CN108363051B - 一种用于光学相控阵光束扫描的自适应标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光学相控阵光束扫描的自适应标定系统，属于应用光学、衍射光学、自适应光学交叉技术领域。该系统包括激光光源、保偏光纤、基于电光调制的光学相控阵阵列、光电探测器、模拟信号采集卡、电控滑轨、控制计算机、模拟信号发生器以及自适应优化算法。激光光源发射激光，经保偏光纤传输至光学相控阵阵列；光电探测器检测位于电控滑轨上不同位置时的光强，传输给模拟信号采集卡转换为光强数字信号，并传输给控制计算机。控制计算机控制光电探测器顺序移动，对施加给光学相控阵阵列的电压进行标定，获得对应的最优电压分布。本发明可以实现大量角度、大量阵列的全自动标定工作，提高了光学相控阵光束扫描角度准确性和能量利用率。

Description

一种用于光学相控阵光束扫描的自适应标定系统

技术领域

本发明属于应用光学、衍射光学、自适应光学交叉技术领域，具体涉及一种用于光学相控阵光束扫描的自适应标定系统。

背景技术

光学相控阵通过发射天线的排布和光束相位的独立控制实现了光束的非机械扫描。实际的光学相控阵阵列由于生产加工和器件本身一致性差异，会导致实际每一个相控阵系统的天线排布位置、相位调制器的光电系数和理论值有一定的误差。由于这种误差的存在，光学相控阵在扫描光束时，扫描角度的准确性和光能量利用率都没有达到最优状态。

现有技术在光学相控阵光束扫描领域主要在解决对一个已知参数的光学相控阵系统实现光束扫描，并没有提出一种方法对系统参数未知的光学相控阵系统进行光束扫描标定的方法。在光学相控阵光束自适应优化领域主要在解决光束净化和如何合成大功率激光光束，该领域并不涉及光束的扫描。如参考文献1：激光相控阵中的优化式自适应光学研究，国防科学技术大学，博士论文，2011，王小林。参考文献2：High speed and low sidelobe optical phased array steering by phased correction technique，SPIE,2013。

本发明提出的标定系统属于上述两个方向的交叉研究结果，是为了解决工程应用中光学相控阵系统参数变化导致光束扫描偏差的问题。

发明内容

本发明针对光学相控阵阵列由于生产加工和安装误差的实际情况，使得光束扫描角度的准确性和能量利用率需要进一步提高的需求，提出一种用于光学相控阵光束扫描系统的校正方法，保证光束扫描角度的准确性和能量的利用率。

本发明提出一种光学相控阵光束扫描的自适应校正系统，包括激光光源、保偏光纤、基于电光调制的光学相控阵阵列、光电探测器、模拟信号采集卡、电控滑轨、控制计算机、模拟信号发生器以及自适应优化算法。

激光光源发射激光，经保偏光纤传输至光学相控阵阵列，光学相控阵阵列调制每一路光束相位，在阵列端面形成干涉光斑；在远场位置设置电控滑轨，电控滑轨与光学相位调制器阵列垂直，光电探测器固定在电控滑轨上，通过控制计算机控制光电探测器在电控滑轨上的位置；光电探测器检测在位于电控滑轨上不同位置时的光强，将检测到的光强电压信号传输给模拟信号采集卡转换为光强数字信号，并传输给控制计算机。

控制计算机随机产生电压抖动，所产生的随机电压数字信号经模拟信号发生器转换为模拟信号后，输出作用于光学相控阵阵列；控制计算机以光电探测器在当前角度的电压输出结果作为光强的评价指标，通过随机产生电压抖动，不断迭代逼近最优的电压分布，使对应角度下的光强达到最优。

控制计算机控制光电探测器顺序移动到电控滑轨上的各位置，对不同角度下的施加给光学相控阵阵列的电压进行标定，使得各角度下的光强最优，获得对应的最优电压分布。

本发明的优点与积极效果在于：本发明提供的自适应校正系统，实现对光学相控阵产生不同角度的扫描光束所需的电压进行标定和校正，可以实现大量角度、大量阵列的全自动标定工作。在标定后，光学相控阵系统的扫描角度被校正，扫描光束的强度也得到了提升，从而提高了光学相控阵光束扫描的角度准确性和能量利用率。

附图说明

图1是本发明提供的自适应校正系统的整体结构示意图；

图2是本发明控制计算机对光学相控阵阵列施加电压的自适应校正的整体流程图；

图3是本发明在对光学相控阵阵列单次角度施加电压的自适应校正的流程图；

图4是本发明实施例中采用本发明系统进行校正的仿真效果图；

图5是本发明实施例中为实验效果图；

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

为了克服光学相控阵光束扫描中的误差，本发明提出一种用于光学相控阵扫描的自适应标定系统。如图1所示，该系统包括激光光源1、保偏光纤2、基于电光调制的光学相控阵阵列3、电控滑轨4、光电探测器5、模拟信号采集卡(A/D)6、控制计算机7以及模拟信号发生器(D/A)8。激光光源1、保偏光纤2和光学相控阵阵列3为待标定的光学相控阵系统；电控滑轨4和光电探测器5组成可调整位置的光功率探测系统；A/D6、控制计算机7和D/A8组成了信号处理及控制系统。控制计算机7中集成了自适应优化算法，通过闭环的自适应优化算法，对产生所需扫描角度的光束应施加的控制电压进行自适应调整，并对优化后的电压参数进行标定记录，从而为后续产生指定角度的光束扫描提供校正后的电压参数。

本发明的系统中，光电探测器5固定在电控滑轨4上，电控滑轨4设置在远场位置，并且与光学相控阵阵列3相互垂直。如图1所示，电控滑轨4的0刻度位置正对光学相控阵阵列3的端面中心。控制计算机7控制光电探测器5在电控滑轨4的给定位置范围内移动，如图1所示。

如图1所示，激光光源1发射激光，经保偏光纤2传输至光学相控阵阵列3，通过光学相控阵阵列3调制每一路光束相位，在阵列端面形成干涉光斑。位于远场位置电控滑轨4上的光电探测器5，由控制计算机7控制其在电控滑轨4的位置。光电探测器5检测在不同位置时的光强，将检测到的光强电压信号传输给A/D6转换为光强数字信号传输给控制计算机7。

控制计算机7以光电探测器5在当前角度的电压输出结果作为光强的评价指标，使用自适应优化算法，来标定当前角度下的施加给光学相控阵阵列的电压，使得对应角度下的光强最优。控制计算机7随机产生电压抖动，所产生的随机电压数字信号经模拟信号发生器8转换为模拟信号后，输出作用给光学相控阵阵列3。控制计算机7以光电探测器5探测的光强为评价指标来确定是否保留本次随机生成的电压，不断迭代逼近最优的电压分布，从而使该角度下的光强达到最优。通过控制光电探测器5在电控滑轨4上的位置实现对不同角度下最优结果的标定和记录，最终可完成对全部角度的最优标定。

下面说明本发明提供的自适应校正方法(即自适应优化算法)的实现步骤。如图1所示，将电控滑轨4调节至和光学相控阵天线阵列3垂直，其中设光学相控阵阵列3的阵列端面垂直距离电控滑轨4为L，电控滑轨4单步最小移动间隔为d。对电控滑轨4的位置进行编号-N_max,，……0,1,2，……，N_max。其中电控滑轨4的0刻度位置表示电控滑轨4正对光学相控阵阵列3端面中心的位置。

下面结合图2和图3来说明实现自适应校正的具体步骤。

步骤一：初始设置移动位置编号n＝-N_max，此时的对应角度θ为

其中，θ表示光电探测器5所处位置与光学相控阵阵列3端面中心连线，与光学相控阵阵列3垂直方向的夹角。

步骤二：控制光电探测器5移动到电动滑轨4的位置n，在该位置上采集光强值并转换为对应的电压值。以光电探测器5在当前角度的电压输出结果作为光强的评价指标。

光强值越大，对应的电压值也越大，根据电压值大小来评价光强，下面通过不断迭代逼近对光学相控阵阵列施加的最优电压分布，使该角度下的光强达到最优值。

步骤三：控制计算机7产生随机电压抖动信号给D/A8，D/A8将输出的随机电压数字信号转化为模拟信号输出给光学相控阵阵列3。设对光学相控阵电光调制器阵列施加随机电压U₀，记录当前像光强I₀，并记录当前最优电压为U_best＝U₀，当前最大光强为I_max＝I₀，当前优化次数为N_count＝0，最大光强未改变次数N_unchanged＝0，当前电压最大变化量为ΔU＝ΔU_max。

其中，I₀表示施加了初始电压U₀后，光电探测器5检测得到的光强值。N_count用于记录当前位置优化次数，N_unchanged用于记录最大光强连续没有改变的次数。ΔU是当前允许的最大电压抖动值。ΔU_max是整个优化过程中允许的最大电压抖动值。初始电压U₀的值在给定的电压范围内选择。

步骤四：控制计算机7将产生随机电压抖动，进行一次迭代。

更新优化次数N_count+1，产生随机电压

其中Rand()表示产生[-1,1]之间的随机数。

计算需要施加的电压U₊和U_-，其中

其中Adj()是电压调整函数，如公式(2)所示，Int()为取整函数：

其中，U₊表示从最优电压U_best朝正向抖动的电压值，U_-表示从最优电压U_best朝反向抖动的电压值，U_min表示D/A8允许输出的最小电压值，U_max表示D/A信号发生器8允许输出的最大电压值，U表示电压调整前的值，U_out是电压调整后的值。

通过信号发生器施加电压U₊并得到对应光强I₊，施加电压U_-并得到光强I_-，如果最大光强I_max小于max{I₊,I_-}，其中max{}为取最大值函数，则记录I_max＝max{I₊,I_-}及对应的最优电压U_best。否则最大光强I_max不变化，记N_unchanged+1。

步骤五：如果最大光强未变化次数N_unchanged大于设置的最大未变化次数N_m，则更新随机步长ΔU＝ΔU/2，然后继续执行步骤六。N_m为设定的正整数。

步骤六：如果随机优化步长ΔU小于设定最小随机步长ΔU_min，则执行步骤八，否则执行步骤七。

步骤七：如果优化次数N_count超过设置的最大优化次数N_M，则执行步骤八，否则执行步骤四。N_M为设定的正整数。

步骤八：结束当前角度优化，并输出当前角度最优电压分布。

步骤九：继续控制光电探测器5移动到电动滑轨4的下一个位置，更新n＝n+1；如果n>N_max，执行步骤十，否则转步骤二执行，其中N_max为滑动导轨最大位置编号。

步骤十：结束全部角度优化，并输出全部角度最优电压分布。

对本发明的光学相控阵光束扫描的自适应标定系统进行仿真验证，方法如下：

(1)假定光学相控阵阵列个数为8，控制电压最大值为U_max＝+5V，最小值为U_min＝-5V，电压变化量最大为ΔU_max＝1V，最小为ΔU_min＝0.01V，则得到的结果最大优化次数为N_M＝200，最小优化次数为N_m＝20，电光调制器的半波电压未知，排布间距未知，在1°的位置进行光强探测和电压校正。如图4所示，自适应的优化情况为：从初始的探测能量为理论值的4.3％，到100步迭代之后的79.7％，以及到140步迭代之后的99.6％，光强曲线稳步上升逼近于理论值。通过该仿真实验可以验证该自适应优化算法的有效性。图中N表示迭代步数。

对本发明中光学相控阵光束扫描的自适应标定系统进行实物实验验证。实验采用1x8的LiNbO₃波导光学相控阵阵列，排布间距约为30um，半波电压系数约为4.5V，按照图1搭建系统，选定需要标定的角度，设置参数控制电压U_max＝+5V，U_min＝-5V，ΔU_max＝1V，ΔU_min＝0.01V，N_M＝200，N_m＝20，开启闭环自适应优化算法，记录光强变化曲线。如图5所示，可以看出光强变化曲线和仿真结果相近，都能不断逼近最优结果。当达到调节的终止条件，标定系统将会完成该角度的电压标定。

Claims (2)

1.一种光学相控阵光束扫描的自适应校正系统，包括激光光源、保偏光纤、基于电光调制的光学相控阵阵列、光电探测器、模拟信号采集卡、电控滑轨、控制计算机以及模拟信号发生器；

激光光源发射激光，经保偏光纤传输至光学相控阵阵列，光学相控阵阵列调制每一路光束相位，在阵列端面形成干涉光斑；在远场位置设置电控滑轨，电控滑轨与光学相位调制器阵列垂直，光电探测器固定在电控滑轨上，通过控制计算机控制光电探测器在电控滑轨上的位置；光电探测器检测在位于电控滑轨上不同位置时的光强，将检测到的光强电压信号传输给模拟信号采集卡转换为光强数字信号，并传输给控制计算机；

控制计算机随机产生电压抖动，所产生的电压数字信号经模拟信号发生器转换为模拟信号后，输出作用于光学相控阵阵列；控制计算机以光电探测器在当前角度的电压输出结果作为光强的评价指标，通过随机产生电压抖动，不断迭代逼近最优的电压分布，使对应角度下的光强达到最优值；

所述的控制计算机控制光电探测器顺序移动到电控滑轨上的各位置，对不同角度下的施加给光学相控阵阵列的电压进行标定，使得各角度下的光强达到最优值；

所述的光电探测器被控制计算机控制顺序移动到电控滑轨上的各位置，在移动到编号为n的位置时，通过下面步骤完成对应角度的电压标定；

(1)控制计算机产生随机电压抖动信号给模拟信号发生器，模拟信号发生器将输出的随机电压数字信号转化为模拟信号输出给光学相控阵阵列；

设对光学相控阵阵列施加随机电压U₀，光电探测器采集到光强I₀；记录当前最优电压U_best＝U₀，当前最大光强I_max＝I₀，当前优化次数N_count＝0，最大光强未改变次数N_unchanged＝0，当前电压最大变化量ΔU＝ΔU_max；ΔU_max是整个优化过程中允许的最大电压抖动值；

(2)设置优化次数N_count自增1，控制计算机产生随机电压

其中Rand()表示产生[-1,1]之间的随机数；控制计算机计算需要施加的电压U₊和U_-，U₊表示从最优电压U_best朝正向抖动的电压值，U_-表示从最优电压U_best朝反向抖动的电压值；

为光学相控阵阵列施加电压U₊并得到对应光强I₊，施加电压U_-并得到光强I_-；

如果最大光强I_max小于max{I₊,I_-}，其中max{}为取最大值函数，则记录I_max＝max{I₊,I_-}，并更新最优电压U_best；否则，最大光强I_max不变化，N_unchanged自增1；

(3)判断最大光强未变化次数N_unchanged是否大于设置的最大未变化次数N_m，如果是，将当前电压最大变化量ΔU减少一半，执行(4)；否则执行(5)；

(4)判断ΔU是否小于设定的最小随机步长ΔU_min，如果是，执行(6)；否则，继续执行(5)；

(5)判断优化次数N_count是否超过设置的最大优化次数N_M，如果是，执行(6)；否则，转(2)执行；

(6)结束当前角度优化，输出当前角度的最优电压U_best。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的控制计算机，根据随机电压

计算需要施加的电压U₊和U_-，具体如下：

其中Adj()是电压调整函数，如下：

其中，Int()为取整函数，U_min表示模拟信号发生器允许输出的最小电压值，U_max表示模拟信号发生器允许输出的最大电压值，U为待调整的电压值。

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