一种基于遗传算法的任意模式精确转换方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及模分复用光纤通信领域，更具体的说，设及一种适用于模分复用光纤 通信系统和网络的任意模式精确转换方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着移动互联网、大数据等新型信息技术的飞速发展，网络流量呈现指数 性的增长，对带宽的需求也急速增加。在爆炸式增长的数据流量驱动下，作为骨干网、城域 网W及接入网的关键技术，光纤通信一直朝大容量和长距离的方向发展。随着波长、幅度、 相位、偏振等物理维度的相继利用，普通单模光纤曾经很好地解决当时的容量需求问题。然 而，由于物理机制的制约，普通单模光纤即将达到香农容量极限，已经不能满足未来网络流 量的需求。为了进一步提升光纤通信的容量，人们开始探究空间该一新的物理维度。基于 多模/少模光纤（Multi-Mode/Few-ModeFiber,MMF/FM巧的模分复用技术应运而生，逐渐 成为当前光纤通信领域的研究热点。
[0003] 模式转换是模分复用技术的关键。当前国际上模式转化的方案主要集中在基模和 高阶模的相互转换中。支持高阶模的转换方案主要有基于空间频谱滤波的模场半径匹配方 法W及基于模拟退火算法的任意模式精确转换方法。前者在空间频域上通过模场半径匹配 的方法实现一些高阶模之间的转换，但转换的模式有限；后者通过模拟退火算法实现任意 模式精确转换，但收敛比较慢。
[0004] 本发明提出一种基于遗传算法的任意模式精确转换方法，通过引入遗传算法的快 速收敛特性，实现任意模式精确转换。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对模分复用光纤通信系统和网络，利用遗传算法的快速收敛 特性，提出一种基于遗传算法的任意模式精确转换方法。
[0006] 本发明通过傅里叶光学分析法在理论上分析模式转换过程，在4f系统的空间频 率域变换平面上基于遗传算法计算SLM的相位型传递函数，实现任意模式精确转换。本发 明对传统的遗传算法进行了改进，在编码方面采用了更利于反映问题的固有结构的矩阵编 码，同时对矩阵编码下的遗传算法的变异操作上，引入了模拟退火算法进行改进，使得遗传 算法容易陷入局部最优的缺点得到弥补。
[0007] 本发明在实现过程中，具体包括：
[000引根据本发明，关键是基于遗传算法求解模式转换过程中的精确相位型模式传递函 数。本发明的步骤如下：
[0009] 1、分析4f系统实现模式转换的转换过程；
[0010] 2、初步求解SLM的模式转换传递函数；
[0011] 3、对模式转换传递函数进行矩阵编码，产生初始种群；
[0012] 4、计算转换的目标模式与理想目标模式的相关系数，作为遗传算法的适应度指 标；
[0013] 5、对适应度进行判决，若满足优化条件，则结束优化过程，得到最优的模式转换传 递函数，否则进入遗传算法；
[0014] 6、选择基因；
[0015] 7、对基因进行变异，同时引入模拟退火算法，避免陷入局部最优解；
[0016] 8、对两个个体的基金进行交叉；
[0017] 9、产生新一代群体；
[0018] 10、重复步骤4到步骤9,直到得到最优模式转换结果为止，结束遗传算法。
【附图说明】
[0019] 通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其他目的和优点 将会变得更加清楚，其中：
[0020] 图1示出基于4f系统的模式转换系统；
[0021] 图2示出遗传算法流程；
[0022] 图3示出模式转换遗传算法抽象矩阵编码基因图；
[0023] 图4示出模式转换遗传算法中的交叉操作；
[0024] 图5示出模式转换遗传算法中的变异操作；
[00巧]图6示出待转换模式化1的理想图样（a)W及目标模式LP12。的理想图样化）；
[0026] 图7示出初始相位（a)W及加载初始相位时得到的目标模式LPi2。的转换图样 化）；
[0027] 图8示出（a)经模式转换遗传算法优化后的最佳转换相位和化）加载最佳转换相 位得到的目标模式LPi2。的转换图样；
[002引图9示出遗传算法（GA)和模拟退火算法（SA)的转换相似度随时间变化曲线。【具体实施方式】
[0029] 通过参照下面对示例性的非限定性的实施例和附图的详细描述，本发明的优点和 特征W及实现本发明的方法可更易于理解。然而，本发明可多种不同的形式来实施，而 不应被解释为受限于在此阐释的实施例。此外，提供该些实施例从而该公开将是彻底的和 完全的，并将完整地将本发明的构思传达给本领域技术人员，本发明将仅由所附权利要求 定义。在说明书中，相同的标号始终指示相同的部件。
[0030] 下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
[0031] 图1示意性示出了基于4f系统的模式转换系统。本发明利用双透镜的共焦结构 来构成4f傅立叶变换系统，在傅立叶变换平面放置相位型SLM作为模式滤波器件。两个透 镜为空间傅里叶变换器，设置SLM为二进制相位型滤波器，其传递函数为T，每个像素的取 值为-n/2或者JT/2。待转换模式用t/w,,.。表示，目标模式用。表示，系统输出的转换结 果用U。表示，那么有
[0032] (1)
[0033] 为了量化模式转换的效果，引入相似度来表征转换后的目标模式u。与理想的目标 模式的相关系数，即
[0034]
【主权项】
1. 一种基于遗传算法的任意模式精确转换方法，其特征在于包括以下内容： 基于遗传算法求解待转换模式转换成目标模式的精确二进制相位型模式传递函数； 模式转换系统中的仿真结果和结论。
2. 根据权利要求1所述的基于遗传算法的任意模式精确转换方法，其特征在于基于遗 传算法求解待转换模式转换成目标模式的精确二进制相位型模式传递函数；本方法首次在 模分复用光纤通信系统和网络的模式转换中，采用了遗传算法实现任意模式的精确转换； 本发明对传统的遗传算法进行了改进，在编码方面采用了更利于反映问题的固有结构的矩 阵编码，同时对矩阵编码下的遗传算法的变异操作上，引入了模拟退火算法进行改进，使得 遗传算法容易陷入局部最优的缺点得到弥补，具体步骤为： (1) 、分析4f系统实现模式转换的转换过程； (2) 、初步求解SLM的模式转换传递函数； (3) 、对模式转换传递函数进行矩阵编码，产生初始种群； (4) 、计算转换的目标模式与理想目标模式的相关系数，作为遗传算法的适应度指标； (5) 、对适应度进行判决，若满足优化条件，则结束优化过程，得到最优的模式转换传递 函数，否则进入遗传算法； (6) 、选择基因； (7) 、对基因进行变异，同时引入模拟退火算法，避免陷入局部最优解； (8) 、对两个个体的基金进行交叉； (9) 、产生新一代群体； (10) 、重复步骤（4)到步骤（9)，直到得到最优模式转换结果为止，结束遗传算法。
3. 根据权利要求1所述的基于遗传算法的任意模式精确转换方法，其特征在于模式转 换系统中的仿真结果和结论，具体包括： 基于遗传算法求得了任意模式转换的精确二进制相位型模式传递函数； 任意模式转换的精确转换结果； 任意模式转换的相关函数值R。
【专利摘要】本发明提出一种基于遗传算法的任意模式精确转换方法。本发明提出的方法能够在模分复用光纤通信系统和网络中实现精确、灵活的任意模式转换。本发明通过傅里叶光学分析法在理论上分析模式转换过程，在4f系统的空间频率域变换平面上基于遗传算法计算SLM的相位型传递函数，实现任意模式精确转换。本发明对传统的遗传算法进行了改进，在编码方面采用了更利于反映问题的固有结构的矩阵编码，同时对矩阵编码下的遗传算法的变异操作上，引入了模拟退火算法进行改进，使得遗传算法容易陷入局部最优的缺点得到弥补。结果表明，通过遗传算法优化后，各模式间相互转换所得模式的相似度均可达0.84以上，相比单纯的模拟退火算法，收敛速度明显提高。
【IPC分类】H04J14-04
【公开号】CN104836631
【申请号】CN201510096959
【发明人】高立, 兰名荥, 杜志超, 聂松, 蔡善勇, 喻松, 顾畹仪
【申请人】北京邮电大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年3月4日