基于遗传算法的水下光传输优化*

李博骁张峰田蕾聂杰文杨海宁

(1.中国电子科学研究院,北京 100041；
2.清华大学电子工程系,北京 100084；
3.东南大学电子科学与工程学院,江苏 南京 210096)

我国拥有18 000 多千米的海岸线、超过300 万平方千米的管辖海域,海洋经济总量超过8 万亿元[1],占我国经济总量的10%左右。海洋强国已经成为我国强国战略的重要组成部分。为了进一步提高我国海洋资源开发能力,发展海洋经济,保护海洋生态环境,维护国家海洋权益,我国对管辖海域展开了系统性的探测工作,采集了大量的海洋信息。水下光传输在通信[2]、成像探测等[3-10]领域都有着广泛的应用,光媒介具有超低时延、超高带宽、高安全性,可观的水下传输距离等优势[4-5],对于我国海洋探索能力的提高具有极高的发展潜力。

光束在水下的传输特性(包括衰减、扩散和散射等特性)是影响水下光传输性能的主要因素[6]。一方面光束的发散导致光传输效率急剧下降,同时,受水流、水中杂质和气泡[11]等因素影响,波阵面会受到空间相位调制,进而产生自干涉现象,也导致了光束能量的损失。光束能量的损失在水下成像领域会极大限制其成像距离和分辨率,对于水下光通信会极大影响传输距离和数据速率。因此,改善光束在水下长距离传输的特性,降低其传输损耗和光束的扩束、散射和自干涉,在各类水下无线光系统中有着重要而普遍的应用价值。遗传算法作为一种具有全局搜索能力的启发式算法,在光束整形领域也存在着广泛应用[7-9]。

本文基于遗传算法提出了一种光束整形技术,利用空间光调制器对光束波前编码,结合遗传算法优异的寻优性能,来实现快速地自适应波前整形,在水下20 m 的距离下将光传输效率提高了约5.6 倍。

水下无线光传输系统由发射端、水下信道和接收端三部分组成,为了补偿水体对光束的影响,在激光入水之前,通过空间光调制器对其进行波前编码调制,在接收端通过相机监测光束形貌并评估光束的耦合能量强度。

在光束经过水下信道传输过程中,由于光束的发散以及水的吸收和散射作用,接收端探测到的信号很微弱,为了使接收端能聚焦光斑,获得更多的能量,提高系统的信噪比,可以用空间光调制器对入射光的波前进行空间相位调制。我们将入射光照射到的空间光调制器的区域划分为N个等大的像素单元,调制每个单元的相位,调制后目标位置处的复振幅可以表示为如下所示:

式中:An和φn分别表示经过第n个像素单元后光场的振幅和相位。划分单元数N越多,光束被调制得越精细,目标位置处的光强聚焦效果越好。

如图1 所示为,空间光调制器上的有效区域为1 024*1 024 个像素,平均划分为32*32 个单元,每个单元作为一个整体,其相位调制量可以单独操纵。

图1 随机相位图

本实验中,我们采用了遗传算法这一全局优化算法优化入射波前,寻找空间光调制器上的最优相位。图2 展示了优化流程。入射光经过系统之后,在接收端的相机捕捉到光强分布,以这一信号为反馈,调节空间光调制器上的相位,使得相机上目标处光强信号最大。

图2 优化流程图

图3 展示了遗传算法的流程图。首先,随机化初始相位,设定进化的初始种群个数、迭代次数、交叉概率和变异概率,本实验中初始化种群为32,将全息图分为了32*32 共1 024 个段,随机产生初始相位是每一段的相位,根据空间光调制器的特性,相位的取值包含256 个阶梯。然后,以输出光场目标位置的光强值作为适应度函数,计算种群中每个个体的适应度,按照适应值大小对所有个体进行排序,根据排序的结果从所有个体中选出父本和母本个体,将两个个体进行均匀交叉操作,得到子代个体。对交叉后的子代个体进行变异操作,进一步增加子代个体的多样性,避免算法过早收敛,得到新的子代个体并计算适应度,保留上下两代中基因相对更好的个体生成新的种群,进入到下一代优化,直至满足迭代次数。

图3 遗传算法流程图

本文构建如图4 所示的光束整形系统,结合空间光场相位调制和光学系统设计,实现针对水下长距离无线光传输的光束整形技术。在发射端,波长为450 nm 的激光光束经由准直器进行准直,起到抑制激光束发散的作用,然后经过分光镜射入反射型空间光调制器上。通过在空间光调制器上加载不同的全息图对入射光束波前进行编码调制,调制后的光束经由傅里叶透镜和扩束系统进一步整形后射入水中。本文水下信道采用一只5 m 长的水箱,通过水箱两端的反射镜折叠光路来实现远距离的传输。在接收端,通过相机监测光斑形貌,并将中心光束强度作为反馈信号用于优化算法的迭代。

图4 水下光路实验图

图5 展示了水下20 m 的距离下,基于遗传算法的光束整形技术的迭代曲线。横轴是遗传算法的迭代数,纵轴是接收端光束的中心能量,由于此反馈值来自于激光相机的探测值,其取值范围限于0～255范围内,和接收到的光强正相关。经过接近250 次的迭代,接收端光束中心能量强度值从25 单位逐步上升到约140 单位,实现了约5.6 倍的增益。

图5 优化过程图

图6 分别比较了从发射端(0 m)到水下5 m,10 m,15 m,20 m 处的光束整形前后的接收端光斑图。每一组照片都是基于相同的曝光时间和增益等相机设置拍摄,以便于直接比较光束整形对水下光传输效率的改善效果。虽然随着距离的增加,光束不可避免会发生发散,但是经过发射端的整形调制,接收端的光束不仅实现了能量显著提高,并且光斑形貌也呈现集中、便于耦合的圆形。经过不同距离的实验,验证了本方法具有较好的收敛性能,且能够实现不同距离下的自适应聚焦,展现出有价值的应用潜力。

图6 不同距离下的全息图和光斑

针对水下光传输面临的光束发散、水体吸收与散射、相位扭曲等因素造成中的能量衰减,本文通过光束波前编码结合遗传算法实现了一种自适应的光束整形技术,用于提升水下光传输的效率。通过对波前进行32*32 的分块编码,利用遗传算法强大的全局搜索能力和快速稳定的收敛性能来实现光束聚焦。

在本文的验证性实验中,利用空间光调制器和扩束光学系统对450 nm 的激光光束进行波前编码调制,在遗传算法的引导下,通过约250 次迭代即可实现算法的收敛,得到提升效果显著的光束整形全息图,在水下20 m 处将光束中心强度提高约5.6倍。且本文提出的光束整形模块对于不同的激光器、探测器及调制方式都具有较好的兼容性,极大提高了本技术的适用范围。同时为光束在水下的长距离传输实现提供了一种有价值的解决方案。