CN115390048B - 一种光学相控阵相位校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学相控阵相位校准方法，应用于包括激光器、光学相控阵、红外相机、计算机和控制电路的系统中，方法包括：光学相控阵接收激光器发出的光，并发射于自由空间；红外相机从自由空间接收反馈的光学相控阵的远场光场，并发送于计算机；计算机根据接收的远场光场计算评价函数值，根据评价函数值对控制电压进行优化，并将优化的控制电压施加于控制电路；控制电路根据施加的优化控制电压对光学相控阵进行相位校准；其中，对控制电压进行优化包括根据评价函数值拟合一条曲线，根据拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，根据更新的增益系数对控制电压进行优化。本发明提高了光学相控阵相位校准的速度和效果。
Description
技术领域
本发明属于光学相控阵的信号处理技术领域，具体涉及一种光学相控阵相位校准方法。
背景技术
光学相控阵是一种新型的激光扫描技术，因其准确度高、稳定性好、扫描速度快以及抗干扰能力强等特点，被广泛应用于激光雷达等领域。
光学相控阵由若干阵元组成，基于电光效应/热光效应/声光效应/磁光效应等效应通过电控方式来调制每个阵元的相位，从而实现光束的偏转。在实际应用中，受限于加工工艺水平，相控单元之间存在着不可避免的相位误差，使得光束产生旁瓣，造成光能量分散，影响光束指向精度，实际应用中必须对各个相控单元的相位进行校准。由于光学相控阵芯片较小，阵元间距只有微米量级，且芯片中一般也不会为每个阵元单独添加光开关，各个阵元的相位不能进行独立测量，因此大部分光学相控阵芯片的相位校准一般都是利用全局优化算法优化各个阵元的相位，常用的优化算法有随机并行梯度下降(StochasticParallel Gradient Descent Algorithm，简称SPGD)算法、模拟退火算法、遗传算法、爬坡算法等。
但是，使用全局优化算法对相位进行校准的过程中，增益系数的大小决定了算法的收敛速度和校准性能。传统的全局优化算法需要多次手动设置不同的增益系数，从中选取一个校准效果较好的增益系数作为经验值，这大大降低了优化的效率，且增益系数不具备实时性。此外，由于优化过程会出现不确定性还有其他各种因素如相机噪声，电压误差等的影响，实际优化过程可能朝着不利的方向进行，如果每次都以上一组迭代电压作为下一次迭代的起始点，优化效率并不高、迭代时间也较长。尤其是随着光学相控阵规模的增加，校准的难度大大提升，实际优化朝着不利方向进行的可能性大大增加。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种光学相控阵相位校准方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种光学相控阵相位校准方法，包括：
应用于包括激光器、光学相控阵、红外相机、计算机和控制电路的系统中，方法包括：
所述光学相控阵接收所述激光器发出的光，并发射于自由空间；
所述红外相机从自由空间接收反馈的所述光学相控阵的远场光场，并发送于所述计算机；
所述计算机根据接收的远场光场计算评价函数值，根据所述评价函数值对控制电压进行优化，并将优化的控制电压施加于所述控制电路；
所述控制电路根据施加的优化的控制电压对所述光学相控阵进行相位校准；
其中，对控制电压进行优化包括根据评价函数值拟合一条曲线，根据所述拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，根据更新的增益系数对控制电压进行优化。
在本发明的一个实施例中，所述拟合曲线的趋势包括总体上升型、总体下降型、总体平缓型和总体震荡型。
在本发明的一个实施例中，所述根据所述拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，包括：
针对每一次迭代过程，根据所述拟合曲线的趋势判断当前优化所处的阶段：
若当前优化所处的阶段为总体上升型，则保持增益系数不变；
若当前优化所处的阶段为总体下降型，则减小增益系数，以更新增益系数；
若当前优化所处的阶段为总体平缓型，则增大增益系数，以更新增益系数；
若当前优化所处的阶段为总体震荡型，则减小增益系数，以更新增益系数。
在本发明的一个实施例中，针对增大或减小增益系数的情况，所述根据所述拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，还包括：
针对每一次迭代过程，记录评价函数最高对应的历史最优点及其对应电压；
根据所述拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，包括：
根据所述历史最优点及其对应电压，以及所述拟合曲线的趋势自适应更新增益系数。
在本发明的一个实施例中，所述根据所述历史最优点及其对应电压，以及所述拟合曲线的趋势自适应更新增益系数，包括：
以所述历史最优点为起点，所述控制电路施加对应电压于所述光学相控阵，重新根据所述拟合曲线的趋势自适应更新增益系数。
在本发明的一个实施例中，所述根据更新的增益系数对控制电压进行优化，还包括：
针对每一次迭代过程，生成一组满足均值为零且服从伯努利分布的随机扰动电压；
根据所述随机扰动电压计算扰动评价值；
根据更新的增益系数和所述扰动评价值对控制电压进行优化。
在本发明的一个实施例中，所述根据所述随机扰动电压计算扰动评价值，包括：
根据所述随机扰动电压计算施加于所述光学相控阵的第一施加电压和第二施加电压；
分别根据所述第一施加电压和所述第二施加电压得到所述红外相机采集的远场光场分布，根据该远场光场分布计算对应的第一评价函数值和第二评价函数值；
根据所述第一评函数价值和所述第二评函数价值计算所述扰动评价值。
在本发明的一个实施例中，所述光学相控阵包括光波导光学相控阵或光纤相控阵或液晶相控阵或微振镜相控阵。
本发明的有益效果：
本发明提出的光学相控阵相位校准方法，针对现有光学相控阵相位校准采用全局优化算法校准效率低的问题，在控制电压优化过程中，根据评价函数值拟合一条曲线，根据拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，根据更新的增益系数对控制电压进行优化，可以看出在对控制电压优化过程中引入能够自适应更新增益系数的策略，根据实际的校准效果控制增益的变化，适时调节系统收敛性能，进而提高光学相控阵相位校准的速度和效果。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种光学相控阵相位校准方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的光学相控阵相位校准系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的当出现需要增大或减小增益系数时根据历史最优点重新优化的结果示意图；
图4是本发明实施例提供的完整的控制电压优化过程示意图；
图5是本发明实施例提供的初始增益系数为50000下传统光学相控阵相位校准方法和本发明光学相控阵相位校准方法的对比结果示意图；
图6是本发明实施例提供的初始增益系数为20000下传统光学相控阵相位校准方法和本发明光学相控阵相位校准方法的对比结果示意图；
图7是本发明实施例提供的初始增益系数为10000下传统光学相控阵相位校准方法和本发明光学相控阵相位校准方法的对比结果示意图；
图8是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
为了实现更快的光学相控阵相位校准速度和更好的光学相控阵相位校准效果，请参见图1，本发明实施例提供了一种光学相控阵相位校准方法，应用于如图2所示的光学相控阵的相位校准系统，包括激光器、光学相控阵、红外相机、计算机和控制电路的系统中，光学相控阵包括光波导光学相控阵或光纤相控阵或液晶相控阵或微振镜相控阵。对应光学相控阵相位校准方法包括以下步骤：
S10、光学相控阵接收激光器发出的光，并发射于自由空间；
S20、红外相机从自由空间接收反馈的光学相控阵的远场光场，并发送于计算机；
S30、计算机根据接收的远场光场计算评价函数值，根据评价函数值对控制电压进行优化，并将优化的控制电压施加于控制电路；其中，对控制电压进行优化包括根据评价函数值拟合一条曲线，根据拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，根据更新的增益系数对控制电压进行优化；
S40、控制电路根据施加的优化的控制电压对光学相控阵进行相位校准。
经发明人研究发现，在光学相控阵相位校准的过程中，系统评价函数的收敛过程大致可分为两个阶段：初期的快速收敛和后期的慢速高精度逼近。在迭代初期，由于和理想状态下的评价函数相差较大，校准的步长可以选取得大一些，加快收敛速度，而在接近收敛状态时，校准的步长应该选取得小一些，减小随机优化过程的震荡效应，提升收敛的稳定性。根据这种自适应策略实现自适应地调整增益系数，在最开始设置一个较大的增益系数，在迭代的过程中寻找合适的增益系数。
在发明人研究中还发现，将优化迭代过程中的评价函数拟合成一条曲线，发现该拟合曲线的趋势可以分成4种类型：总体上升型、总体下降型、总体平稳型和总体震荡型。当拟合曲线的趋势为总体上升型时，说明评价函数处于一个增长的趋势，在这个增益系数下优化效果良好，因此增益系数可以保持不变；当拟合曲线的趋势为总体下降型时，说明评价函数处于一个下降的趋势，优化在往一个不利的方向发展，说明这个增益系数在此迭代过程中并不合适，由于在开始选取了一个较大的增益系数导致的，因此减小增益系数往下寻找合适的值；当拟合曲线的趋势为总体平缓型时，说明迭代过程中评价函数可能陷入了一个局部极值跳不出来，因此需要增大增益系数使其跳出局部极值；当拟合曲线的趋势为总体震荡型时，说明增益系数过大，评价函数在不同的值之间来回跳动，无法找到一条合适的路径到达最优点，因此需要减小增益系数。基于上述分析，针对现有光学相控阵相位校准采用全局优化算法校准效率低的问题，本发明实施例根据拟合曲线包括的总体上升型、总体下降型、总体平缓型和总体震荡型4种趋势，多次迭代过程中自适应更新增益系数，包括：
针对每一次迭代过程，根据拟合曲线的趋势判断当前优化所处的阶段：若当前优化所处的阶段为总体上升型，则保持增益系数不变；若当前优化所处的阶段为总体下降型，则减小增益系数，以更新增益系数；若当前优化所处的阶段为总体平缓型，则增大增益系数，以更新增益系数；若当前优化所处的阶段为总体震荡型，则减小增益系数，以更新增益系数。
从上可以看出，总体下降型、总体平缓型和总体震荡型3种趋势无法达到一最优点，使得系统可能存在并非最优的相位校准。因此，本发明实施例引入回溯的思想，在迭代过程种记录评价函数最高的历史最优点，在迭代中更新历史最优点。如图3左侧标记a的图所示，当评价函数处于一个不利的优化方向时，即无法达到最优点，需要较多的迭代次数才能回到与当前评价函数相当的位置，但是如图3右侧标记b的图所示，如果跳出当前优化方向，从评价函数的历史最优点为起点，以一个新的方向开始优化，可以避免如图3左侧不必要的迭代，减少了迭代次数，降低了运算量。因此，本发明实施例针对增大或减小增益系数的情况，根据拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，还包括：
针对每一次迭代过程，记录评价函数最高对应的历史最优点及其对应电压；
当出现增大或减小增益系数时，根据拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，包括：根据历史最优点及其对应电压，以及拟合曲线的趋势自适应更新增益系数。进一步地，根据历史最优点及其对应电压，以及拟合曲线的趋势自适应更新增益系数，包括：
以历史最优点为起点，控制电路施加对应电压于光学相控阵器件，重新根据拟合曲线的趋势自适应更新增益系数。
进一步地，本发明实施例根据更新的增益系数对控制电压进行优化，还包括：
针对每一次迭代过程，生成一组满足均值为零且服从伯努利分布的随机扰动电压；根据随机扰动电压计算扰动评价值；根据更新的增益系数和扰动评价值对控制电压进行优化。其中，根据随机扰动电压计算扰动评价值，包括：
根据随机扰动电压计算施加于光学相控阵的第一施加电压和第二施加电压；分别根据第一施加电压和第二施加电压得到所述红外相机采集的远场光场分布，根据该远场光场分布计算对应的第一评价函数值和第二评价函数值；根据第一评函数价值和第二评函数价值计算扰动评价值。
为了更好的理解控制电压的优化过程，请参见图4详细的展示了本发明实施例使用全局优化思想对相位进行校准的优化过程。具体如下：
S301、设置初始控制电压。
具体而言，本发明实施例如果上一次迭代的评价函数处于总体下降型、总体平缓型和总体震荡型3种趋势中任意一种，则以评价函数的历史最优点对应的控制电压为起始点，u＝umax，否则u＝u(n)，其中，u(n)表示第n次迭代得到的控制电压，umax为评价函数最高值对应的一组电压。
S302、生成一组满足均值为零且服从伯努利分布的随机扰动电压；第n次迭代生成的随机扰动电压记为Δu(n)。
S303、根据随机扰动电压计算扰动评价值。
具体而言，本发明实施例根据随机扰动电压计算扰动评价值，包括：
S3031、根据随机扰动电压计算施加于光学相控阵的第一施加电压和第二施加电压；这里，第n次迭代根据随机扰动电压计算的第一施加电压和第二施加电压，分别记为u(n)+Δu(n)和u(n)-Δu(n)。
S3032、分别将第一施加电压u(n)+Δu(n)和第二施加电压u(n)-Δu(n)施加到光学相控阵，计算第n次迭代对应的第一评价函数值和第二评价函数值，分别记为和其中，评价函数值的计算方式表示Imain表示主瓣光强，Itotal表示整个光学相控阵的远场光场的光强，利用该计算方式，分别计算第一评价函数值和第二评价函数值
S3033、根据上述计算得到的第一评函数价值和第二评函数价值计算第n次迭代的扰动评价值，记为ΔJn；计算表示为
S304、根据更新的增益系数和扰动评价值对控制电压进行优化。
具体而言，本发明实施例控制电压优化公式表示为：u(n+1)＝u(n)+γ(n)Δu(n)ΔJn，其中，u(n)表示第n次迭代得到的控制电压，ΔJn表示第n次迭代的扰动评价值，γ(n)表示第n次迭代的迭代步长，也为控制电压优化时对应更新的增益系数。一般增益系数取值为固定值，但本发明根据上述分析，发现评价函数拟合曲线的趋势可以反映优化情况，根据评价函数拟合曲线的趋势判断当前优化所处的阶段，对增益系数进行自适应且合理的调整，可以控制控制电压的优化朝有利的方向发展。在本发明实施例当拟合曲线的趋势为总体平缓型时，γ(n)＝α·γ(n)，其中，α为一固定系数，取值范围为1～2，本发明实施例中选取值为1.1；当拟合曲线的趋势为总体下降型或总体震荡型时，γ(n)＝β·γ(n)，其中，β为一固定系数，取值范围为0～1，本发明实施例中选取值为0.9；当拟合曲线的趋势处于总体上升型时，选择γ(n)不变。则根据选择的γ(n)、计算得到的u(n)和ΔJn，利用u(n+1)＝u(n)+γ(n)Δu(n)ΔJn计算第n+1次迭代的控制电压。
将第n+1次迭代的控制电压u(n+1)施加于光学相控阵计算第n+1次迭代的评价函数J(n+1)，更新评价函数J(n+1)最高的历史最优控制电压umax，用于如S301中出现总体下降型、总体平缓型和总体震荡型3种趋势时控制电压起始点的选取。
判断是否满足迭代停止条件，若满足，则控制电压优化流程停止迭代：
S305、将当前优化的控制电压作为最终相位校准的控制电压；用于最终光学相控阵的相位校准。
否则继续转到S301继续迭代，直至满足迭代停止条件。其中，迭代停止条件可以为最大迭代次数，也可以为其他校准效果达到要求的设计，在此并不局限迭代停止条件的选择。
为了验证本发明实施例提供的光学相控阵相位校准方法的有效性，根据以下仿真结果来说明。
实验中，对16×16阵元光学相控阵进行相位校准，对比了传统光学相控阵相位校准方法(SPGD)和本发明光学相控阵相位校准方法的校准速度和效果。
请参见图5、图6、图7，分别设置了三种不同的初始增益系数，使用传统光学相控阵相位校准方法(SPGD)和本发明光学相控阵相位校准方法分别进行了10次重复实验，取其平均值进行了对比。从图5、图6、图7中可以看到：
传统光学相控阵相位校准方法在初始增益系数较大时，虽然刚开始上升得较快，但由于优化过程种采用的是固定增益系数，容易发生震荡效应，难以收敛到一个合适的值，校准效果不理想；而在初始增益系数较小时，可以收敛到一个较为理想的值，但迭代速度较慢，需要较大的迭代次数。而本发明光学相控阵相位校准方法，初始增益系数对其影响不大，在三种不同的增益系数下都能较快地迭代到一个较优的评价函数，在提升迭代速度的同时也能够保证校准效果。结果表明，与传统光学相控阵相位校准方法相比，本发明光学相控阵相位校准方法通过对增益系数的自适应调整，能够大幅地提升迭代速度，得到了较好的迭代效果，且校准效果也比较好。
综上所述，本发明实施例提出的光学相控阵相位校准方法，针对现有光学相控阵相位校准采用全局优化算法校准效率低的问题，在控制电压优化过程中，根据评价函数值拟合一条曲线，根据拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，根据更新的增益系数对控制电压进行优化，可以看出在对控制电压优化过程中引入能够自适应更新增益系数的策略，根据实际的校准效果控制增益的变化，适时调节系统收敛性能，进而提高光学相控阵相位校准的速度和效果。
同时，本发明实施例还引入了回溯思想，当控制电压优化往不利的方向进行时，尽早舍弃当前的状态，以先前记录的评价函数的历史最优点作为下一次迭代的起始位置，重新选择一个方向进行优化，可以避免不必要的迭代，减少迭代次数，进一步提高了系统收敛性能。
请参见图8，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器801、通信接口802、存储器803和通信总线804，其中，处理器801、通信接口802、存储器803通过通信总线804完成相互的通信；
存储器803，用于存放计算机程序；
处理器801，用于执行存储器803上所存放的程序时，实现上述光学相控阵相位校准方法的步骤。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述光学相控阵相位校准方法的步骤。
对于电子设备/存储介质实施例而言，由于其基本相近于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种光学相控阵相位校准方法，其特征在于，应用于包括激光器、光学相控阵、红外相机、计算机和控制电路的系统中，方法包括：
所述光学相控阵接收所述激光器发出的光，并发射于自由空间；
所述红外相机从自由空间接收反馈的所述光学相控阵的远场光场，并发送于所述计算机；
所述计算机根据接收的远场光场计算评价函数值，根据所述评价函数值对控制电压进行优化，并将优化的控制电压施加于所述控制电路；
所述控制电路根据施加的优化控制电压对所述光学相控阵进行相位校准；
其中，对控制电压进行优化包括根据所述评价函数值拟合一条曲线，根据拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，根据更新的增益系数对控制电压进行优化；所述拟合曲线的趋势包括总体上升型、总体下降型、总体平缓型和总体震荡型；
所述根据所述拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，包括：
针对每一次迭代，根据所述拟合曲线的趋势判断当前优化所处的阶段：
若当前优化所处的阶段为总体上升型，则保持增益系数不变；
若当前优化所处的阶段为总体下降型，则减小增益系数，以更新增益系数；
若当前优化所处的阶段为总体平缓型，则增大增益系数，以更新增益系数；
若当前优化所处的阶段为总体震荡型，则减小增益系数，以更新增益系数。
2.根据权利要求1所述的光学相控阵相位校准方法，其特征在于，针对增大或减小增益系数的情况，所述根据所述拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，还包括：
针对每一次迭代过程，记录评价函数最高对应的历史最优点及其对应电压；
所述根据所述拟合曲线的趋势多次迭代自适应更新增益系数，包括：
根据所述历史最优点及其对应电压，以及所述拟合曲线的趋势自适应更新增益系数。
3.根据权利要求2所述的光学相控阵相位校准方法，其特征在于，所述根据所述历史最优点及其对应电压，以及所述拟合曲线的趋势自适应更新增益系数，包括：
以所述历史最优点为起点，所述控制电路施加对应电压于所述光学相控阵，重新根据所述拟合曲线的趋势自适应更新增益系数。
4.根据权利要求1所述的光学相控阵相位校准方法，其特征在于，所述根据更新的增益系数对控制电压进行优化，还包括：
针对每一次迭代过程，生成一组满足均值为零且服从伯努利分布的随机扰动电压；
根据所述随机扰动电压计算扰动评价值；
根据更新的增益系数和所述扰动评价值对控制电压进行优化。
5.根据权利要求4所述的光学相控阵相位校准方法，其特征在于，所述根据所述随机扰动电压计算扰动评价值，包括：
根据所述随机扰动电压计算施加于所述光学相控阵的第一施加电压和第二施加电压；
分别根据所述第一施加电压和所述第二施加电压得到所述红外相机采集的远场光场分布，根据该远场光场分布计算对应的第一评价函数值和第二评价函数值；
根据所述第一评价函数值和所述第二评价函数值计算所述扰动评价值。
6.根据权利要求1所述的光学相控阵相位校准方法，其特征在于，所述光学相控阵包括光波导光学相控阵或光纤相控阵或液晶相控阵或微振镜相控阵。
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