阅读说明：本技术 一种活塞相位控制系统及方法 (Piston phase control system and method ) 是由 粟荣涛 龙金虎 马阎星 周朴 常洪祥 常琦 马鹏飞 吴坚 李�灿 姜曼 司磊 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种活塞相位控制系统及方法,该方法包括：种子激光经相位调制、放大、准直后出射；出射激光阵列经分光后一部分激光经大气湍流传输到目标靶面经散射、汇聚后被探测以供形成第一反馈信号以控制准直器对大气湍流引起的倾斜相差进行校正；出射激光阵列经分光后另一部分激光经空间调相以模拟大气湍流、聚焦后经探测形成第二反馈信号以控制相位调制器对放大过程引起的活塞相差进行校正；二级活塞相位控制装置,连接在第一探测器与空间调相器件阵列之间。解决现有技术中当激光传输距离较远时,活塞相位的控制速率难以满足大数目激光阵列要求的问题,实现活塞相位控制速率满足大数目激光阵列要求,且激光传输距离不受限制。(The invention discloses a piston phase control system and a method, wherein the method comprises the following steps: the seed laser is emitted after phase modulation, amplification and collimation; after the outgoing laser array is subjected to light splitting, a part of laser is transmitted to a target surface through atmospheric turbulence, is scattered and converged and is detected so as to form a first feedback signal for controlling a collimator to correct the inclination phase difference caused by the atmospheric turbulence; after the outgoing laser array is subjected to light splitting, the other part of laser is subjected to spatial phase modulation to simulate atmospheric turbulence, and after the outgoing laser array is focused, a second feedback signal is formed by detection to control a phase modulator to correct the piston phase difference caused in the amplification process; and the secondary piston phase control device is connected between the first detector and the space phase modulation device array. The problem of in the prior art when laser transmission distance is far away, the control rate of piston phase is difficult to satisfy the requirement of large number laser array is solved, realize that piston phase control rate satisfies the requirement of large number laser array, and laser transmission distance is unrestricted.)

一种活塞相位控制系统及方法

技术领域

本发明涉及光学相干合成技术领域，具体是一种分级活塞相位控制系统。

背景技术

激光阵列可以广泛应用于激光通信、激光雷达和定向能技术等领域。基于主振荡器功率放大(英文名称为Master Oscillator Power Amplifier，简称MOPA)的激光相干阵列能够实现合成孔径发射，增加系统发射口径，减小激光的传输发散角。利用基于目标在回路，还能通过倾斜相位和活塞相位控制，实现对大气湍流的补偿(参见专利1：CN104037606B，参见文献1：T Weyrauch,等.Deep turbulence effects mitigation withcoherent combining of 21laser beams over 7km[J].Optics Letters,2016,41(4):840-843)。

图1为现有技术中的目标在回路激光相干阵列的结构示意框图。该系统主要包含种子激光101、激光分束器102、多个相位调制器103、多个激光放大器104、多个自适应激光准直器105、接收望远镜106、光电探测器107、倾斜控制电路108和活塞相位控制电路113。种子激光101发射的激光经激光分束器102进行分束后，各束激光分别进入相位调制器103。各相位调制器103分别与各对应的激光放大器104光路连接。各激光放大器104分别与自适应激光准直器105光路连接。各自适应激光准直器105出射的激光经过大气湍流115传输后达到目标靶面116。接收望远镜106接收目标散射回来的散射光，散射光入射到光电探测器107。光电探测器107将探测到的光信号转换为电信号，并传输到倾斜控制电路108和活塞相位控制电路113中。倾斜控制电路108运行控制算法，根据输入信号作为反馈信号，根据算法产生输出信号，对各自适应激光准直器105施加控制，对大气湍流115引起的倾斜相差进行校正。活塞相位控制电路113运行控制算法，根据输入信号作为反馈信号，根据算法产生输出信号，对各相位调制器103施加控制，对激光放大器104和大气湍流115引起的活塞相差进行校正。通过对倾斜相差和活塞相差的校正，能够使激光阵列在目标处实现相干合成，使目标处的激光能量达到最大。

但是，由于采用远场目标的散射光等作为反馈信号，当改变激光阵列的相位和倾斜等控制参量之后，新的激光阵列需经过一定距离的传输达到目标，等散射的激光信号返回激光发射位置，才能获得反馈信号，最后根据反馈信号的变化修正控制参量。因此，自适应控制的单次迭代时间大于激光在反射处和目标处的往返时间。激光放大器104中的活塞相位噪声的频率通常较高，当激光传输距离较远时，活塞相位的控制速率难以满足大数目激光阵列的要求。

发明内容

本发明提供一种活塞相位控制系统及方法，用于克服现有技术中激光放大器中活塞相位噪声的频率较高，当激光传输距离较远时，活塞相位的控制速率难以满足大数目激光阵列要求等缺陷，实现减少反馈信号单次迭代时间，活塞相位控制速率满足大数目激光阵列要求，且激光传输距离不受限制。

为实现上述目的，本发明提供一种活塞相位控制系统，包括顺次连接的种子激光器、激光分束器、相位调制器阵列、激光放大器阵列、自适应激光准直器阵列，自适应激光准直器阵列中各准直器的出射激光经大气湍流传输后达到目标靶面，在目标靶面散射光路上，目标散射光经望远镜接收后入射到第一探测器，所述第一探测器经倾斜控制电路与各准直器连接；还包括：

分光镜，设置在各准直器的出射激光与大气湍流之间的光路上，用于对准直器的出射激光能量进行分光，分光后一部分激光能量传输到目标靶面，另一部分激光能量入射到空间调相器件阵列上；

所述空间调相器件阵列，用于改变出射激光的活塞相位；

聚焦装置，用于对改变活塞相位的出射激光进行聚焦；

第二探测器，输入端接收聚焦激光，输出端经一级活塞相位控制装置与相位调制器阵列连接。

为实现上述目的，本发明还提供活塞相位控制方法，包括以下步骤：

种子激光经相位调制、放大、准直后出射；

出射激光阵列经分光后一部分激光经大气湍流传输到目标靶面，经散射、汇聚后被探测提取，以供形成第一反馈信号，以控制准直器对大气湍流引起的倾斜相差进行校正；

出射激光阵列经分光后另一部分激光经空间调相、聚焦后经探测形成第二反馈信号以控制相位调制器对放大过程引起的活塞相差进行校正；

所述第一反馈信号还用于控制空间调相器对空间调相过程模拟大气湍流引起的活塞相差进行校正。

本发明提供的活塞相位控制系统及方法，在激光阵列入射大气湍流的光路上进行分光，分出一部分激光通过空间调相阵列调相并聚焦后被第二探测器采集，将光信号转换为电信号后输出并经一级活塞相位控制装置计算获得放大器阵列活塞相位差并据此形成相位调制信号，反馈至相位调制器阵列以对激光放大器中的活塞相位噪声进行校正，即一级活塞相位控制装置从激光阵列输出端获取评价函数，由于从近场即可获得评价函数，无需从目标处获取评价函数，相位调制信号反馈速率较高，从而具有控制速率高的优点；另一部分光原路入射大气湍流至目标再经目标散射后返回至望远镜，散射光经望远镜输出后被第一探测器采集，将光信号转换后经倾斜控制电路计算获得大气湍流引起的倾斜相差进行校正；此外，对于大气湍流引起的活塞相差可以通过二级活塞相位控制装置从第一探测器输出端获取信号作为评价函数进行计算，获得大气湍流引起的活塞相位差并据此形成相位调制信号，反馈至空间调相器件阵列以对大气湍流引起的活塞相位噪声进行校正。相对于现有技术，本方案的一级活塞相位控制装置由于从近场获得反馈信号而具有更快的控制速率以满足对放大器引起的活塞相差进行校正，由于大气湍流引起活塞相差的速率较慢，通过二级活塞相位控制装置控制空间调相器件阵列以对大气湍流引起的活塞相差进行二次校正，一方面满足相位校正的准确性，另一方面提高了控制速率，当激光传输距离较远时，亦不会影响活塞相位的控制速率，从而满足大数目激光阵列要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有技术中的目标在回路激光相干阵列的结构示意框图；

图2为本发明实施例提供的分级活塞相位控制的目标在回路激光相干阵列的结构示意框图。

附图标号说明：

种子激光201、激光分束器202、相位调制器203、激光放大器204、自适应激光准直器205、接收望远镜206、光电探测器207、倾斜控制电路208、分光镜209、空间调相器件210、凸透镜211、小孔光阑212、一级活塞相位控制电路213、二级活塞相位控制电路214、大气湍流215、目标靶面216。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图2所示，本实施例提供一种活塞相位控制系统，主要包含：种子激光201、激光分束器202、N个相位调制器203、N个激光放大器204、N个自适应激光准直器205、接收望远镜206、2个光电探测器207(其中连接接收望远镜206的为第一光电探测器，连接小孔光阑212的为第二光电探测器)、倾斜控制电路208、分光镜209、N个空间调相器件210、凸透镜211、小孔光阑212、一级活塞相位控制电路213和二级活塞相位控制电路214。

空间调相器件210用于通过二级活塞相位控制电路214的调整以模拟大气湍流，一级活塞相位控制电路213从准直后的激光阵列输出端获取评价函数，为了提高相位控制的准确性，这里的二级活塞相位控制电路214实现对一级活塞相位控制电路213施加控制信号，以补偿空间调相器件210模拟大气湍流引起的相位差。

所述的种子激光201经过激光分束器202分为N路激光，每路激光依次经过1个相位调制器203、1个激光放大器204和1个自适应激光准直器205。

所述分光镜209为高反镜或低反镜，可以是单个分光镜，也可以是多个分光镜组成的分光镜阵列。大于99％的激光能量通过分光镜209后，经过大气湍流215传输后达到目标靶面216；小于1％的激光能量通过分光镜209后，N路激光分别入射到N个空间调相器件210上。N个相位调制器203、激光放大器204、自适应激光准直器205、空间调相器件210阵列后形成相应的阵列，阵列布局可参照矩形点阵、正多边形点阵或圆形点阵等形状。

所述的空间调相器件210可以是液晶，可以是电光晶体，或者其他能动器件，根据施加信号不同产生不同的光程，可以改变出射激光的活塞相位。

所述的凸透镜211对经过空间调相器件210的激光阵列进行聚焦。在本发明的其他实施例中，还可以采用其他光学器件实现激光的汇聚，例如：

所述的小孔光阑212的直径在1.22λf/D到2.44λf/D之间，其中为λ激光波长，f为凸透镜211的焦距，D为自适应激光准直器205出射的激光阵列的外接圆直径。小孔光阑212置于凸透镜211的焦点位置，使激光阵列远场光斑中央能量通过小孔。经过计算可知，当小孔光阑212的小孔直径在1.22λf/D到2.44λf/D之间时，能对经过小孔光阑212后形成的中央光斑的光强有利于采集后形成评价函数。

所述的光电探测器207(第一探测器)，一个位于小孔光阑212的小孔后方，用于探测激光阵列经过凸透镜211聚焦后的远场中央光斑的光强(相对于目标距离种子激光器近很多，属于近场光；目标散射回路上的光属于远场光)，并将电信号送到一级活塞相位控制电路213；另一个光电探测器207(第二探测器)位于接收望远镜206的探测焦平面处，用于探测激光阵列发射到目标靶面216后散射回来的散射光强(远场光)，并将电信号送到倾斜控制电路208和二级活塞相位控制电路214。

所述的倾斜控制电路208运行控制算法，以接收望远镜206后方的光电探测器207(第二探测器)的电信号作为反馈，产生输出信号，对各个自适应激光准直器205施加控制，对大气湍流215引起的倾斜相差进行校正。

所述的一级活塞相位控制电路213运行控制算法，以凸透镜211后方的光电探测器207的电信号作为反馈，产生输出相位调制信号，对各相位调制器203施加控制，对光纤放大器引起活塞相差进行实时校正，使各路激光在自适应激光准直器205输出端保持恒定的活塞相差。

所述的二级活塞相位控制电路214运行控制算法，以接收望远镜206后方的光电探测器207的电信号作为反馈，产生输出相位调制信号，对各空间调相器件210施加控制，使接收望远镜206接收到的散射光强达到最优，实现对大气湍流215引起的活塞相差的校正。

相比现有技术，本发明的技术效果：

本发明的分级活塞相位控制的目标在回路激光相干阵列，采用两级活塞相位控制实现对光纤放大器和大气湍流引起的活塞相差进行有效校正。其中，一级活塞相位控制电路213从激光阵列输出端获取评价函数，对激光放大器中的活塞相位噪声进行校正，由于无需从目标处获取评价函数，具有控制速率高的优点；二级活塞相位控制从目标处获取评价函数，利用空间调相器件模拟大气湍流引起的活塞相差，将其施加至入射到凸透镜211的激光阵列中，对一级活塞相位控制电路213的控制信号施加影响，间接实现对大气湍流中的活塞相差的校正。

实施例二

基于上述实施例一，本发明实施例提供一种活塞相位控制方法，包括以下步骤：

S1，种子激光经相位调制、放大、准直后出射；

S2，出射激光阵列经分光后一部分激光经大气湍流传输到目标靶面，经目标靶面散射后的散射光经汇聚后被探测器提取，以供形成第一反馈信号，第一反馈信号输入准直器，以校正大气湍流引起的倾斜相差；

散射光经望远镜汇聚并输出后再经光电探测器探测形成电信号，电信号输入倾斜控制电路208产生第一反馈信号，以控制准直器对大气湍流引起的倾斜相差进行校正；

S3，出射激光阵列经分光后另一部分激光经空间调相以模拟大气湍流、聚焦后经探测形成第二反馈信号以控制相位调制器对放大过程引起的活塞相差进行校正；

S4，所述第一反馈信号还用于控制空间调相器对空间调相过程模拟大气湍流引起的活塞相差进行校正。

通过在经过大气湍流散射之前的光路上分光的一部分激光进行采集，并通过空间调相器模拟大气湍流，代替对经过大气湍流到达目标后散射回路上的激光采集作为检测光信号，无需从目标处获取评价函数，采用近场出射激光作为反馈信号，当改变激光阵列的相位和倾斜等控制参量之后，新的激光阵列需经过很短距离的传输达到准直器，激光信号返回激光发射位置，获得反馈信号，最后根据反馈信号的变化修正控制参量。因此，自适应控制的单次迭代时间小于激光在反射处和目标处的往返时间。激光放大器中的活塞相位噪声的频率降低，当激光传输距离较远时，活塞相位的控制速率不收其影响，依然保持较快，满足大数目激光阵列的要求控制速率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。