[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于深度學(xué)習(xí)的大氣湍流相位屏的預(yù)測(cè)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202310631745.7
• 申請(qǐng)日: 2023-05-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN116578821A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李明;吳治庚;田立峰;張鵬鑫
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津師范大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/15
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/15;G06N3/0464;G06N3/08
• 代理公司: 天津市杰盈專(zhuān)利代理有限公司 12207
• 代理人: 朱紅星

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于深度學(xué)習(xí)的大氣湍流相位屏的預(yù)測(cè)方法，其中，該方法包括：首先根據(jù)發(fā)生畸變的光束和未發(fā)生畸變的光束以及理想輸出相位之間的內(nèi)在聯(lián)系，設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)雜度低的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及帶像素懲罰項(xiàng)的均方差損失函數(shù)，并依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在理論上能夠以任意精度逼近任何一個(gè)非線(xiàn)性函數(shù)，在不斷優(yōu)化調(diào)參之后能夠?qū)崿F(xiàn)模型參數(shù)固定下來(lái)的時(shí)候可以通過(guò)畸變的光束預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)的大氣湍流相位屏。該網(wǎng)絡(luò)模型不僅參數(shù)量較少，并且速度較快且精度也能達(dá)到所需要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于自由空間光通信領(lǐng)域，特別涉及基于深度學(xué)習(xí)的大氣湍流相位屏的預(yù)測(cè)。

背景技術(shù)

大氣傳輸畸變是阻礙攜帶軌道角動(dòng)量的渦旋光束實(shí)際應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)之一。如何準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)或者捕捉大氣信道中大氣湍流引起的相位畸變是實(shí)現(xiàn)大氣湍流補(bǔ)償?shù)闹匾A(chǔ)?，F(xiàn)有很多研究已經(jīng)提出相應(yīng)方案來(lái)提高渦旋光束對(duì)大氣湍流的魯棒性。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是最常見(jiàn)的方法，它使用Shack-Hartmann波前傳感器來(lái)獲取畸變光束的波前相位，然后利用可變形反射鏡或空間光調(diào)制器來(lái)矯正畸變的相位，這些高精密器件價(jià)格昂貴且維護(hù)成本高。

近些年，無(wú)波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)得到一定的關(guān)注，這類(lèi)系統(tǒng)與傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的不同之處在于，它不采用波前傳感器，而是采用隨機(jī)的、局部或全局搜索算法來(lái)提取光束的波前相位，后基于相位共軛對(duì)相位畸變進(jìn)行補(bǔ)償。常用的算法有Gerchberg-Saxton相位提取算法和隨機(jī)并行梯度下降相位提取算法。然而，以上兩種相位提取算法都需要多次迭代，因此，系統(tǒng)需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的處理時(shí)間才能提取出波前相位。此外，這些算法沒(méi)有學(xué)習(xí)記憶能力，在迭代計(jì)算過(guò)程中，往往會(huì)因陷入局部最小而導(dǎo)致收斂停滯，從而不能獲得準(zhǔn)確的波前相位信息。

綜上所述，不管是用基于波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)還是采用無(wú)波前傳感器的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)都無(wú)法做到速度和效果的均衡。

大氣湍流相位屏的預(yù)測(cè)可以用來(lái)估計(jì)自由空間光通信系統(tǒng)的大氣光鏈路，提取光信號(hào)的波前相位畸變并進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而顯著提升自由空間光通信系統(tǒng)的性能。自由空間光通信系統(tǒng)的發(fā)射端將調(diào)制好的光信號(hào)發(fā)射至大氣信道進(jìn)行傳輸，大氣信道中的大氣湍流將導(dǎo)致光信號(hào)的波前相位畸變。當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過(guò)一段距離的大氣傳輸?shù)竭_(dá)接收端時(shí)，累積的相位畸變將造成系統(tǒng)信道容量的急劇下降。因此，對(duì)大氣湍流引起的相位畸變進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償是自由空間光通信系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

本專(zhuān)利提出的基于深度學(xué)習(xí)的大氣湍流相位屏預(yù)測(cè)方法可以有效解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的旨在解決上述的技術(shù)問(wèn)題。為此，本發(fā)明提出基于深度學(xué)習(xí)的大氣湍流相位屏預(yù)測(cè)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于深度學(xué)習(xí)的大氣湍流相位屏的預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：根據(jù)發(fā)生畸變和未發(fā)生畸變的光束以及真實(shí)相位屏之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，以及根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有能夠以任意精度逼近一個(gè)函數(shù)的特性，故采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)相位屏具備可行性，設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜度低的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及帶像素懲罰項(xiàng)的均方差損失函數(shù)；

S2：獲取發(fā)生畸變和未發(fā)生畸變的兩種高斯光束光強(qiáng)，以及對(duì)應(yīng)的真實(shí)相位屏作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，為了使大氣湍流更加貼合實(shí)際情況，采用大氣折射率功率譜密度Hill—Andrews模型，其表達(dá)式為:

其中表示當(dāng)光束在 z方向上傳輸時(shí)的大氣折射率功率譜，其中表示以自然常數(shù)e為底的指數(shù)常數(shù)，表示大氣湍流強(qiáng)度，分別表示大氣湍流的內(nèi)尺度和外尺度因子，分別是 x和 y方向上的波數(shù)；

S3：對(duì)設(shè)計(jì)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，不斷優(yōu)化調(diào)參之后固定模型參數(shù)，將畸變的光束光強(qiáng)圖讀取入訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)大氣湍流相位屏的預(yù)測(cè)。