用于大阵元相干合成的相位控制方法及控制电路与流程

本发明涉及激光的相干合成，特别是一种用于大阵元相干合成的相位控制方法及控制电路。

背景技术：

激光相干合成技术能够突破单路激光输出功率的极限，提高激光功率和亮度，是目前高能激光技术领域的研究热点。基于主动相位控制的主振荡器功率放大(英文名称为Master Oscillator Power Amplifier，简称MOPA)结构是普遍采用的一种激光相干合成系统(参见发明专利CN 1688069 A)。该系统结构如图1所示(参见文献：刘泽金,等.主动相位控制光纤激光相干合成的研究.中国激光,2009,36(3):518-524.)，系统主要包含种子激光1^/、激光分束器2^/、相位调制器3^/、激光放大器4^/、激光准直器5^/、激光合束器6^/、分光镜7^/、光电探测器8^/和相位控制电路9^/。

其中，相位控制电路是相干合成的核心器件。目前的相位控制电路普遍采用如图2所示的结构(参见文献：粟荣涛,等.光纤激光相干合成高速高精度相位控制器.强激光与粒子束,2012,24(6):1290-1294)，控制电路主要有以下部分构成：可编程芯片1、数模转换器3、控制信号调理电路4、模数转换器5和输入信号调理电路6。

为了消除系统中激光放大器等部件引入的相位噪声，需要对各路激光的相位噪声进行控制，实现激光阵列的同相位输出。一般是利用光电探测器探测合成光束的光强起伏，再通过一定的算法从中提取出相位噪声信息，并利用相位控制电路进行主动相位控制，从而消除相位噪声的影响。目前应用较为广泛的相位控制算法有随机并行梯度下降算法(参见文献：王小林,等.基于随机并行梯度下降算法光纤激光相干合成的高精度相位控制系统.物理学报,2010,59(2):973-979)、多抖动算法(参见文献：马阎星,等.多抖动法主振荡功率放大器相干合成技术.强激光与粒子束,2009,21(11):1639-1644)和单频抖动算法(参见文献5：Y Ma,等.Coherent beam combination with single frequency dithering technique.Opt.Lett.,2010,35(9):1308-1310)等。

多抖动算法的原理如图2所示(以3路为例)，首先相位控制电路通过相位调制器在各路激光上加载一个高频载波信号，该信号在随着光束传输时会被光束的相位起伏调幅，最终以远场光斑条纹抖动的方式体现出来。采用光电探测器将这一光信号转换为电信号传输给相位控制电路，相位控制电路再基于解调原理解算出光束间的相位差，并据此产生补偿信号加载到相应的相位调制器上校正各路光束的相位，最终实现激光阵列的同相位输出。单频抖动算法的原理如附图3所示(以3路为例)，单频抖动算法只需要一个调制信号，并按照时分复用的方式分时加载到各路激光的相位调制器3^/上，相位控制电路9^/分时对各路光束的调制信号进行解调，将解调得到的相位控制信号分时加载到各路激光的相位调制器3^/上。

目前，这些相位控制算法和相位控制电路都存在一定的不足：

(1)SPGD算法和单频抖动算法的控制带宽随着控制路数的带宽迅速下降；

(2)多抖动算法需要多个抖动频率，电路调试繁琐，对相位调制器的响应频率范围要求过高；

(3)现有的相位控制电路基于单块可编程芯片构成，控制路数受限，难以实现百路级大阵元相干合成系统的相位控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于大阵元(百路级)相干合成的相位控制方法及其控制电路，以克服现有的相位控制算法及其控制电路的上述不足。

一种用于大阵元相干合成的相位控制方法，其特征在于：相位控制算法的调制信号按照如下方式构成：

假设相位调制器共M×N个，对应的激光路数也是M×N路，算法共输出M组信号，第i组信号为

其中H_M(i,k)为M阶哈达玛矩阵的第i行第k列的数值，k＝1，2，…，M，T为调制信号的周期，t为时间；

(j-1)T到jT时刻，向第(i-1)×N+j路相位调制器施加调制信号y_i(t)，其中，i取值从1至M，j取值从1至N；并重复上述过程，直到关闭相位控制电路。

本发明提供一种用于大阵元相干合成的相位控制电路，包括可编程芯片(1)、数模转换器(3)、控制信号调理电路(4)、模数转换器(5)和输入信号调理电路(6)，其特征在于：还包括多路选择器(2)。

优选的，所述多路选择器(2)为N选1多路选择器。

优选的，所述多路选择器(2)为可编程逻辑芯片。

优选的，所述多路选择器(2)为数据选择器芯片。

进一步的，所述可编程芯片(1)的运行程序包括以下模块：地址发生模块(7)、信号发生模块(8)、信号解调模块(9)、多路选择模块(10)；

所述地址发生模块(7)为多路选择模块(10)和多路选择器(2)提供地址信号，每隔时间T更新一次地址，使第1路至第N路输入信号依次从输出信号输出，如此循环；

所述信号发生模块(8)包括M个信号发生器，每个信号发生器输出一组周期为T但是不同的调制信号；

所述信号处理模块(9)包括M组，每组有N个信号解调模块，将第i组的第j个记为9-ij，在所述多路选择模块(10)的使能信号为高电平时工作，在多路选择模块(10)的使能信号为低电平时停止工作并保持控制信号，复位其他中间参数；

所述的多路选择模块(10)有M个，所述的第i个多路选择模块(10)根据地址发生模块(7)产生的地址信号，使第(j-1)*T到j*T时刻从信号解调模块9-ij输入的信号输出，同时使输入到信号解调模块9-ij的使能信号为高电平，其他信号解调模块的使能信号为低电平，如此往复循环，其中i取值从1至M，j取值从1至N。

相比现有技术，本发明的技术效果：

1、本发明的激光相干合成系统结构和多抖动、单频抖动算法的系统结构相同，如图1-图3所示，区别在于调制信号不同，算法的改进就在于发明了新的调制信号，采用正交编码单频调制，相比多抖动算法而言，无需多个频率的调试信号，简化了算法，便于硬件实现；相比于单频抖动算法而言，增加了某一时间段内施加相位调试的路数，提升了控制带宽。

2、采用多路选择器2将可编程芯片1的控制信号分时第传递给不同的数模转换器3，在可编程芯片1输出引脚有限的情况下，提升了控制电路的最大控制路数，能够实现百路级的大阵元相干合成系统的相位控制。

附图说明

图1为现有的激光相干合成系统示意图；

图2为现有的多抖动算法激光相干合成系统示意图；

图3为现有的单频抖动算法激光相干合成系统示意图；

图4为现有的相位控制电路结构示意图；

图5为本发明正交编码单频抖动算法4×3路激光相干合成系统示意图；

图6为本发明8×3路激光相干合成系统示意图

图7为本发明相位控制电路结构示意图；

图8为本发明相位控制电路的程序结构示意图。

具体实施方式

激光相干合成系统如图1所示，相位调制器共M×N个，对应的激光路数也是M×N路。相位控制算法的调制信号按照如下方式构成：

正交编码单频抖动算法共输出M组信号，第i组信号按照如下方式构成：

H_M(i,k)为m阶哈达玛矩阵的第i行第k列的数值，k＝1，2，…，M。

(j-1)T到jT时刻，向第(i-1)×N+j路相位调制器施加调制信号y_i(t)，i取值从1至M，j取值从1至N；并重复上述过程，直到关闭相位控制电路。

下面以4×3路激光相干合成系统为例说明本发明相位控制方法的相位控制算法中的调制信号，如图5所示：

0到T时刻，向第1路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第4路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第7路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第10路相位调制器施加调制信号y₄(t)；

T到2T时刻，向第2路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第5路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第8路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第11路相位调制器施加调制信号y₄(t)；

2T到3T时刻，向第3路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第6路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第9路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第12路相位调制器施加调制信号y₄(t)；

3T到4T时刻，执行0到T时刻的过程；4T到5T时刻，执行T到2T时刻的过程；如此循环，直到关闭相位控制电路。

8×3路激光相干合成系统如图6所示：

0到T时刻，向第1路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第4路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第7路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第10路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第13路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第16路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第19路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第22路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

T到2T时刻，向第2路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第5路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第8路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第11路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第14路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第17路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第20路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第23路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

2T到3T时刻，向第3路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第6路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第9路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第12路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第15路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第18路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第21路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第24路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

3T到4T时刻，执行0到T时刻的过程；4T到5T时刻，执行T到2T时刻的过程；如此循环，直到关闭相位控制电路。

同样我们可以扩展至百路级的激光相干合成系统，8×12路激光相干合成系统调制信号如下所示：

0到T时刻，向第1路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第13路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第25路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第37路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第49路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第61路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第73路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第85路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

T到2T时刻，向第2路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第14路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第26路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第38路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第50路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第62路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第74路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第86路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

2T到3T时刻，向第3路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第15路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第27路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第39路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第51路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第63路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第75路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第87路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

3T到4T时刻，向第4路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第16路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第28路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第40路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第52路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第64路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第76路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第88路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

4T到5T时刻，向第5路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第17路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第29路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第41路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第53路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第65路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第77路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第89路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

5T到6T时刻，向第6路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第18路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第30路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第42路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第54路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第66路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第78路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第90路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

6T到7T时刻，向第7路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第19路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第31路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第43路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第55路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第67路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第79路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第91路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

7T到8T时刻，向第8路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第20路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第32路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第44路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第56路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第68路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第80路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第92路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

8T到9T时刻，向第9路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第21路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第33路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第45路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第57路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第69路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第81路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第93路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

9T到10T时刻，向第10路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第22路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第34路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第46路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第58路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第70路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第82路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第94路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

10T到11T时刻，向第11路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第23路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第35路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第47路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第59路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第71路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第83路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第95路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

11T到12T时刻，向第12路相位调制器施加调制信号y₁(t)，向第24路相位调制器施加调制信号y₂(t)，向第36路相位调制器施加调制信号y₃(t)，向第48路相位调制器施加调制信号y₄(t)，向第60路相位调制器施加调制信号y₅(t)，向第72路相位调制器施加调制信号y₆(t)，向第84路相位调制器施加调制信号y₇(t)，向第96路相位调制器施加调制信号y₈(t)；

13T到14T时刻，执行0到T时刻的过程；14T到15T时刻，执行T到2T时刻的过程；如此循环，直到关闭相位控制电路。

如图7所示的一种用于大阵元相干合成的相位控制电路，包括可编程芯片1、数模转换器3、控制信号调理电路4、模数转换器5和输入信号调理电路6，其特征在于：还包括多路选择器2。

优选的，所述多路选择器2为N选1多路选择器。

优选的，所述多路选择器2为可编程逻辑芯片。

优选的，所述多路选择器2为数据选择器芯片。

如图8所示，所述可编程芯片1的运行程序包括以下模块：地址发生模块7、信号发生模块8、信号解调模块9、多路选择模块10；

所述地址发生模块7为多路选择模块10和多路选择器2提供地址信号，每隔时间T更新一次地址，使第1路至第N路输入信号依次从输出信号输出，如此循环；

所述信号发生模块8包括M个信号发生器，每个信号发生器输出一组周期为T但是不同的调制信号；

所述信号处理模块9包括M组，每组有N个信号解调模块，将第i组的第j个记为9-ij，在所述多路选择模块10的使能信号为高电平时工作，在多路选择模块10的使能信号为低电平时停止工作并保持控制信号，复位其他中间参数；

所述的多路选择模块10有M个，所述的第i个多路选择模块10根据地址发生模块7产生的地址信号，使第(j-1)*T到j*T时刻从信号解调模块9-ij输入的信号输出，同时使输入到信号解调模块9-ij的使能信号为高电平，其他信号解调模块的使能信号为低电平，如此往复循环，其中i取值从1至M，j取值从1至N。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。