實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：光纖激光相控陣室內(nèi)相干合成實(shí)驗(yàn)

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、光纖激光器、位置敏感傳感器等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：光纖激光相控陣系統(tǒng)的示意圖

實(shí)驗(yàn)中SPGD算法輸出的電壓控制信號(hào)由采集卡分別輸出至PZT-PC和AFOC的高壓放大器上，以對(duì)活塞相差和傾斜相差進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償校正，系統(tǒng)算法迭代速率已經(jīng)可以滿足實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下數(shù)百Hz量級(jí)的動(dòng)態(tài)相差實(shí)時(shí)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(qū)動(dòng)AFOC時(shí)，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(chǎn)生足夠大的推力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖2：歸一化性能指標(biāo)變化曲線

分別采集5s開(kāi)環(huán)狀態(tài)、僅鎖相控制狀態(tài)與鎖相控制和傾斜控制同時(shí)運(yùn)行的閉環(huán)狀態(tài)下合成光束的性能指標(biāo)與遠(yuǎn)場(chǎng)長(zhǎng)曝光圖像，然后對(duì)其進(jìn)行分析。由PD采集的15s歸一化性能指標(biāo)曲線如圖2所示。當(dāng)未校正活塞相差和傾斜相差時(shí)，系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài),歸一化性能指標(biāo)均值（Ave）為0.0182，其開(kāi)環(huán)狀態(tài)下的均方誤差（MSE）為0.0162，這兩個(gè)指標(biāo)都是無(wú)量綱的數(shù)據(jù)，Ave越高，代表合成光束質(zhì)量越好，MSE越高，則光斑強(qiáng)度的抖動(dòng)越明顯。36ms之后，系統(tǒng)通過(guò)鎖相控制并進(jìn)入收斂狀態(tài)（SPGD算法的收斂時(shí)間定義為歸一化目標(biāo)函數(shù)達(dá)到穩(wěn)定值的90％時(shí)所需的時(shí)間）。當(dāng)活塞相差得到校正并且系統(tǒng)處于鎖相狀態(tài)時(shí)，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(shí)Ave值進(jìn)一步上升至0.994，由于閉環(huán)時(shí)進(jìn)行的傾斜控制會(huì)使AFOC中光纖端面發(fā)生輕微抖動(dòng)，因此MSE略微上升至0.0034。比較這三種狀態(tài)下的歸一化性能指標(biāo)強(qiáng)度可知，只有同時(shí)校正活塞相差和傾斜相差，針孔中的能量密度才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最高值，取得高效的相干合成效果。

圖3：遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的歸一化長(zhǎng)曝光圖像(a)開(kāi)環(huán)；(b)僅鎖相控制；(c)閉環(huán)

遠(yuǎn)場(chǎng)中合成光束的5s長(zhǎng)曝光圖像如圖3所示。其對(duì)應(yīng)的PIB可以通過(guò)計(jì)算合成光束主瓣像素的強(qiáng)度與整個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)圖像的像素強(qiáng)度的比值來(lái)獲得。圖3（a）顯示了開(kāi)環(huán)時(shí)不執(zhí)行鎖相和傾斜控制的長(zhǎng)曝光圖像。從圖中可以看出，相機(jī)表面幾乎沒(méi)有干涉圖樣，遠(yuǎn)場(chǎng)光斑處于非相干狀態(tài)，同時(shí)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(zhí)行鎖相控制時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑長(zhǎng)時(shí)間曝光圖像。可以看出，在相機(jī)靶面上出現(xiàn)了部分相干合成效果，合成光束的主瓣周?chē)霈F(xiàn)了四個(gè)旁瓣。在此階段，合成光束的PIB均值為0.26，比開(kāi)環(huán)狀態(tài)高0.18。圖3（c）是閉環(huán)后遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的長(zhǎng)曝光圖像。當(dāng)閉環(huán)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，可以看出在遠(yuǎn)場(chǎng)中有7個(gè)清晰的光斑。此時(shí)，合成光束主瓣的強(qiáng)度明顯高于其他兩個(gè)狀態(tài)，其平均PIB為0.49，是實(shí)驗(yàn)中的最高水平。

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圖：ATA-7020高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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