一种硅基光波导相控阵的天线初始相位校准方法

本发明属于光学相控阵，具体涉及一种硅基光波导相控阵的天线初始相位校准方法。

背景技术：

1、随着科学技术的发展，激光雷达作为激光的一个重要的应用领域，受到了广泛的关注。光学相控阵(optical phased array，opa)作为激光雷达扫描模块的一种技术分支，具有无惯性快速扫描、空间分辨率高，便于与激光器等部件进行片上集成等优点，是最有发展前景的激光雷达技术。光学相控阵由光发射单元、相位调制器、光学波导和相位控制电路等组成。由于不可避免的工艺误差和环境噪声等问题的影响，导致光学相控阵内部出现发射天线之间的相位误差。而这种相位误差会引起光学相控阵远场的主瓣能量不集中，导致相控阵的探测精度和扫描效率降低，因此需要寻找一种校准办法来解决光学相控阵的初始相位误差问题。

2、目前对光学相控阵初始相位校准的算法主要分为主动校准方法和被动校准方法。主动校准方法通过实验手段测量并补偿光学相控阵的发射天线之间的初始相位差实现光学相控阵校准。北京大学的彭超等人提出的基于干涉技术的片上光学相控阵相位校准方法通过使用设计光学透镜组实现在相控阵的远近场变换，利用近场相邻阵元进行干涉，通过测量干涉条纹间距来计算发射天线之间的相位差，实现精确相位测量进行远场相位校准。该方法实现了8×8光学相控阵的初始校准(h.zhang,z.zhang,c.peng and w.hu,"phasecalibration of on-chip optical phased arrays via interference technique,"inieee photonics journal,vol.12,no.2,pp.1-10,april 2020,art no.6600210)。被动校准方法是通过采集相控阵远场的强度分布，利用数学算法配合实验系统自动实现对远场强度分布的调制，从而实现对光学相控阵的校准。目前主要使用的算法有spgd算法，adam算法等。中国科学院半导体研究所zheng wang等人使用改进的spgd算法对512通道opa进行校准(wang,z.；yang,y.；wang,r.；luo,g.；wang,p.；su,y.；pan,j.；zhang,y.improved spgdalgorithm for optical phased array phase calibration.appl.sci.2022,12,7879.)。西安电子科技大学王子豪等人提出的adam算法(王子豪,龙烨,仇轲,徐佳木,孙艳玲,范修宏,马琳,廖家莉,康永强.基于adam算法的光学相控阵输出光束校准方法.物理学报,2024,73(9):094206.doi:10.7498/aps.73.20231772)实现了16×16opa初始相位校准。旋转电矢量方法(rotating element electric field vector calibration method，rev)是一种主动校准方法，采用分别对单个天线相位进行调制，测量远场强度变化实现相控阵初始相位校准，这个方法可以实现较为快速的初始相位校准。西安光学精密仪器研究所张其浩等人对初始的旋转电矢量法进行了优化，提出了改进的旋转电矢量法(modified rotatingelement electric field vector calibration method，mrev)，这种方法实现了9×9光学相控阵的初始校准(张其浩，章羚旋，李中宇，等.用于光学相控阵天线的初始校准算法[j].光子学报，2020，49(7)：0726001)。浙江大学的时尧成等人对这种改进的旋转电矢量法进行了进一步的优化，提出了一种改进的基于黄金分割搜索法的旋转元件电场矢量算法(golden section search method，gss-rev)，并进行了验证，校准了32元稀疏分布光学天线(lian,daixin,zhao,shi,li,wenlei,chen,jingye,dai,daoxin and shi,yaocheng."grating-lobe-free optical phased array with 2-d circular sparse arrayaperture and high-efficiency phase calibration"nanophotonics,vol.13,no.1,2024,pp.29-37.)。

3、主动校准算法中，基于干涉技术的片上光学相控阵相位校准方法需要通过设计额外的4f光学系统来采集近场信息，需要手动测量相邻阵元间干涉条纹间距，针对大规模的光学相控阵校准，这种方法校准的操作难度高，校准效率和精度随阵列规模增大而下降。

4、改进的旋转电矢量法遍历[0,2π]相位取值范围搜索最优电压，需要提出更好的算法来提高最优电压的搜索速度。

5、被动校准方法校准的相位分布不可预测，对于不同需求的点云图需要单独进行优化校准，效率较低。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种硅基光波导相控阵的天线初始相位校准方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供了一种硅基光波导相控阵的天线初始相位校准方法包括：

3、s100，确定光学相控阵的相关参数，所述相关参数包括发射天线数、发射天线的相位控制电压以及相位实现π/2相移的四分之一波电压；

4、s200，在n次迭代中，以每次向所述相位控制电压加电压使得所述发射天线的相位移动π/2的方式，共计移动3次移动第n个发射天线的相位，并测量第n个发射天线相位移动前和每次相位移动后的远场强度；

5、s300，利用第n个发射天线相位移动前和每次移动相位后的远场强度的归一化结果，计算所需的相位移动量，并根据相位移量和控制电压之间的关系获得校准所需的电压差值；

6、s400，将第n个发射天线的相位控制电压值与所述校准所需的电压差值作差，得到优化后的相位控制电压值；

7、s500，设置n从1开始重复s200至s500的过程直至n达到最大迭代次数，得到光学相控阵的校准相位。

8、有益效果：

9、本发明提供了一种硅基光波导相控阵的天线初始相位校准方法包括：s100，确定光学相控阵的相关参数；s200，在n次迭代中，以每次向所述相位控制电压加电压使得所述发射天线的相位移动π/2的方式，共计移动3次移动第n个发射天线的相位，并测量相位移动前和每次移动后的远场强度；s300，利用第n个发射天线移动前和每次移动相位后的远场强度计算所需的相位移动量，并根据相位移量和控制电压之间的关系获得校准所需的电压差值；s400，将第n个发射天线的相位控制电压值与所述校准所需的电压差值作差，得到优化后的相位控制电压值；s500，设置n从1开始重复s200至s500的过程直至n达到最大迭代次数，得到光学相控阵的校准相位。本发明基于四步相移的改进旋转电矢量法能快速实现光学相控阵初始相位校准，进而提高光学相控阵扫描效率。

10、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。