二探测器15-2、...、第二级第t2探测器15-t2，获得的光信号进入模拟/数字转换模块7，用于第二级闭环流程；

以此类推直至第n级，所述的第n级分束装置6-n由第n级聚焦透镜16和第n级探测器17组成，所述的第n-1级透射光经所述的第n级聚焦透镜16聚焦后进入第n级探测器17，获得的光信号进入模拟/数字转换模块7，用于第n级闭环流程。

所述的计算机8根据获得的光信号进行计算，输出n个控制信号，并经数字/模拟转换模块9加载到n个移相器上，进而对各路光束的相位进行控制。

图2为一个本发明的实施例。实施例中的结构为光学相控阵的发射光路，光束总数n＝64路，分为三级相位锁定。激光器出射的光经过光纤耦合分为64路，每一路经过一个移相器，通过准直器出射，每个移相器的相位扰动量表示为d1，d2，...，d64。分束镜将64路光束分为透射和反射两部分。

所有的探测器都与计算机相连，计算机获得光功率后通过随机并行梯度下降算法进行计算，生成相位控制信号发送给64个移相器，移相器改变相应的相移量。

步骤如下：

1.对64路反射光首先进行第一级分组，每一组有4路光束，共16组，记为a1-a16.

a1组经过第一级分束镜分束，反射部分经过透镜聚焦，进入探测器，采集光功率；

a2组经过第一级分束镜分束，反射部分经过透镜聚焦，进入探测器，采集光功率；

a3组经过第一级分束镜分束，反射部分经过透镜聚焦，进入探测器，采集光功率；

a4组经过第一级分束镜分束，反射部分经过透镜聚焦，进入探测器，采集光功率；

...

a16组经过第一级分束镜分束，反射部分经过透镜聚焦，进入探测器，采集光功率；

2.将第一级中的16组合成光束进行相位一致性锁定：

2.164个移相器加载相位u1，u2，...，u64，探测器采集光功率j1，j2，...，j16；

2.2计算机通过算法产生64个不同的相位扰动值du1，du2，...，du64，对应于64路移相器,并加载到移相器上,即d1＝du1，d2＝du2，...，d64＝du64。探测器采集光功率j1+，j2+，...，j16+。

2.3将扰动值-du1，-du2，...，-du64加载到移相器上，探测器采集光功率j1-，j2-，...，j16-。

2.4分别比较j1+和j1-，j2+和j2-，...，j16+和j16-，取较大值对应的扰动加到u1，u2，...，u64上，并更新u1，u2，...，u64。例如若j1+>j1-，将u1+du1赋给u1；若j1+<j1-，将u1-du1赋给u1；

2.5返回步骤2.1.

进行上述循环过程直至j1，j2，...，j16都达到极大值并稳定，第一级闭环完成，循环停止。

3.当第一级闭环完成并停止后触发第二级相位一致性锁定，首先将第一级的透射光进行分组：

将第一级中a1、a2、a3、a4组为一组，a5、a6、a7、a8组为一组，a9、a10、a11、a12组为一组，a13、a14、a15、a16组为一组，得到新的四个分组，记为b1-b4。

b1组经过第二级分束镜分束，反射部分经过透镜聚焦，进入探测器，采集光功率；

b2组经过第二级分束镜分束，反射部分经过透镜聚焦，进入探测器，采集光功率；

b3组经过第二级分束镜分束，反射部分经过透镜聚焦，进入探测器，采集光功率；

b4组经过第二级分束镜分束，反射部分经过透镜聚焦，进入探测器，采集光功率；

4.将第二级中的4组合成光束进行相位一致性锁定：

4.1计算机算法产生16个不同的相位扰动值dv1，dv2，...，dv16，对应于第一级中的16个组，每一个相位扰动值对应一组的4路移相器，即对于64个移相器,其扰动为d1＝d2＝d3＝d4＝dv1，d5＝d6＝d7＝d8＝dv2，...，d61＝d62＝d63＝d64＝dv16.并加载到移相器上。探测器采集光功率u1+,u2+,u3+,u4+。

4.2将d1＝d2＝d3＝d4＝-dv1，d5＝d6＝d7＝d8＝-dv2，...，d61＝d62＝d63＝d64＝-dv16加载到移相器上，探测器采集光功率u1-,u2-,u3-,u4-。

4.3分别比较u1+和u1-，u2+和u2-，u3+和u3-，u4+和u4-，取较大值对应的扰动加载到移相器上，采集光功率u1,u2,u3,u4。

4.4返回步骤4.1。

进行上述循环过程直至u1,u2,u3,u4都达到极大值并稳定，第二级闭环完成，循环停止。

5.当第二级闭环完成并停止后触发第三级相位一致性锁定。将第二级的透射光束经过透镜聚焦，进入探测器。

5.1计算机通过算法产生4个不同的相位扰动值dw1,dw2,dw3，dw4.对应于第二级中的4个组，每一个相位扰动值对应一组的4路移相器，即对于64个移相器,其扰动为d1＝d2＝d3＝d4＝...＝d16＝dw1，d17＝d18＝d19＝...＝d32＝dw2，d33＝d34＝d35＝...＝d48＝dw3，d49＝d50＝d51＝...＝d64＝dw4，并加载到移相器上,探测器采集光功率i+。

5.2将d1＝d2＝d3＝d4＝...＝d16＝-dw1，d17＝d18＝d19＝...＝d32＝-dw2，d33＝d34＝d35＝...＝d48＝-dw3，d49＝d50＝d51＝...＝d64＝-dw4加载到移相器上，探测器采集光功率i-。

5.3比较i+和i-，取较大值对应的扰动重新加载到移相器上，采集光功率i。

5.4返回步骤5.1.

进行上述循环过程直至i达到最大值，表示64路光束的相位一致性得到了锁定，返回到步骤1，进行第二次总流程。直至根据需要手动停止算法运行。

至此，本发明说明书完成了对该种用于多光束相位控制的分布式随机并行梯度下降算法的详细描述。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。