一种基于高斯探针补偿大气湍流的系统和方法

本发明涉及光通信，特别是一种基于高斯探针补偿大气湍流的系统和方法。

背景技术：

1、涡旋光束(vorte beams,vbs)作为一种携带轨道角动量(orbital angularmomentum,oam)的结构光，以其独特的性质引起了人们广泛关注。vbs的螺旋波前可以用相位因子exp(ilθ)表示，其中l表示oam模式的拓扑荷，θ是方位角。理论上，l可以取任意整数值，这意味着vbs有无限多个可用的oam模式，且oam的不同模式是相互正交的。这些特性使vbs特别适合多路复用通信，可在增加通信容量方面提供额外的自由度。然而，在实际的无线光通信链路中，由大气中温度和压力的不均匀性引起的大气湍流(atmosphericturbulence,at)会导致vbs的波前严重失真和相干破坏，这直接增加相邻oam模式之间的串扰，从而阻碍了oam复用通信的实际应用。

2、在oam多路复用通信系统中，已提出多种方法来补偿at的影响。自适应光学(ao)系统是实现相位补偿最常用的方法，常见的算法有gerchberg-saxton(gs)和随机并行梯度下降。然而，这两种算法都需要多次迭代，且容易陷入局部极小值而无法找到最优解，这使得ao系统的校正效率较低，从而无法满足快速补偿的需求。

3、卷积神经网络(cnn)是深度学习技术的一种算法，由于其强大的信号处理能力，在人脸识别、图像分类中得到了广泛应用，近年来也被引入涡旋光通信系统来解调oam信号。同时，利用cnn还可从oam模式的强度分布中提取at特征，对失真的涡旋光校正，与传统迭代算法相比具有校正速度快和准确率高的优点。但针对不同的oam模式需训练不同的网络模型，导致校正效率很低。其后，研究者通过在涡旋光通信系统中引入高斯探针，利用cnn网络从畸变的高斯光强中预测at信息，从而实现对不同oam模式的at补偿。

4、然而，目前的研究大部分是利用数值模拟数据集训练cnn网络，很少涉及实验研究。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于高斯探针补偿大气湍流的系统和方法。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、本发明的目的之一是要提供一种基于高斯探针补偿大气湍流的系统，包括：

4、光源，用于输出波长为632.8nm的氦氖激光即高斯光；

5、偏振器，设置于光源正前方，用于将光源输出的高斯光转换成垂直方向振动的线偏振光束；

6、第一半波片，设置于偏振器正前方，用于将偏振器转换的垂直方向振动的线偏振光束转变为与x轴成45°方向振动的线偏振光束；

7、50:50的非偏振分束镜，设置于第一半波片正前方，用于第一半波片转换的与x轴成45°方向振动的线偏振光束通过；

8、光束位移器，设置于50:50的非偏振分束镜正前方，用于将通过50:50的非偏振分束镜的与x轴成45°方向振动的线偏振光束分成水平方向振动的线偏振光束和垂直方向振动的线偏振光束；

9、第二半波片，设置于光束位移器正前方的垂直方向振动的线偏振光束的光路上，用于将通过光束位移器的垂直方向振动的线偏振光转换为水平方向振动的线偏振光；

10、第一反射式相位型液晶空间光调制器，第一反射式相位型液晶空间光调制器的屏幕分为两半，左半部分用于接收通过光束位移器的水平方向振动的线偏振光束并将其反射得到涡旋光束，左半部分用于加载湍流与螺旋波前叠加的相位屏，以模拟涡旋光束经大气湍流；右半部分用于接收通过第二半波片的水平方向振动的线偏振光并将其反射，反射的水平方向振动的线偏振光经过第二半波片又变为垂直方向振动的线偏振光即为高斯探针光束，右半部分加载涡旋光束相同的湍流相位屏，涡旋光束和高斯探针光束经光束位移器合束后经50:50的非偏振分束镜反射；

11、偏振分光镜，设置于50:50的非偏振分束镜一侧，用于将50:50的非偏振分束镜反射的光束分成涡旋光束和高斯探针光束；

12、第一cmos图像传感器，设置于偏振分光镜一侧，用于记录高斯探针光束的强度分布；

13、第一计算机，分别与第一cmos图像传感器和第一反射式相位型液晶空间光调制器相连，第一计算机包含resunet网络，将第一cmos图像传感器记录的高斯探针光束的强度分布作为resunet网络的输入，用于预测大气湍流相位屏，对预测的大气湍流相位屏取反相位，再与原来加载在第一反射式相位型液晶空间光调制器的螺旋波前叠加大气湍流的相位屏叠加，获得补偿后的涡旋光光强分布。

14、进一步地，该基于高斯探针补偿大气湍流的系统还包括：

15、第二cmos图像传感器，设置于偏振分光镜另一侧，用于记录涡旋光束的强度分布；

16、透镜，设置于偏振分光镜另一侧与第二cmos图像传感器之间，用于会聚涡旋光束；

17、第二反射式相位型液晶空间光调制器，设置于偏振分光镜正前方，用于加载达曼涡旋光栅；

18、第二计算机，分别与第二cmos图像传感器和第二反射式相位型液晶空间光调制器连接，用于使第二反射式相位型液晶空间光调制器加载达曼涡旋光栅，以检测涡旋光的模式纯度。

19、优选地，所述第一反射式相位型液晶空间光调制器和第二反射式相位型液晶空间光调制器均包括1920×1080个像素，每个像素尺寸为6.4μm×6.4μm。

20、优选地，所述resunet网络主要由编码器与解码器组成，编码器包含四次下采样，每经过一次下采样，特征图尺寸减半，通道数增加一倍；下采样由一个步长为2×2的最大池化层maxpooling和一个残差块组成，其中残差块中的卷积层使用3×3大小，步长为1的卷积核，每个卷积层后接一个批量归一化层batch norm和一个relu激活函数；经过最大池化层maxpooling后，特征图尺寸减半，通道数不变；经过残差块，特征图尺寸不变，通道数增加一倍；解码器包含四次上采样，每经过一次上采样，特征图尺寸增加一倍，通道数减小一倍；上采样由一个残差块和一个步长为2×2的反卷积组成，经过反卷积后，特征图尺寸增加一倍，通道数减小一倍，然后将特征图与下采样阶段尺寸相同的特征图进行拼接，通道数增加一倍，尺寸不变，经过残差块，特征图尺寸不变，通道数减半。

21、本发明的目的之二是要提供一种基于高斯探针补偿大气湍流的方法，包括以下步骤：

22、s1、将第一cmos图像传感器记录的高斯探针光束的强度分布作为resunet网络的输入，用于预测大气湍流相位屏；

23、s2、对预测的大气湍流相位屏取反相位，再与原来加载在第一反射式相位型液晶空间光调制器的螺旋波前叠加大气湍流的相位屏叠加，获得补偿后的涡旋光光强分布。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、1、本发明设计的系统，以经湍流的高斯探针光束的光强为实验数据集，对模型训练，从而在实验上实现对涡旋光的大气湍流补偿。

26、2、与传统的gs和随机并行梯度下降迭代算法相比，本发明提出的resunet模型，能在几十毫秒内计算出补偿的大气湍流相位屏，可对失真的涡旋光进行快速、准确的补偿。

27、3、本发明使用的数据集包含不同传输距离与不同湍流强度下的畸变高斯光束，使用该数据集训练得到的resunet网络泛化性更好，鲁棒性更高，适用范围更广，能对不同传播距离与不同湍流强度下的不同oam模式进行大气湍流补偿。