張耀元,王 銳,姜瑞韜,杜坤陽(yáng),李遠(yuǎn)洋
(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 激光與物質(zhì)相互作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
隨著激光雷達(dá)在諸多領(lǐng)域的成功應(yīng)用,對(duì)激光雷達(dá)各方面的要求越來(lái)越高。激光雷達(dá)的核心是激光掃描技術(shù),近年來(lái)激光掃描技術(shù)快速發(fā)展,傳統(tǒng)的激光掃描技術(shù),例如,機(jī)械式[1]、聲光式、電光式等一系列激光掃描技術(shù)均有其各自的局限性,因此光學(xué)相控陣就在微波相控陣的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生?;诠鈱W(xué)相控陣的掃描技術(shù)具有光波束掃描分辨率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、可集成小型化等優(yōu)勢(shì)[2],目前對(duì)光學(xué)相控陣的具體研究分為若干類,包括光纖干涉型[3]、集成波導(dǎo)型[4]、微機(jī)電型[5]、液晶光學(xué)相控陣[6]等。絕緣體上硅(SOI)平臺(tái)與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(COMS)工藝的高效兼容使得硅光子技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成,因此基于硅光子平臺(tái)的硅基光學(xué)相控陣[7-10]迅速成為研究熱點(diǎn)。目前來(lái)看,針對(duì)光學(xué)相控陣特性參數(shù)包括掃描角度、速度和精度等能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)還缺乏系統(tǒng)性的測(cè)試和分析,難以為相控陣優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的數(shù)據(jù)支撐,一定程度上阻礙了光學(xué)相控陣的大規(guī)模市場(chǎng)化。本文主要針對(duì)典型光學(xué)相控陣,深入分析硅基光學(xué)相控陣性能評(píng)估理論,并開(kāi)展評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)及評(píng)估方法研究工作。
對(duì)光學(xué)相控陣的性能評(píng)估,需要對(duì)其各項(xiàng)特性參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的分析。而對(duì)所有特性參數(shù)的分析是基于對(duì)近遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑圖樣的采集實(shí)現(xiàn)的,根據(jù)標(biāo)量衍射理論,如圖1(a)所示,對(duì)于一個(gè)在x1y1平面上有標(biāo)量場(chǎng)e(x1,y1)的單獨(dú)輻射孔徑,沿z方向?qū)嚯x為z1的x2y2平面的輻射結(jié)果通過(guò)菲涅爾衍射公式計(jì)算得:
式中: k 為傳播常數(shù),當(dāng)z1足夠大時(shí),此時(shí)相位項(xiàng)趨近于零,由此得出遠(yuǎn)場(chǎng)輻射為近場(chǎng)輻射的傅里葉變換。
圖1 單孔徑衍射與陣列衍射示意圖Fig.1 Schematic diagram of single aperture diffraction and array diffraction
基于單孔徑衍射對(duì)二維等間距Nx×Ny天線陣列進(jìn)行分析,如圖1(b)所示, Λx和 Λy代表二維相控陣兩個(gè)維度上單元的間距, θx和 θy分別代表傳播光束與兩個(gè)方向平面間的夾角。代表每個(gè)單元相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置矢量。代表傳播光束的位置矢量[11]。推導(dǎo)得出陣列衍射分布:
上式分為2 個(gè)部分,前項(xiàng)為每個(gè)獨(dú)立單元在遠(yuǎn)場(chǎng)的衍射分布,稱為元因子;后項(xiàng)為陣列間的相互作用,稱為陣因子。為了實(shí)現(xiàn)光束掃描,需要在陣列中引入相位差βxy=nx·Δφx+ny·Δφy,使得光束發(fā)生偏轉(zhuǎn),化簡(jiǎn)得陣因子:
當(dāng)陣列是由規(guī)則單元組成,即每個(gè)單元的尺寸均相同時(shí),各個(gè)獨(dú)立單元在遠(yuǎn)場(chǎng)的衍射相同,掃描的結(jié)果僅僅取決于陣因子。
基于衍射理論對(duì)近遠(yuǎn)場(chǎng)成像系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),我們通過(guò)透鏡加紅外相機(jī)的傅里葉成像系統(tǒng),將無(wú)限遠(yuǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)搬到透鏡焦面上。設(shè)計(jì)的透鏡結(jié)構(gòu)對(duì)Thomas 等人[12]的方法做出了改進(jìn),如圖2 所示。
圖2 傅里葉成像系統(tǒng)Fig.2 Fourier imaging system
采用透鏡共焦形成2 個(gè)中繼4f 系統(tǒng),使得近場(chǎng)成像放大15 倍,遠(yuǎn)場(chǎng)成像放大6 倍(F0=25 mm(NA=0.5),F(xiàn)1=150 mm,F(xiàn)2=F4=100 mm,F(xiàn)3=40 mm),加入分光鏡使光束分兩路同時(shí)觀察近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)成像。其中L0選擇大的數(shù)值孔徑以獲得大范圍視場(chǎng),L2,L3,L4根據(jù)所需的放大率進(jìn)行選擇,不宜過(guò)大,應(yīng)考 慮攝像頭檢測(cè)區(qū)域的限制。
光學(xué)相控陣是利用相位的變化來(lái)控制光束的偏轉(zhuǎn),在芯片生產(chǎn)中,很小的波導(dǎo)寬度變化也會(huì)導(dǎo)致很大的相位誤差和混亂的遠(yuǎn)場(chǎng)圖案,因此利用近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)構(gòu)對(duì)天線相位進(jìn)行校準(zhǔn)必不可少[13]。目前來(lái)看,現(xiàn)有校準(zhǔn)方案大多使用算法進(jìn)行優(yōu)化校準(zhǔn),單獨(dú)使用算法校準(zhǔn)通常很容易陷入局部最優(yōu)。本文對(duì)與算法結(jié)合的物理干涉法[14]進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),對(duì)天線陣列進(jìn)行相位優(yōu)化校準(zhǔn),具體流程如下 。
首先單獨(dú)采集一個(gè)基準(zhǔn)天線,加壓使得天線附加相位從0 到2π 變化,使得該天線單元到達(dá)最大功率,并標(biāo)記此時(shí)最佳衍射方向。第二步采集該單元與相鄰單元天線以及對(duì)角線單元,調(diào)諧相應(yīng)天線相位,使得中心干涉條紋對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記最佳衍射方向,即對(duì)于基準(zhǔn)天線最多校準(zhǔn)8 個(gè)相鄰天線。第三步對(duì)下一個(gè)基準(zhǔn)天線以及相鄰天線進(jìn)行校準(zhǔn),直至全部天線單元校準(zhǔn)完成。
使用多個(gè)基準(zhǔn)天線的方式進(jìn)行干涉校準(zhǔn),目的在于避免單基準(zhǔn)天線校準(zhǔn)過(guò)程中的誤差放大,使得校準(zhǔn)優(yōu)化結(jié)果更趨近于理想值。校準(zhǔn)時(shí),需要人眼觀測(cè)干涉條紋,調(diào)節(jié)施加電壓以改變天線相位,令中心干涉條紋對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的最佳衍射方向,在調(diào)節(jié)過(guò)程中可能存在對(duì)中心干涉條紋的誤判導(dǎo)致校準(zhǔn)出現(xiàn)偏差。
光學(xué)相控陣的掃描范圍通常情況下可定義為兩個(gè)正負(fù)一級(jí)衍射階次在遠(yuǎn)場(chǎng)上角度的差,根據(jù)(3)式,由Sinc 函數(shù)的最值條件,當(dāng)T(θx,θy)中分子和分母同時(shí)為0 時(shí),該式有最大值,推導(dǎo)得出此時(shí)x方向光偏轉(zhuǎn)角度為
測(cè)試過(guò)程如圖3 所示。首先使用角度尺與標(biāo)準(zhǔn)激光標(biāo)定一塊帶有角網(wǎng)格的印刷屏幕,在此基礎(chǔ)上將芯片發(fā)出的光斑打在印刷屏幕上,利用紅外相機(jī)觀察光斑在屏幕上的位置,可直接讀取掃描角度。最大掃描角度在遠(yuǎn)場(chǎng)表現(xiàn)為主瓣與一階柵瓣角度差,因此直接讀取屏幕一階旁瓣對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度即相控陣芯片最大掃描角度。對(duì)角網(wǎng)格的標(biāo)定與讀數(shù)過(guò)程中,不可避免地會(huì)引入人為測(cè)量誤差,使得測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差,因此測(cè)量過(guò)程中需要根據(jù)相應(yīng)測(cè)量精度要求,使用高精度測(cè)量?jī)x器以減小誤差。
圖3 掃描角度測(cè)試裝置Fig.3 Scanning angle measuring device
掃描精度是指系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的最小掃描角度,即波束的步進(jìn)角度。掃描精度越高,步進(jìn)角度越小,在偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)可掃描的角度數(shù)目越多,則空域掃描的分辨率就越高。
掃描準(zhǔn)度是指對(duì)于相同的目標(biāo)偏轉(zhuǎn)角,光學(xué)相控陣多次偏轉(zhuǎn)的實(shí)際角度與目標(biāo)角度的誤差大小,精度越高,表示光學(xué)相控陣系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好,掃描的準(zhǔn)確度越高。
對(duì)掃描精度以及掃描準(zhǔn)度的測(cè)試歸根結(jié)底是對(duì)掃描角度的測(cè)試,利用圖3 所示測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu),根據(jù)不同測(cè)試要求對(duì)相應(yīng)掃描角度進(jìn)行測(cè)試分析即可得出。
對(duì)于均勻二維天線陣列,可以拆解為2 個(gè)維度上的多縫衍射模型,在X軸方向主瓣寬度(Y軸方向類似)為
由公式可得,在工作波長(zhǎng)固定的情況下,主瓣寬度主要和波導(dǎo)數(shù)量,波導(dǎo)間距與遠(yuǎn)場(chǎng)光束的掃描角有關(guān)。測(cè)試過(guò)程同樣利用如圖3 所示測(cè)試裝置,利用紅外相機(jī)觀察并讀取角網(wǎng)格屏幕光斑大小,即可得出光斑角寬度。
光波導(dǎo)的掃描速率取決于相移區(qū)的調(diào)制速率,一般是通過(guò)對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行加熱,利用熱光效應(yīng)進(jìn)行相位調(diào)制,其主要原理是利用硅材料的折射率隨溫度變化的特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制[15]。對(duì)于掃描速度的理論推導(dǎo),需要對(duì)移相器進(jìn)行熱仿真,模擬電熱轉(zhuǎn)換過(guò)程,根據(jù)波導(dǎo)的溫度變化求解有效折射率的變化,進(jìn)而得到相應(yīng)的相位變化,根據(jù)相位差能夠求出光束在施加指定電壓下光束的偏轉(zhuǎn)角度,最后利用偏轉(zhuǎn)角度除以理論控制電路的D/A 建立時(shí)間和放大器響應(yīng)時(shí)間的和,即可求得理論掃描速度。
對(duì)掃描速度的測(cè)試需要利用紅外相機(jī)加示波器的測(cè)試結(jié)構(gòu),采集當(dāng)前接收到掃描光束信號(hào)的時(shí)間與相鄰一次接收到掃描光束信號(hào)的時(shí)間差,即觀察同一路信號(hào)的出現(xiàn)頻率,利用測(cè)得最大掃描角度除以該時(shí)間差即為對(duì)應(yīng)掃描速度。該測(cè)量過(guò)程除測(cè)量角度引入誤差之外,主要誤差存在于對(duì)示波器數(shù)據(jù)的提取過(guò)程中。
偏轉(zhuǎn)效率定義為目標(biāo)偏轉(zhuǎn)光束的光強(qiáng)峰值與不發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)的0 級(jí)光強(qiáng)峰值之比。
理論光學(xué)相控陣光強(qiáng)分布可由(2)、(3)式推導(dǎo)得出:
通過(guò)上式計(jì)算出指定偏轉(zhuǎn)角 θ與0 級(jí)光強(qiáng),即可求得系統(tǒng)理論偏轉(zhuǎn)效率。
對(duì)偏轉(zhuǎn)效率的測(cè)試首先需要利用紅外相機(jī)接收并顯示光斑位置,遮擋旁瓣,利用光功率計(jì)測(cè)量此時(shí)主瓣光強(qiáng);其次施加電壓使光束偏轉(zhuǎn)目標(biāo)角度;最后再次遮擋旁瓣測(cè)量偏轉(zhuǎn)之后的峰值光強(qiáng),利用(6)式即可得到偏轉(zhuǎn)效率。該系統(tǒng)主要誤差來(lái)源于測(cè)試過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)對(duì)旁瓣光束的完全遮擋,因此測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。
對(duì)于光學(xué)相控陣探測(cè)距離使用相干探測(cè)法,利用相干的激光信號(hào)和本地激光振蕩信號(hào)發(fā)生干涉,對(duì)產(chǎn)生的拍頻信號(hào)進(jìn)行處理,在此基礎(chǔ)上通過(guò)示波器分析得出探測(cè)距離。探測(cè)距離的測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖4 所示。首先天線陣列發(fā)出信號(hào)光,經(jīng)探測(cè)目標(biāo)反射后通過(guò)接收天線接收;其次接收到的光波與本振光發(fā)生干涉,經(jīng)跨阻放大器將光電流轉(zhuǎn)化為電壓;最后通過(guò)示波器進(jìn)行分析得出探測(cè)距離。該系統(tǒng)主要誤差來(lái)源為信號(hào)傳輸過(guò)程中存在其他信號(hào)源的干擾。
圖4 探測(cè)距離測(cè)試裝置Fig.4 Detection distance test device
本文首先針對(duì)光學(xué)相控陣芯片性能評(píng)估理論進(jìn)行了詳細(xì)分析;在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)改進(jìn)了傅里葉成像系統(tǒng),同時(shí)對(duì)相控陣天線近遠(yuǎn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行觀察分析。最后對(duì)光學(xué)相控陣建立了系統(tǒng)的評(píng)估方法研究,對(duì)相控陣天線初始相位進(jìn)行了校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì),利用改進(jìn)的物理干涉法避免局部誤差放大。針對(duì)掃描速度、角度、精度、準(zhǔn)度、探測(cè)距離和遠(yuǎn)場(chǎng)主瓣寬度分別進(jìn)行了理論分析,測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)誤差分析,能夠?qū)鈱W(xué)相控陣性能進(jìn)行相對(duì)完善的性能評(píng)估。