Reinforcement Learning Environment for Wavefront Sensorless Adaptive Optics in Single-Mode Fiber Coupled Optical Satellite Communications Downlinks

波前 自适应光学 波前传感器 计算机科学 强化学习 电信线路 延迟(音频) 光学 变形镜 自由空间光通信 光通信 物理 人工智能 电信
作者
Payam Parvizi,Runnan Zou,Colin Bellinger,Ross Cheriton,Davide Spinello
出处
期刊:Photonics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:10 (12): 1371-1371 被引量:5
标识
DOI:10.3390/photonics10121371
摘要

Optical satellite communications (OSC) downlinks can support much higher bandwidths than radio-frequency channels. However, atmospheric turbulence degrades the optical beam wavefront, leading to reduced data transfer rates. In this study, we propose using reinforcement learning (RL) as a lower-cost alternative to standard wavefront sensor-based solutions. We estimate that RL has the potential to reduce system latency, while lowering system costs by omitting the wavefront sensor and low-latency wavefront processing electronics. This is achieved by adopting a control policy learned through interactions with a cost-effective and ultra-fast readout of a low-dimensional photodetector array, rather than relying on a wavefront phase profiling camera. However, RL-based wavefront sensorless adaptive optics (AO) for OSC downlinks faces challenges relating to prediction latency, sample efficiency, and adaptability. To gain a deeper insight into these challenges, we have developed and shared the first OSC downlink RL environment and evaluated a diverse set of deep RL algorithms in the environment. Our results indicate that the Proximal Policy Optimization (PPO) algorithm outperforms the Soft Actor–Critic (SAC) and Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) algorithms. Moreover, PPO converges to within 86% of the maximum performance achievable by the predominant Shack–Hartmann wavefront sensor-based AO system. Our findings indicate the potential of RL in replacing wavefront sensor-based AO while reducing the cost of OSC downlinks.
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