空间90°光混频器分光比自适应控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种基于拟人算法的空间90°光混频器分光比自适应控制系统及其控制方法，属于空间光通信领域。

背景技术：

自由空间激光通信相比于传统的无线通信，空间光通信技术具有信息容量大，速率高，功耗低，天线尺寸小，重量轻，光束窄，方向性好等优点，能较好的解决卫星间电磁波干扰和保密问题。因此自用空间激光通信具有非常广阔的应用前景。

目前bpsk零差相干接收技术广泛应用于星间、星地间激光通信。空间型90°光混频器是影响bpsk零差相干光通信性能的核心器件。起作用是将接收到的信号光和本振光进行相干混频，残留中频信号用于信号解调以及环路锁相。空间链路中，由于受到大气湍流、恶劣天气等的影响，信号光偏振态会发生变化，这将导致信号光iq支路功率分配比变化，对相干接收机的通信性能和锁相性能造成影响。而且无法在某一特定分光比条件下实现通信性能和锁相性能同时达到最优，因此分光比自适应调控系统非常具有研究和实用价值。

中国专利公开号为“cn107132663a”，专利名称为“一种分光比自适应调控的空间光90°混频器”，该空间光90°混频器通过控制信号光输入端的半波片快轴角度来实现不同工作条件下信号光i/q路光功率分配比，实现通信性能的提高。但该专利只提出了可变分光比空间光90°混频器结构，该结构无法实现混频器分光比自适应调控。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术无法实现空间型90°光混频器分光比自适应调控的问题，提出一种空间90°光混频器分光比自适应控制系统及其控制方法，实现相干接收机在不同工作条件下分配信号光，提高锁相性能和通信性能。

本发明的技术方案是：

本发明空间90°光混频器分光比自适应控制系统，该系统包括可旋转半波片、空间型90°光混频器、i路平衡光电探测器、q路平衡光电探测器、电乘法器、锁相模块、可调谐激光器、adc、fpga模块、步进电机驱动电路、步进电机、电源、存储模块和信号解调模块；

可旋转半波片置于空间型90°光混频器信号光输入端口前，用于调整输入信号光偏振状态；i路平衡光电探测器和q路平衡光电探测器分别置于空间型90°光混频器的输出端口处，用于将空间型90°光混频器输出的中频光信号转化为电信号；i路平衡光电探测器和q路平衡光电探测器的输出端口分别与电乘法器输入端口和adc连接；电乘法器输出端口分两路，其中一路输出端口连接到锁相模块输入端口，锁相模块输出端口连接到可调谐激光器，可调谐激光器的激光输出端口对准空间型90°光混频器的本振光输入端口；电乘法器另一路输出端口连接到adc，adc将电乘法器以及i路平衡探测器和q路平衡探测器输出的模拟电信号进行模数转换；adc与fpga模块连接，将数模转换后的信号传输到fpga模块的io端口输入端；fpga模块的io输出端口连接到步进电机驱动电路输入端，步进电机驱动电路输出端连接到步进电机，步进电机与可旋转半波片连接，驱动可旋转半波片；存储器模块和fpga模块连接；电源模块与fpga模块和步进电机驱动电路连接；信号解调模块接收i路平衡光电探测器输出的i路电信号用于信号解调。

空间90°光混频器分光比自适应控制系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，系统接收信号光通过可旋转半波片调整其偏振态，然后信号光进入空间型90°混频器2，空间型90°混频器接收的信号光与可调谐激光器发出的本振光相干混频，输出中频信号被i路平衡光电探测器和q路平衡光电探测器转换为i、q两路电信号；i、q两路电信号经电乘法器输出鉴相信号；

步骤二，鉴相信号通过adc转换为数字信号传输给fpga模块，由fpga模块判决，若鉴相信号为0，系统完成锁相，fpga模块调用通信分光比子程序，系统进行通信，i路平衡光电探测器输出电信号，再通过信号解调模块进行通信；若鉴相信号不为0时，系统失锁，则系统失锁，fpga模块调用锁相分光比子程序，系统进行可调谐激光器和信号光锁相；

步骤三，锁相分光比子程序，i路平衡光电探测器和q路平衡光电探测器接收到的电压模拟信号经adc转换为数字信号传递给fpga模块，fpga模块对两者进行比较；当两者信号大小不同时，fpga模块运行拟人算法，发出电机工作信号，步进电机驱动电路发出脉冲信号控制步进电机驱动可旋转半波片向随机方向转动；若i路平衡光电探测器和q路平衡光电探测器输出电压差值的绝对值减小，则拟人算法启动奖励机制，步进电机驱动可旋转半波片继续向该方向转动；若i路平衡光电探测器和q路平衡光电探测器输出电压差值的绝对值增大，则拟人算法启动惩罚机制，步进电机驱动可旋转半波片向反方向转动；当i路平衡光电探测器和q路平衡光电探测器输出电压信号相同时，fpga模块向步进电机驱动电路发出终止信号，步进电机运动停止；锁相模块对可调谐激光器进行调谐，当鉴相信号为0时，系统完成锁相；

步骤四，通信分光比子程序，fpga模块运行拟人算法，测量通信分光比阈值；fpga模块向步进电机驱动电路发出电机工作信号，步进电机驱动电路发出脉冲信号控制步进电机驱动可旋转半波片向随机方向转动；若i路平衡光电探测器输出电压增大，则拟人算法启动奖励机制，步进电机驱动可旋转半波片继续向该方向转动；若i路平衡光电探测器输出电压减小，则拟人算法启动惩罚机制，步进电机驱动可旋转半波片向反方向转动；当鉴相信号不为零时，系统失锁，fpga模块发出步进电机终止信号，并将步进电机运动步长n存储在存储模块，fpga模块生成步长为n＝n-1的控制电机运动的配置文件m存储于存储模块；之后fpga模块调用锁相分光比子程序，系统重新锁相；完成锁相后，fpga模块调用配置文件m，步进电机运行n步，若鉴相信号不为0，则步进电机运动步长n＝n-1，生成新的配置文件m并覆盖之前的配置文件；若鉴相信号为0，则结束。

本发明的有益效果是：

本发明利用fpga模块通过拟人算法实现对空间型90°光混频器分光比进行自适应控制。本发明可自适应调节空间型90°光混频器分光比实现系统快速锁相。本发明可根据不同工作环境自适应得到在不失锁条件下最优通信性能的分光比阈值，实现对分光比的控制，降低通信误码率。该系统不需要对fpga模块内部功能进行修改即可实现空间型90°光混频器分光比的闭环自适应控制，灵活度高，结构简单。

附图说明

图1为本发明空间90°光混频器分光比自适应控制系统结构示意图。

图2为本发明本发明空间90°光混频器分光比自适应控制方法的控制流程图。

图3为本发明的控制方法对应步骤三所述的锁相分光比控制的流程示意图。

图4为本发明的控制方法对应步骤四和步骤五所述的通信分光比控制的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

如图1所示，本发明空间90°光混频器分光比自适应控制系统，该系统包括可旋转半波片1、空间型90°光混频器2、i路平衡光电探测器3、q路平衡光电探测器4、电乘法器5、锁相模块6、可调谐激光器7、模数转换器(adc)8、fpga模块9、步进电机驱动电路10、步进电机11、电源12、存储模块13和信号解调模块14。

可旋转半波片1置于空间型90°光混频器2信号光输入端口前，用于调整输入信号光偏振状态。i路平衡光电探测器3和q路平衡光电探测器4分别置于空间型90°光混频器2的输出端口处，用于将空间型90°光混频器2输出的中频光信号转化为电信号。i路平衡光电探测器3和q路平衡光电探测器4的输出端口分两路通过电缆分别和电乘法器5输入端口和adc8连接。

电乘法器5的输出端口分两路，其中一路输出端口通过电缆连接到锁相模块6输入端口，锁相模块6输出端口通过电缆连接到可调谐激光器7，可调谐激光器7激光输出端口对准空间型90°光混频器2本振光输入端口。电乘法器5另一路输出端口通过电缆连接到adc8，adc8将电乘法器5以及i路平衡探测器3和q路平衡探测器4输出的模拟电信号进行模数转换。

adc8与fpga模块9连接，将数模转换后的信号通过电缆传输到fpga模块9io端口输入端。fpga模块9的io输出端口连接到步进电机驱动电路10输入端，步进电机驱动电路10输出端连接到步进电机11驱动可旋转半波片1。

存储器模块13和fpga模块9连接；电源模块12连接到步进电机驱动电路10提供12v直流电源。电源模块12与fpga模块9连接，电源模块12通过稳压、滤波后输出5v电源，为fpga模块9以供电。信号解调模块14通过电缆接收i路平衡光电探测器3输出的i路电信号，用于信号解调。

本发明空间90°光混频器分光比自适应控制方法，包括以下步骤，具体流程如图2所示：

步骤一：系统接收信号光通过可旋转半波片1调整其偏振态，然后信号光进入空间型90°混频器2，在空间型90°混频器2内的信号光与可调谐激光器7发出的本振光进行混频，输出中频信号通过i路平衡光电探测器3和q路平衡光电探测器4接收转化为i、q两路电信号，i、q两路电信号经电乘法器5输出鉴相信号。

步骤二：鉴相信号通过adc8转化为数字信号传输给fpga模块9，由fpga模块9判决，若鉴相信号为0，系统完成锁相，fpga模块9调用通信分光比子程序，系统进行通信，i路平衡探测器3输出电信号，再通过信号解调模块14进行通信；若鉴相信号不为0，则系统失锁，fpga模块9调用锁相分光比子程序，系统进行可调谐激光器和信号光锁相。

步骤三：锁相分光比子程序，如图3所示，i路平衡光电探测器3和q路平衡光电探测器4接收到的电压模拟信号经adc8转换为数字信号传递给fpga模块9，fpga模块9对两者进行比较；当两者信号大小不同时，fpga模块9运行拟人算法，发出电机工作信号，步进电机驱动电路10发出脉冲信号控制步进电机11驱动可旋转半波片1向随机方向转动；若i路平衡探测器3和q路平衡探测器4输出电压差值的绝对值减小，则拟人算法启动奖励机制，步进电机11驱动可旋转半波片1继续向该方向转动。若i路平衡光电探测器3和q路平衡光电探测器4输出电压差值的绝对值增大，则拟人算法启动惩罚机制，步进电机11驱动可旋转半波片1向反方向转动。当i路平衡光电探测器3和q路平衡光电探测器4输出电压信号相同时，fpga模块9向步进电机驱动电路10发出终止信号，步进电机11运动停止。锁相模块6对可调谐激光器7进行调谐，当鉴相信号为0时，系统完成锁相。

步骤四：通信分光比子程序，如图4所示，fpga模块9运行拟人算法，测量通信分光比阈值。

fpga模块9向步进电机驱动电路10发出电机工作信号，步进电机驱动电路10发出脉冲信号控制步进电机11驱动可旋转半波片1向随机方向转动；若i路平衡光电探测器3输出电压增大，则拟人算法启动奖励机制，步进电机11驱动可旋转半波片1继续向该方向转动。若i路平衡探测器3输出电压减小，则拟人算法启动惩罚机制，步进电机11驱动可旋转半波片1向反方向转动。当鉴相信号不为零时，系统失锁，fpga模块9发出步进电机终止信号，并将步进电机运动步长n存储在存储模块13，fpga模块9生成步长为n＝n-1的控制电机运动的配置文件m存储于存储模块13；之后fpga模块9调用锁相分光比子程序，系统重新锁相。完成锁相后，fpga模块9调用配置文件m，步进电机11运行n步，若鉴相信号不为0，则步进电机11运动步长n＝n-1，生成新的配置文件m并覆盖之前的配置文件。若鉴相信号为0，则结束。

所述拟人算法的核心是高级rosenbrock搜索算法，这是一种无约束的直接搜索方法，当搜索成功时启动奖励机制，搜索失败时启动惩罚机制。高级rosenbrock搜索算法具有一种称为耐心的独特退出机制。耐心涉及一个预设参数，该参数是高级rosenbrock搜索算法可以承受的最大连续勘探失败次数。一旦超过耐心，当前的优化将立即终止。随后，从新的随机点开始新的探索。