[發明專利]高精度活塞相位閉環控制方法及系統

有效

• 申請號: 202110947761.8
• 申請日: 2021-08-18
• 公開（公告）號: CN113690719B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 馬鵬飛;常琦;侯天悅;常洪祥;張雨秋;龍金虎;鄧宇;粟榮濤;吳堅;李燦;姜曼;馬閻星;周樸
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H01S3/00
• 分類號: H01S3/00;G06T7/11;G06T7/262
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 周達

高精度活塞相位閉環控制方法及系統，包括獲得激光陣列中每個單元光束的干涉條紋子圖像，對每個單元光束的干涉條紋子圖像進行二維傅里葉變換，獲得每個單元光束的干涉條紋子圖像的二維頻譜信息分布，進而得到每個單元光束的干涉條紋子圖像的二維頻譜信息的模函數和幅角函數；在每個單元光束的干涉條紋子圖像的二維頻譜信息分布中，通過模函數找到參考光束光軸與激光陣列光軸之間夾角對應的頻譜參量，通過幅角函數找到所述頻譜參量對應的幅角值，所述幅角值為各單元光束的活塞相位噪聲取值，用于對單元光束的活塞相位進行補償，可以實現更小的鎖相殘差，從而提升了相干合成的合成效率，進一步提升了合成激光的亮度。

技術領域

本發明涉及強激光技術領域，特別是一種光纖激光相干合成系統中高精度活塞相位閉環控制方法及系統。

背景技術

光纖激光因其緊湊波導結構的嚴格光場約束，具備了光束質量好、熱管理方便等優勢，近年來在工業加工與科學研究等領域具有廣泛應用。然而，單路光纖激光被束縛在纖芯的極小截面內，功率密度的增大更容易激發非線性效應和模式不穩定等現象，制約了光纖激光在保持光束質量的前提下實現功率的進一步提升。采用主振蕩器功率放大(英文名稱為Master Oscillator Power Amplifier，簡稱MOPA)的激光相干陣列能夠拓展光纖激光陣列數目，降低單路激光的功率密度需求，將熱分散到不同鏈路，從而突破單路激光的輸出功率限制，獲得更高功率更高亮度的激光輸出，是實現高能激光系統的一種典型方案。

但是，如果僅僅是光纖激光陣列的簡單功率疊加，只能實現光纖激光陣列的功率疊加，由于不同光纖會引入不同的相位噪聲，因此光斑形態會呈現“類高階模”的光場分布，無法保證輸出激光的亮度。為了有效實現亮度的提升，必須對每一路光纖激光實施相位控制以補償各路之間的相位噪聲，使各路光纖激光在目標平面相干疊加。

針對活塞相位控制，根據不同控制方法和不同控制邏輯，可以分為基于間接測量相位噪聲幅度實現閉環控制的間接控制法和基于直接測量相位噪聲幅度值并進行補償的直接控制法。間接控制法主要基于優化算法發展而來，典型代表為隨機并行梯度下降算法等，然而，這種方法隨著激光陣元數目的拓展存在控制帶寬下降的問題。直接控制法可以直接獲取每一路激光的活塞相位誤差值，根據計算得到的每一路激光的活塞相位值進行閉環控制，典型代表為基于線性強度信號解算的干涉條紋提取法、抖動法等。針對抖動法而言，隨著陣元的拓展，抖動法的時域與頻域拓展受限，從而影響合成路數的拓展。針對基于線性強度信號解算的干涉條紋提取法而言，其依托于干涉條紋的線性強度信號進行計算條紋極值坐標。該方法的計算結果的精度嚴重受限于每個單元光束的干涉條紋采樣分辨率，因此在大陣元合成系統中，每個單元光束的成像區域有限，計算結果與活塞相位噪聲之間的誤差較大，通過干涉條紋計算得到的活塞相位取值通過閉環的相位控制回路進行活塞相位矯正時將無法嚴格抵消活塞相位噪聲，最終影響合成路數拓展和效率下降。

發明內容

為提升通過干涉條紋計算活塞相位誤差的準確度這一難題，本發明提出了一種高精度活塞相位閉環控制方法及系統，其利用二維圖像的所有數據進行組合計算獲取精確相位信息，解決傳統方法僅僅采用線性強度信號一維數據運算時由采樣率不足引入的計算精度不足難題，實現大陣元相干合成系統中高精度活塞相位閉環控制。

為實現上述技術目的，本發明采用的具體技術方案如下：

高精度活塞相位閉環控制方法，包括：

將種子激光分為兩部分，一部分輸入到激光陣列相干合成單元用于產生激光陣列，一部分作為參考光束；

獲取參考光束光軸與激光陣列光軸之間的夾角；

采集一部分激光陣列相干合成單元產生的激光陣列并對其進行縮束，利用高速相機探測縮束后的激光陣列與參考光束的干涉條紋圖像；

按照激光陣列的排布方式將干涉條紋圖像進行區域劃分，獲得激光陣列中每個單元光束的干涉條紋子圖像；