[發(fā)明專利]一種利用反射鏡快速搜索的路徑優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110449045.7
• 申請(qǐng)日: 2021-04-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113300767B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 柯熙政;趙錦
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B10/11
• 分類號(hào): H04B10/11;H04B10/50;H04B10/61;H04B10/67;G01C21/34
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 徐瑤

1.一種利用反射鏡快速搜索的路徑優(yōu)化方法，其特征在于，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，路徑優(yōu)化

建立球坐標(biāo)系坐標(biāo)當(dāng)進(jìn)行二維旋轉(zhuǎn)反射鏡模塊中的反射鏡(1)俯仰和旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整時(shí)，將反射鏡(1)面看作是在一個(gè)球形坐標(biāo)系內(nèi)的旋轉(zhuǎn)；利用隨機(jī)并行梯度下降算法對(duì)反射鏡(1)在三維方向的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)迭代優(yōu)化，迭代循環(huán)結(jié)束之后，使得反射鏡(1)的偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)利用反射鏡(1)的激光折轉(zhuǎn)傳輸；

步驟2，控制反射鏡的角度旋轉(zhuǎn)

建立光斑脫靶量與反射鏡旋轉(zhuǎn)角度之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用電機(jī)控制進(jìn)行反射鏡(1)的角度的旋轉(zhuǎn)；根據(jù)二維旋轉(zhuǎn)反射鏡模塊在接收端的控制回路，建立對(duì)應(yīng)的光斑脫靶量與反射鏡旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系；

步驟3，按照步驟1方法進(jìn)行尋優(yōu)，通過(guò)步驟2所述反射鏡(1)上光斑脫靶量與反射鏡旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)，完成利用反射鏡(1)的快速搜索，提高無(wú)線激光通信系統(tǒng)的鏈路建立速度；

步驟1的具體過(guò)程如下：

步驟1.1，初始化

建立球坐標(biāo)系坐標(biāo)在已建立球坐標(biāo)系坐標(biāo)上，設(shè)定隨機(jī)生成反射鏡(1)的初始角度姿態(tài)性能評(píng)價(jià)函數(shù)

步驟1.2，校正迭代

已知第j次的迭代結(jié)果，進(jìn)行第j+1次迭代，產(chǎn)生相互獨(dú)立且符合伯努利分布的隨機(jī)的三維方向偏轉(zhuǎn)角度Δθ，為第j次迭代時(shí)的反射鏡角度姿態(tài)，Δθ_j為第j次迭代時(shí)所產(chǎn)生的隨機(jī)三維方向偏轉(zhuǎn)角度；將偏轉(zhuǎn)角度和分別施加給反射鏡(1)，并計(jì)算對(duì)應(yīng)偏轉(zhuǎn)角度變化后的系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)和由和計(jì)算出系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)變化量δJ^(j)；

步驟1.3，校正更新

反射鏡偏轉(zhuǎn)角度控制量的迭代公式：

式中，為第j+1次迭代時(shí)的反射鏡角度參數(shù)，為第j次迭代時(shí)的反射鏡角度參數(shù)；J^(j)為第j次迭代的性能評(píng)價(jià)函數(shù)；μ為人為定義的權(quán)重系數(shù)；Δθ_j為第j次迭代時(shí)，隨機(jī)產(chǎn)生的相互獨(dú)立且符合伯努利分布的隨機(jī)的三維方向偏轉(zhuǎn)角度；

步驟1.4，根據(jù)公式(2)，計(jì)算新的三維方向偏轉(zhuǎn)角度和對(duì)應(yīng)的第j次迭代的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)函數(shù)J^(j+1)；如果當(dāng)前J^(j+1)不滿足收斂要求ε為收斂的最優(yōu)條件值，即迭代序列收斂到最優(yōu)解，則循環(huán)復(fù)步驟1.2和步驟1.3，如果滿足收斂條件，則退出循環(huán)；

步驟2的具體過(guò)程如下：

步驟2.1，分別建立反射鏡坐標(biāo)系O'X'Y'Z'，耦合透鏡坐標(biāo)系為OXYZ，探測(cè)器視場(chǎng)面坐標(biāo)系oxyz；反射鏡(1)繞Z'軸作方位旋轉(zhuǎn)，繞Y'軸作俯仰旋轉(zhuǎn)；根據(jù)光學(xué)反射矢量理論，建立反射鏡(1)的俯仰軸和方位軸的指向方程；在反射鏡坐標(biāo)系內(nèi)，入射光線與反射光線滿足反射定理：

A'＝RA (3)

式中，A為在反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)前，入射光經(jīng)反射鏡反射前的矢量表示；A'為在反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)前，入射光經(jīng)反射鏡反射后的矢量表示；為假定反射鏡法線與X‘軸正向及Z’軸負(fù)向均成45°角，與Y'軸垂直的反射矩陣；

步驟2.2，推導(dǎo)并建立光斑脫靶量與反射鏡旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

在反射鏡坐標(biāo)系，當(dāng)反射鏡旋轉(zhuǎn)α角，俯仰β角，入射光矢量A變化為A₁；則經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)后的入射光矢量A₁和反射光矢量A′₁分別為：

A₁＝S_z,α^-1S_y,β^-1A (4)

A'₁＝RS_z.α^-1S_y,β^-1A (5)

式中，A₁為轉(zhuǎn)動(dòng)后的光束入射光矢量；A′₁為轉(zhuǎn)動(dòng)后的光束反射光矢量；分別為坐標(biāo)沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；為坐標(biāo)沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；

再轉(zhuǎn)換到耦合鏡面坐標(biāo)系上為：

A″₁＝S_y,βRS_z,α^-1S_y,β^-1A (6)

式中，A″₁為表示反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)后，入射光通過(guò)耦合透鏡后在耦合透鏡坐標(biāo)系上的光矢量；R為反射矩陣；S_z,α分別為坐標(biāo)沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；S_y,β為坐標(biāo)沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；A為在反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)前，入射光經(jīng)反射鏡反射后的矢量關(guān)系；

反射鏡(1)和耦合透鏡(2)組剛性連接，所以當(dāng)反射鏡(1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)于耦合透鏡只有俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，這樣就解決了像旋問(wèn)題，將公式(6)改寫成為：

A″₁＝S_y,2θS_x,ηA' (7)

光矢量A經(jīng)反射鏡(1)反射進(jìn)入耦合透鏡(2)后，在探測(cè)器坐標(biāo)系上的光斑位置(x₁,y₁)，則其在焦平面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(x₁+x_A,y₁+y_A)，得到：

式中，A″₁為表示反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)后，入射光通過(guò)耦合透鏡后在耦合透鏡坐標(biāo)系上的光矢量；x_A和y_A分別為探測(cè)器坐標(biāo)和焦平面坐標(biāo)系的相對(duì)距離；L為探測(cè)器檢測(cè)到的像素點(diǎn)距離，f為透鏡的焦距；是光束在探測(cè)器坐標(biāo)系中XOZ面的投影與Z軸的夾角；θ是光束與其在XOZ面投影的夾角；

當(dāng)以平行光入射時(shí)，入射光經(jīng)反射鏡反射后得到的光矢量關(guān)系A(chǔ)'為：

A'＝[cosδ，-sinδ,0]^T (11)

式中，δ為平行入射光與耦合透鏡坐標(biāo)系x軸的夾角；

將式(11)代入式(6)后，聯(lián)立式(10)可推導(dǎo)光斑脫靶量和反射鏡調(diào)整角度的關(guān)系為：

式中，和θ分別為反射鏡(1)從初始姿態(tài)到目標(biāo)姿態(tài)的偏移角度量；S_z,α分別為坐標(biāo)沿z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；S_y,β為坐標(biāo)沿y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；R為反射矩陣；δ為平行入射光與耦合透鏡坐標(biāo)系x軸的夾角；

步驟2.3，根據(jù)光斑脫靶量和反射鏡調(diào)整角度的關(guān)系控制第一電機(jī)(5)及第二電機(jī)(6)并帶動(dòng)反射鏡(1)運(yùn)動(dòng)，使得進(jìn)入接收端的光束能夠到達(dá)接收天線，經(jīng)耦合透鏡(2)聚焦后出現(xiàn)在四象限探測(cè)器(3)的接收視場(chǎng)內(nèi)；

步驟1.2中，系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)變化量δJ^(j)具體如下：

式中，J為性能評(píng)價(jià)函數(shù)；j為迭代次數(shù)；δJ₊^j為第j次迭代時(shí)，給反射鏡施加偏轉(zhuǎn)角度后的性能評(píng)價(jià)函數(shù)的梯度；J_-^j為第j次迭代時(shí)，給反射鏡施加偏轉(zhuǎn)角度后的性能評(píng)價(jià)函數(shù)的梯度。