提高光通信光纤耦合效率的控制方法研究

发布时间：2017-04-08 09:18

  本文关键词：提高光通信光纤耦合效率的控制方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：如今,光纤通信技术发展迅速并因为其高带宽、低损耗等特点广泛的应用在民用和军用领域。空间光通信因为兼备了光纤通信以及微波通信的优点,成为一种新兴的无线宽带通信技术,并受到了各国的广泛关注。各发达国家对卫星轨道之间、星-地、地-空、地-地以及大气间等各种形式的自由空间光通信系统进行了广泛的研究。由于空间光通信系统接收端接收到的信号往往十分微弱,而光纤耦合的效率直接影响空间光通信的通信解码成功率,因此提高光纤耦合效率成为空间光通信系统面临的首要挑战。影响光纤耦合效率的主要因素包括大气衰减、大气湍流和接收端的机械振动等,大气衰减会对光进行吸收和散射,属于无法补偿的损耗。大气湍流和接收端的机械振动带来的影响在接收端表现形式是光斑随机抖动、光强减弱以及耦合初始位置改变等,这部分损耗可以通过一定方式进行补偿以提高光纤耦合效率。近年来,随机并行梯度下降算法(SPGD)因为其实现容易、收敛速度快等优点在自适应光学中广泛应用。考虑到SPGD在解决随机扰动问题方面的优势,本文拟采用二维随机并行梯度下降法并结合快速反射镜(FSM)解决大气湍流以及机械抖动引起的光纤耦合效率降低的问题。通过SPGD产生正负两次二维随机扰动量并驱动FSM;以光功率计模拟光纤接收端,将采集到的两次光功率计接收到的能量并将两者的差值作为SPGD的判断因子,产生下一次扰动进而提高耦合的效率(能量)。在应用SPGD算法提高光纤耦合的过程中,影响SPGD算法收敛效果的主要因素包括耦合的初始位置对准精度以及SPGD算法的设定参数(扰动增益和扰动幅值)。实验表明,光纤的初始耦合位置的对准精度直接影响算法的收敛效果,而SPGD设定参数将影响算法的收敛速度和收敛稳定性。而随着机器视觉在光电系统中的图像采集和图像分析处理方面的广泛应用及快速发展,且CCD探测器在参数测量方面具有其他探测器无法比拟的优势,基于机器视觉的应用对我们研究提高光纤耦合效率的方法有着重要的意义。本文采用机器视觉解决采用SPGD提高光纤耦合效率时初始位置对准难的问题,并在此基础上再通过调整SPGD参数进一步提高光纤耦合效率的综合实验方案。根据实验方案,通过搭建相应的实验平台进行实验,进而论证结合机器视觉方法和SPGD算法对有效提高光纤耦合效率(能量)的应用成效。
【关键词】：光纤耦合 机器视觉 SPGD 快反镜 空间光通信
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.11
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 国内外光纤耦合控制方法研究现状及进展10-15
• 1.2.1 国内对光纤耦合控制方法研究11-14
• 1.2.2 国外对光纤耦合的研究14-15
• 1.3 课题研究的意义15
• 1.4 论文研究的主要内容及章节安排15-17
• 2 空间光通信-光纤耦合效率分析17-27
• 2.1 空间光通信-光纤耦合系统17-19
• 2.2 光纤耦合基本原理及耦合效率分析19-23
• 2.2.1 光纤耦合基本原理19-21
• 2.2.2 影响光纤耦合效率的因素21-23
• 2.3 光纤耦合对准误差分析23-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 机器视觉在提高空间光-光纤耦合效率中的应用27-37
• 3.1 引言27-29
• 3.1.1 影响CCD图像脱靶量提取的因素27
• 3.1.2 机器视觉与CCD图像优化27-29
• 3.1.3 机器视觉软件HALCON介绍29
• 3.2 基于HALCON的运动光斑捕获29-32
• 3.2.1 基于HALCON的运动光斑捕获29-32
• 3.2.2 控制器上层软件设计32
• 3.3 基于CCD脱靶量的控制器设计32-36
• 3.3.1 利用CCD与光纤共轴保证光纤耦合效率32-33
• 3.3.2 CCD控制器回路特性辨识33-35
• 3.3.3 控制器设计35-36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 SPGD算法在提高光纤耦合效率中的应用37-45
• 4.1 随机并行梯度下降（SPGD）算法37-40
• 4.1.1 梯度下降算法37
• 4.1.2 SPGD算法基本原理37-38
• 4.1.3 SPGD算法收敛性分析38-39
• 4.1.4 SPGD算法优化39-40
• 4.2 SPGD在光纤耦合中的应用40-44
• 4.2.1 二维SPGD与光纤耦合能量的提高40-43
• 4.2.2 二维SPGD提高光纤耦合能量流程43-44
• 4.3 本章小结44-45
• 5 实验结果及分析45-63
• 5.1 引言45-49
• 5.1.1 实验验证的目的45
• 5.1.2 实验系统介绍45-49
• 5.1.3 验证步骤49
• 5.2 SPGD提高光纤耦合能量实验及结果分析49-58
• 5.2.1 SPGD提高光纤耦合的能量49-50
• 5.2.2 初始位置对SPGD收敛性的影响50-55
• 5.2.3 扰动幅值对SPGD算收敛稳定性的影响55-56
• 5.2.4 扰动增益对SPGD算收敛稳定性的影响56-58
• 5.3 CCD寻找耦合能量极值点58-59
• 5.4 基于CCD和SPGD的转接实验59-62
• 5.5 本章小结62-63
• 6 总结与展望63-65
• 6.1 论文主要工作及创新点63-64
• 6.2 未来工作展望64-65
• 参考文献65-68
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果68-69

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