本發(fā)明涉及測量的，尤其涉及一種基于自動校準的分層格柵準直系統(tǒng)。

背景技術：

1、光學準直校準技術領域包含用于光束對準和方向調整的各類光學系統(tǒng)與方法，主要應用于精密測量、光學檢測、光通信以及激光加工等領域。該技術領域的核心內容包括光學元件的排列、光束的路徑優(yōu)化、對準誤差的檢測與修正以及自動校準機制的應用。其中，基于自動校準的分層格柵準直系統(tǒng)是指采用多級光學柵格結構并結合自動校準機制，實現光束精確準直的系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對光束對準誤差的檢測與補償，采用分層格柵設計，通過多個光學柵格對光束進行分級準直，以減少光束偏移累積誤差。同時，自動校準機制基于光電探測器和反饋控制單元，實現對光束偏移的實時監(jiān)測，并通過電動調節(jié)組件調整光學元件位置，以保證光束的準確傳輸。光束準直技術在高精度光學測量、遠程通信、光刻及激光加工等領域起著關鍵作用。

2、現有的光束準直系統(tǒng)主要依賴于單一的透射或反射式光柵，并通過機械調節(jié)、相位補償或反饋控制進行誤差修正。然而，這些方法存在較大局限性，例如：機械調節(jié)方式響應速度較慢，且受環(huán)境因素影響較大；單一的相位補償策略難以適應動態(tài)誤差變化；傳統(tǒng)反饋控制方案容易受到噪聲干擾，導致誤差累積效應。因此，現有技術在光束準直精度、誤差控制能力及動態(tài)響應性能等方面仍存在較大優(yōu)化空間。針對這一問題，本文提出了一種基于自動校準的分層格柵準直系統(tǒng)，通過多層級誤差補償機制、基于誤差參數的自適應控制算法以及格柵結構的動態(tài)調節(jié)策略，實現高精度、低誤差累積的光束準直能力。

技術實現思路

1、本發(fā)明解決的技術問題是：現有的光束準直系統(tǒng)主要依賴于單一的透射或反射式光柵，并通過機械調節(jié)、相位補償或反饋控制進行誤差修正。然而，這些方法存在較大局限性，無法動態(tài)補償光程非均勻相位畸變及環(huán)境擾動導致的誤差累積，單層格柵難以同時抑制透射與反射路徑的偏振/角度偏差，且現有控制算法對多變量耦合漂移預測精度不足，導致長期準直穩(wěn)定性差。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明提供如下技術方案：一種基于自動校準的分層格柵準直系統(tǒng)，包括分層格柵誤差均衡調控模塊、光程非均勻相位動態(tài)補償模塊、自適應權重調整的光束漂移預測控制模塊：

3、所述分層格柵誤差均衡調控模塊用于通過透射光柵tg與反射光柵rg協同誤差補償策略，針對不同入射角、偏振狀態(tài)的光束進行動態(tài)誤差均衡補償；

4、所述光程非均勻相位動態(tài)補償模塊用于生成補償映射，對光束在不同傳播區(qū)域的相位誤差進行表征，計算最優(yōu)相位調整補償量，優(yōu)化補償權重系數；

5、所述自適應權重調整的光束漂移預測控制模塊用于建立光束漂移模型，基于目標函數對偏移趨勢圖進行支持向量機的預測訓練，獲得光束漂移模型，依據優(yōu)化后的權重，計算未來漂移路徑及偏移修正量，并采用短周期誤差校正與長周期趨勢修正相結合的控制策略。

6、優(yōu)選地，在格柵界面處，分別針對入射光角度偏差、波前畸變和能量分布非均勻性進行獨立采樣，提取透射光束的相位變化梯度以及反射光束的方向偏移趨勢，并計算透射誤差和反射誤差；

7、當光束入射到格柵表面時，通過光學傳感器測量入射光束與理想入射角之間的角度偏差，所述角度偏差為光束的角度與預設的理想準直方向之間的差值；

8、在不同位置和不同時間點采集多個入射光角度數據，基于所述入射光角度數據分別計算各個采樣點與理想入射方向之間的角度偏差；

9、利用波前傳感器在格柵界面處進行波前采樣，并測量光束波前形態(tài)，所述光束波前形態(tài)包括由介質不均勻性、光束自身的相位變化或系統(tǒng)誤差引起的畸變，通過波前采樣得到各個采樣點的相位值，并記錄光束波前形態(tài)隨時間序列的變化，根據所述光束波前形態(tài)和各個點的相位值計算得到光束波前形態(tài)的相位變化梯度，通過計算相鄰采樣點之間的相位差，得到光束波前形態(tài)的相位變化。

10、優(yōu)選地，提取光束波前形態(tài)的相位變化關鍵特征，所述相位變化關鍵特征包括波前彎曲、畸變幅度和相位變化梯度，通過光束輪廓分析儀在格柵界面處采集光束的能量分布數據，所述能量分布數據為三維能量分布圖，計算所述能量分布數據中的光強值與理想均勻光強的光強差值，根據所述光強差值評估能量分布的非均勻性，評估邏輯包括：

11、計算所有相位點對應的光強差值的標準差，預設標準差閾值，當所述能量分布點對應的相位點的光強差值的標準差大于所述標準差閾值時，能量分布具有非均勻性；

12、利用精密的方向傳感器在反射光束方向上進行采樣，測量反射光束的方向偏移，記錄方向偏移的原因標簽，所述原因標簽包括光柵的微結構變動、表面不平整和外部擾動，按時間序列記錄反射光束的方向變化，計算反射光束與理想反射方向之間的角度偏移趨勢，將所述角度偏移趨勢與光束波前形態(tài)的相位變化加權平均計算后得到反射誤差，將所述相位誤差和強度誤差加權加和后得到透射誤差。

13、優(yōu)選地，根據透射誤差和反射誤差，動態(tài)調節(jié)補償光柵的微結構和周期參數，通過基于梯度優(yōu)化的局部周期調節(jié)算法動態(tài)調整透射光柵的周期梯度和反射光柵的微結構傾角，對誤差進行補償調控，所述補償調控邏輯包括：

14、動態(tài)計算透射誤差和反射誤差的局部誤差權重，所述透射誤差和反射誤差的局部誤差權重的數學表達式為：

15、；

16、；

17、其中,為角度偏差，為角度偏差最大值，為相位變化量，為相位變化量理論最大值，為偏振偏移量，為偏振偏移量理論最大值，為波長漂移，為波長漂移理論最大值，為透射誤差的局部誤差權重，為反射誤差的局部誤差權重，、、和為權重系數；

18、優(yōu)選地，所述光程非均勻相位動態(tài)補償模塊包括光程偏差測算單元、動態(tài)補償映射生成單元和自適應相位修正單元：

19、所述光程偏差測算單元用于提取光程偏差特征，根據所述光程偏差特征在光束傳播過程中獨立測算介質折射率梯度、光束路徑擾動偏移及光程累積誤差，計算各區(qū)域光程對相位畸變的影響程度；

20、提取光程偏差特征包括構建光程偏差矩陣后進行相位誤差修正，所述光程偏差矩陣由所有采樣點的光程偏差排列組成得到，計算光程偏差的數學表達式為：

21、；

22、；

23、其中，為傳輸介質總長度，為介質的理想折射率，為光程偏差，為采樣點的相位值，為第i段均分介質段，為第i段均分介質的折射率，為第i段均分介質的長度，為理想光程；

24、當位于可見光波長范圍時，對計算得出的光程偏差的衍射波長進行分解，得到在局部區(qū)域不同顏色的衍射波，記錄各個觀測角度對應的增強色光的成分和強度，提取疊加態(tài)的衍射波和疊加態(tài)衍射波對應的顏色，利用大數據搜集顏色疊加數據庫，根據搜集得到的顏色疊加數據庫分別查詢得到各個觀測角度對應疊加態(tài)的衍射波的疊加顏色和疊加的衍射波的數量；

25、通過對疊加衍射波的其中一條分解衍射波進行光學延遲線運動，引入光程擾動檢測，根據光程偏差數值由另一衍射波的光學延遲線進行實時補償，二次計算當前光程偏差，計算兩次光程偏差的差的絕對值作為目標殘差。

26、優(yōu)選地，所述動態(tài)補償映射生成單元用于生成補償映射，對光束在不同傳播區(qū)域的相位誤差進行表征，并計算最優(yōu)相位調整補償量，在光程補償器中加載反向相位分布的數學表達式為：

27、；

28、其中，為反向相位，為波數，為目標殘差。

29、優(yōu)選地，所述自適應相位修正單元包括：

30、對光程偏差和相位變化進行時間導數計算，得到單位時間的光程變化速率和相位變化速率，預設變化速率閾值，當所述光程變化速率和相位變化速率達到所述變化速率閾值時，基于局部誤差權重的數學表達式自動調整補償權重系數，優(yōu)化補償權重系數的優(yōu)化目標函數為：

31、；

32、其中，為當前補償后的反向相位，為優(yōu)化目標函數；

33、通過最小化優(yōu)化目標函數的值，獲取最優(yōu)補償權重系數，基于反饋的相位變化數據和光程偏差，根據優(yōu)化算法計算出的最優(yōu)補償權重系數，調整光程補償器的相位。

34、優(yōu)選地，所述自適應權重調整的光束漂移預測控制模塊包括漂移狀態(tài)量動態(tài)采集單元、預測權重優(yōu)化單元和實時控制調整單元：

35、所述漂移狀態(tài)量動態(tài)采集單元用于通過多點監(jiān)測機制，實時采集光束中心位置偏移量、光束擴散角變化率及漂移加速度等關鍵參數，對比不同位置的光束主軸偏移趨勢，建立光束漂移模型；

36、通過ccd陣列采集光束的狀態(tài)信息，所述狀態(tài)信息包括光束中心的坐標變化、光束擴散角，根據所述光束中心的坐標變化計算偏移量，計算偏移量的數學表達式為：

37、；

38、；

39、其中，和為t時刻坐標變化的偏移量，和為測量的光束中心位置，和是光束理想的參考位置；

40、通過求導計算擴散角單位速率，對所述偏移量進行二階求導得到漂移加速度，通過多點監(jiān)測機制，在所述ccd陣列的不同陣列節(jié)點上計算收集光束的中心位置偏移量、擴散角變化率和漂移加速度，基于ccd陣列測得的光束二維位置坐標軸繪制偏移趨勢圖，所述偏移趨勢圖橫軸坐標為位置參數，縱軸坐標為光束的中心位置偏移量、擴散角變化率和漂移加速度；

41、建立光束漂移模型包括：

42、光束漂移模型的目標函數數學表達式為：

43、；

44、其中，為光束的偏移量向量，a為光束速度的系數，用于描述光束漂移的線性速度，b?為光束加速度的系數，用于描述光束漂移的加速度，c?為常數項，用于表示初始位置；

45、基于目標函數對偏移趨勢圖進行支持向量機的預測訓練，獲得光束漂移模型，輸出光束漂移行為預測。

46、優(yōu)選地，預測權重優(yōu)化單元用于通過多變量偏移趨勢分析算法計算光束在不同時間窗口內的偏移增量、輪廓變化率和漂移穩(wěn)定性系數，所述偏移增量為光束在不同時間窗口內的位移變化量，所述輪廓變化率為光束形狀的變化速度，通過測量在不同時間窗口內的光斑寬度的差值并求導得到輪廓變化率，所述漂移穩(wěn)定性系數用于衡量光束漂移的穩(wěn)定性，通過計算所述偏移增量的方差獲得；

47、通過大數據采集歷史漂移狀態(tài)，對所有歷史漂移狀態(tài)進行加權回歸計算得到歷史數據對當前漂移趨勢的影響，所述加權回歸計算中的預測權重為各個歷史漂移狀態(tài)數據點對當前對應漂移狀態(tài)的影響程度，所述影響程度由基于時間軸的t分布的概率計算獲得。

48、預測權重被更新后用于光束的實時漂移補償，根據當前漂移預測權重調整光程補償器和激光源定位裝置。

49、優(yōu)選地，所述實時控制調整單元用于依據優(yōu)化后的權重，計算未來漂移路徑及偏移修正量，并采用短周期誤差校正與長周期趨勢修正相結合的控制策略，所述控制策略邏輯包括：

50、短周期修正量用于即時調整光束偏移方向，長周期修正量用于調整系統(tǒng)整體準直方向及穩(wěn)定性參數；

51、當傳感器失效時，切換至基于歷史數據的光束路徑預測模式，并啟用備用格柵層；

52、當主通道失效時通過偏振分光鏡切換至冗余通道。

53、本發(fā)明的有益效果：提高光束準直精度，降低誤差累積效應，通過分層格柵誤差均衡調控機制，實現透射與反射光束誤差的協同補償，避免誤差累積導致準直精度下降，增強光束在復雜介質中的傳播穩(wěn)定性，基于光程非均勻相位動態(tài)補償策略，能夠有效修正光程非線性偏差，提高遠距離光束的傳播精度，提高光束漂移預測能力，實現動態(tài)控制優(yōu)化，采用多變量自適應權重優(yōu)化機制，結合短周期誤差校正與長周期趨勢修正策略，確保光束在不同環(huán)境干擾下保持高穩(wěn)定性，提升系統(tǒng)自動校準能力，減少人為干預需求，通過智能優(yōu)化算法實現自適應誤差補償與動態(tài)調整，提高系統(tǒng)的自主適應能力，減少傳統(tǒng)光學系統(tǒng)依賴人工調整的復雜度。