[發(fā)明專利]一種空間光-光纖耦合自動對準系統(tǒng)及其控制方法

有效

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• 申請日: 2020-03-26
• 公開（公告）號: CN111273410B
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發(fā)明（設計）人: 柯熙政;尹奔康;吳加麗
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G02B6/42
• 分類號: G02B6/42
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 曾慶喜

1.一種空間光-光纖耦合自動對準系統(tǒng)，其特征在于，包括空間光線(1)及依次設置的聚焦耦合透鏡(3)、五自由度精調節(jié)組件(2)和處理單元；

所述五自由度精調節(jié)組件(2)設置有耦合光纖(4)，所述空間光線(1)通過聚焦耦合透鏡(3)與耦合光纖(4)耦合；

所述五自由度精調節(jié)組件(2)包括三維電動粗調節(jié)臺(2-1)，所述三維電動粗調節(jié)臺(2-1)的頂部轉動安裝有支架(2-2)，所述支架(2-2)的端部安裝有過度件(2-3)，所述過度件(2-3)內安裝有壓電陶瓷c(2-6)的一端，所述壓電陶瓷c(2-6)的另一端依次安裝有壓電陶瓷b(2-5)和壓電陶瓷a(2-4)，所述耦合光纖(4)設置于壓電陶瓷a(2-4)的外側；

所述壓電陶瓷c(2-6)、壓電陶瓷b(2-5)和壓電陶瓷a(2-4)依次粘接；

所述處理單元包括依次線連接的光電探測模塊(5)、控制處理模塊(6)和壓電陶瓷驅動模塊(7)，所述壓電陶瓷驅動模塊(7)與五自由度精調節(jié)組件(2)線連接，所述耦合光纖(4)與光電探測模塊(5)相連接；

所述控制處理模塊(6)包括安裝有FPGA芯片和數模轉換芯片的外圍電路，所述數模轉換芯片的型號為AD9708，所述外圍電路與光電流放大電路(5-2)相連接；

所述光電探測模塊(5)包括相連接的光電探測器(5-1)和光電流放大電路(5-2)，所述光電探測器(5-1)和耦合光纖(4)的端部相連接；所述光電探測器(5-1)的型號為PIN7787；

所述壓電陶瓷驅動模塊(7)包括至少三個功率放大器(7-1)，三個所述功率放大器(7-1)分別與壓電陶瓷c(2-6)、壓電陶瓷b(2-5)和壓電陶瓷a(2-4)相連接，三個所述功率放大器(7-1)均連接有恒壓供電源(7-2)，所述恒壓供電源(7-2)安裝在外圍電路。

2.如權利要求1所述的一種空間光-光纖耦合自動對準系統(tǒng)，其特征在于，所述過度件(2-3)為內置凹槽的柱形，所述壓電陶瓷c(2-6)的一端安裝在凹槽內。

3.如權利要求1或2所述的一種空間光-光纖耦合自動對準系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：

步驟1、所述空間光線(1)經聚焦耦合透鏡(3)聚焦到耦合光纖(4)的端面附近；

步驟2、開啟三維電動粗調節(jié)臺(2-1)，對空間光線(1)的聚焦光斑和耦合光纖(4)端面的位置進行粗調節(jié)，使光電探測器(5-1)探測到光信號，同時將光信號轉換為光電流信號；所述光電流放大電路(5-2)將光電流信號進行放大處理得到電壓信號，并輸出至控制處理模塊(6)作為閉環(huán)反饋信號；

步驟3、所述FPGA芯片和數模轉換芯片根據尋優(yōu)算法對閉環(huán)反饋信號進行尋優(yōu)迭代，每次迭代后輸出一組控制壓電陶瓷驅動模塊(7)的控制信號；

步驟3中，所述尋優(yōu)算法將控制處理模塊(6)輸出的控制電壓信號作為變量，閉環(huán)反饋信號作為迭代優(yōu)化評價函數；

所述尋優(yōu)算法為隨機并行梯度下降算法，迭代公式為：

u^(m+1)＝u^(m)+kδJ^(m)δu^(m) (1)，

式(1)中：u^(m)＝{u₁,u₂,…u_N}^(m)是第m次迭代后控制參數的擾動電壓向量；u^(m+1)是第m+1次迭代后控制參數的擾動電壓向量；k是增益系數；δJ^(m)是第m次系統(tǒng)性能指標測量值的變化量；δu^(m)是第m次迭代的擾動電壓；

步驟4、所述控制信號分別到達對應的壓電陶瓷c(2-6)、壓電陶瓷b(2-5)和壓電陶瓷a(2-4)的控制電路通道，每個控制電路通道的功率放大器(7-1)將控制信號進行放大處理，并驅動對應的壓電陶瓷c(2-6)、壓電陶瓷b(2-5)和壓電陶瓷a(2-4)產生所需的位移量，帶動耦合光纖(4)進行微位移；

步驟5、當所述閉環(huán)反饋信號達到最大或收斂于最大值時，停止迭代，空間光-光纖耦合達到了穩(wěn)定狀態(tài)，即實現了空間光線(1)的聚焦光斑和耦合光纖(4)端面的自動對準。