本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種光波導(dǎo)相控陣掃描電壓自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，可用于激光通信，激光雷達(dá)及激光顯示。

背景技術(shù)：

與微波雷達(dá)相同，波束掃描控制仍然是激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)各種功能的一個(gè)重要技術(shù)。激光雷達(dá)有多種掃描方式進(jìn)行波束掃描控制。近年來(lái)，光學(xué)相控陣技術(shù)逐漸成為國(guó)際上研究光束掃描的熱點(diǎn)，其不同于傳統(tǒng)的機(jī)械掃描、聲光掃描和電光掃描的方式，是一種新型激光掃描技術(shù)。光學(xué)相控陣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕、精確穩(wěn)定、方向可控的優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的偏轉(zhuǎn)方向的靈活控制，且具有動(dòng)態(tài)的聚焦和散焦能力。

典型的光學(xué)相控陣是由電光材料構(gòu)成的電光調(diào)制器陣列，制造電光調(diào)制器的材料主要有l(wèi)inbo3電光晶體材料，液晶材料，algaas電光晶體材料，高光電系數(shù)的plzt壓電陶瓷材料等。光波導(dǎo)光學(xué)相控陣相較于其他材料而言，具有驅(qū)動(dòng)電壓低，功耗小，響應(yīng)速度快，掃描范圍大等顯著優(yōu)點(diǎn)，其核心部件是由若干個(gè)波導(dǎo)陣列單元構(gòu)成，利用晶體的電光效應(yīng)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制各個(gè)波導(dǎo)陣列單元的外加電壓，使波導(dǎo)陣列單元產(chǎn)生一定折射率差，從而使波導(dǎo)陣列出射端光場(chǎng)產(chǎn)生附加相位，這樣就可以實(shí)現(xiàn)輻射光束方向的偏轉(zhuǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，受到目前光波導(dǎo)光學(xué)相控陣制作工藝的限制，實(shí)際的光波導(dǎo)陣列芯片存在光波導(dǎo)芯層厚度和周期、間距的非均勻性和光波導(dǎo)晶體材料非一致性，另外也存在入射光源及光波導(dǎo)光學(xué)相控陣控制系統(tǒng)的電控誤差的影響，對(duì)光波導(dǎo)陣列芯片進(jìn)行電控掃描時(shí)，使光在光波導(dǎo)陣列芯片出射端光場(chǎng)的振幅分布及相位分布偏離期望的分布，導(dǎo)致實(shí)際的光波導(dǎo)相控陣掃描光束發(fā)生畸變，能量分散，衍射效率低，偏轉(zhuǎn)角度存在誤差。另外波導(dǎo)陣列電光掃描器空間場(chǎng)分布除了用于掃描的主瓣外，還有一些影響掃描特性的邊瓣，其分散了主瓣的能量。因此，通過(guò)改變光波導(dǎo)相控陣的外加電壓，對(duì)光波導(dǎo)光學(xué)相控陣出射場(chǎng)相位的精確控制和校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)邊瓣的壓縮，改善光束掃描質(zhì)量成為光波導(dǎo)光學(xué)相控陣光束高質(zhì)量、高速掃描至關(guān)重要的一步。由于光波導(dǎo)光學(xué)相控陣器件不理想性，掃描角度與電壓并不具有理論中的關(guān)系，所以實(shí)驗(yàn)中，需要多次調(diào)整與校準(zhǔn)，嘗試尋找電壓與掃描角度的關(guān)系。

在現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法中，都是通過(guò)手動(dòng)校準(zhǔn)電壓與掃描角度的關(guān)系，這種手動(dòng)校準(zhǔn)方法對(duì)于多陣元的光學(xué)相控陣來(lái)說(shuō)，不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且容易出錯(cuò)，造成光波導(dǎo)相控陣的掃描光束質(zhì)量下降，掃描范圍受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于labview的光波導(dǎo)相控陣掃描電壓校準(zhǔn)系統(tǒng)，以對(duì)光波導(dǎo)光學(xué)相控陣的掃描電壓進(jìn)行自動(dòng)控制和校準(zhǔn)，提高光波導(dǎo)相控陣掃描電壓校準(zhǔn)的效率和掃描角度偏轉(zhuǎn)的精確度，改善掃描光束的質(zhì)量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于labview的光波導(dǎo)相控陣掃描電壓校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括:激光光源，相控陣電源、主控計(jì)算機(jī)、光波導(dǎo)陣列芯片和ccd相機(jī)，其特征在于，主控計(jì)算機(jī)中設(shè)有如下功能模塊：

電源控制模塊，用于控制相控陣電源，對(duì)光波導(dǎo)陣列芯片各電極層的加載電壓在理論加電基礎(chǔ)上進(jìn)行隨機(jī)補(bǔ)償，并將補(bǔ)償后的電壓加載在光波導(dǎo)陣列芯片的各個(gè)電極上；

圖像采集及處理模塊，用于接收和顯示通過(guò)ccd相機(jī)實(shí)時(shí)采集到的不同加載電壓情況下的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像信息，并對(duì)光斑圖像進(jìn)行灰度處理，再對(duì)灰度處理的結(jié)果進(jìn)一步處理，得到遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的光強(qiáng)分布曲線，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；

數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)光強(qiáng)分布曲線得到遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的位置信息tt和主副瓣比rt；再將遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的位置信息和主副瓣比分別與各自設(shè)定的兩個(gè)閾值δt和δr進(jìn)行比較：

若同時(shí)滿足tt≤δt和rt≥δr這兩個(gè)閾值條件，則輸出對(duì)應(yīng)掃描角度的校準(zhǔn)電壓代碼。

若其中有一個(gè)條件不滿足，則對(duì)電源控制模塊進(jìn)行反饋控制，提供一組新的補(bǔ)償加載電壓，再次進(jìn)行循環(huán)處理，最終獲取所有掃描角度校準(zhǔn)電壓數(shù)據(jù)。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明由于在主控計(jì)算機(jī)中設(shè)有三大功能模塊，故可通過(guò)電源控制模塊對(duì)相控陣電源電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，降低了手動(dòng)調(diào)整電壓的繁瑣性，大大減少了校準(zhǔn)所需要的時(shí)間。

2本發(fā)明由于在圖像處理模塊中采集遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像，并將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布曲線，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布曲線對(duì)不同掃描角度下光斑位置信息和光束掃描質(zhì)量進(jìn)行定標(biāo)，再進(jìn)行閾值判定反饋控制電源控制模塊，最終得到不同掃描角度的校準(zhǔn)電壓；相比于現(xiàn)有技術(shù)的人為主觀觀察判斷，提高了電壓調(diào)整的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了掃描角度精確偏轉(zhuǎn)，壓縮邊瓣，提高了掃描光束質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明光波導(dǎo)相控陣光束掃描系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明中光波導(dǎo)相控陣掃描電壓校準(zhǔn)系統(tǒng)循環(huán)圖；

圖3是本發(fā)明中電壓校準(zhǔn)過(guò)程的控制流程圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)中使用的15層asga光波導(dǎo)陣列芯片結(jié)構(gòu)圖；

圖5是本發(fā)明光波導(dǎo)相控陣掃描電壓校準(zhǔn)系統(tǒng)的主界面；

圖6是本發(fā)明15層asga光波導(dǎo)陣列芯片掃描角度為-10°到10°的光束遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖；

具體實(shí)施方式

本發(fā)明創(chuàng)造性的結(jié)合labview虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于labview編程的，運(yùn)行在通用計(jì)算機(jī)上的系統(tǒng)，對(duì)光波導(dǎo)相控陣電源進(jìn)行自動(dòng)控制，從而對(duì)光波導(dǎo)相控陣各個(gè)陣元外加電壓進(jìn)行校準(zhǔn)，補(bǔ)償各個(gè)光波導(dǎo)陣元的空間相位延遲，實(shí)現(xiàn)掃描角度精確偏轉(zhuǎn)，壓縮邊瓣，改善掃描光束質(zhì)量。

參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括激光光源1、光耦合系統(tǒng)2、光波導(dǎo)陣列芯片3、主控計(jì)算機(jī)4、相控陣電源5和ccd相機(jī)6；主控計(jì)算機(jī)4的輸出端通過(guò)串口與相控陣電源5連接；相控陣電源5與光波導(dǎo)陣列芯片3的電極端連接；ccd相機(jī)6與主控計(jì)算機(jī)4的usb端口連接；

激光光源1通過(guò)光耦合系統(tǒng)2將光束耦合進(jìn)光波導(dǎo)陣列芯片3，使光束在遠(yuǎn)場(chǎng)相干疊加形成遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像；主控計(jì)算機(jī)4通過(guò)串口通信控制相控陣電源5將主控計(jì)算機(jī)4發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)化為控制電壓，加載在光波導(dǎo)陣列芯片3的電極端，通過(guò)調(diào)整光波導(dǎo)陣列芯片3的加載電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)；并利用主控計(jì)算機(jī)4和ccd相機(jī)6之間通信進(jìn)行光斑圖像采集和數(shù)據(jù)處理。

所述主控計(jì)算機(jī)4中設(shè)有電源控制模塊41、圖像采集及處理模塊42和數(shù)據(jù)處理模塊43，三個(gè)模塊形成循環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示，其中：

電源控制模塊41，用于調(diào)整光波導(dǎo)陣列芯片的加載電壓：在光波導(dǎo)陣列芯片的16個(gè)陣元電極的理論加載電壓(u1,u2,····,uk,uk+1,····u16)的基礎(chǔ)上，加上[-1v，1v]的隨機(jī)補(bǔ)償電壓(u1,u2,····uk,uk+1,····u16)，得到補(bǔ)償后的電壓值為(v1,v2,····vk,vk+1,····v16)，其中vk＝uk+uk，并將補(bǔ)償后的電壓值作為控制電壓轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制字符串代碼發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)的usb-rs232串口；通過(guò)該串口通信控制相控陣電源，相控陣電源將主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的掃描控制指令和控制電壓代碼轉(zhuǎn)換為控制電壓，該控制電壓經(jīng)相控陣電源內(nèi)部的電壓驅(qū)動(dòng)單元放大驅(qū)動(dòng)后，加載在光波導(dǎo)陣列芯片的16個(gè)電極上；

圖像采集及處理模塊42，通過(guò)ccd相機(jī)實(shí)時(shí)采集光波導(dǎo)陣列芯片在不同加載電壓情況下，光波導(dǎo)陣列掃描光束遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像，并進(jìn)行灰度處理，繪制遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的光強(qiáng)分布曲線，其步驟如下：

首先，將圖像分割成1024×1280個(gè)像素點(diǎn)，記錄每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，灰度值范圍為[0，255]；以灰度值的大小i作為該像素點(diǎn)光強(qiáng)值，像素點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)作為位置信息，得到整個(gè)像素陣列的輸出信息，包括位置行列值及對(duì)應(yīng)像素的光強(qiáng)信息。為避免室內(nèi)燈光，顯示器燈光以及ccd采集圖像的不穩(wěn)定性等外界因素的干擾造成遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖樣的測(cè)量誤差，系統(tǒng)中采用10幀圖像的平均處理，以減小外界隨機(jī)誤差引起的不確定性；

接著，找出光強(qiáng)最大的像素點(diǎn)(xm,yn)，并以其作為中心，得到中心列像素點(diǎn)的坐標(biāo)為[xm,ym]＝[(xm,y1),(xm,y1),····(xm,yn),(xm,yn+1),····(xm,yj)]，該像素點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)數(shù)組為：ιm＝[im1,im2,····imn,im(n+1),····imj]，其中j＝1280為圖像縱軸像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

然后，在中心列像素點(diǎn)兩邊均勻間隔5個(gè)像素點(diǎn)各取兩列像素點(diǎn)[xm-10,ym-10]、[xm-5,ym-5]、[xm,ym]、[xm+5,ym+5]、[xm+10,ym+10]，對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)數(shù)組為：im-10、im-5、im、im+5、im+10，求取這5列光強(qiáng)數(shù)據(jù)的平均，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理，將處理后的數(shù)據(jù)以像素點(diǎn)縱軸坐標(biāo)y為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)大小i為縱坐標(biāo)，繪制成遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的光強(qiáng)分布曲線。

數(shù)據(jù)處理模塊43，用于根據(jù)光強(qiáng)分布曲線得到遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的位置信息tt和主副瓣比rt并通過(guò)閾值判斷獲取校準(zhǔn)電壓數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)掃描角度電壓的校準(zhǔn)。

參照?qǐng)D3，該數(shù)據(jù)處理模塊43實(shí)現(xiàn)各個(gè)掃描角度電壓校準(zhǔn)的過(guò)程如下：

3a)根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的光強(qiáng)分布曲線，讀取主瓣峰值對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)，作為遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的像素點(diǎn)位置yt；

3b)根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的光強(qiáng)分布曲線，讀取主瓣光強(qiáng)為it1，副瓣光強(qiáng)為it2,計(jì)算主副瓣比為:

3c)進(jìn)行位置偏差閾值判斷：設(shè)偏轉(zhuǎn)角度為i的光斑圖像的理論像素點(diǎn)的縱軸位置為yi，位置偏差閾值為δti；令tt＝|yt-yi|，判斷是否滿足tt≤δti：若滿足，則進(jìn)行3d)，否則輸出一個(gè)反饋信號(hào)給電源控制模塊41，由電源控制模塊41提供一組新的補(bǔ)償加載電壓，再次進(jìn)行循環(huán)處理；

3d)設(shè)主副瓣比閾值為δri，將對(duì)上述計(jì)算得到的主副瓣比rt與主副瓣比閾值進(jìn)行比較：若滿足rt≥δr，則進(jìn)行3e)，否則輸出一個(gè)反饋信號(hào)給電源控制模塊41，由電源控制模塊41提供一組新的補(bǔ)償加載電壓，再次進(jìn)行循環(huán)處理；

3e)輸出偏轉(zhuǎn)角度i及其補(bǔ)償電壓代碼到txt文本；判斷是否獲取所有偏轉(zhuǎn)角度補(bǔ)償加載電壓，若全部獲取，則終止系統(tǒng)循環(huán)；否則，輸出一個(gè)反饋信號(hào)給電源控制模41，由電源控制模塊41給新的偏轉(zhuǎn)角度提供一組的補(bǔ)償加載電壓，再次進(jìn)行循環(huán)處理。

通過(guò)上述步驟獲取所有掃描角度的校準(zhǔn)電壓數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的效果可通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證說(shuō)明。

1、測(cè)試條件

光波導(dǎo)陣列芯片3采用陣元數(shù)為15的一維gaas光波導(dǎo)相控陣，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，其在波導(dǎo)襯底上疊加了15層gaas平板波導(dǎo)形成陣列結(jié)構(gòu)，該芯層厚度為0.68um，包層厚度為1.38um，設(shè)有16個(gè)電極端，且相鄰波導(dǎo)共用電極。

2、測(cè)試前實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

第一步，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：

用圖4所示的15層asga光波導(dǎo)陣列芯片作為本發(fā)明系統(tǒng)中光波導(dǎo)陣列芯片3，將主控計(jì)算機(jī)4電壓控制信號(hào)輸出端通過(guò)串口與相控陣電源5連接；將ccd相機(jī)6與主控計(jì)算機(jī)4的usb端口連接；將相控陣電源5與光波導(dǎo)陣列芯片3電極端連接；打開(kāi)激光器光源和相控陣電源5，依次調(diào)整激光器光源1、光耦合系統(tǒng)2和光波導(dǎo)陣列芯片3位置，實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)，直至在接收屏上呈現(xiàn)扁平狀平滑光斑。

第二步，輸入系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)：

打開(kāi)光波導(dǎo)相控陣掃描電壓校準(zhǔn)系統(tǒng)主界面，如圖5所示，用戶在主界面上輸入接收屏上邊距up、下邊距do、接收屏距光波導(dǎo)陣列芯片距離l、等待時(shí)間，電壓數(shù)據(jù).txt文件保存路徑等設(shè)置信息。

該等待時(shí)間，根據(jù)接口儀器設(shè)備的響應(yīng)速度，設(shè)置等待時(shí)間，單位ms。本次測(cè)試系統(tǒng)中的等待時(shí)間設(shè)定為250ms；

該接收屏上邊距up，是指光斑接收屏上端距離實(shí)驗(yàn)臺(tái)的距離，單位mm，本次測(cè)試系統(tǒng)中的上邊距設(shè)定為250mm；

該接收屏下邊距do，是指光斑接收屏下端距離實(shí)驗(yàn)臺(tái)的距離，單位mm，本次測(cè)試系統(tǒng)中的下邊距設(shè)定為148mm；

該波導(dǎo)芯片距接收屏距離l，是指光波導(dǎo)陣列芯片端面距離接收屏的距離，單位mm，本測(cè)試系統(tǒng)設(shè)定l為150mm；

該電壓數(shù)據(jù).txt文件保存路徑，用于保存校準(zhǔn)電壓代碼數(shù)據(jù)的.txt文件；

第三步：自動(dòng)設(shè)置串口數(shù)據(jù)：默認(rèn)串口參數(shù)：波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8，奇偶校驗(yàn)為無(wú)校驗(yàn)，停止位為2.0，控制流為無(wú)；

3、系統(tǒng)校準(zhǔn)電壓

完成上述準(zhǔn)備工作后，首先設(shè)定系統(tǒng)的掃描角度范圍為-10°到10°，開(kāi)始依次對(duì)15層asga光波導(dǎo)陣列芯片的-10°到10°的掃描角度電壓進(jìn)行校準(zhǔn):

設(shè)定初始校準(zhǔn)電壓的掃描角度i0＝-10°，in＝-10°+n，設(shè)定n的初始值為0，n為[0,20]的正整數(shù)：

在電源控制模塊41中對(duì)該光波導(dǎo)陣列芯片3在掃描角度為in時(shí)的理論加載電壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行[-1v,1v]隨機(jī)電壓補(bǔ)償，并將補(bǔ)償后的電壓加載在光波導(dǎo)陣列芯片上，在圖像采集模塊42中，通過(guò)ccd采集遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像，并進(jìn)行灰度處理，繪出光強(qiáng)分布曲線；將光強(qiáng)分布曲線輸送給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)光強(qiáng)分布曲線進(jìn)行處理，即根據(jù)光強(qiáng)分布曲線得到遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的位置信息tt和主副瓣比rt；再將遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像的位置信息和主副瓣比分別與各自設(shè)定的兩個(gè)閾值和進(jìn)行比較：

如果和這兩個(gè)條件同時(shí)成立，則輸出對(duì)應(yīng)掃描角度的校準(zhǔn)電壓代碼，再令n＝n+1，并判斷是否滿足n≤20，若滿足，則開(kāi)始對(duì)掃描角度為in＝-10°+n的電壓進(jìn)行校準(zhǔn)，否則中止系統(tǒng)循環(huán)；

如果和中有一個(gè)條件不成立，則對(duì)電源控制模塊進(jìn)行反饋控制，提供一組新的補(bǔ)償加載電壓，再次進(jìn)行循環(huán)處理。

通過(guò)上述過(guò)程，獲取了該15層asga光波導(dǎo)陣列芯片的-10°到10°的掃描角度校準(zhǔn)電壓數(shù)據(jù)，將各個(gè)掃描角度的校準(zhǔn)電壓加載在光波導(dǎo)陣列芯片上，得到掃描角度為-10°到10°的光束遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖，如圖6所示。其中圖6(a)為掃描角度為0°到-10°的光束遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖，圖6(b)為掃描角度為0°到10°的光束遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖。各個(gè)掃描角度電壓經(jīng)校準(zhǔn)后，實(shí)現(xiàn)了掃描角度精確偏轉(zhuǎn)，并壓縮了邊瓣，提高了掃描光束質(zhì)量。

以上這種光波導(dǎo)相控陣掃描電壓校準(zhǔn)系統(tǒng)不僅僅適用于15個(gè)陣元的一維光波導(dǎo)相控陣，對(duì)于其它多陣元一維或二維的光學(xué)相控陣也同樣適用，所有基于本發(fā)明思想的修正以及將本發(fā)明思想用于別的光學(xué)相控陣仍在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍內(nèi)。