李博驍張峰田蕾聶杰文楊海寧

(1.中國電子科學研究院,北京 100041；2.清華大學電子工程系,北京 100084；3.東南大學電子科學與工程學院,江蘇 南京 210096)

我國擁有18 000 多千米的海岸線、超過300 萬平方千米的管轄海域,海洋經(jīng)濟總量超過8 萬億元[1],占我國經(jīng)濟總量的10%左右。海洋強國已經(jīng)成為我國強國戰(zhàn)略的重要組成部分。為了進一步提高我國海洋資源開發(fā)能力,發(fā)展海洋經(jīng)濟,保護海洋生態(tài)環(huán)境,維護國家海洋權(quán)益,我國對管轄海域展開了系統(tǒng)性的探測工作,采集了大量的海洋信息。水下光傳輸在通信[2]、成像探測等[3-10]領域都有著廣泛的應用,光媒介具有超低時延、超高帶寬、高安全性,可觀的水下傳輸距離等優(yōu)勢[4-5],對于我國海洋探索能力的提高具有極高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

光束在水下的傳輸特性(包括衰減、擴散和散射等特性)是影響水下光傳輸性能的主要因素[6]。一方面光束的發(fā)散導致光傳輸效率急劇下降,同時,受水流、水中雜質(zhì)和氣泡[11]等因素影響,波陣面會受到空間相位調(diào)制,進而產(chǎn)生自干涉現(xiàn)象,也導致了光束能量的損失。光束能量的損失在水下成像領域會極大限制其成像距離和分辨率,對于水下光通信會極大影響傳輸距離和數(shù)據(jù)速率。因此,改善光束在水下長距離傳輸?shù)奶匦?降低其傳輸損耗和光束的擴束、散射和自干涉,在各類水下無線光系統(tǒng)中有著重要而普遍的應用價值。遺傳算法作為一種具有全局搜索能力的啟發(fā)式算法,在光束整形領域也存在著廣泛應用[7-9]。

本文基于遺傳算法提出了一種光束整形技術(shù),利用空間光調(diào)制器對光束波前編碼,結(jié)合遺傳算法優(yōu)異的尋優(yōu)性能,來實現(xiàn)快速地自適應波前整形,在水下20 m 的距離下將光傳輸效率提高了約5.6 倍。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)

水下無線光傳輸系統(tǒng)由發(fā)射端、水下信道和接收端三部分組成,為了補償水體對光束的影響,在激光入水之前,通過空間光調(diào)制器對其進行波前編碼調(diào)制,在接收端通過相機監(jiān)測光束形貌并評估光束的耦合能量強度。

在光束經(jīng)過水下信道傳輸過程中,由于光束的發(fā)散以及水的吸收和散射作用,接收端探測到的信號很微弱,為了使接收端能聚焦光斑,獲得更多的能量,提高系統(tǒng)的信噪比,可以用空間光調(diào)制器對入射光的波前進行空間相位調(diào)制。我們將入射光照射到的空間光調(diào)制器的區(qū)域劃分為N個等大的像素單元,調(diào)制每個單元的相位,調(diào)制后目標位置處的復振幅可以表示為如下所示:

式中:An和φn分別表示經(jīng)過第n個像素單元后光場的振幅和相位。劃分單元數(shù)N越多,光束被調(diào)制得越精細,目標位置處的光強聚焦效果越好。

如圖1 所示為,空間光調(diào)制器上的有效區(qū)域為1 024*1 024 個像素,平均劃分為32*32 個單元,每個單元作為一個整體,其相位調(diào)制量可以單獨操縱。

圖1 隨機相位圖

本實驗中,我們采用了遺傳算法這一全局優(yōu)化算法優(yōu)化入射波前,尋找空間光調(diào)制器上的最優(yōu)相位。圖2 展示了優(yōu)化流程。入射光經(jīng)過系統(tǒng)之后,在接收端的相機捕捉到光強分布,以這一信號為反饋,調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器上的相位,使得相機上目標處光強信號最大。

圖2 優(yōu)化流程圖

圖3 展示了遺傳算法的流程圖。首先,隨機化初始相位,設定進化的初始種群個數(shù)、迭代次數(shù)、交叉概率和變異概率,本實驗中初始化種群為32,將全息圖分為了32*32 共1 024 個段,隨機產(chǎn)生初始相位是每一段的相位,根據(jù)空間光調(diào)制器的特性,相位的取值包含256 個階梯。然后,以輸出光場目標位置的光強值作為適應度函數(shù),計算種群中每個個體的適應度,按照適應值大小對所有個體進行排序,根據(jù)排序的結(jié)果從所有個體中選出父本和母本個體,將兩個個體進行均勻交叉操作,得到子代個體。對交叉后的子代個體進行變異操作,進一步增加子代個體的多樣性,避免算法過早收斂,得到新的子代個體并計算適應度,保留上下兩代中基因相對更好的個體生成新的種群,進入到下一代優(yōu)化,直至滿足迭代次數(shù)。

圖3 遺傳算法流程圖

2 實驗設置與結(jié)果

本文構(gòu)建如圖4 所示的光束整形系統(tǒng),結(jié)合空間光場相位調(diào)制和光學系統(tǒng)設計,實現(xiàn)針對水下長距離無線光傳輸?shù)墓馐渭夹g(shù)。在發(fā)射端,波長為450 nm 的激光光束經(jīng)由準直器進行準直,起到抑制激光束發(fā)散的作用,然后經(jīng)過分光鏡射入反射型空間光調(diào)制器上。通過在空間光調(diào)制器上加載不同的全息圖對入射光束波前進行編碼調(diào)制,調(diào)制后的光束經(jīng)由傅里葉透鏡和擴束系統(tǒng)進一步整形后射入水中。本文水下信道采用一只5 m 長的水箱,通過水箱兩端的反射鏡折疊光路來實現(xiàn)遠距離的傳輸。在接收端,通過相機監(jiān)測光斑形貌,并將中心光束強度作為反饋信號用于優(yōu)化算法的迭代。

圖4 水下光路實驗圖

圖5 展示了水下20 m 的距離下,基于遺傳算法的光束整形技術(shù)的迭代曲線。橫軸是遺傳算法的迭代數(shù),縱軸是接收端光束的中心能量,由于此反饋值來自于激光相機的探測值,其取值范圍限于0～255范圍內(nèi),和接收到的光強正相關(guān)。經(jīng)過接近250 次的迭代,接收端光束中心能量強度值從25 單位逐步上升到約140 單位,實現(xiàn)了約5.6 倍的增益。

圖5 優(yōu)化過程圖

圖6 分別比較了從發(fā)射端(0 m)到水下5 m,10 m,15 m,20 m 處的光束整形前后的接收端光斑圖。每一組照片都是基于相同的曝光時間和增益等相機設置拍攝,以便于直接比較光束整形對水下光傳輸效率的改善效果。雖然隨著距離的增加,光束不可避免會發(fā)生發(fā)散,但是經(jīng)過發(fā)射端的整形調(diào)制,接收端的光束不僅實現(xiàn)了能量顯著提高,并且光斑形貌也呈現(xiàn)集中、便于耦合的圓形。經(jīng)過不同距離的實驗,驗證了本方法具有較好的收斂性能,且能夠?qū)崿F(xiàn)不同距離下的自適應聚焦,展現(xiàn)出有價值的應用潛力。

圖6 不同距離下的全息圖和光斑

3 結(jié)論

針對水下光傳輸面臨的光束發(fā)散、水體吸收與散射、相位扭曲等因素造成中的能量衰減,本文通過光束波前編碼結(jié)合遺傳算法實現(xiàn)了一種自適應的光束整形技術(shù),用于提升水下光傳輸?shù)男?。通過對波前進行32*32 的分塊編碼,利用遺傳算法強大的全局搜索能力和快速穩(wěn)定的收斂性能來實現(xiàn)光束聚焦。

在本文的驗證性實驗中,利用空間光調(diào)制器和擴束光學系統(tǒng)對450 nm 的激光光束進行波前編碼調(diào)制,在遺傳算法的引導下,通過約250 次迭代即可實現(xiàn)算法的收斂,得到提升效果顯著的光束整形全息圖,在水下20 m 處將光束中心強度提高約5.6倍。且本文提出的光束整形模塊對于不同的激光器、探測器及調(diào)制方式都具有較好的兼容性,極大提高了本技術(shù)的適用范圍。同時為光束在水下的長距離傳輸實現(xiàn)提供了一種有價值的解決方案。