光学相控阵性能参数仿真分析与实验研究

详细介绍了一维光学相控阵的扫描特性,仿真分析了各参数之间的理论关系。通过各参数与波长之间的关系研究,可知波长调制实现纵向角度控制不会明显改变光学相控阵参数变化,论证在波导上刻蚀光栅,利用光栅的衍射特性可实现二维光学相控阵光束扫描。通过实验,实现了一种256通道光栅二维光学相控阵系统,验证了探测距离大于50 m,测距精度优于5 cm,光束发散角小于0.25°,在1515~1595 nm波长范围内,可实现41.2°×11.9°的二维扫描范围。这些理论分析和实验研究为该领域的科研工作者提供理论指导和技术支持,具有重要的应用价值。

应用于全固态激光雷达的光学相控阵技术发展趋势与挑战

应用于全固态激光雷达的光学相控阵是一种电控扫描的光束指向控制技术,具有宽视场、低功耗、轻量化的优异性能,在军事和民用领域发挥着越来越重要的作用。文章首先介绍了光学相控阵基本工作原理;回顾了近年来基于不同材料光学相控阵的国内外研究进展,主要包括:光波导相控阵(如LiTaO3晶体、GaAs/AIGaAs、PLZT电光陶瓷、Si等)和液晶光学相控阵;并对基于不同材料光学相控阵的优劣势进行对比分析;指出了研制高性能光学相控阵需要突破的关键技术;并给出了光学相控阵技术的发展趋势与挑战。

基于SiN平板波导光栅的128通道光学相控阵

为了避免全硅光学相控阵(OPA)的输出光功率饱和现象以及氮化硅的低移相效率,采用硅与氮化硅相结合的设计思路,在实现高功率输入的同时保证了调相效率;此外,硅基集成OPA为了避免通道间的相互耦合所引起的相位噪声,波导间距大于半波长,导致栅瓣的存在,进而使得扫描范围受限,故采用硅波导作为天线前的输入波导,以减小阵元间距。结果表明,芯片最终实现了41°×7.4°的扫描范围以及10.7 dB的芯片损耗。该研究对于OPA芯片的进一步改进是有帮助的。

低轨光学卫星相控阵数传期间太阳光规避方法

为防止低轨光学卫星相控阵数传任务过程中相机进光而对传感器造成损伤,提出了一种相控阵数传任务期间的太阳光姿态规避方法。首先,计算出地心固连坐标系中卫星指向太阳的向量与卫星指向地面数传站的向量,并建立两向量所在平面的单位法向量。其次,以单位法向量为旋转轴使卫星指向地面数传站的向量以相控阵最大离轴角进行旋转,旋转后的向量即为卫星在地心固连坐标系下的太阳光规避向量。然后,通过太阳光规避向量、地心固联坐标系中卫星的位置及地心固联坐标系到轨道坐标系的转换矩阵,规划卫星在轨道坐标系下的太阳光规避姿态并计算出相控阵指向角。最后,在吉林一号高分02D星上进行了仿真分析和在轨试验。仿真结果表明,在相控阵最大波束角为60°的情况下,卫星使用太阳光姿态规避方法进行数传后,在12月份内相机与太阳光夹角在90°以下的概率由传统凝视姿态数传方法的44.1%降低为2.1%。吉林一号高分02D星在轨试验结果表明,近似相同条件下的两次数传任务在使用太阳光姿态规避方法进行数传后,相机与太阳光的夹角由传统凝视姿态的31.3°~152.1°提升为96.3°~180°,验证了太阳光姿态规避方法可在数传任务期间有效规避太阳光,保证了低轨光学卫星相机在轨的安全性和可靠性。

光学相控阵技术发展及其在激光雷达方向的应用思考

光学相控阵通过对阵列天线相位的调节以改变发射波束的波前,从而实现对发射波束的控制。光学相控阵技术在激光雷达、激光通信、高亮度激光生成、合成孔径探测等领域极具应用潜力。本文综述了液晶相控阵、微机电系统相控阵和光波导相控阵的研究进展以及优缺点,并对激光雷达中的光波导相控阵技术进行了深入思考,提出了光波导相控阵技术的突破方向。

光学相控阵技术研究进展与发展趋势

光学相控阵技术具有响应速度快、系统紧凑、功能多样和控制灵活等优点,在众多科学技术领域得到了广泛的应用。在近50年来的光学相控阵研究与应用中,涌现出了众多卓越的成果。为了对光学相控阵领域的发展进行梳理,简要回顾了光学相控阵技术的历史,并论述了光学相控阵技术的基本原理。从光束发射与接收等不同应用场景的角度,结合笔者的思考,深入介绍了光学相控阵在高品质的光源技术、激光相干合成技术、光束扫描技术、大气链路畸变控制技术以及合成孔径探测与成像技术多个领域的发展现状,并最后对光学相控阵技术的瓶颈与未来的发展研究趋势进行了评述。

基于贪心遗传算法的液晶光学相控阵多光束扫描

针对液晶光学相控阵单光束扫描周期长、捕获效率低的问题,提出基于贪心遗传算法的液晶光学相控阵多光束扫描方法。利用多个液晶光学相控阵实现互相独立扫描的多个光束,在用多光束对多个动态目标进行扫描时,根据目标已知的大小、位置以及速度信息,设计基于贪心遗传算法的多光束扫描方法,使用目标捕获效率作为目标函数,对每个光束分配待扫描的目标,并确定多个目标的扫描顺序;搭建液晶光学相控阵多光束扫描平台,在不同的目标数量、目标移动速度以及不同的光斑半径等条件下,对所提的扫描方法进行仿真以及实验验证。研究结果表明:相较于传统扫描方法,基于贪心遗传算法的多光束扫描方法不仅有效地缩短了扫描周期,而且提高了动态目标的捕获效率。

基于FPGA的光学相控阵驱动电路的设计与实现

传统的恒流源电路通常存在电路结构复杂、成本高等问题,满足不了一些高精度的应用要求。因此,结合实际工程的需要,设计并实现了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)以及反馈调节算法的恒流源驱动电路,主要用于光学相控阵的相控单元控制。整个电路主要由FPGA控制模块、DAC模块、ADC模块、ADG模块以及采样电阻组成。通过FPGA接收调控参数,控制DAC模块进行输出,同时ADC模块对输出进行采集,在FPGA内对采集的数据进行反馈调控,最终实现128通道的可控恒流输出。电流的调控范围为0~15 mA,调控的步长为0.05 mA,调控的精度可达0.02 mA,响应速度为1 ms。系统的性能测试数据表明:基于FPGA的光学相控阵驱动电路具有响应速度快、电流输出精度高的优点,可满足对光学相控阵相位驱动的要求。

液晶光学相控阵可编程光束偏转研究

研究了一种一维透射式向列相液晶光学相控阵.建立了器件的数学模型,根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论计算了电场作用下液晶指向矢分布,定量分析了器件的相位延迟及衍射特性.研制了含1024个驱动电极的实际器件,由FPGA对电极驱动电压进行可编程控制.经实验测试,该器件可以实现60个角度的准连续随机可编程电控偏转与扫描,最大偏转角度为2.0014°.根据器件的理论模型,对光束偏转的衍射效率进行了定性讨论,发现电极之间形成的"相位凹陷"是形成衍射旁瓣的直接原因.

光学相控阵光偏转器的驱动研究(英文)

提出了一个用于 1 6通道波导光学相控阵光偏转器的驱动系统 ,其中电压调节控制单元用一个现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现 这个系统可使该OPABD的光束扫描速率达到 580kHz以上 。

光学相控阵在光束偏转中的应用分析及进展

与传统光学偏转器件相比,光学相控阵可实现快速、灵活、高精度的光束指向控制。介绍了光学相控阵实现光束偏转的基本原理,并对影响偏转效率及偏转角度的主要因素进行了系统分析,对现有材料可实现的光束偏转性能参数进行了对比分析。针对目前光学相控阵材料只能实现小角度偏转的缺陷,进一步介绍了增加其偏转角度的技术途径。最后对应用光学相控阵技术实现的大角度高精度偏转系统APPLE(adaptive photonic phase-locked elements)进行了介绍,并对其技术先进性与局限性进行了分析。

新型液晶光学相控阵的特性研究

将液晶作为平板光波导的上包层,构建了液晶光学相控阵器件.根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论与光栅衍射理论,研究分析了基于这种新型结构下液晶光学相控阵的传输特性,输出衍射特性和其它性能特性.研究结果表明,器件的传输电控相位延迟可以实现更大的光程差;阵列电极周期数目、电极宽度、电极间隔宽度等结构参量对器件的输出衍射光束的光强分布和半峰值全宽度影响很大,同时光束扫描的可行性得到论证;器件的响应时间提高了一个数量级,且其色散性能获得改善.为以后研制新型液晶光学相控阵提供了理论基础与技术设计依据.

应用于激光雷达的光学相控阵技术

以激光雷达作为主要应用背景,概述了光学相控阵技术的研究意义和研究进展。介绍了光学相控阵技术的基本原理;依据几种典型材料对光学相控阵的技术方案进行分类,并详细阐述了各种方案的机理、所涉及的关键技术和最新的研究成果;对各种方案进行了分析、对比和评价。最后,对应用于激光雷达的光学相控阵技术的发展作了展望。

利用相位闪耀光栅的光学相控阵扫描性能分析

针对透射型和反射型光学相控阵器件,分别进行扫描衍射效率和扫描角精度的理论及仿真研究。首先,以阶梯相位闪耀光栅为理论模型,推导了光学相控阵器件的扫描衍射效率及扫描角精度的表达式;其次,以器件的实际特性对表达式进行修正,给出了近似实际情况的扫描性能表达式;最后,在假设的器件参数条件下,对0°入射透射型器件和45°入射反射型器件的扫描性能进行了仿真分析。仿真结果表明:两种器件的扫描衍射效率与扫描角精度都随扫描角的增大而加速下降;透射型器件的扫描衍射效率和扫描角精度关于阵面法线对称分布,而反射型器件关于45°出射角不对称。最后还讨论了激光线宽对扫描角精度的影响,说明了此影响在10-9°量级。

阵列集成光波导应用于光学相控阵中的理论分析

基于光学相控阵理论和钛扩散铌酸锂光波导的导模特性,提出了一种新型阵列集成光波导应用于光学相控。根据光束传输法(BPM),并结合现有半导体工艺水平及参数,对该阵列波导的导光特性,损耗特性以及耦合特性进行了仿真计算,最终给出了相控阵的结构设计参数。结果表明,应用该集成阵列波导的光学相控阵结构可实现光束连续精确定向偏转,偏转角度可达±4.5°,相位控制半波电压小于6 V,其系统光学控制单元损耗低且响应速度快。

基于光学相控阵的目标指示系统

为实现对运动目标实时指示激光束的非机械电控制,建立了基于光学相控阵的目标指示系统.首先,根据光学相控阵原理和空间光调制特性,对预设指示图添加共轭对称项,利用快速傅里叶变换计算全息法生成的全息图进行制表.其次,在图像传感器采集视频下,运用基于核函数密度估计的改进Mean-shift目标跟踪算法,获取多目标位置信息,查表并载入全息信息,完成全息图的实时更新.最后,利用空间光滤波特性,设计光电再现环节,消去冗余项并完成全息再现过程.实验发现:对8bit灰度全息图,系统每秒的指示速度均在60帧以上,各部件效能达到最大化.满足了目标指示系统稳定性、实时性、准确性等要求,理论算法和实验结果也验证了该系统的有效性.

光学相控阵扫描的理论研究

本文给出近场光学相控阵扫描的理论分析及计算 ,并得出结论 :当相控阵单元规则排列并发生近场干涉时 ,相控单元的尺寸可取得比波长长 。

电光材料在光学相控阵技术中的应用

综述了光学相控阵的发展背景,对不同电光材料铌酸锂(LiNbO3)、砷化镓铝(AlGaAs)、锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷和液晶制作的光学相控阵进行了阐述,简要介绍了近期的一些研究成果,并对光学相控阵技术的发展前景进行了展望。

一种相控阵光学天线设计方法

相控阵天线可实现波束的电控扫描,已在微波波段获得广泛应用。但在光波波段,由于波长短引入的大电尺寸问题影响了相控阵的应用。本文提出了一种相控阵光学天线设计方法,通过增大阵列栅距大幅减少阵元数量,并通过设计阵元辐射特性抑制大栅距产生的栅瓣,显著增强相控阵光学天线的可实现性,该方法的代价为限制了天线的扫描范围。此外,还提出了通过模2π的方法降低光学移相器的实现难度,并论证了该方法在光波波段的合理性和可行性。

光学相控阵消栅瓣的方法

光学相控阵技术是一种新型的光束偏转技术,具有扫描快、抗干扰、分辨率高和高保密性等优点,但栅瓣的存在一直是光学相控阵研究的瓶颈问题之一。综述了光学相控阵的历史、原理、发展现状和趋势,说明了栅瓣的影响,并在原有消除栅瓣方法基础上提出了一种新型的方法来消除栅瓣,即改变非规则光学相控阵的入射光相位,此方法有效地抑制了光学相控阵的栅瓣,最后讨论了三种方法的优缺点,并对发展前景进行了展望。