[发明专利]一种利用反射镜快速搜索的路径优化方法

权利要求书

1.一种利用反射镜快速搜索的路径优化方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，路径优化

建立球坐标系坐标当进行二维旋转反射镜模块中的反射镜(1)俯仰和旋转角度调整时，将反射镜(1)面看作是在一个球形坐标系内的旋转；利用随机并行梯度下降算法对反射镜(1)在三维方向的偏转角度进行自动循环迭代优化，迭代循环结束之后，使得反射镜(1)的偏转角度达到最小，实现利用反射镜(1)的激光折转传输；

步骤2，控制反射镜的角度旋转

建立光斑脱靶量与反射镜旋转角度之间对应关系，利用电机控制进行反射镜(1)的角度的旋转；根据二维旋转反射镜模块在接收端的控制回路，建立对应的光斑脱靶量与反射镜旋转角度之间的关系；

步骤3，按照步骤1方法进行寻优，通过步骤2所述反射镜(1)上光斑脱靶量与反射镜旋转角度对应关系进行控制驱动，完成利用反射镜(1)的快速搜索，提高无线激光通信系统的链路建立速度；

步骤1的具体过程如下：

步骤1.1，初始化

建立球坐标系坐标在已建立球坐标系坐标上，设定随机生成反射镜(1)的初始角度姿态性能评价函数

步骤1.2，校正迭代

已知第j次的迭代结果，进行第j+1次迭代，产生相互独立且符合伯努利分布的随机的三维方向偏转角度Δθ，为第j次迭代时的反射镜角度姿态，Δθ_j为第j次迭代时所产生的随机三维方向偏转角度；将偏转角度和分别施加给反射镜(1)，并计算对应偏转角度变化后的系统评价函数和由和计算出系统评价函数变化量δJ^(j)；

步骤1.3，校正更新

反射镜偏转角度控制量的迭代公式：

式中，为第j+1次迭代时的反射镜角度参数，为第j次迭代时的反射镜角度参数；J^(j)为第j次迭代的性能评价函数；μ为人为定义的权重系数；Δθ_j为第j次迭代时，随机产生的相互独立且符合伯努利分布的随机的三维方向偏转角度；

步骤1.4，根据公式(2)，计算新的三维方向偏转角度和对应的第j次迭代的系统性能评价函数J^(j+1)；如果当前J^(j+1)不满足收敛要求ε为收敛的最优条件值，即迭代序列收敛到最优解，则循环复步骤1.2和步骤1.3，如果满足收敛条件，则退出循环；

步骤2的具体过程如下：

步骤2.1，分别建立反射镜坐标系O'X'Y'Z'，耦合透镜坐标系为OXYZ，探测器视场面坐标系oxyz；反射镜(1)绕Z'轴作方位旋转，绕Y'轴作俯仰旋转；根据光学反射矢量理论，建立反射镜(1)的俯仰轴和方位轴的指向方程；在反射镜坐标系内，入射光线与反射光线满足反射定理：

A'＝RA (3)

式中，A为在反射镜转动前，入射光经反射镜反射前的矢量表示；A'为在反射镜转动前，入射光经反射镜反射后的矢量表示；为假定反射镜法线与X‘轴正向及Z’轴负向均成45°角，与Y'轴垂直的反射矩阵；

步骤2.2，推导并建立光斑脱靶量与反射镜旋转角度对应关系

在反射镜坐标系，当反射镜旋转α角，俯仰β角，入射光矢量A变化为A₁；则经转动后的入射光矢量A₁和反射光矢量A′₁分别为：

A₁＝S_z,α^-1S_y,β^-1A (4)

A'₁＝RS_z.α^-1S_y,β^-1A (5)

式中，A₁为转动后的光束入射光矢量；A′₁为转动后的光束反射光矢量；分别为坐标沿z轴转动的旋转矩阵；为坐标沿y轴转动的旋转矩阵；

再转换到耦合镜面坐标系上为：

A″₁＝S_y,βRS_z,α^-1S_y,β^-1A (6)

式中，A″₁为表示反射镜转动后，入射光通过耦合透镜后在耦合透镜坐标系上的光矢量；R为反射矩阵；S_z,α分别为坐标沿z轴转动的旋转矩阵；S_y,β为坐标沿y轴转动的旋转矩阵；A为在反射镜转动前，入射光经反射镜反射后的矢量关系；

反射镜(1)和耦合透镜(2)组刚性连接，所以当反射镜(1)转动时，相对于耦合透镜只有俯仰转动，没有旋转，这样就解决了像旋问题，将公式(6)改写成为：

A″₁＝S_y,2θS_x,ηA' (7)

光矢量A经反射镜(1)反射进入耦合透镜(2)后，在探测器坐标系上的光斑位置(x₁,y₁)，则其在焦平面坐标系上的坐标为(x₁+x_A,y₁+y_A)，得到：

式中，A″₁为表示反射镜转动后，入射光通过耦合透镜后在耦合透镜坐标系上的光矢量；x_A和y_A分别为探测器坐标和焦平面坐标系的相对距离；L为探测器检测到的像素点距离，f为透镜的焦距；是光束在探测器坐标系中XOZ面的投影与Z轴的夹角；θ是光束与其在XOZ面投影的夹角；

当以平行光入射时，入射光经反射镜反射后得到的光矢量关系A'为：

A'＝[cosδ，-sinδ,0]^T (11)

式中，δ为平行入射光与耦合透镜坐标系x轴的夹角；

将式(11)代入式(6)后，联立式(10)可推导光斑脱靶量和反射镜调整角度的关系为：

式中，和θ分别为反射镜(1)从初始姿态到目标姿态的偏移角度量；S_z,α分别为坐标沿z轴转动的旋转矩阵；S_y,β为坐标沿y轴转动的旋转矩阵；R为反射矩阵；δ为平行入射光与耦合透镜坐标系x轴的夹角；

步骤2.3，根据光斑脱靶量和反射镜调整角度的关系控制第一电机(5)及第二电机(6)并带动反射镜(1)运动，使得进入接收端的光束能够到达接收天线，经耦合透镜(2)聚焦后出现在四象限探测器(3)的接收视场内；

步骤1.2中，系统评价函数变化量δJ^(j)具体如下：

式中，J为性能评价函数；j为迭代次数；δJ₊^j为第j次迭代时，给反射镜施加偏转角度后的性能评价函数的梯度；J_-^j为第j次迭代时，给反射镜施加偏转角度后的性能评价函数的梯度。