[发明专利]一种用于水平空间激光通信的SPGD性能指标控制方法

说明书

本发明提出一种用于水平空间激光通信的SPGD性能指标控制方法，具体操作方法为：将圆域分割成多个环形区域，并通过控制每个环形区域光强起伏方差最小的方法来实现每个环域光强均匀分布，进而通过控制由外及内的每个环域光强逐渐递增且符合高斯分布，来实现光强在中心集中、分布形式接近高斯分布。这样既实现了圆域内总光强最大，又实现了光强分布的控制，从而提升大气湍流像差的校正精度，降低激光通信误码率。

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，特别涉及一种用于水平空间激光通信的SPGD性能指标控制方法。

背景技术

自由空间激光通信以其传输速率高、保密性强、方向性强等许多明显优于射频无线通信系统的特点而受到众多国际研究机构的关注。其是通过发射端调制并发射激光光束、接收端接收并解调激光光束来实现通信的。其中水平激光通信链路利用激光在水平大气中传输来进行通信，在传输过程中激光信号受到大气湍流的干扰而产生波前畸变。该畸变波前会导致光的传播方向发生改变，降低接收端的光功率，从而使得通信误码率急剧增大。

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。因此，目前研究者都采用自适应光学技术来提升水平空间激光通信的通信性能。自适应光学技术包括经典的自适应光学系统和无波前探测技术，自适应光学系统主要包括哈特曼波前探测器、变形镜和波前处理器，其利用哈特曼探测器探测波前的位相畸变，经波前控制器处理后，控制变形镜进行畸变波前校正。无波前探测技术不采用哈特曼探测器进行畸变信息探测，而是利用成像相机里的图像信息进行畸变控制和校正。在无波前探测技术中，随机并行梯度下降算法(SPGD)是一个广泛应用的无波前恢复算法，具有易实现、可以对计算对象进行多维计算的优点。其首先获取有波前畸变时成像光斑的光强分布信息，分析光斑的性能指标，之后将性能指标作为优化目标，通过理论计算系获得畸变像差信息，然后依据畸变信息控制变形镜进行畸变校正。校正后，通过性能指标的变化确定校正效果和是否终止校正。

在SPGD算法中，性能指标的选取至关重要，通常选择系统某个参数作为性能指标，如最大光强值，光斑半径等，然后经过多次的迭代计算，使性能指标达到最优，从而实现波前畸变的校正。目前常用的性能指标参数有：光斑的能量分布、光强峰值、成像清晰度和区域总光强。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，一般采用区域总光强作为性能指标。其是对一定圆域内的光强进行积分得到区域总能量，当达到最大值时，认为此时入射光为平面波，即实现了波前畸变的校正。

然而，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。区域光强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。因此，其仅能够实现大气湍流的部分校正，从而使得通信性能受限。

导致原因：

大气湍流随机变化，其参数格林伍德频率和大气相干长度都是统计平均值。对于水平湍流，其强度和水平距离、工作时间以及海拔高度密切相关，变化范围更大，随机性更大。受湍流影响，即使圆域内区域总光强达到最大，光斑还是会出现变形和局部突起的能量分布形式。当采用SPGD算法进行湍流畸变校正时，如果区域光强性能指标已经达到极大值，SPGD算法就停止迭代，校正终止。但是由于没有限制光强的空间分布形式，会出现光斑形状并不规则或者存在多个光强突起点。对于理想艾里斑，其光强分布规则、能量从中心逐渐减弱。因此，和理想通信系统相比，此时波前依然存在严重的畸变像差，从而严重影响激光通信性能。因此，单纯的通过区域总光强无法准确判断SPGD算法的校正效果，从而使得通信质量大幅降低。

所以，针对水平空间激光通信中，区域总光强性能指标无法限制光斑能量分布形式、从而无法准确判断SPGD算法的校正效果问题，有必要设计一种用于水平空间激光通信的随机并行梯度下降算法的性能指标控制方法，以解决上述问题。

发明内容