CN107167779A - 基于LabVIEW的光波导相控阵扫描电压校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LabVIEW的光波导相控阵扫描电压校准系统，主要解决现有技术由于光波导相控阵器件不理想造成手动调整电压过于繁琐的问题。整个系统包括激光光源、光耦合系统、光波导阵列芯片、主控计算机、相控阵电源，激光光源通过光耦合系统将光束耦合进光波导阵列芯片，使光束在远场相干叠加成远场光斑；主控计算机控制相控阵电源将其发出的控制指令转化为控制电压，加载在光波导阵列芯片的电极端，通过主控计算机中设有的电源控制模块、图像采集及处理模块和数据处理模块反馈循环控制，实现对光波导阵列芯片各个扫描角度电压的校准。本发明便于操作，极大地减少了电压校准所需要的时间，可用于激光通信，激光雷达及激光显示。

Description

基于LabVIEW的光波导相控阵扫描电压校准系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体地说是一种光波导相控阵扫描电压自动校准系统，可用于激光通信，激光雷达及激光显示。

背景技术

与微波雷达相同，波束扫描控制仍然是激光雷达实现各种功能的一个重要技术。激光雷达有多种扫描方式进行波束扫描控制。近年来，光学相控阵技术逐渐成为国际上研究光束扫描的热点，其不同于传统的机械扫描、声光扫描和电光扫描的方式，是一种新型激光扫描技术。光学相控阵具有结构简单，重量轻、精确稳定、方向可控的优点，可通过程序控制实现对激光的偏转方向的灵活控制，且具有动态的聚焦和散焦能力。

典型的光学相控阵是由电光材料构成的电光调制器阵列，制造电光调制器的材料主要有LiNbO₃电光晶体材料，液晶材料，AlGaAs电光晶体材料，高光电系数的PLZT压电陶瓷材料等。光波导光学相控阵相较于其他材料而言，具有驱动电压低，功耗小，响应速度快，扫描范围大等显著优点，其核心部件是由若干个波导阵列单元构成，利用晶体的电光效应，通过控制系统控制各个波导阵列单元的外加电压，使波导阵列单元产生一定折射率差，从而使波导阵列出射端光场产生附加相位，这样就可以实现辐射光束方向的偏转。

在实际应用中，受到目前光波导光学相控阵制作工艺的限制，实际的光波导阵列芯片存在光波导芯层厚度和周期、间距的非均匀性和光波导晶体材料非一致性，另外也存在入射光源及光波导光学相控阵控制系统的电控误差的影响，对光波导阵列芯片进行电控扫描时，使光在光波导阵列芯片出射端光场的振幅分布及相位分布偏离期望的分布，导致实际的光波导相控阵扫描光束发生畸变，能量分散，衍射效率低，偏转角度存在误差。另外波导阵列电光扫描器空间场分布除了用于扫描的主瓣外，还有一些影响扫描特性的边瓣，其分散了主瓣的能量。因此，通过改变光波导相控阵的外加电压，对光波导光学相控阵出射场相位的精确控制和校准，实现边瓣的压缩，改善光束扫描质量成为光波导光学相控阵光束高质量、高速扫描至关重要的一步。由于光波导光学相控阵器件不理想性，扫描角度与电压并不具有理论中的关系，所以实验中，需要多次调整与校准，尝试寻找电压与扫描角度的关系。

在现有的校准方法中，都是通过手动校准电压与扫描角度的关系，这种手动校准方法对于多阵元的光学相控阵来说，不仅耗时费力，而且容易出错，造成光波导相控阵的扫描光束质量下降，扫描范围受到限制。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于LabVIEW的光波导相控阵扫描电压校准系统，以对光波导光学相控阵的扫描电压进行自动控制和校准，提高光波导相控阵扫描电压校准的效率和扫描角度偏转的精确度，改善扫描光束的质量。

为实现上述目的，本发明基于LabVIEW的光波导相控阵扫描电压校准系统，包括:激光光源，相控阵电源、主控计算机、光波导阵列芯片和CCD相机，其特征在于，主控计算机中设有如下功能模块：

电源控制模块，用于控制相控阵电源，对光波导阵列芯片各电极层的加载电压在理论加电基础上进行随机补偿，并将补偿后的电压加载在光波导阵列芯片的各个电极上；

图像采集及处理模块，用于接收和显示通过CCD相机实时采集到的不同加载电压情况下的远场光斑图像信息，并对光斑图像进行灰度处理，再对灰度处理的结果进一步处理，得到远场光斑的光强分布曲线，并传输给数据处理模块；

数据处理模块，用于根据光强分布曲线得到远场光斑图像的位置信息T_t和主副瓣比R_t；再将远场光斑图像的位置信息和主副瓣比分别与各自设定的两个阈值ΔT和ΔR进行比较：

若同时满足T_t≤ΔT和R_t≥ΔR这两个阈值条件，则输出对应扫描角度的校准电压代码。

若其中有一个条件不满足，则对电源控制模块进行反馈控制，提供一组新的补偿加载电压，再次进行循环处理，最终获取所有扫描角度校准电压数据。

本发明具有如下优点：

1.本发明由于在主控计算机中设有三大功能模块，故可通过电源控制模块对相控阵电源电压进行自动调整，降低了手动调整电压的繁琐性，大大减少了校准所需要的时间。

2本发明由于在图像处理模块中采集远场光斑图像，并将图像数据进行处理，绘制出远场光强分布曲线，并通过数据处理模块根据远场光强分布曲线对不同扫描角度下光斑位置信息和光束扫描质量进行定标，再进行阈值判定反馈控制电源控制模块，最终得到不同扫描角度的校准电压；相比于现有技术的人为主观观察判断，提高了电压调整的准确度，实现了扫描角度精确偏转，压缩边瓣，提高了扫描光束质量。

附图说明

图1是本发明光波导相控阵光束扫描系统框图；

图2是本发明中光波导相控阵扫描电压校准系统循环图；

图3是本发明中电压校准过程的控制流程图；

图4是本发明实验中使用的15层AsGa光波导阵列芯片结构图；

图5是本发明光波导相控阵扫描电压校准系统的主界面；

图6是本发明15层AsGa光波导阵列芯片扫描角度为-10°到10°的光束远场光斑图；

具体实施方式

本发明创造性的结合LabVIEW虚拟仪器技术，设计了一种基于LabVIEW编程的，运行在通用计算机上的系统，对光波导相控阵电源进行自动控制，从而对光波导相控阵各个阵元外加电压进行校准，补偿各个光波导阵元的空间相位延迟，实现扫描角度精确偏转，压缩边瓣，改善扫描光束质量。

参照图1，本发明包括激光光源1、光耦合系统2、光波导阵列芯片3、主控计算机4、相控阵电源5和CCD相机6；主控计算机4的输出端通过串口与相控阵电源5连接；相控阵电源5与光波导阵列芯片3的电极端连接；CCD相机6与主控计算机4的USB端口连接；

激光光源1通过光耦合系统2将光束耦合进光波导阵列芯片3，使光束在远场相干叠加形成远场光斑图像；主控计算机4通过串口通信控制相控阵电源5将主控计算机4发出的控制指令转化为控制电压，加载在光波导阵列芯片3的电极端，通过调整光波导阵列芯片3的加载电压，进而实现光束的偏转；并利用主控计算机4和CCD相机6之间通信进行光斑图像采集和数据处理。

所述主控计算机4中设有电源控制模块41、图像采集及处理模块42和数据处理模块43，三个模块形成循环控制系统，如图2所示，其中：

电源控制模块41，用于调整光波导阵列芯片的加载电压：在光波导阵列芯片的16个阵元电极的理论加载电压(U₁,U₂,····,U_k,U_k+1,····U₁₆)的基础上，加上[-1V，1V]的随机补偿电压(u₁,u₂,····u_k,u_k+1,····u₁₆)，得到补偿后的电压值为(V₁,V₂,····V_k,V_k+1,····V₁₆)，其中V_k＝U_k+u_k，并将补偿后的电压值作为控制电压转换成16进制字符串代码发送给主控计算机的USB-RS232串口；通过该串口通信控制相控阵电源，相控阵电源将主控计算机发出的扫描控制指令和控制电压代码转换为控制电压，该控制电压经相控阵电源内部的电压驱动单元放大驱动后，加载在光波导阵列芯片的16个电极上；

图像采集及处理模块42，通过CCD相机实时采集光波导阵列芯片在不同加载电压情况下，光波导阵列扫描光束远场光斑图像，并进行灰度处理，绘制远场光斑图像的光强分布曲线，其步骤如下：

首先，将图像分割成1024×1280个像素点，记录每个像素点的灰度值，灰度值范围为[0，255]；以灰度值的大小I作为该像素点光强值，像素点的坐标(x,y)作为位置信息，得到整个像素阵列的输出信息，包括位置行列值及对应像素的光强信息。为避免室内灯光，显示器灯光以及CCD采集图像的不稳定性等外界因素的干扰造成远场光斑图样的测量误差，系统中采用10帧图像的平均处理，以减小外界随机误差引起的不确定性；

接着，找出光强最大的像素点(x_m,y_n)，并以其作为中心，得到中心列像素点的坐标为[x_m,Y_m]＝[(x_m,y₁),(x_m,y₁),····(x_m,y_n),(x_m,y_n+1),····(x_m,y_j)]，该像素点坐标对应的光强数组为：Ι_m＝[I_m1,I_m2,····I_mn,I_m(n+1),····I_mj]，其中j＝1280为图像纵轴像素点的个数；

然后，在中心列像素点两边均匀间隔5个像素点各取两列像素点[x_m-10,Y_m-10]、[x_m-5,Y_m-5]、[x_m,Y_m]、[x_m+5,Y_m+5]、[x_m+10,Y_m+10]，对应的光强数组为：I_m-10、I_m-5、I_m、I_m+5、I_m+10，求取这5列光强数据的平均，并对得到的数据进行平滑滤波处理，将处理后的数据以像素点纵轴坐标y为横坐标，对应的光强大小I为纵坐标，绘制成远场光斑图像的光强分布曲线。

数据处理模块43，用于根据光强分布曲线得到远场光斑图像的位置信息T_t和主副瓣比R_t并通过阈值判断获取校准电压数据，实现各个扫描角度电压的校准。

参照图3，该数据处理模块43实现各个扫描角度电压校准的过程如下：

3a)根据远场光斑图像的光强分布曲线，读取主瓣峰值对应的横坐标，作为远场光斑图像的像素点位置y_t；

3b)根据远场光斑图像的光强分布曲线，读取主瓣光强为I_t1，副瓣光强为I_t2,计算主副瓣比为:

3c)进行位置偏差阈值判断：设偏转角度为i的光斑图像的理论像素点的纵轴位置为y_i，位置偏差阈值为ΔT_i；令T_t＝|y_t-y_i|，判断是否满足T_t≤ΔT_i：若满足，则进行3d)，否则输出一个反馈信号给电源控制模块41，由电源控制模块41提供一组新的补偿加载电压，再次进行循环处理；

3d)设主副瓣比阈值为ΔR_i，将对上述计算得到的主副瓣比R_t与主副瓣比阈值进行比较：若满足R_t≥ΔR，则进行3e)，否则输出一个反馈信号给电源控制模块41，由电源控制模块41提供一组新的补偿加载电压，再次进行循环处理；

3e)输出偏转角度i及其补偿电压代码到txt文本；判断是否获取所有偏转角度补偿加载电压，若全部获取，则终止系统循环；否则，输出一个反馈信号给电源控制模41，由电源控制模块41给新的偏转角度提供一组的补偿加载电压，再次进行循环处理。

通过上述步骤获取所有扫描角度的校准电压数据。

本发明的效果可通过以下实验进行验证说明。

1、测试条件

光波导阵列芯片3采用阵元数为15的一维GaAs光波导相控阵，其结构如图4所示，其在波导衬底上叠加了15层GaAs平板波导形成阵列结构，该芯层厚度为0.68um，包层厚度为1.38um，设有16个电极端，且相邻波导共用电极。

2、测试前实验准备

第一步，搭建实验平台：

用图4所示的15层AsGa光波导阵列芯片作为本发明系统中光波导阵列芯片3，将主控计算机4电压控制信号输出端通过串口与相控阵电源5连接；将CCD相机6与主控计算机4的USB端口连接；将相控阵电源5与光波导阵列芯片3电极端连接；打开激光器光源和相控阵电源5，依次调整激光器光源1、光耦合系统2和光波导阵列芯片3位置，实现精确对准，直至在接收屏上呈现扁平状平滑光斑。

第二步，输入系统初始数据：

打开光波导相控阵扫描电压校准系统主界面，如图5所示，用户在主界面上输入接收屏上边距Up、下边距Do、接收屏距光波导阵列芯片距离L、等待时间，电压数据.txt文件保存路径等设置信息。

该等待时间，根据接口仪器设备的响应速度，设置等待时间，单位ms。本次测试系统中的等待时间设定为250ms；

该接收屏上边距Up，是指光斑接收屏上端距离实验台的距离，单位mm，本次测试系统中的上边距设定为250mm；

该接收屏下边距Do，是指光斑接收屏下端距离实验台的距离，单位mm，本次测试系统中的下边距设定为148mm；

该波导芯片距接收屏距离L，是指光波导阵列芯片端面距离接收屏的距离，单位mm，本测试系统设定L为150mm；

该电压数据.txt文件保存路径，用于保存校准电压代码数据的.txt文件；

第三步：自动设置串口数据：默认串口参数：波特率为9600，数据位为8，奇偶校验为无校验，停止位为2.0，控制流为无；

3、系统校准电压

完成上述准备工作后，首先设定系统的扫描角度范围为-10°到10°，开始依次对15层AsGa光波导阵列芯片的-10°到10°的扫描角度电压进行校准:

设定初始校准电压的扫描角度i₀＝-10°，i_n＝-10°+n，设定n的初始值为0，n为[0,20]的正整数：

在电源控制模块41中对该光波导阵列芯片3在扫描角度为i_n时的理论加载电压的基础上进行[-1V,1V]随机电压补偿，并将补偿后的电压加载在光波导阵列芯片上，在图像采集模块42中，通过CCD采集远场光斑图像，并进行灰度处理，绘出光强分布曲线；将光强分布曲线输送给数据处理模块，数据处理模块对光强分布曲线进行处理，即根据光强分布曲线得到远场光斑图像的位置信息T_t和主副瓣比R_t；再将远场光斑图像的位置信息和主副瓣比分别与各自设定的两个阈值和进行比较：

如果和这两个条件同时成立，则输出对应扫描角度的校准电压代码，再令n＝n+1，并判断是否满足n≤20，若满足，则开始对扫描角度为i_n＝-10°+n的电压进行校准，否则中止系统循环；

如果和中有一个条件不成立，则对电源控制模块进行反馈控制，提供一组新的补偿加载电压，再次进行循环处理。

通过上述过程，获取了该15层AsGa光波导阵列芯片的-10°到10°的扫描角度校准电压数据，将各个扫描角度的校准电压加载在光波导阵列芯片上，得到扫描角度为-10°到10°的光束远场光斑图，如图6所示。其中图6(a)为扫描角度为0°到-10°的光束远场光斑图，图6(b)为扫描角度为0°到10°的光束远场光斑图。各个扫描角度电压经校准后，实现了扫描角度精确偏转，并压缩了边瓣，提高了扫描光束质量。

以上这种光波导相控阵扫描电压校准系统不仅仅适用于15个阵元的一维光波导相控阵，对于其它多阵元一维或二维的光学相控阵也同样适用，所有基于本发明思想的修正以及将本发明思想用于别的光学相控阵仍在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于LabVIEW的光波导相控阵电压校准系统，包括激光光源(1)、光耦合系统(2)、光波导阵列芯片(3)、主控计算机(4)、相控阵电源(5)、CCD相机(6)；其特征在于，主控计算机(4)中设有如下功能模块：

电源控制模块(41)，用于控制相控阵电源(4)，对光波导阵列芯片(3)各电极层的加载电压在理论加电基础上进行随机补偿，并将补偿后的电压加载在光波导阵列芯片(3)的各个电极上；

图像采集及处理模块(42)，用于接收和显示通过CCD相机(6)实时采集到的不同加载电压情况下的远场光斑图像信息，并对光斑图像进行灰度处理，再对灰度处理的结果进一步处理，得到远场光斑的光强分布曲线，并传输给数据处理模块(43)；

数据处理模块(43)，用于根据光强分布曲线得到远场光斑图像的位置信息T_t和主副瓣比R_t；再将远场光斑图像的位置信息和主副瓣比分别与各自设定的两个阈值ΔT和ΔR进行比较：

若同时满足T_t≤ΔT和R_t≥ΔR这两个阈值条件，则输出对应扫描角度的校准电压代码。

若其中有一个条件不满足，则对电源控制模块(41)进行反馈控制，提供一组新的补偿加载电压，再次进行循环处理，最终获取所有扫描角度校准电压数据。

2.如权利要求1所述的系统，其特性在于电源控制模块(41)对光波导阵列芯片各电极层的加载电压在理论加电基础上进行随机补偿，是在光波导阵列芯片的16个阵元电极的理论加载电压(U₁,U₂,····,U_k,U_k+1,····U₁₆)的基础上，加上[-1V，1V]的随机补偿电压(u₁,u₂,····u_k,u_k+1,····u₁₆)，得到补偿后的电压值(V₁,V₂,····V_k,V_k+1,····V₁₆)，其中V_k＝U_k+u_k；再将补偿后的电压值作为控制电压转换成16进制字符串代码发送给USB-RS232串口，通过该串口通信控制相控阵电源；相控阵电源将主控计算机发出的扫描控制指令和控制电压代码转换为控制电压，加载在光波导阵列芯片的16个电极上。

3.如权利要求1所述的系统，其特性在于图像采集及处理模块(42)对CCD相机

实时采集到的不同加载电压情况下的远场光斑图像信息进行灰度处理，绘制远场光斑图像的光强分布曲线，其步骤如下：

2a)将图像分割成1024×1280个像素点，记录每个像素点的灰度值，灰度值范围为[0，255]；以灰度值的大小I作为每个像素点光强值，用像素点的坐标(x,y)作为位置信息，得到整个像素阵列的输出信息，该信息包括像素点的位置坐标及对应像素的光强信息；

2b)从像素阵列的输出信息中找出光强最大的像素点(x_m,y_n)，并以其作为中心，得到中心列像素点的坐标[x_m,Y_m]＝[(x_m,y₁),(x_m,y₁),····(x_m,y_n),(x_m,y_n+1),····(x_m,y_j)]，该像素点坐标对应的光强数组为：Ι_m＝[I_m1,I_m2,····I_mn,I_m(n+1),····I_mj]，其中j＝1280，为纵向像素点的个数；

2c)在中心列像素点两边均匀间隔5个像素点各取两列像素点[x_m-10,Y_m-10]、[x_m-5,Y_m-5]、[x_m,Y_m]、[x_m+5,Y_m+5]、[x_m+10,Y_m+10]，其对应的光强数组为：I_m-10、I_m-5、I_m、I_m+5、I_m+10，求取这5列光强数据的平均，并对得到的数据进行平滑滤波处理，将处理后的数据以像素点纵轴坐标y为横坐标，对应的光强大小I为纵坐标，绘制成远场光斑图像的光强分布曲线。

4.如权利要求1所述的系统，其特性在于数据处理模块(43)根据光强分布曲线得到远场光斑图像的位置信息T_t和主副瓣比R_t，按如下步骤进行：

3a)根据远场光斑图像的光强分布曲线，读取主瓣峰值对应的横坐标，作为远场光斑图像的像素点位置y_t；

3b)根据远场光斑图像的光强分布曲线，读取主瓣光强为I_t1，副瓣光强为I_t2,计算主副瓣比为:

3c)进行位置偏差阈值判断：设偏转角度为i的光斑图像的理论像素点的纵轴位置为y_i，位置偏差阈值为ΔT_i；令T_t＝|y_t-y_i|，判断是否满足T_t≤ΔT_i：若满足，则进行3d)，否则输出一个反馈信号给电源控制模块，由电源控制模块提供一组新的补偿加载电压，再次进行循环处理；

3d)对上述满足位置偏差阈值的光斑图像，进行主副瓣比阈值判断：设主副瓣比阈值为ΔR_i；判断是否满足R_t≥ΔR，若满足，则进行3e)，否则输出一个反馈信号给电源控制模块，由电源控制模块提供一组新的补偿加载电压，再次进行循环处理；

3e)输出偏转角度i及其补偿电压代码到txt文本；判断是否获取所有偏转角度补偿加载电压，若全部获取，则终止系统循环；否则输出一个反馈信号给电源控制模块，由电源控制模块给新的偏转角度提供一组的补偿加载电压，再次进行循环处理。