本發明涉及光通信技術領域，特別是涉及一種微反射鏡陣列波前傳感裝置及方法。

背景技術：

自由空間光通信是一種利用光波作為載波信號，在自由空間中實現圖像、語音、視頻等信息的傳輸的無線通信方式，由于其頻帶寬、速率高、安全性強、結構輕巧、架設方便，滿足了現代社會對無線通信高速率的迫切需求，因而得到了廣泛重視。自由空間光通信在星際通信、星地通信、近地通信以及機載通信方面發揮著巨大的作用，然而，自由空間光通信的發展受到了大氣湍流效應的制約。激光載波信號在大氣信道傳播的過程中，大氣湍流效應導致激光載波信號的相位和振幅在時間和空間上發生了隨機抖動，降低了自由空間光通信系統的耦合效率并提高了誤碼率，降低了自由空間光通信的通信質量。

自適應光學技術將光學、電子學和微機械有機融合，能夠有效抑制大氣湍流引起的光束傾斜和波前畸變，實時探測波前畸變并進行校正，是目前克服大氣湍流效應的有效方法之一，被廣泛應用于深空探測、醫學影像等領域。在自由空間光通信系統中，自適應光學技術主要基于波前傳感裝置、波前校正裝置和波前控制裝置實現相位畸變的實時補償，從而有效抑制大氣湍流對通信性能的影響，其中，波前傳感裝置是自適應光學技術的核心，但目前的波前傳感裝置往往存在運算時間長、實時性差以及對激光閃爍效應敏感等問題，導致傳感效率降低。

技術實現要素：

基于此，有必要針對現有的波前傳感裝置存在的運算時間長、實時性差以及對激光閃爍效應敏感，導致傳感效率降低的問題，提供一種微反射鏡陣列波前傳感裝置及方法。

為解決上述技術問題，本發明采取如下的技術方案：

一種微反射鏡陣列波前傳感裝置，所述裝置包括微反射鏡陣列、調節模塊和探測模塊，所述微反射鏡陣列由2×2的傾斜鏡組成，且所述2×2的傾斜鏡位于光通信系統接收天線的光學焦面上，所述調節模塊與所述2×2的傾斜鏡連接，

所述微反射鏡陣列接收自由空間光通信中的激光載波信號光束，并將所述激光載波信號光束反射至所述探測模塊；

所述調節模塊調節所述微反射鏡陣列中的任意一塊傾斜鏡，將四分之三的所述激光載波信號光束反射至所述探測模塊；

所述探測模塊根據接收到的四分之三的激光載波信號光束的光強計算所述激光載波信號光束的相位信息。

相應地，本發明還提出一種微反射鏡陣列波前傳感方法，所述方法包括以下步驟：

微反射鏡陣列接收自由空間光通信中的激光載波信號光束，并將所述激光載波信號光束反射至探測模塊，所述微反射鏡陣列由2×2的傾斜鏡組成，且所述2×2的傾斜鏡位于光通信系統接收天線的光學焦面上；

調節所述微反射鏡陣列中的任意一塊傾斜鏡，將四分之三的所述激光載波信號光束反射至探測模塊；

所述探測模塊根據接收到的四分之三的所述激光載波信號光束的光強計算所述激光載波信號光束的相位信息。

上述微反射鏡陣列波前傳感裝置及方法通過對自由空間光通信中的激光載波信號進行順序操作，探測模塊只需要一個光瞳圖像就可以實現波前傳感，減小了波前傳感的延時，且對于光波閃爍不敏感，尤其對于自由空間光通信系統而言，上述波前傳感裝置及方法的傳感效率相比于傳統波前傳感方法的傳感效率更高。基于上述傳感方法或裝置的自適應光學系統可有效提高通信系統的可靠性，使得基于自適應光學的光學通信系統更加適用于遠距離無線通信和機載無線通信等技術領域，為推進自適應光學在自由空間光通信中的應用奠定了基礎。

附圖說明

圖1為本發明微反射鏡陣列波前傳感裝置的結構示意圖；

圖2為本發明微反射鏡陣列波前傳感方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖及較佳實施例對本發明的技術方案進行詳細描述。

在其中一個實施例中，一種微反射鏡陣列波前傳感裝置，如圖1所示，該裝置包括微反射鏡陣列100、調節模塊200和探測模塊300，微反射鏡陣列100由2×2的傾斜鏡組成且2×2的傾斜鏡位于光通信系統接收天線的光學焦面上，微反射鏡陣列100接收自由空間光通信中的激光載波信號光束1，并將激光載波信號光束1反射至探測模塊300；調節模塊200與2×2的傾斜鏡連接，用于控制傾斜鏡的傾斜角度，調節模塊200調節微反射鏡陣列100中的任意一塊傾斜鏡2，將四分之三的激光載波信號光束1反射至探測模塊300；探測模塊300根據接收到的四分之三的激光載波信號光束1的光強計算激光載波信號光束1的相位信息。圖2中的激光載波信號光束3為傾斜鏡2反射的部分激光載波信號光束，在計算相位信息時，忽略該激光載波信號光束的強度。

具體地，在本實施例中，微反射鏡陣列100包括4個傾斜鏡，且傾斜鏡以2×2的方式進行組合，其中傾斜鏡是指能夠在外部電壓控制下實現一定傾斜角度的光學設備，同時，微反射鏡陣列100位于光通信系統接收天線的光學焦面上，從而能夠接收自由空間光通信中的激光載波信號光束1。

微反射鏡陣列100接收自由空間光通信中的激光載波信號光束1后，調節模塊200調節微反射鏡陣列100中的任意一塊傾斜鏡(如附圖1所示，調節傾斜鏡2)，使其它三塊傾斜鏡接收到的四分之三的激光載波信號光束反射至探測模塊300，供探測模塊300進行分析，并忽略所調節的傾斜鏡2所反射的激光載波信號光束3。

最后，探測模塊300根據接收到的四分之三的激光載波信號光束的光強計算激光載波信號光束1的相位信息，從而達到波前傳感的目的。本實施例中的探測模塊300可以利用相機作為探測平面，接收微反射鏡陣列100反射的四分之三的激光載波信號光束并分析光強的相對大小，探測模塊300由探測平面接收到的激光載波信號光束計算激光載波信號光束的相位信息，每次得到的x方向和y方向的信號強度可以通過公式(1)和公式(2)計算：

其中，S_x(x,y)和S_y(x,y)為每次運算得到的不同方向的光強，I_sn(x,y)為(x,y)位置的光強，n＝1，2，3，4。探測模塊300根據計算得到的光強重構激光載波信號光束的相位信息，重構激光載波信號光束的波前，實現波前傳感。

本發明微反射鏡陣列波前傳感裝置中的探測模塊只需要一個光瞳圖像就可以實現波前傳感，減小了波前傳感的延時，且對于光波閃爍不敏感，尤其對于自由空間光通信系統而言，上述波前傳感裝置的傳感效率相比于傳統波前傳感裝置的傳感效率更高?；谏鲜鑫⒎瓷溏R陣列波前傳感裝置的自適應光學系統可有效提高通信系統的可靠性，使得基于自適應光學的光學通信系統更加適用于遠距離無線通信和機載無線通信等技術領域，為推進自適應光學在自由空間光通信中的應用奠定了基礎。

作為一種具體的實施方式，2×2的傾斜鏡可以利用2×2的高速壓電偏轉鏡實現，例如利用哈爾濱芯明天科技有限公司生產的P32系列壓電偏轉鏡作為本實施方式中的傾斜鏡，由于該系列壓電偏轉鏡的響應時間為毫秒級且結構內置性能可靠，因此可以保證波前傳感的實時性和可靠性。由于一般的傾斜鏡并不攜帶控制系統，因此對于傾斜鏡的調節控制可以利用與其連接的計算機實現，即可以以計算機作為調節模塊來實現對傾斜鏡的調節和控制。

作為一種具體的實施方式，探測模塊包括依次連接的信號強度計算子模塊、局部傾斜計算子模塊和波前重構子模塊，信號強度計算子模塊根據接收到的四分之三的激光載波信號光束的光強計算x方向的信號強度和y方向的信號強度；局部傾斜計算子模塊根據x方向的信號強度和y方向的信號強度計算激光載波信號光束的局部傾斜；波前重構子模塊根據激光載波信號光束的局部傾斜重構激光載波信號光束的波前，獲得激光載波信號光束的相位信息。

在該具體實施方式中，信號強度計算子模塊根據接收到的四分之三的激光載波信號光束并利用公式(1)和公式(2)計算x方向的信號強度和y方向的信號強度，即信號強度計算子模塊利用公式(1)和公式(2)計算接收到的四分之三的激光載波信號光束的x方向和y方向的光強；局部傾斜計算子模塊根據x方向的信號強度和y方向的信號強度計算激光載波信號光束的局部傾斜，而波前重構子模塊根據激光載波信號光束的局部傾斜重構激光載波信號光束的波前，獲得激光載波信號光束的相位信息，局部傾斜計算子模塊和波前重構子模塊的具體計算過程如下：

光瞳面的激光載波信號光束的復振幅可表示為：

其中，u₀是振幅，是相位，P是孔徑函數，λ是波長。

在微反射鏡陣列上的激光載波信號光束的復振幅可表示為：

其中，f₁是激光載波信號光束入射至探測器前的透鏡焦距，微反射鏡陣列波前傳感方法的實現原理具體可由以下公式描述：

這里：

探測模塊的探測平面的復振幅分布為：

這里，f₂為焦面探測系統的焦距，將代入和帶入上式，則和可表示為：

其中:

其中，δ是狄克拉函數，表示卷積。從公式(15)我們可以看出，A表示原始沒有衍射的光場傳播，B、C和D均表示衍射項，C表示一個邊緣的衍射，D表示另外一邊的衍射，B表示兩邊衍射的共同作用。衍射作用導致能量減弱和探測面的強度起伏。

每一次探測模塊計算得到的激光載波信號光束的強度分布為：

信號S_x和S_y由計算四個部分的光強分布決定，表示為：

其中：

其中，和分別表示x和y方向的交叉項。

相應地，在另一個實施例中，如圖2所示，本發明還提出一種基于前述的微反射鏡陣列波前傳感裝置的微反射鏡陣列波前傳感方法，所述方法包括以下步驟：

S100微反射鏡陣列接收自由空間光通信中的激光載波信號光束，并將所述激光載波信號光束反射至探測模塊，所述微反射鏡陣列由2×2的傾斜鏡組成，且所述2×2的傾斜鏡位于光通信系統接收天線的光學焦面上；

S200調節所述微反射鏡陣列中的任意一塊傾斜鏡，將四分之三的所述激光載波信號光束反射至探測模塊；

S300所述探測模塊根據接收到的四分之三的所述激光載波信號光束的光強計算所述激光載波信號光束的相位信息。

具體地，在步驟S100中，微反射鏡陣列包括4個傾斜鏡，且傾斜鏡以2×2的方式進行組合，其中傾斜鏡是指能夠在外部電壓控制下實現一定傾斜角度的光學設備，同時，微反射鏡陣列位于光通信系統接收天線的光學焦面上，從而能夠接收自由空間光通信中的激光載波信號光束。

微反射鏡陣列接收自由空間光通信中的激光載波信號光束后，在步驟S200中，調節微反射鏡陣列中的任意一塊傾斜鏡，使其它三塊傾斜鏡接收到的四分之三的激光載波信號光束反射至探測模塊，供探測模塊進行分析，并忽略所調節的傾斜鏡反射的激光載波信號光束。

最后，在步驟S300中，探測模塊根據接收到的四分之三的激光載波信號光束的光強計算激光載波信號光束的相位信息，從而達到波前傳感的目的。在該步驟中，可以利用相機作為探測模塊的探測平面，接收微反射鏡陣列反射的四分之三的激光載波信號光束并分析光強的相對大小，探測模塊由探測平面接收到的激光載波信號光束計算激光載波信號光束的相位信息具體實現方法可以參照前述的微反射鏡陣列波前傳感裝置中探測模塊的實現方法，此處不再贅述。

本實施例所提出的微反射鏡陣列波前傳感方法通過對自由空間光通信中的激光載波信號光束進行順序操作，探測模塊只需要一個光瞳圖像就可以實現波前傳感，減小了波前傳感的延時，且對于光波閃爍不敏感，尤其對于自由空間光通信系統而言，上述波前傳感方法的傳感效率相比于傳統波前傳感方法的傳感效率更高?；谏鲜鑫⒎瓷溏R陣列波前傳感方法的自適應光學系統可有效提高通信系統的可靠性，使得基于自適應光學的光學通信系統更加適用于遠距離無線通信和機載無線通信等技術領域，為推進自適應光學在自由空間光通信中的應用奠定了基礎。

作為一種具體的實施方式，2×2的傾斜鏡可以利用2×2的高速壓電偏轉鏡實現，例如利用哈爾濱芯明天科技有限公司生產的P32系列壓電偏轉鏡作為本實施方式中的傾斜鏡，由于該系列壓電偏轉鏡的響應時間為毫秒級且結構內置性能可靠，因此可以保證波前傳感的實時性和可靠性。由于一般的傾斜鏡并不攜帶控制系統，因此對于傾斜鏡的調節控制可以利用與其連接的計算機實現。

作為一種具體的實施方式，探測模塊根據接收到的四分之三的激光載波信號光強計算激光載波信號的相位信息的過程包括以下步驟：根據接收到的四分之三的激光載波信號光束的光強計算x方向的信號強度和y方向的信號強度；根據x方向的信號強度和y方向的信號強度計算激光載波信號光束的局部傾斜；根據激光載波信號光束的局部傾斜重構激光載波信號光束的波前，獲得激光載波信號光束的相位信息。本實施方式的各個步驟的實現方法可以參照前述的信號強度計算子模塊、局部傾斜計算子模塊以及波前重構子模塊的實現方法，此處不再贅述。以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。