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专利号: 2020102247945
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 光学
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种空间光-光纤耦合自动对准系统,其特征在于,包括空间光线(1)及依次设置的聚焦耦合透镜(3)、五自由度精调节组件(2)和处理单元;

所述五自由度精调节组件(2)设置有耦合光纤(4),所述空间光线(1)通过聚焦耦合透镜(3)与耦合光纤(4)耦合;

所述处理单元包括依次线连接的光电探测模块(5)、控制处理模块(6)和压电陶瓷驱动模块(7),所述压电陶瓷驱动模块(7)与五自由度精调节组件(2)线连接,所述耦合光纤(4)与光电探测模块(5)相连接。

2.如权利要求1所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统,其特征在于,所述五自由度精调节组件(2)包括三维电动粗调节台(2-1),所述三维电动粗调节台(2-1)的顶部转动安装有支架(2-2),所述支架(2-2)的端部安装有过度件(2-3),所述过度件(2-3)内安装有压电陶瓷c(2-6)的一端,所述压电陶瓷c(2-6)的另一端依次安装有压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4),所述耦合光纤(4)设置于压电陶瓷a(2-4)的外侧。

3.如权利要求2所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统,其特征在于,所述压电陶瓷c(2-6)、压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4)依次粘接。

4.如权利要求2所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统,其特征在于,所述过度件(2-3)为内置凹槽的柱形,所述压电陶瓷c(2-6)的一端安装在凹槽内。

5.如权利要求1所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统,其特征在于,所述光电探测模块(5)包括相连接的光电探测器(5-1)和光电流放大电路(5-2),所述光电探测器(5-1)和耦合光纤(4)的端部相连接;所述光电探测器(5-1)的型号为PIN7787。

6.如权利要求5所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统,其特征在于,所述控制处理模块(6)包括安装有FPGA芯片和数模转换芯片的外围电路,所述数模转换芯片的型号为AD9708,所述外围电路与光电流放大电路(5-2)相连接。

7.如权利要求6所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统,其特征在于,所述压电陶瓷驱动模块(7)包括至少三个功率放大器(7-1),三个所述功率放大器(7-1)分别与压电陶瓷c(2-6)、压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4)相连接,三个所述功率放大器(7-1)均连接有恒压供电源(7-2),所述恒压供电源(7-2)安装在外围电路。

8.如权利要求1~7任意一项所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统的控制方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:步骤1、所述空间光线(1)经聚焦耦合透镜(3)聚焦到耦合光纤(4)的端面附近;

步骤2、开启三维电动粗调节台(2-1),对空间光线(1)的聚焦光斑和耦合光纤(4)端面的位置进行粗调节,使光电探测器(5-1)探测到光信号,同时将光信号转换为光电流信号;

所述光电流放大电路(5-2)将光电流信号进行放大处理得到电压信号,并输出至控制处理模块(6)作为闭环反馈信号;

步骤3、所述FPGA芯片和数模转换芯片根据寻优算法对闭环反馈信号进行寻优迭代,每次迭代后输出一组控制压电陶瓷驱动模块(7)的控制信号;

步骤4、所述控制信号分别到达对应的压电陶瓷c(2-6)、压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4)的控制电路通道,每个控制电路通道的功率放大器(7-1)将控制信号进行放大处理,并驱动对应的压电陶瓷c(2-6)、压电陶瓷b(2-5)和压电陶瓷a(2-4)产生所需的位移量,带动耦合光纤(4)进行微位移;

步骤5、当所述闭环反馈信号达到最大或收敛于最大值时,停止迭代,空间光-光纤耦合达到了稳定状态,即实现了空间光线(1)的聚焦光斑和耦合光纤(4)端面的自动对准。

9.如权利要求8所述的一种空间光-光纤耦合自动对准系统的控制方法,其特征在于,步骤3中,所述寻优算法将控制处理模块(6)输出的控制电压信号作为变量,闭环反馈信号作为迭代优化评价函数;

所述寻优算法为随机并行梯度下降算法,迭代公式为:

u(m+1)=u(m)+kδJ(m)δu(m)                  (1),(m) (m) (m+1)

式(1)中:u ={u1,u2,…uN} 是第m次迭代后控制参数的扰动电压向量;u 是第m+1次迭代后控制参数的扰动电压向量;k是增益系数;δJ(m)是第m次系统性能指标测量值的变化量;δu(m)是第m次迭代的扰动电压。