本文關(guān)鍵詞：自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在自由空間光通信中的波前像差校正研究

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【摘要】：自由空間光通信(FSOC,free space optics communication)技術(shù)直接利用激光在大氣或外太空中進(jìn)行信息傳遞,由于該技術(shù)具有帶寬潛力大,無(wú)頻譜資源限制,功率要求低,架設(shè)收發(fā)裝置簡(jiǎn)單,成本低等優(yōu)點(diǎn),已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),在星地通信,星星通信,邊海防和民用通信等多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。隨著無(wú)線通信中的“最后一公里”課題對(duì)高帶寬、低成本接入技術(shù)需求的提升,FSOC系統(tǒng)在近地通信應(yīng)用中逐漸得到重視。但是,由于大氣湍流導(dǎo)致在光束傳播路徑上發(fā)生相位畸變,導(dǎo)致接收端的波束質(zhì)量下降,發(fā)生光強(qiáng)起伏、光束漂移、到達(dá)角起伏等現(xiàn)象,進(jìn)而造成接受端的光束耦合下降、能量耗散,使整個(gè)FSOC系統(tǒng)的誤碼率(BER,bit error rate)大大上升,嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。自適應(yīng)光學(xué)(AO,adaptive optics)系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)探測(cè)和校正光束動(dòng)態(tài)波前像差的新技術(shù),作為一門(mén)集科學(xué)性和工程性為一體的綜合學(xué)科,該技術(shù)已經(jīng)在人眼視覺(jué)改善,高速激光傳輸以及天文觀測(cè)等領(lǐng)域起到關(guān)鍵作用。目前,AO技術(shù)在FSOC的波前像差校正研究中也占有著越來(lái)越重要的位置。本文首先簡(jiǎn)要分析大氣湍流對(duì)激光傳輸以及FSOC系統(tǒng)的影響,并且從波前探測(cè)、波前重構(gòu)和波前控制三個(gè)方面對(duì)AO系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。隨后在此基礎(chǔ)上建立AO系統(tǒng)的數(shù)值模型,用于AO系統(tǒng)校正波前像差校正的理論研究。進(jìn)而搭建簡(jiǎn)易的AO波前像差校正系統(tǒng),對(duì)部分無(wú)波前傳感的AO系統(tǒng)波前像差校正算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文的主要研究工作集中于以下幾個(gè)方面:1.闡述本課題研究的意義和背景,重點(diǎn)從FSOC系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究情況和AO技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況兩個(gè)方面進(jìn)行介紹,并且結(jié)合發(fā)展情況分析了傳統(tǒng)AO系統(tǒng)以及無(wú)波前傳感的AO系統(tǒng)在FSOC系統(tǒng)中應(yīng)用所存在的技術(shù)問(wèn)題。2.簡(jiǎn)要地從系統(tǒng)BER和耦合效率、Strehl比這幾個(gè)方面分析了大氣湍流效應(yīng)導(dǎo)致的相位傾斜和高階像差對(duì)于FSOC鏈路通信性能的影響,并且詳細(xì)介紹了傳統(tǒng)的AO系統(tǒng)和無(wú)波前傳感的AO系統(tǒng)的工作原理。3.研究了基于傳統(tǒng)AO系統(tǒng)的波前像差校正。首先,考慮包含時(shí)延的AO系統(tǒng)模型,將Kalman濾波器理論引入AO系統(tǒng)之中,隨后提出一種新型的記憶衰退Kalman濾波控制算法,對(duì)基于Kalman濾波的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和優(yōu)化,使之在某一幀預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較差的情況下(可能由于靜電脈沖或其它不可預(yù)料的原因?qū)е?,能夠快速恢復(fù)正常在線工作狀態(tài),以減少在“自愈”過(guò)程中有效信息的丟失。隨后,還提出另外兩種Kalman濾波器的等效變形(貫序Kalman濾波和U-D Kalman濾波),使之更加適應(yīng)于在工程實(shí)踐中移植到嵌入式系統(tǒng)中。作為補(bǔ)充,針對(duì)比例-積分(PI,proportion-integration)控制這一工程上使用最為廣泛的傳統(tǒng)控制方法,提出幾種新型的群智能優(yōu)化算法的PI參數(shù)整定方案。4.在傳統(tǒng)的AO系統(tǒng)中,由于過(guò)多的波前傳感器子孔徑會(huì)使光強(qiáng)發(fā)生分散,使每個(gè)子孔徑內(nèi)的光強(qiáng)低于探測(cè)門(mén)限,導(dǎo)致AO系統(tǒng)失靈,嚴(yán)重的話甚至?xí)斐蒄SOC鏈路無(wú)法通信,因此需要對(duì)無(wú)波前傳感的AO系統(tǒng)(包括model-free方法和model-based方法)進(jìn)行研究。一方面的研究主要基于model-based方法,本文首先介紹幾種已存在的方法,包括:Martin J.Booth方法、Huang Linhai方法和Jacopo Antonello方法,隨后提出一種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的波前相位畸變探測(cè)方案,該方法與已有的model-based方法相比,具有在線探測(cè)次數(shù)少,系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好等優(yōu)勢(shì)。該方案需要一定的前期離線操作,但是合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理方案和快速發(fā)展的硬件設(shè)備可以解決這一問(wèn)題,并且該離線操作不會(huì)對(duì)AO系統(tǒng)波前像差連續(xù)校正的實(shí)時(shí)性產(chǎn)生不良影響。另一方面,我們還研究了model-free隨機(jī)尋優(yōu)算法。這一部分最為經(jīng)典的是隨機(jī)并行梯度下降(SPGD,stochastic parallel gradient descent)算法。為彌補(bǔ)其迭代次數(shù)過(guò)多,局部尋優(yōu)以及難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求等缺陷,本文提出幾種隨機(jī)搜索優(yōu)化算法。主要包括:模擬退火(SA,simulated annealing)算法,這是一種全局尋優(yōu)算法,理論上只要搜索時(shí)間足夠長(zhǎng),就可以找到全局最優(yōu)解;改進(jìn)的混合蛙跳(MSFL,modified shuffled frog leaping)算法,該算法屬于群智能優(yōu)化算法的一種,具有搜索魯棒性強(qiáng),全局尋優(yōu)的特點(diǎn),但是,如果想要充分體現(xiàn)該算法并行搜索的優(yōu)點(diǎn),需要多個(gè)AO系統(tǒng)并行同時(shí)搜索,設(shè)備代價(jià)有所提升,本文以串行迭代搜索代替多個(gè)個(gè)體并行搜索補(bǔ)償靜態(tài)波前像差,從而在理論上驗(yàn)證該方案的可行性;基于Zernike模式系數(shù)空間禁忌搜索(TS,tabu search)算法,該算法通過(guò)將搜索空間從電壓向量空間映射至Zernike模式系數(shù)向量空間,降低搜索維度,加快搜索速度,保證了校正效果,但是設(shè)備代價(jià)比起MSFL算法卻明顯降低。5.對(duì)以后的工作做出規(guī)劃,進(jìn)一步完善FSOC鏈路實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為以后的深入研究FSOC系統(tǒng)性能做好實(shí)驗(yàn)論證基礎(chǔ)。本文將按照以上所述進(jìn)行詳細(xì)闡述,給出相關(guān)的理論推導(dǎo)和計(jì)算機(jī)仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文的研究結(jié)果可保證在AO系統(tǒng)的作用下,FSOC系統(tǒng)的終端耦合效率大大提升,系統(tǒng)的通信質(zhì)量將會(huì)明顯提升。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TN929.1

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