光纤激光阵列高速控制技术研究

论文摘要

光纤激光器是一种泵浦效率高、散热好、光束质量好、结构紧凑的固体激光器,被广泛应用于激光的能量传输以及信息传输。在这些领域中,模块化拼接结构的光纤激光阵列能够实现高功率、高光束质量的激光能量输出,也能够保证稳定、高效的空间光至光纤自适应耦合,是未来高能激光以及激光通信系统的重要研究对象。近年来,随着以自适应光纤准直器（AFOC）为代表的新型自适应光学像差校正器件研制成功,光纤激光阵列的应用场景进一步拓展,逐渐具备了应对实际大气湍流扰动的能力。实现光纤激光阵列的高速控制,在高能激光领域中意味着更远的大气传输距离、更高的合成光束能量,在激光通信领域中意味着更低的通信误码率。然而,受限于AFOC器件的谐振以及响应延时现象,阵列的控制带宽会受到一定限制。除此之外,随着阵列控制规模的不断发展（未来将达到百路以上）,使得实时算法控制器的设计变得非常困难。本文将针对光纤激光阵列中这两个关键问题—被控器件AFOC的高带宽控制以及多通道高速实时算法控制器的设计展开研究。主要研究内容分为五个部分:第一部分,分析了光纤激光阵列的控制带宽。针对阵列中的控制算法—随机并行梯度下降（SPGD）算法进行了公式推导,分析了决定控制带宽的各种因素;测试了AFOC的频率响应特性,并根据结果进行了传递函数拟合;在AFOC传递函数模型的基础上,仿真分析了器件频率响应特性中固有响应延时以及谐振现象对SPGD控制带宽的影响,证明了进行延时补偿以及谐振抑制的必要性。第二部分,设计了精确延时SPGD（Precise-delayed SPGD,PD-SPGD）算法来补偿固有响应延时现象。介绍了PD-SPGD的工作原理;室内开展了基于自适应光纤耦合器（AFC）的光纤自适应耦合实验,结果展示出PD-SPGD能够将算法收敛时间由6.3 ms降低至2.5 ms,同时动态角度抖动的控制带宽提升1倍以上;开展了520 m大气湍流下的光纤自适应耦合实验,结果展示出在PD-SPGD算法控制下系统能够实现大气湍流有效抑制,进一步降低激光通信中的误码率。第三部分,提出了基于双二阶滤波器组的主动谐振抑制方法。介绍了该方法的谐振抑制原理,仿真分析了其谐振抑制效果;使用FPGA完成了滤波器组的数字实现;搭建实验平台对该方法有效性进行了验证,结果展示出AFOC的谐振现象几乎能够得到完全补偿,并且其时域的响应振荡也得到了明显的抑制。第四部分,设计了应用于大规模光纤激光阵列的模块化SPGD算法硬件控制平台。给出了平台整体设计方案,以及各部分详细实现方式;对平台性能进行了分析,结果展示其控制精度、实时性、以及控制通道数均能够满足百单元光纤激光阵列需求,并且很容易进行更大规模扩展。第五部分,利用七单元光纤激光阵列开展了相干合成实验,对提出的PD-SPGD算法、谐振抑制滤波器组、以及模块化硬件控制平台有效性进行了验证。结果展示出控制平台能够实现稳定的锁相及倾斜控制;滤波器组能够对闭环性能指标的均方差以及抖动范围进行有效抑制;在此基础上,PD-SPGD能够将算法收敛时间由5.63 ms降低至1.83 ms,控制带宽提升2倍以上。本论文围绕光纤激光阵列高速控制技术进行了理论分析、数值仿真以及实验验证研究,提出了多种创新性技术方法,解决了其中最关键的两个问题:执行器件的高带宽控制以及大规模控制器设计,为后续研究打下了坚实基础。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 自适应光学技术在激光中的应用
•   1.3 多口径光纤激光阵列技术
•     1.3.1 基于光纤激光阵列的光束合成
•     1.3.2 基于光纤激光阵列的光纤耦合
•   1.4 光纤激光阵列中的关键校正器件
•     1.4.1 自适应光纤准直器的工作原理
•     1.4.2 器件的谐振特性优化设计
•   1.5 光纤激光阵列中的控制策略
•     1.5.1 随机并行梯度下降算法
•     1.5.2 实时硬件控制器设计
•   1.6 光纤激光阵列所面临的问题
•   1.7 论文的研究目的与研究内容
• 第2章 光纤激光阵列SPGD算法控制带宽分析
•   2.1 SPGD算法的基本原理
•     2.1.1 梯度下降算法的数学模型
•     2.1.2 随机并行扰动法进行梯度估计
•     2.1.3 SPGD算法的执行步骤
•     2.1.4 SPGD算法的控制带宽
•   2.2 器件频率特性测定及传递函数拟合
•     2.2.1 频率特性测试实验
•     2.2.2 传递函数拟合
•   2.3 SPGD算法迭代速率的限制因素
•     2.3.1 固有响应延时的影响
•     2.3.2 谐振现象的影响
•     2.3.3 限制因素的总结与对比
•   2.4 小结
• 第3章 固有响应延时补偿算法设计
•   3.1 精确延时SPGD算法设计
•   3.2 光纤自适应耦合系统响应延时测定
•   3.3 模拟扰动下的光纤耦合实验
•     3.3.1 静态对准偏差下的对比实验
•     3.3.2 动态角度抖动下的对比实验
•   3.4 大气湍流下的光纤耦合实验
•   3.5 小结
• 第4章 基于双二阶滤波器组的AFOC主动谐振抑制技术
•   4.1 双二阶滤波器的谐振抑制原理
•   4.2 双二阶滤波器组的设计及数字实现
•   4.3 主动谐振抑制实验
•     4.3.1 频率特性测试实验
•     4.3.2 响应振荡抑制实验
•   4.4 小结
• 第5章 模块化SPGD算法硬件控制平台设计及实现
•   5.1 模块化SPGD算法硬件控制平台方案设计
•     5.1.1 SPGD算法控制器基本结构
•     5.1.2 模块化SPGD算法硬件控制平台基本结构
•   5.2 硬件控制单元的实现方式
•     5.2.1 结构组成
•     5.2.2 功能实现
•   5.3 硬件控制组的实现方式
•     5.3.1 结构组成
•     5.3.2 功能实现
•   5.4 硬件控制平台的实现方式
•     5.4.1 结构组成
•     5.4.2 功能实现
•   5.5 控制平台的性能估计
•     5.5.1 控制精度分析
•     5.5.2 控制实时性分析
•     5.5.3 控制通道数分析
•   5.6 小结
• 第6章 多单元光纤激光阵列高速控制技术实验研究
•   6.1 实验方案与评价指标
•     6.1.1 实验方案
•     6.1.2 相干合成的评价指标
•   6.2 七路相干合成实验
•   6.3 两路相干合成实验
•     6.3.1 主动谐振抑制验证实验
•   6.4 小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 本论文的主要研究内容
•   7.2 本论文的主要创新点
•   7.3 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 黄冠

导师: 李新阳,耿超

关键词: 光纤激光阵列,激光通信,相干合成,自适应光纤准直器,随机并行梯度下降算法

来源: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

分类号: TN248

总页数: 125

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