CN111948626B - 基于阵列探测器的光纤相控阵多光束扫描*** - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于阵列探测器的光纤相控阵多光束扫描***，主要解决光束扫描的准确性问题，其包括光束产生子***(1)、相位控制子***(2)、耦合光学子***(3)和阵列探测器(4)。耦合光学子***为空间排布的多模光纤束，阵列探测器为线阵或面阵探测器，配合实现对光纤相控阵输出的中心子视场采样。根据光束空间扫描时序，通过相位控制子***(基于SPGD算法)进行相位噪声补偿形成待扫多光束点阵；接着对多路光纤光束施加预设的扫描电压，若阵列探测器光强采样低于阈值，则利用相位控制子***进行对应位置的扫描电压微调校准。本发明利用阵列探测器进行相位反馈控制，通过多光束扫描同时实现空间的准确指向与视场的快速覆盖。

Description

基于阵列探测器的光纤相控阵多光束扫描***

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，特别涉及一种光纤相控阵扫描***，可用于多光束扫描同时实现空间的准确指向与视场的快速覆盖。

技术背景

光束扫描技术是一种对激光光束方向精确控制以及定位的技术。光束扫描技术常见的有机械式、微机电式和纯电控式。光纤相控阵属于纯电控式一种，与机械式和微机电式相比，光纤相控阵具有惯性小、扫描速率快、灵敏度高的特点，在高能激光合成、多目标探测与跟踪、复杂目标成像等领域得到广泛应用。但是，光纤相控阵容易受外界环境温度，光纤抖动等因素影响，***输出光束质量及扫描定位角度的精度都无法达到理想状态，加之其他光束扫描技术在扫描速度上的局限性。因此，实现光纤阵列光束快速且高质量输出、提高光纤阵列扫描准确度逐渐成为研究热点。

现有技术主要解决光纤相控阵光束优化及快速扫描问题。Huang W R,Montoya J,Kansky J E,et al.High speed,high power one-dimensional beam steering from a6-element optical phased array[J].Optics Express,2012,20(16):17311.)公开了一种1×7光纤相控阵扫描***，该***采用随机并行梯度下降SPGD算法对光束进行优化，并利用单点探测器和高速相机作为性能评价函数采集器，实现了光束快速扫描。

申请公布号为CN108196244A，名称为“基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射***”的专利申请中，公开了一种基于SPGD算法的光纤阵列相控阵偏转发射***。该***利用SPGD算法对N×N路的脉冲光进行相位噪声实时补偿，实现N×N路脉冲光束的锁相，通过对电光相位调制器施加相位延迟使光束偏转，但由于电光相位调制器电压与相位对应关系的不确定性，存在光束偏转角度不准确的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于阵列探测器的光纤相控阵多光束扫描***，以解决上述现有技术对光纤相控阵多光束扫描不准确问题。

为实现上述目的，本发明基于阵列探测器的光纤相控阵多光束扫描***，包括光束产生子***、相位控制子***、耦合光学子***和阵列探测器，该光束产生子***产生的相干合成光场经耦合光学子***被阵列探测器采样，相位控制子***利用SPGD算法，以阵列探测器采样到的光强信号作为性能评价函数，计算得到一组反馈电压信号，并反馈给光束产生子***，使合成光场发生变化，阵列探测器再次对其采样，如此循环，直至阵列探测器采样值处于极大值，完成相位噪声补偿，其特征在于：

所述光束产生子***，在相位噪声补偿后，相干合成产生的光场为矩形的多光束点阵，对其施加扫描电压组合{U₁,U₂,…,U_m,…,U_m-1,U_M}，用于完成对应扫描图样的光束扫描，其中U_m为第m次光束扫描对光束产生子***加载的电压，m＝1,2,···,M，M为扫描次数。

所述耦合光学子***，由在空间排布的多模光纤束组成：

所述阵列探测器，采用线阵探测器或面阵探测器，用于控制多光束点阵的单个子光束实现光束扫描，其余子光束跟随该子光束完成光束扫描，从而实现多光束扫描，并保证多光束扫描同时实现空间的准确指向与视场的快速覆盖。

进一步，所述在空间排布的多模光纤束，其根据输出光场的光束点阵排布成矩形。

进一步，所述光束产生子***包括连续光纤激光器、光纤分束器、保偏光纤、电光相位调制器、光纤功率放大器、光纤阵列和分束器：连续光纤激光器、光纤分束器、电光相位调制器、光纤功率放大器和光纤阵列通过保偏光纤相连，连续光纤激光器出射光束被光纤分束器分成N×N路子光束，各路子光束经电光相位调制器调制和光纤功率放大器功率放大后，由光纤阵列输出，在空间形成矩形的多光束点阵，该光束被分束器分为出射激光光束和经耦合光学子***后用于阵列探测器的采样光束两部分。

进一步，所述相位控制子***，包括信号采集模块、运算模块和电光相位调制器电源驱动模块：运算模块控制信号采集模块驱动阵列探测器对合成光场进行采样，并利用SPGD算法计算得到一组反馈电压信号反馈给电光相位调制器电源驱动模块，用以驱动电光相位调制器。

为实现上述目的，本发明利用上述光纤相控阵多光束扫描***进行光纤相控阵多光束扫描的方法，其特征在于，包括如下：

1)光束产生子***中的连续光纤激光器出射光束被光纤分束器分成N×N路子光束，各路子光束经电光相位调制器调制和光纤功率放大器功率放大后，由光纤阵列输出，在空间形成矩形的多光束点阵，并将矩形的多光束点阵覆盖的范围定义为大视场A，大视场A内各个子光束与相邻子光束的视场范围定义为小视场B；

2)通过分束器将矩形的多光束点阵分为两部分，一部分作为出射激光光束，另一部分只取矩形的多光束点阵中央的子光束，并通过耦合光学子***会聚到阵列探测器，阵列探测器对该子光束进行采样；

3)对光束产生子***加载不同的扫描电压，使所取多光束点阵中央的子光束指向位置发生变化，阵列探测器根据该子光束的指向开启对应位置的探测通道，并对该光束的光强进行采样；

4)设定一个光强信号阈值Q，设定一组扫描图案对应的电压组合：{U₁,U₂,…,U_m,…,U_m-1,U_M}，该扫描图案覆盖整个小视场B，其中，U_m为第m次光束扫描对光束产生子***加载的电压，m＝1,2,···,M，M为扫描次数；

5)相位控制子***中的运算模块控制信号采集模块驱动阵列探测器对相干合成光场进行采样，并利用SPGD算法计算得到一组反馈电压信号反馈给电光相位调制器电源驱动模块，用以驱动电光相位调制器，改变相干合成光场，使阵列探测器采样到光强信号随之发生变化；

6)阵列探测器对相位噪声补偿后的矩形的多光束点阵中央子光束再次进行采样，将采样到光强信号S与光强信号阈值Q进行比较：

若S≥Q，则在电光相位调制器上加载扫描电压U_m，实现光束扫描，并根据矩形的多光束点阵中央子光束指向再次改变阵列探测器的探测通道，同时在当前的扫描次数上加1，即m＝m+1；

若S＜Q，则返回5)；

7)重复6)，当m＞M时，结束扫描，至此，中央子光束在小视场B范围内实现扫描，其余子光束同样跟随中央子光束在各自的小视场范围内完成光束扫描，从而实现整个大视场A的多光束扫描。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明的耦合光学子***由于采用由空间排布的多模光纤束组成，且可排列成多种形状，相比现有的单透镜耦合光学子***，可实现多样的扫描图案，拓展了***的应用场景。

2.本发明由于采用阵列探测器，在电光相位调制器上加载扫描电压后，可根据相干合成光束主瓣位置改变阵列探测器的探测通道，并可根据阵列探测器采样的光强信号与设定阈值比较，判定出是否进行相位噪声补偿，不仅提高了光束扫描的准确性，而且保证了相干合成光束的输出质量，并通过控制小视场内的子光束扫描，实现整个大视场的光束扫描。

附图说明

图1为本发明的光纤相控阵多光束扫描***框图；

图2为本发明的光束产生子***框图；

图3为本发明的相位控制子***框图；

图4为本发明中的阵列探测器阵元分布示意图；

图5为本发明耦合光学子***中多模光纤束排列结构图；

图6为用本发明扫描***进行不同路径的光束扫描图案图；

图7为本发明的光束扫描方法实现流程图；

图8为本发明中的矩形的多光束点阵图；

图9为本发明中的小视场光束扫描组成整个大视场光束扫描示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明的光纤相控阵多光束扫描***包括光束产生子***1、相位控制子***2、耦合光学子***3和阵列探测器4；相位控制子***2的输出端和输入端通过数据线分别与光束产生子***1和阵列探测器4连接；耦合光学子***3固定于阵列探测器4上，该阵列探测器采用面阵探测器或线阵探测器，其阵元分布如图4，其中图4(a)为面阵探测器分布，图4(b)为线阵探测器分布。

耦合光学子***3，由在空间排布的多模光纤束组成，其根据输出光场的光束点阵排布成矩形，如图5所示，光束产生子***1产生矩形的多光束点阵，该光场的中央子光束经耦合光学子***3会聚进入阵列探测器，并对该子光束进行采样，采样的信号通过数据线传送给相位控制子***2，该相位控制子***2利用SPGD算法计算反馈电压，并加载到光束产生子***1，使相干合成光场发生变化，阵列探测器再次对其采样，如此循环，直至阵列探测器采样值处于极大值，实现相位噪声补偿；再通过相位控制子***2对光束产生子***1加载一组扫描图案对应的扫描电压组合：{U₁,U₂,…,U_m,…,U_m-1,U_M}，实现光束扫描，其中U_m为第m次光束扫描对光束产生子***加载的电压，m＝1,2,···,M，M为扫描总次数，扫描图案如图6所示为矩形脉冲。

参照图2，所述光束产生子***1包括连续光纤激光器11、保偏光纤12、光纤分束器13、电光相位调制器14、光纤功率放大器15、光纤阵列16和分束器17，其中连续光纤激光器11、光纤分束器13、电光相位调制器14、光纤功率放大器15和光纤阵列16通过保偏光纤12相连，连续光纤激光器11出射光束被光纤分束器13分成N×N路子光束，各路子光束经电光相位调制器14调制和光纤功率放大器15功率放大后，由光纤阵列16输出，在空间形成矩形的多光束点阵，该光束被分束器17分为出射激光光束和经耦合光学子***后用于阵列探测器4的采样光束两部分。

参照图3，所述相位控制子***2包括信号采集模块21、运算模块22和电光相位调制器电源驱动模块23，运算模块22控制信号采集模块21驱动阵列探测器对合成光场进行采样，并利用SPGD算法计算得到一组反馈电压信号反馈给电光相位调制器电源驱动模块23，用以驱动电光相位调制器14。

参照图7，本发明的光纤相控阵多光束扫描方法，实现步骤如下：

步骤1，设置初始值。

设定一个光强信号阈值Q，本实例Q＝2V；

设定一组扫描图案对应的电压组合：{U₁,U₂,…,U_m,…,U_m-1,U_M}，其中U_m为第m次光束扫描对光束产生子***加载的电压，m＝1,2,···,M，M为扫描总次数，本实例M＝64。

本实例扫描图案采用但不限于矩形脉冲。

步骤2，产生相干合成光场。

2.1)光束产生子***中的连续光纤激光器出射光束被光纤分束器分成8×8路子光束，各路子光束经电光相位调制器调制和光纤功率放大器功率放大后，由光纤阵列输出，在空间形成矩形的多光束点阵，如图8(a)所示，并将矩形的多光束点阵覆盖的范围定义为大视场A，小视场A内各个子光束与相邻子光束的视场范围定义为小视场B，如图8(b)所示；

2.2)通过分束器将矩形的多光束点阵分为两部分，一部分作为出射激光光束，另一部分只取矩形的多光束点阵中央的子光束，并通过耦合光学子***会聚到阵列探测器，阵列探测器对该子光束进行采样；

2.3)对光束产生子***加载不同的扫描电压，使所取多光束点阵中央的子光束指向位置发生变化，阵列探测器根据该子光束的指向开启对应位置的探测通道，并对该光束的光强进行采样。

本实例分束器分束比例为2:98，即阵列探测器采样取2％，出射激光光束取98％，阵列探测器采用8×8的面阵探测器，光纤阵列由64条裸纤空间均匀排布成8×8矩形，相邻裸纤间距为：155μm，裸纤为保偏单模光纤，且快轴或慢轴对准。

步骤3，相位噪声补偿。

相位控制子***中的运算模块控制信号采集模块驱动阵列探测器对相干合成光场进行采样，并以采样的信号作为性能评价值；

利用SPGD算法计算得到一组反馈电压信号反馈给电光相位调制器电源驱动模块，用以驱动电光相位调制器，改变各个子光束的相位，使相干合成光场也随之发生变化，从而实现相位噪声补偿。

步骤4，光束扫描。

阵列探测器对相位噪声补偿后的矩形的多光束点阵中央子光束再次进行采样，并将采样到光强信号S与光强信号阈值Q进行比较：

若S≥Q，则在电光相位调制器上加载扫描电压U_m，实现光束扫描，并根据矩形的多光束点阵中央子光束指向位置再次改变阵列探测器的探测通道，同时在当前的扫描次数上加1，即m＝m+1；

若S＜Q，则返回步骤3。

步骤5，重复步骤4，直到m＞M时，结束扫描。至此，中央子光束在小视场B范围内实现扫描，其余子光束同样跟随中央子光束在各自的小视场范围内完成光束扫描，从而实现整个大视场A的多光束扫描，如图9所示。

以上是对本发明的具体实施例进行的描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于阵列探测器的光纤相控阵多光束扫描***，包括光束产生子***(1)、相位控制子***(2)、耦合光学子***(3)和阵列探测器(4)，该光束产生子***(1)产生的相干合成光场经耦合光学子***(3)被阵列探测器(4)采样，相位控制子***(2)利用SPGD算法，以阵列探测器(4)采样到的光强信号作为性能评价函数，计算得到一组反馈电压信号，并反馈给光束产生子***(1)，使合成光场发生变化，阵列探测器(4)再次对其采样，如此循环，直至阵列探测器(4)采样值处于极大值，完成相位噪声补偿，其特征在于：

所述光束产生子***(1)，在相位噪声补偿后，相干合成产生的光场为矩形的多光束点阵，对其施加扫描电压组合{U₁,U₂,…,U_m,…,U_m-1,U_M}，用于完成对应扫描图样的光束扫描，其中U_m为第m次光束扫描对光束产生子***加载的电压，m＝1,2,···,M，M为扫描次数：

所述耦合光学子***(3)，由在空间排布的多模光纤束组成：

所述阵列探测器(4)，采用线阵探测器或面阵探测器，用于控制多光束点阵的单个子光束实现光束扫描，其余子光束跟随该子光束完成光束扫描，从而实现多光束扫描，并保证多光束扫描同时实现空间的准确指向与视场的快速覆盖。

2.根据权利要求1所述***，其特征在于，在空间排布的多模光纤束，其根据输出光场的光束点阵排布成矩形。

3.根据权利要求1所述***，其特征在于，光束产生子***(1)包括连续光纤激光器(11)、保偏光纤(12)、光纤分束器(13)、电光相位调制器(14)、光纤功率放大器(15)、光纤阵列(16)和分束器(17)：连续光纤激光器(11)、光纤分束器(13)、电光相位调制器(14)、光纤功率放大器(15)和光纤阵列(16)通过保偏光纤(12)相连，连续光纤激光器(11)出射光束被光纤分束器(13)分成N×N路子光束，各路子光束经电光相位调制器(14)调制和光纤功率放大器(15)功率放大后，由光纤阵列(16)输出，在空间形成矩形的多光束点阵，该光束被分束器(17)分为出射激光光束和经耦合光学子***后用于阵列探测器(4)的采样光束两部分。

4.根据权利要求1所述***，其特征在于，相位控制子***(2)，包括信号采集模块(21)、运算模块(22)和电光相位调制器电源驱动模块(23)：运算模块(22)控制信号采集模块(21)驱动阵列探测器(4)对合成光场进行采样，并利用SPGD算法计算得到一组反馈电压信号反馈给电光相位调制器电源驱动模块(23)，用以驱动电光相位调制器(14)。

5.一种用权利要求1***进行光纤相控阵多光束扫描的方法，其特征在于，包括如下：

1)光束产生子***中的连续光纤激光器出射光束被光纤分束器分成N×N路子光束，各路子光束经电光相位调制器调制和光纤功率放大器功率放大后，由光纤阵列输出，在空间形成矩形的多光束点阵，并将矩形的多光束点阵覆盖的范围定义为大视场A，大视场A内各个子光束与相邻子光束的视场范围定义为小视场B；

2)通过分束器将矩形的多光束点阵分为两部分，一部分作为出射激光光束，另一部分只取矩形的多光束点阵中央的子光束，并通过耦合光学子***会聚到阵列探测器，阵列探测器对该子光束进行采样；

3)对光束产生子***加载不同的扫描电压，使所取多光束点阵中央的子光束指向位置发生变化，阵列探测器根据该子光束的指向开启对应位置的探测通道，并对该光束的光强进行采样；

4)设定一个光强信号阈值Q，设定一组扫描图案对应的电压组合：{U₁,U₂,…,U_m,…,U_m-1,U_M}，该扫描图案覆盖整个小视场B，其中，U_m为第m次光束扫描对光束产生子***加载的电压，m＝1,2,···,M，M为扫描次数；

5)相位控制子***中的运算模块控制信号采集模块驱动阵列探测器对相干合成光场进行采样，并利用SPGD算法计算得到一组反馈电压信号反馈给电光相位调制器电源驱动模块，用以驱动电光相位调制器，改变相干合成光场，使阵列探测器采样到光强信号随之发生变化；

6)阵列探测器对相位噪声补偿后的矩形的多光束点阵中央子光束再次进行采样，将采样到光强信号S与光强信号阈值Q进行比较：

若S≥Q，则在电光相位调制器上加载扫描电压U_m，实现光束扫描，并根据矩形的多光束点阵中央子光束指向再次改变阵列探测器的探测通道，同时在当前的扫描次数上加1，即m＝m+1；

若S＜Q，则返回5)；

7)重复6)，当m＞M时，结束扫描，至此，中央子光束在小视场B范围内实现扫描，其余子光束同样跟随中央子光束在各自的小视场范围内完成光束扫描，从而实现整个大视场A的多光束扫描。

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