本技術(shù)涉及光通信，更具體地，涉及一種基于mplc與動(dòng)態(tài)超表面的光抗湍流方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在自由空間光通信及衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)中，光信號(hào)在大氣信道中傳輸時(shí)，由于大氣中溫度、壓力的隨機(jī)變化導(dǎo)致折射率分布不均勻，形成大氣湍流。大氣湍流會(huì)引起光束發(fā)生波前畸變，表現(xiàn)為光束漂移、光強(qiáng)閃爍（閃爍效應(yīng)）及光束擴(kuò)展等現(xiàn)象。這些效應(yīng)將導(dǎo)致光斑在接收端失真、耦合效率下降，甚至造成通信中斷，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性與傳輸性能。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)多采用無(wú)線電頻段進(jìn)行信號(hào)傳輸，但其頻譜資源有限、帶寬較低，且易受電磁干擾。激光通信憑借其高帶寬、高方向性及抗干擾能力，成為下一代衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向。然而，如何有效抑制大氣湍流對(duì)激光通信的影響，一直是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

2、多平面光轉(zhuǎn)換（multi-plane?light?conversion,?mplc）技術(shù)通過(guò)將畸變光束分解為多個(gè)正交模式的線性疊加，在多個(gè)相位平面上對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制與重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)湍流補(bǔ)償。mplc技術(shù)具有帶寬高、無(wú)源工作、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于高湍流環(huán)境。然而，傳統(tǒng)mplc系統(tǒng)需結(jié)合復(fù)雜的模式解復(fù)用與合束結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)體積較大，光路損耗較高，且難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的波前調(diào)控，限制了其在小型化、集成化光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。由于傳統(tǒng)mplc結(jié)構(gòu)的相位平面固定，無(wú)法根據(jù)湍流的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，限制了其在快速變化湍流環(huán)境中的適應(yīng)能力，導(dǎo)致現(xiàn)有的mplc方案存在動(dòng)態(tài)調(diào)控能力不足的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)mplc無(wú)法根據(jù)湍流的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)調(diào)控能力有限的不足，提供一種基于mplc與動(dòng)態(tài)超表面的光抗湍流方法及系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，適應(yīng)不同的湍流環(huán)境，顯著提高響應(yīng)速度與精度。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、提供一種基于mplc與動(dòng)態(tài)超表面的光抗湍流方法，包括：

4、s1.采集數(shù)據(jù)：分別采集目標(biāo)光束的湍流波前畸變數(shù)據(jù)w(x,y,t)、振動(dòng)位移數(shù)據(jù)s(t)、光強(qiáng)波動(dòng)數(shù)據(jù)；

5、s2.計(jì)算綜合干擾因子：基于湍流波前畸變數(shù)據(jù)w(x,y,t)、振動(dòng)位移數(shù)據(jù)s(t)、光強(qiáng)波動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算綜合干擾因子，并設(shè)置各個(gè)數(shù)據(jù)的初始權(quán)重系數(shù)；

6、s3.生成總的相位調(diào)制指令：根據(jù)綜合干擾因子計(jì)算動(dòng)態(tài)超表面的補(bǔ)償相位，同時(shí)計(jì)算mplc結(jié)構(gòu)中各個(gè)相位平面的調(diào)制相位，基于補(bǔ)償相位和調(diào)制相位生成總的相位調(diào)制指令；

7、s4.調(diào)制：將總的相位調(diào)制指令轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，分別施加于動(dòng)態(tài)超表面與mplc結(jié)構(gòu)，其中動(dòng)態(tài)超表面激活對(duì)應(yīng)分區(qū)的亞波長(zhǎng)單元，實(shí)現(xiàn)相位與振幅的調(diào)制；mplc結(jié)構(gòu)調(diào)整各個(gè)相位平面的參數(shù)，優(yōu)化波前與視場(chǎng)；

8、s5.優(yōu)化調(diào)制：光束依次經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)超表面與mplc結(jié)構(gòu)的調(diào)制后，進(jìn)入接收模塊，接收模塊分析光場(chǎng)質(zhì)量，判斷光場(chǎng)質(zhì)量是否滿足預(yù)設(shè)要求，若滿足，則調(diào)制結(jié)束；若不滿足，則返回步驟s2，調(diào)整權(quán)重系數(shù)，重復(fù)步驟s1~s5，直至光場(chǎng)質(zhì)量滿足預(yù)設(shè)要求。

9、本發(fā)明的一種基于mplc與動(dòng)態(tài)超表面的光抗湍流方法，光束經(jīng)大氣信道傳輸，受到湍流、振動(dòng)及光強(qiáng)閃爍的耦合干擾；光束首先傳輸至動(dòng)態(tài)超表面，通過(guò)動(dòng)態(tài)超表面實(shí)現(xiàn)相位與振幅的調(diào)制；然后傳輸至mplc結(jié)構(gòu)，通過(guò)mplc結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波前與視場(chǎng)的優(yōu)化調(diào)制；調(diào)制后的光信號(hào)輸入至接收模塊；光束在傳輸過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集湍流波前畸變數(shù)據(jù)w(x,y,t)、振動(dòng)位移數(shù)據(jù)s(t)、光強(qiáng)波動(dòng)數(shù)據(jù)，然后計(jì)算綜合干擾因子，綜合干擾因子是基于w(x,y,t)、s(t)、得到的；根據(jù)再計(jì)算動(dòng)態(tài)超表面的補(bǔ)償相位以及mplc結(jié)構(gòu)的調(diào)制相位，最終生成總的相位調(diào)制指令；根據(jù)總的相位調(diào)制指令分別對(duì)動(dòng)態(tài)超表面和mplc結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)制；每調(diào)制一次進(jìn)行一次光場(chǎng)質(zhì)量的判斷，直至滿足需要。本發(fā)明通過(guò)動(dòng)態(tài)超表面、mplc結(jié)構(gòu)、以及循環(huán)調(diào)制的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了湍流、振動(dòng)、光強(qiáng)閃爍的耦合干擾的同步抑制，本發(fā)明的方法能夠根據(jù)環(huán)境的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而適應(yīng)不同的湍流環(huán)境，本發(fā)明基于動(dòng)態(tài)超表面與mplc的協(xié)同調(diào)制，顯著提高響應(yīng)速度與精度。

10、進(jìn)一步地，在步驟s2中，綜合干擾因子通過(guò)以下公式計(jì)算：

11、

12、式中，、、表示權(quán)重系數(shù)。

13、進(jìn)一步地，在步驟s3中，動(dòng)態(tài)超表面的補(bǔ)償相位通過(guò)以下公式計(jì)算：

14、

15、式中，表示系統(tǒng)校準(zhǔn)相位，用于補(bǔ)償靜態(tài)誤差；表示被權(quán)重調(diào)整后的湍流波前畸變數(shù)據(jù)；

16、總的相位調(diào)制指令通過(guò)以下公式計(jì)算：

17、

18、式中，表示mplc結(jié)構(gòu)中相位平面的相位，i表示相位平面的序號(hào)，n表示mplc結(jié)構(gòu)中相位平面的數(shù)量。

19、進(jìn)一步地，將動(dòng)態(tài)超表面劃分為多個(gè)獨(dú)立亞波長(zhǎng)單元陣列，每個(gè)亞波長(zhǎng)單元能夠單獨(dú)激活或關(guān)閉。

20、進(jìn)一步地，在步驟s4中，根據(jù)與預(yù)設(shè)閾值之間的關(guān)系，動(dòng)態(tài)調(diào)整亞波長(zhǎng)單元的激活數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)功耗的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

21、進(jìn)一步地，當(dāng)大于第一閾值時(shí)，激活動(dòng)態(tài)超表面的全部亞波長(zhǎng)單元；當(dāng)小于等于第一閾值，且大于第二閾值時(shí)，激活動(dòng)態(tài)超表面1/2的亞波長(zhǎng)單元；當(dāng)小于第二閾值時(shí)，激活動(dòng)態(tài)超表面1/4的亞波長(zhǎng)單元。

22、進(jìn)一步地，通過(guò)以下公式對(duì)功耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整：

23、

24、式中，表示總功耗；表示滿功率；m表示激活的亞波長(zhǎng)單元數(shù)量；m表示總的亞波長(zhǎng)單元數(shù)量。

25、進(jìn)一步地，所述動(dòng)態(tài)超表面包括亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列和復(fù)合功能材料層，通過(guò)調(diào)整亞波長(zhǎng)單元的高度以及占空比，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)下的相位調(diào)整。

26、本發(fā)明還提供一種基于mplc與動(dòng)態(tài)超表面的光抗湍流系統(tǒng)，包括：

27、光源模塊：用于產(chǎn)生多波段光束，并傳輸至動(dòng)態(tài)超表面模塊；

28、動(dòng)態(tài)超表面模塊：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的振幅和相位的聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)制，經(jīng)同態(tài)超表面模塊調(diào)制后的光束傳輸至mplc模塊；

29、mplc模塊：用于調(diào)整光束的波前與視場(chǎng)；經(jīng)mplc模塊調(diào)制后的光束傳輸至接收模塊；

30、控制模塊：包括多干擾感知單元，用于分別采集光束的湍流波前畸變數(shù)據(jù)w(x,y,t)、振動(dòng)位移數(shù)據(jù)s(t)、光強(qiáng)波動(dòng)數(shù)據(jù)；協(xié)同調(diào)度單元：用于實(shí)時(shí)處理多干擾感知單元采集的數(shù)據(jù)，包括計(jì)算綜合干擾因子，根據(jù)計(jì)算動(dòng)態(tài)超表面的補(bǔ)償相位、計(jì)算mplc結(jié)構(gòu)中各個(gè)相位平面的調(diào)制相位、基于補(bǔ)償相位和調(diào)制相位生成總的相位調(diào)制指令；驅(qū)動(dòng)單元：用于將總的調(diào)制指令轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，分別施加于動(dòng)態(tài)超表面模塊與mplc模塊，其中，動(dòng)態(tài)超表面激活對(duì)應(yīng)分區(qū)的亞波長(zhǎng)單元，實(shí)現(xiàn)相位與振幅的調(diào)制；mplc結(jié)構(gòu)調(diào)整各個(gè)相位平面的參數(shù)，優(yōu)化波前與視場(chǎng)；

31、以及接收模塊：用于接收調(diào)制后的光信號(hào)，并分析光場(chǎng)質(zhì)量，判斷光場(chǎng)質(zhì)量是否滿足預(yù)設(shè)要求，若滿足，則調(diào)制結(jié)束；若不滿足，則調(diào)整綜合干擾因子中w(x,y,t)、s(t)、對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，直至光場(chǎng)質(zhì)量滿足預(yù)設(shè)要求。

32、進(jìn)一步地，綜合干擾因子通過(guò)以下公式計(jì)算：

33、

34、式中，、、表示權(quán)重系數(shù)。

35、進(jìn)一步地，動(dòng)態(tài)超表面的補(bǔ)償相位通過(guò)以下公式計(jì)算：

36、

37、式中，表示系統(tǒng)校準(zhǔn)相位，用于補(bǔ)償靜態(tài)誤差；表示被權(quán)重調(diào)整后的湍流波前畸變數(shù)據(jù)；

38、總的相位調(diào)制指令通過(guò)以下公式計(jì)算：

39、

40、式中，表示mplc結(jié)構(gòu)中相位平面的相位，i表示相位平面的序號(hào)，n表示mplc結(jié)構(gòu)中相位平面的數(shù)量。

41、進(jìn)一步地，所述動(dòng)態(tài)超表面模塊劃分為多個(gè)獨(dú)立亞波長(zhǎng)單元陣列，每個(gè)亞波長(zhǎng)單元能夠單獨(dú)激活或關(guān)閉；根據(jù)與預(yù)設(shè)閾值之間的關(guān)系，動(dòng)態(tài)調(diào)整亞波長(zhǎng)單元的激活數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)功耗的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

43、本發(fā)明的一種基于mplc與動(dòng)態(tài)超表面的光抗湍流方法及系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)超表面、mplc結(jié)構(gòu)、以及循環(huán)調(diào)制的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了湍流、振動(dòng)、光強(qiáng)閃爍的耦合干擾的同步抑制，能夠根據(jù)環(huán)境的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而適應(yīng)不同的湍流環(huán)境，本發(fā)明基于動(dòng)態(tài)超表面與mplc的協(xié)同調(diào)制，顯著提高響應(yīng)速度與精度。