實驗名稱：光纖激光相控陣室內相干合成實驗

測試設備：高壓放大器、光纖激光器、位置敏感傳感器等。

實驗過程：

圖1：光纖激光相控陣系統的示意圖

實驗中SPGD算法輸出的電壓控制信號由采集卡分別輸出至PZT-PC和AFOC的高壓放大器上，以對活塞相差和傾斜相差進行實時的補償校正，系統算法迭代速率已經可以滿足實驗室環境下數百Hz量級的動態相差實時校正需求，其中鎖相控制迭代速率為9.8kHz，傾斜控制迭代速率為1kHz。在驅動AFOC時，算法控制器輸出的控制電壓被高壓放大器（HVA）放大了一百倍，以產生足夠大的推力。

實驗結果：

圖2：歸一化性能指標變化曲線

分別采集5s開環狀態、僅鎖相控制狀態與鎖相控制和傾斜控制同時運行的閉環狀態下合成光束的性能指標與遠場長曝光圖像，然后對其進行分析。由PD采集的15s歸一化性能指標曲線如圖2所示。當未校正活塞相差和傾斜相差時，系統處于開環狀態,歸一化性能指標均值（Ave）為0.0182，其開環狀態下的均方誤差（MSE）為0.0162，這兩個指標都是無量綱的數據，Ave越高，代表合成光束質量越好，MSE越高，則光斑強度的抖動越明顯。36ms之后，系統通過鎖相控制并進入收斂狀態（SPGD算法的收斂時間定義為歸一化目標函數達到穩定值的90％時所需的時間）。當活塞相差得到校正并且系統處于鎖相狀態時，Ave值從0.0182上升至0.335，MSE從0.0162下降到0.0021，這表明鎖相控制能提升部分相干合成的效果。在670ms之后，活塞相差和傾斜相差均得到校正，此時Ave值進一步上升至0.994，由于閉環時進行的傾斜控制會使AFOC中光纖端面發生輕微抖動，因此MSE略微上升至0.0034。比較這三種狀態下的歸一化性能指標強度可知，只有同時校正活塞相差和傾斜相差，針孔中的能量密度才能達到實驗過程中的最高值，取得高效的相干合成效果。

圖3：遠場光斑的歸一化長曝光圖像(a)開環；(b)僅鎖相控制；(c)閉環

遠場中合成光束的5s長曝光圖像如圖3所示。其對應的PIB可以通過計算合成光束主瓣像素的強度與整個遠場圖像的像素強度的比值來獲得。圖3（a）顯示了開環時不執行鎖相和傾斜控制的長曝光圖像。從圖中可以看出，相機表面幾乎沒有干涉圖樣，遠場光斑處于非相干狀態，同時合成光束的能量集中度非常低，PIB的均值僅為0.08。圖3（b）顯示了僅執行鎖相控制時的遠場光斑長時間曝光圖像。可以看出，在相機靶面上出現了部分相干合成效果，合成光束的主瓣周圍出現了四個旁瓣。在此階段，合成光束的PIB均值為0.26，比開環狀態高0.18。圖3（c）是閉環后遠場光斑的長曝光圖像。當閉環狀態穩定時，可以看出在遠場中有7個清晰的光斑。此時，合成光束主瓣的強度明顯高于其他兩個狀態，其平均PIB為0.49，是實驗中的最高水平。

高壓放大器推薦：ATA-7020

圖：ATA-7020高壓放大器指標參數

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