本發(fā)明屬于光纖激光相干合成，具體涉及一種基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、相干陣列是相控陣系統(tǒng)的一種特殊形式，可以通過大規(guī)模的陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出，在大氣湍流抑制和指向控制方面具有成熟的技術(shù)，在遠(yuǎn)距離的深空通信中具有一定的應(yīng)用潛力。同時，光纖激光相干合成技術(shù)憑借靈活可控的分孔徑排布陣列，可產(chǎn)生軌道角動量(orbital-angular-momentum,oam)這一全新維度，有利于擴(kuò)大傳輸容量，進(jìn)一步向遠(yuǎn)距離自由空間結(jié)構(gòu)光通信領(lǐng)域聚焦。

2、其中，復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)是自由空間結(jié)構(gòu)光通信中的關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，oam光束經(jīng)復(fù)用傳輸過后，在接收端通常還要進(jìn)行解調(diào)，才能獲得相應(yīng)的模式信息。現(xiàn)階段，主流的方案包括螺旋相位板、衍射光學(xué)元件、模式轉(zhuǎn)換法、相位全息圖等。但是，傳統(tǒng)的方案在模式解調(diào)的數(shù)量方面有一定限制，并且系統(tǒng)也相對復(fù)雜。而機(jī)器學(xué)習(xí)作為新型解復(fù)用技術(shù)，在解調(diào)速度和精度方面具有優(yōu)勢，成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)商用化。

3、將智能化方案引入光纖激光相干合成技術(shù)領(lǐng)域，可進(jìn)一步解決現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)合模式信息提取困難，傳輸容量小及傳輸效率低的問題，有利于構(gòu)建強(qiáng)魯棒性/高維通信鏈路，拓展其在自由空間結(jié)構(gòu)光通信領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明公開一種基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明提供一種基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，包括：

4、信息編碼輸入模塊，用于輸入碼元信息；

5、光纖激光相干合成陣列模塊，根據(jù)碼元信息生成具有與碼元信息對應(yīng)的軌道角動量復(fù)用模式的陣列光束；

6、遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集光纖激光相干陣列輸出陣列光束的遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)；

7、空間模式識別模塊，將遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的空間模式識別模型進(jìn)行軌道角動量復(fù)用模式識別；

8、信息編碼輸出模塊，基于識別出的軌道角動量復(fù)用模式，并輸出軌道角動量復(fù)用模式對應(yīng)的碼元信息。

9、優(yōu)選地，所述光纖激光相干合成陣列模塊包括光纖激光相干合成光路，光纖激光相干合成光路包括種子源、預(yù)放大器、光纖分束器、相位調(diào)制器、級聯(lián)光纖放大器、自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器陣列，所述光纖分束器具有多個輸出端，所述種子源輸出的種子激光經(jīng)預(yù)放大器放大之后經(jīng)光纖分束器后分成多束單元光束，光纖分束器的各輸出端分別對應(yīng)連接一路相位調(diào)制器、級聯(lián)光纖放大器、自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，多個自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器按照圓形或者正多邊形陣列排布構(gòu)成自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器陣列，自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器陣列由內(nèi)至外包含m層自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器環(huán)形子陣列，環(huán)形子陣列圈層的數(shù)量m決定了光纖激光相干合成陣列模塊能夠生成2m種軌道角動量復(fù)用模式的陣列光束。

10、優(yōu)選地，所述空間模式識別模型的訓(xùn)練方法包括：

11、獲取2m種軌道角動量復(fù)用模式的陣列光束對應(yīng)的遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的相位信息、振幅信息；

12、對2m種軌道角動量復(fù)用模式的陣列光束對應(yīng)的遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)的像素信息按照一定的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，獲得各種軌道角動量復(fù)用模式對應(yīng)的碼元信息；

13、將遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)和對應(yīng)的軌道角動量復(fù)用模式的碼元信息作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，同時構(gòu)建損失函數(shù)如下：

14、

15、其中真實(shí)標(biāo)簽kreal＝{0,1,2,...,2m-1}，表示各種軌道角動量復(fù)用模式的碼元信息，kpred表示預(yù)測標(biāo)簽；j(kreal,kpred)表示差異函數(shù)，用于比較真實(shí)標(biāo)簽kreal和預(yù)測標(biāo)簽kpred之間的差異；為正則化項(xiàng)，γ表示正則化參數(shù)，是與θ相關(guān)的優(yōu)化函數(shù)；

16、當(dāng)損失函數(shù)最小或者達(dá)到設(shè)定閾值，模型收斂，保存令模型收斂的模型參數(shù)θ，完成模型的訓(xùn)練，得到訓(xùn)練好的空間模式識別模型。

17、優(yōu)選地，所述光纖激光相干合成光路根據(jù)碼元信息控制光纖激光相干合成光路中各單元光束的振幅與相位大小，相干疊加后生成與碼元信息對應(yīng)的軌道角動量復(fù)用模式的陣列光束。

18、優(yōu)選地，所述光纖激光相干合成陣列模塊包括相位控制單元，相位控制單元通過運(yùn)行相位優(yōu)化控制算法進(jìn)行信號處理，生成各路單元光束對應(yīng)的相位控制信號，并傳送至對應(yīng)的相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)各單元光束的相位控制。

19、優(yōu)選地，本發(fā)明還包括分光鏡、聚焦透鏡、光電探測模塊，自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器陣列其發(fā)射平面輸出的陣列光束經(jīng)過分光鏡分為兩部分，其中一部分經(jīng)聚焦透鏡傳輸至遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)采集模塊，另一部分由光電探測模塊接收后轉(zhuǎn)換為電信號反饋至相位控制單元。

20、本發(fā)明所述相位優(yōu)化控制算法不限，包括但不限于采用本領(lǐng)域常用的隨機(jī)并行梯度下降算法、模擬退火算法或粒子群優(yōu)化算法。

21、優(yōu)選地，本發(fā)明所述陣列光束由內(nèi)至外包含m層環(huán)形子陣列，單個環(huán)形子陣列均由沿著角向均勻分布的單元光束構(gòu)成，各環(huán)形子陣列上各路單元光束的束腰半徑為w0，波長為λ，光束口徑為d，出射振幅為a0，第i層環(huán)形子陣列上各單元光束中心和陣列光束中心的間距為ri，i＝1,2,3,...,m，其中第m層環(huán)形子陣列為距離陣列光束中心最遠(yuǎn)的最外層環(huán)形子陣列。所述陣列光束的具體形式不限，可以是圓形陣列光束也可以是其他正多邊形陣列光束。

22、基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明能夠產(chǎn)生的技術(shù)效果是：

23、本發(fā)明通過空間模式識別模型的訓(xùn)練，將訓(xùn)練好的空間模式識別模型用于光纖激光相干陣列復(fù)合模式的識別，探索了高功率光纖激光相干合成技術(shù)在智能光通信應(yīng)用中的可行性。

24、利用訓(xùn)練好的空間模式識別模型可在存有系統(tǒng)誤差和外界干擾的情況下對復(fù)合模式進(jìn)行準(zhǔn)確識別，為建立基于光纖激光相干陣列的高魯棒性通信鏈路提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

25、本發(fā)明利用訓(xùn)練好的空間模式識別模型可對大規(guī)模相干陣列的高維編碼模式進(jìn)行識別，有利于進(jìn)一步提升通信效率與通信容量。

技術(shù)特征：

1.基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，其特征在于，光纖激光相干合成陣列模塊包括光纖激光相干合成光路，光纖激光相干合成光路包括種子源、預(yù)放大器、光纖分束器、相位調(diào)制器、級聯(lián)光纖放大器、自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器陣列，所述光纖分束器具有多個輸出端，所述種子源輸出的種子激光經(jīng)預(yù)放大器放大之后經(jīng)光纖分束器后分成多束單元光束，光纖分束器的各輸出端分別對應(yīng)連接一路相位調(diào)制器、級聯(lián)光纖放大器、自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器，多個自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器按照圓形或者正多邊形陣列排布構(gòu)成自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器陣列，自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器陣列由內(nèi)至外包含m層自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器環(huán)形子陣列，環(huán)形子陣列圈層的數(shù)量m決定了光纖激光相干合成陣列模塊能夠生成2m種軌道角動量復(fù)用模式的陣列光束。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述空間模式識別模型的訓(xùn)練方法包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖激光相干合成光路根據(jù)碼元信息控制光纖激光相干合成光路中各單元光束的振幅與相位大小，相干疊加后生成與碼元信息對應(yīng)的軌道角動量復(fù)用模式的陣列光束。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖激光相干合成陣列模塊包括相位控制單元，相位控制單元通過運(yùn)行相位優(yōu)化控制算法進(jìn)行信號處理，生成各路單元光束對應(yīng)的相位控制信號，并傳送至對應(yīng)的相位調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)各單元光束的相位控制。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，其特征在于，還包括分光鏡、聚焦透鏡、光電探測模塊，自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器陣列其發(fā)射平面輸出的陣列光束經(jīng)過分光鏡分為兩部分，其中一部分經(jīng)聚焦透鏡傳輸至遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)采集模塊，另一部分由光電探測模塊接收后轉(zhuǎn)換為電信號反饋至相位控制單元。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述相位優(yōu)化控制算法為隨機(jī)并行梯度下降算法、模擬退火算法或粒子群優(yōu)化算法。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，其特征在于，陣列光束由內(nèi)至外包含m層環(huán)形子陣列，單個環(huán)形子陣列均由沿著角向均勻分布的單元光束構(gòu)成，各環(huán)形子陣列上各路單元光束的束腰半徑為w0，波長為λ，光束口徑為d，出射振幅為a0，第i層環(huán)形子陣列上各單元光束中心和陣列光束中心的間距為ri，i＝1,2,3,...,m，其中第m層環(huán)形子陣列為距離陣列光束中心最遠(yuǎn)的最外層環(huán)形子陣列。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種基于光纖激光相干陣列的智能結(jié)構(gòu)光通信系統(tǒng)，其中信息編碼輸入模塊用于輸入碼元信息；光纖激光相干合成陣列模塊根據(jù)碼元信息生成具有與碼元信息對應(yīng)的軌道角動量復(fù)用模式的陣列光束；遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集光纖激光相干陣列輸出陣列光束的遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)；空間模式識別模塊將遠(yuǎn)場光斑圖像數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的空間模式識別模型進(jìn)行軌道角動量復(fù)用模式識別；信息編碼輸出模塊基于識別出的軌道角動量復(fù)用模式，輸出軌道角動量復(fù)用模式對應(yīng)的碼元信息。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)合模式信息提取困難，傳輸容量小及傳輸效率低的問題，探索了高功率光纖激光相干合成技術(shù)構(gòu)建智能光通信系統(tǒng)的可能性。

技術(shù)研發(fā)人員：張雨秋,殳博王,金坤,唐仕晴,劉昊宇,冷進(jìn)勇,李俊,吳堅(jiān),周樸
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國人民解放軍國防科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2