基于遺傳算法的水下光傳輸優化*

李博驍張峰田蕾聶杰文楊海寧

(1.中國電子科學研究院,北京 100041；2.清華大學電子工程系,北京 100084；3.東南大學電子科學與工程學院,江蘇 南京 210096)

我國擁有18 000 多千米的海岸線、超過300 萬平方千米的管轄海域,海洋經濟總量超過8 萬億元[1],占我國經濟總量的10%左右。海洋強國已經成為我國強國戰略的重要組成部分。為了進一步提高我國海洋資源開發能力,發展海洋經濟,保護海洋生態環境,維護國家海洋權益,我國對管轄海域展開了系統性的探測工作,采集了大量的海洋信息。水下光傳輸在通信[2]、成像探測等[3-10]領域都有著廣泛的應用,光媒介具有超低時延、超高帶寬、高安全性,可觀的水下傳輸距離等優勢[4-5],對于我國海洋探索能力的提高具有極高的發展潛力。

光束在水下的傳輸特性(包括衰減、擴散和散射等特性)是影響水下光傳輸性能的主要因素[6]。一方面光束的發散導致光傳輸效率急劇下降,同時,受水流、水中雜質和氣泡[11]等因素影響,波陣面會受到空間相位調制,進而產生自干涉現象,也導致了光束能量的損失。光束能量的損失在水下成像領域會極大限制其成像距離和分辨率,對于水下光通信會極大影響傳輸距離和數據速率。因此,改善光束在水下長距離傳輸的特性,降低其傳輸損耗和光束的擴束、散射和自干涉,在各類水下無線光系統中有著重要而普遍的應用價值。遺傳算法作為一種具有全局搜索能力的啟發式算法,在光束整形領域也存在著廣泛應用[7-9]。

本文基于遺傳算法提出了一種光束整形技術,利用空間光調制器對光束波前編碼,結合遺傳算法優異的尋優性能,來實現快速地自適應波前整形,在水下20 m 的距離下將光傳輸效率提高了約5.6 倍。

1 系統實現

水下無線光傳輸系統由發射端、水下信道和接收端三部分組成,為了補償水體對光束的影響,在激光入水之前,通過空間光調制器對其進行波前編碼調制,在接收端通過相機監測光束形貌并評估光束的耦合能量強度。

在光束經過水下信道傳輸過程中,由于光束的發散以及水的吸收和散射作用,接收端探測到的信號很微弱,為了使接收端能聚焦光斑,獲得更多的能量,提高系統的信噪比,可以用空間光調制器對入射光的波前進行空間相位調制。我們將入射光照射到的空間光調制器的區域劃分為N個等大的像素單元,調制每個單元的相位,調制后目標位置處的復振幅可以表示為如下所示:

式中:An和φn分別表示經過第n個像素單元后光場的振幅和相位。劃分單元數N越多,光束被調制得越精細,目標位置處的光強聚焦效果越好。

如圖1 所示為,空間光調制器上的有效區域為1 024*1 024 個像素,平均劃分為32*32 個單元,每個單元作為一個整體,其相位調制量可以單獨操縱。

圖1 隨機相位圖

本實驗中,我們采用了遺傳算法這一全局優化算法優化入射波前,尋找空間光調制器上的最優相位。圖2 展示了優化流程。入射光經過系統之后,在接收端的相機捕捉到光強分布,以這一信號為反饋,調節空間光調制器上的相位,使得相機上目標處光強信號最大。

圖2 優化流程圖

圖3 展示了遺傳算法的流程圖。首先,隨機化初始相位,設定進化的初始種群個數、迭代次數、交叉概率和變異概率,本實驗中初始化種群為32,將全息圖分為了32*32 共1 024 個段,隨機產生初始相位是每一段的相位,根據空間光調制器的特性,相位的取值包含256 個階梯。然后,以輸出光場目標位置的光強值作為適應度函數,計算種群中每個個體的適應度,按照適應值大小對所有個體進行排序,根據排序的結果從所有個體中選出父本和母本個體,將兩個個體進行均勻交叉操作,得到子代個體。對交叉后的子代個體進行變異操作,進一步增加子代個體的多樣性,避免算法過早收斂,得到新的子代個體并計算適應度,保留上下兩代中基因相對更好的個體生成新的種群,進入到下一代優化,直至滿足迭代次數。

圖3 遺傳算法流程圖

2 實驗設置與結果

本文構建如圖4 所示的光束整形系統,結合空間光場相位調制和光學系統設計,實現針對水下長距離無線光傳輸的光束整形技術。在發射端,波長為450 nm 的激光光束經由準直器進行準直,起到抑制激光束發散的作用,然后經過分光鏡射入反射型空間光調制器上。通過在空間光調制器上加載不同的全息圖對入射光束波前進行編碼調制,調制后的光束經由傅里葉透鏡和擴束系統進一步整形后射入水中。本文水下信道采用一只5 m 長的水箱,通過水箱兩端的反射鏡折疊光路來實現遠距離的傳輸。在接收端,通過相機監測光斑形貌,并將中心光束強度作為反饋信號用于優化算法的迭代。

圖4 水下光路實驗圖

圖5 展示了水下20 m 的距離下,基于遺傳算法的光束整形技術的迭代曲線。橫軸是遺傳算法的迭代數,縱軸是接收端光束的中心能量,由于此反饋值來自于激光相機的探測值,其取值范圍限于0～255范圍內,和接收到的光強正相關。經過接近250 次的迭代,接收端光束中心能量強度值從25 單位逐步上升到約140 單位,實現了約5.6 倍的增益。

圖5 優化過程圖

圖6 分別比較了從發射端(0 m)到水下5 m,10 m,15 m,20 m 處的光束整形前后的接收端光斑圖。每一組照片都是基于相同的曝光時間和增益等相機設置拍攝,以便于直接比較光束整形對水下光傳輸效率的改善效果。雖然隨著距離的增加,光束不可避免會發生發散,但是經過發射端的整形調制,接收端的光束不僅實現了能量顯著提高,并且光斑形貌也呈現集中、便于耦合的圓形。經過不同距離的實驗,驗證了本方法具有較好的收斂性能,且能夠實現不同距離下的自適應聚焦,展現出有價值的應用潛力。

圖6 不同距離下的全息圖和光斑

3 結論

針對水下光傳輸面臨的光束發散、水體吸收與散射、相位扭曲等因素造成中的能量衰減,本文通過光束波前編碼結合遺傳算法實現了一種自適應的光束整形技術,用于提升水下光傳輸的效率。通過對波前進行32*32 的分塊編碼,利用遺傳算法強大的全局搜索能力和快速穩定的收斂性能來實現光束聚焦。

在本文的驗證性實驗中,利用空間光調制器和擴束光學系統對450 nm 的激光光束進行波前編碼調制,在遺傳算法的引導下,通過約250 次迭代即可實現算法的收斂,得到提升效果顯著的光束整形全息圖,在水下20 m 處將光束中心強度提高約5.6倍。且本文提出的光束整形模塊對于不同的激光器、探測器及調制方式都具有較好的兼容性,極大提高了本技術的適用范圍。同時為光束在水下的長距離傳輸實現提供了一種有價值的解決方案。