CN107422569A - 一种二维光学相控阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维光学相控阵，可应用于激光雷达，生物医学成像、全息成像和超高数据率通信等诸多技术领域。本发明二维光学相控阵的阵元为一组频率相同的点光源，所述相控阵以其中一个阵元为圆心，其余阵元被均分为若干组，每一组阵元与所述圆心一起构成一个径向的线阵，各线阵的结构相同且沿周向等角间距分布。本发明二维光学相控阵结构同时兼具圆形、等角间距、高度对称性和阵元空间分布紧凑等特点，因此具有加工难度低，栅瓣抑制能力强，二维大角度的扫描范围等优势。基于非均匀阵元分布抑制栅瓣技术，控制该相控阵阵元相位实现光束形成和成像，可有效抑制栅瓣和多级效应，实现单光束形成，同时具有很高的波束扫描分辨率。

Description

一种二维光学相控阵
技术领域
本发明涉及一种光学相控阵，尤其涉及一种二维光学相控阵，可应用于激光雷达，生物医学成像、全息成像和超高数据率通信等诸多技术领域。
背景技术
近年来，光学相控阵在激光雷达，生物医学成像和宽带宽空间光通信等领域得到广泛的应用。光学相控阵是一种全新的光束转向技术，与微波相控阵天线扫描的特点相类似，通过相位延迟可实现自由空间快速扫描，无需移动或者旋转设备。与微波相控阵相比，由于其波长小得多，光相控阵具有高分辨率，保密性和芯片级等优点。然而，受现有制造工艺水平的限制，目前的光学相控阵的阵元间隔通常远大于光波长的一半，这导致在远场中形成栅瓣。栅瓣的存在不仅限制了能量效率，而且严重地降低了波束的扫描范围。因此，栅瓣的抑制显得极为重要，在光学相控阵广泛应用于实际应用之前，这个问题迫切地需要得到解决。
密度加权是一种有效抑制栅瓣的手段，波束形成理论以及诸多论文已经证明对于某一固定主瓣角度，它可以有效地实现栅瓣抑制。而相控阵本身就是为了大角度范围内波束扫描，现有的光学相控阵结构大多为矩形，由于其不对称性，对于不同主瓣角度的波束形成，为了有效抑制栅瓣，最佳的阵元分布往往不相同，这就决定了栅瓣抑制的密度加权的矩形光相控阵无法有效地实现二维大角度范围。同时由于阵元数量和相邻阵元间隔的限制，矩形相控阵栅瓣的抑制效果不是非常理想。为了实现二维大角度光束扫描，这些问题目前亟须解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种栅瓣抑制能力强且可实现二维大角度扫描的二维光学相控阵。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种二维光学相控阵，其阵元为一组频率相同的点光源，所述相控阵以其中一个阵元为圆心，其余阵元被均分为若干组，每一组阵元与所述圆心一起构成一个径向的线阵，各线阵的结构相同且沿周向等角间距分布。
进一步地，所述线阵中各相邻阵元之间的间距是以最大化主瓣与最大旁瓣的比值为优化目标，通过优化算法优化得到。
所述优化算法可以是遗传算法、蚁群算法等人工智能能算法，优选地，所述优化算法为遗传算法，其适应度函数为主瓣与最大旁瓣的比值。
优选地，每个阵元所发出的光信号的相位和强度均独立可控。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明的二维光学相控阵同时兼具圆形、等角间距、高度对称性和阵元空间分布紧凑等特点，因此具有加工难度低，栅瓣抑制能力强，二维大角度的扫描范围等优势。基于非均匀阵元分布抑制栅瓣技术，控制该相控阵阵元相位实现光束形成和成像，可有效抑制栅瓣和多级效应，实现单光束形成，同时具有很高的波束扫描分辨率。
附图说明
图1为本发明二维光学相控阵的结构示意图；
图2为本发明二维光学相控阵的远场示意图；
图3为规则的矩形相控阵的远场方向图。
图4为本发明二维光学相控阵的远场方向图。
图5为最佳密度加权的矩形相控阵的远场方向图。
图6为最佳密度加权的本发明二维光学相控阵的远场方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的目的是：实现大间隔光学相控阵的栅瓣抑制和二维大角度的光束扫描；本发明的基本思路是：设计环形光相控阵结构，基于相控阵非均匀阵元分布抑制栅瓣技术，有效抑制栅瓣和多级效应，利用环形相控阵的圆形，等角间距，高度对称性和阵元空间分布紧凑等特点，从而确保二维大角度范围的光束扫描。
本发明二维光学相控阵的结构如图1所示，以其中一个阵元为圆心，其余阵元被均分为若干组，每一组阵元与所述圆心一起构成一个径向的线阵，各线阵的结构相同且沿周向等角间距分布。或者也可描述为：以其中一个阵元为圆心，其余阵元沿径向等角间距分布在若干同心圆周上，各径向阵元的分布一致。
在本发明光学相控阵中，作为阵元的各光源所发出光信号的频率一致，在远场产生干涉相消相长，主瓣位置各阵元光信号相长，栅瓣位置打破栅瓣形成条件，从而实现栅瓣抑制。其中，每个阵元的相位单独可控，基于电磁场空间叠加原理，通过相位变化使得相控阵方向图主瓣位置变化，实现远场光束扫描。最好各阵元的光信号强度也单独可控，可有效抑制旁瓣，提高光束质量。
进一步地，可基于非均匀阵元分布抑制栅瓣技术，通过优化算法选择合适的阵元间距使得光相控阵栅瓣得到最大程度压缩，打破栅瓣形成条件，提高波束扫描的分辨率，实现二维大角度光束扫描。具体而言，是以最大化主瓣与最大旁瓣的比值为优化目标，通过优化算法优化得到所述线阵中各相邻阵元之间的间距(即各相邻圆周之间的径向距离)。可采用现有的遗传算法、蚁群算法、人工神经网络等人工智能优化方法进行阵元分布的优化。例如，可以主瓣与最大旁瓣的比值(栅瓣抑制比)为适应度函数。利用遗传算法进行优化，通过迭代计算得到径向的最佳阵元间距。
图2是本发明二维光学相控阵的远场示意图，其中，θ和分别为相控阵远场方向图的俯仰角和方位角。
以环形相控阵中心处阵元为参考，为相控阵远场光电场，为阵列因子，其中A0表示环形中心位置阵元光信号强度|A0|和相位P为环形相控阵同心圆的个数即径向阵元数目，K为相控阵各同心圆周上阵元数目，(p,k)表示位置处于第p环上第k个阵元的坐标，A(p,k)表示坐标为(p,k)的阵元位置的光信号强度|A(p,k)|和相位Dp表示径向上第p个阵元与中心位置阵元的间隔。则其远场方向图表达式如下:
其中，λ为光信号波长。
受限于现有加工水平，光相控阵阵元间隔大于光信号半波长，现有的规则的矩形相控阵用于波束形成会产生栅瓣，显著地降低相控阵的扫描角度，而本发明相控阵结构可以有效地抑制栅瓣，扩大相控阵的扫描范围。为验证这一点，借助Matlab对本发明结构进行了仿真计算，并与现有矩形相控阵结构进行了对比。为方便计算，假设各阵元近场辐射场强度为1。考虑到现有加工水平，所使用的仿真参数如下：径向阵元个数P＝6,各同心圆周上阵元数目K＝12，光信号波长λ＝1μm，径向阵元间隔为2μm。将其与阵元间隔为2μm的10x10的矩形相控阵进行比较，图3和图4分别给出规则的矩形相控阵和本发明二维光学相控阵的远场方向图，从两者的远场方向图可以看出，规则矩形相控阵形成多个栅瓣，严重影响波束扫描范围，而本发明结构光学相控阵可以有效抑制栅瓣，增大波束扫描范围。
为实现栅瓣抑制，基于非均匀阵元分布抑制栅瓣技术，引入阵元非均匀分布的相控阵是一种有效方法，通过遗传算法确定阵元最佳分布，在遗传算法中我们定义主瓣与经过栅瓣抑制后的最大旁瓣的比值作为适应度函数，通过遗传算法实现对阵元间距的不断优化，最终确定可以实现栅瓣最有效抑制的阵元分布。而优化后的阵元非均匀分布的矩形相控阵仍然无法实现对栅瓣最大程度的抑制。同等条件下，基于非均匀阵元分布抑制栅瓣技术，径向阵元间距通过遗传算法优化后的本发明结构的相控阵可以实现对栅瓣实现更有效的压缩，而且阵元数目更少。考虑工艺加工水平和相控阵芯片大小，矩形相控阵阵元间距和本发明结构径向相邻阵元间距设定在1μm到3μm之间，考虑到任意阵元间距大于1μm，故设定本发明结构中D1＝2μm。图5和图6分别给出最佳密度加权的矩形相控阵和本发明二维光学相控阵的远场方向图，根据两者的远场强度图可以看出，在本发明结构仿真得到的远场方向图中，栅瓣得到更有效抑制，该参数下抑制比达到0.07，而最佳密度加权的矩形相控阵远场方向图栅瓣抑制比仅达到0.23，说明了本发明结构的有效性与合理性。

Claims (4)

1.一种二维光学相控阵，其阵元为一组频率相同的点光源，其特征在于，所述相控阵以其中一个阵元为圆心，其余阵元被均分为若干组，每一组阵元与所述圆心一起构成一个径向的线阵，各线阵的结构相同且沿周向等角间距分布。
2.如权利要求1所述二维光学相控阵，其特征在于，所述线阵中各相邻阵元之间的间距是以最大化主瓣与最大旁瓣的比值为优化目标，通过优化算法优化得到。
3.如权利要求2所述二维光学相控阵，其特征在于，所述优化算法为遗传算法，其适应度函数为主瓣与最大旁瓣的比值。
4.如权利要求1所述二维光学相控阵，其特征在于，每个阵元所发出的光信号的相位和强度均独立可控。
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