[发明专利]一种波前像差检测方法及检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及应用在自由空间光通信中的自适应光学技术领域，具体涉及一种波前像差检测方法及检测装置。

背景技术

近年来，自由空间光通信以其强大的无线接入优势成为国内外研究的焦点。自由空间光通信是以大气作为媒介进行激光载波信号的传输，其具备调制速率高、频带宽，频谱资源利用率高等优点。当两点之间无视距遮挡时，利用自由空间光通信就可以实现点对点的全双工通信，不占用市政资源、灵活拆装、方便移置其他地方，成本低廉。自由空间光通信系统可以在很多方面发挥作用，例如，两地之间在技术上不适合铺设光缆的地方，可利用自由空间光通信系统实现高速通信；国家、企业里的涉及保密工作的部门，可以利用自由空间光通信系统实现高保密性的无线连接；自由空间光通信还可以扩展现存城市间的无线接入网络，有效地解决最后一公里的问题。

然而，自由空间光通信极易受大气的影响，也就是说，大气湍流是制约其发展的主要因素。具体来说，大气湍流效应可以使激光载波信号的振幅和相位在时间和空间上发生随机波动，出现光束漂移、闪烁、到达角起伏等现象，增大了自由空间光通信系统的误码率，严重影响了通信质量，甚至导致通信中断。自由空间光通信是一种视距宽带通信技术，信号质量和通信距离的矛盾非常突出，传输距离越长，信号受大气影响衰减越剧烈，光束发散程度越大，越是难以被接收机准确接收。

目前，一般采用自适应光学技术来克服大气湍流效应对自由空间光通信的影响，其是一种被业界视为最有效和最有使用前景的方法。自适应光学技术的核心内容是实时校正光束波前畸变，而校正畸变的关键是检测波前像差。在自适应光学系统中用于波前像差检测的方法主要有：基于夏克-哈特曼波前传感器的波前像差检测法，基于曲率波前传感器的波前像差检测法和基于剪切干涉仪的波前像差检测法等。上述三种波前像差检测法的缺点为：首先，这三种波前检测装置需要大量而复杂的计算，运算时间长，实时性差，应用于高速的激光通信系统存在一定的困难。再有，这三种方法对于大气扰动导致的激光闪烁效应敏感，在自由空间光通信领域中应用时，会因无法克服闪烁效应而导致通信中断。

发明内容

为了解决现有技术中的波前像差检测方法存在的，实时性差、激光闪烁效应敏感，不能适用于自由空间光通信的技术问题，提出一种实时性高且能克服闪烁效应的波前像差检测方法及检测装置。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种波前像差检测方法，包括以下步骤：

步骤1：将一束具有某种Zernike模式最小振幅像差的第一激光载波信号，与一束汇聚于A点的球面第一参考光波干涉，将光强记录在胶片上，形成第一子全息图胶片；

步骤2：将一束与所述第一激光载波信号同种Zernike模式的，具有最大幅度像差的第二激光载波信号，与一束汇聚于B点的球面第二参考光波干涉，将光强记录在胶片上，形成第二子全息图胶片；

步骤3：将第一子全息图胶片和第二子全息图胶片叠加，形成多元全息图胶片；

步骤4：将一束与所述第一和/或第二激光载波信号具有同种Zernike模式的具有随机振幅的第三激光载波信号波照射所述多元全息图胶片，同时复现出两束球面波，分别汇聚于A点与B点，根据模式波前传感理论，A点和B点的相对光强和第三激光载波信号直接相关；通过比较A、B两点光强，得到所述第三激光载波信号的波前像差。

在上述技术方案中，该方法即基于胶片的全息技术用于自由空间光通信中的激光载波信号的波前畸变的检测方法，步骤1和步骤2是形成检测部件即全息胶片的过程。

在上述技术方案中，该检测方法的步骤4中通过比较A、B两点光强，得到所述第三激光载波信号的波前像差，具体的比较过程包括：

设像差偏振激光载波信号如公式(101)所示，其中像差偏置激光载波信号的振幅为U_S，0，相位函数为φ(r_s)，r为光波波矢：

U_S(r)=U_S,0 exp[iφ(r_s)]    (101)

参考光波如公式(102)所示其中像差偏置激光载波信号的振幅为U_R，0，相位函数为φ(r_R)，r为光波波矢：

U_R(r)=U_R,0 exp[iφ(r_R)]    (102)

将像差偏置激光载波信号光束与参考光波干涉，并记录到全息胶片上，得到光强可近似表示为公式（103）：