一种液晶光学相控阵衍射效率优化系统及方法与流程

本发明属于液晶光电子器件领域，具体涉及液晶光学相控阵技术。

背景技术：

液晶光学相控阵技术是一种无惯性、多功能实时可编程的电控波束扫描技术。核心器件是采用向列相液晶作为相位调制的电光材料，具有驱动电压低、相位调制深度大等物理特点，同时器件具有重量轻、尺寸小、功耗低和易于实现微电子控制电路等优点，不但解决了激光波束的快速指向、灵活控制和空间扫描问题，而且使光电系统的集成度更高，柔性控制能力更强，制造成本更低廉。但是由于回程区、工艺误差等因素，会造成液晶光学相控阵衍射效率降低，从而增大系统光路的插损。

液晶光学相控阵衍射效率优化的方法主要分为两类，有波前探测的自适应光学方法和无波前探测的自适应光学方法。

有波前探测方法：首先加载初始电压代码，通过剪切干涉光路得到干涉条纹，利用CCD相机录入条纹，然后运用波前重构算法，从条纹中解出波前，接着将实测波前与理想线性倾斜波前相比较，调整电压代码，使得实测波前与理想波前逐渐接近，并且不断地进行迭代，最终得到最优的波控数据使其前波前最接近于理想波前。

无波前检测方法：通过CCD采集经过液晶相控阵的光束在远场的光斑，通过相应的随机优化算法不断调整电压，并进行迭代优化，直至CCD采集到的光束衍射效率最高。

有波前检测系统由于光路复杂，光学口径受限，无法收集到空间高频的光波，致使波前反演存在较大误差。无波前检测方法，为了能够全部采集整个远场的所有衍射级次光斑，往往需要将光斑照射到散射面(白板)，然后用CCD和镜头对整个面的进行图像数据采集，但是由于大面积的二次散射采集无法保证散射面的散射度相同，并且针对不同角度的情况下还有不同，因此，二次散射的光功率分布不能等价实际激光功率分布，给系统带来很大误差；同时如果采用直接透镜收集衍射光的办法，能够优化的波束指向角度又受限于镜头的口径。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种液晶光学相控阵的衍射效率优化系统。

本发明的具体技术方案为：一种液晶光学相控阵的衍射效率优化系统，具体包括：激光器、偏振分光棱镜、法拉第旋光仪、液晶光学相控阵、三角锥、透镜、CCD和控制中心；所述控制中心包括：控制器和波控器；

所述激光器连接至偏振分光棱镜，所述激光器输出的激光与偏振分光棱镜的S光方向一致，S偏光经过法拉第旋光仪，沿着光路传输，偏振方向发生45度旋转，旋转后的光束垂直进入液晶光学相控阵，并且入射激光的偏振方向与液晶光学相控阵的光轴方向一致；

所述三角锥放置在偏转后远场的主瓣光斑中心，从所述液晶光学相控阵出来的激光经过三角锥反射后由原路返回液晶相控阵，并且由于三角锥进行保偏处理后，反射光的偏振态不发生变化，反射激光光束沿着原路返回，反射光线进入法拉第旋光仪，法拉第旋光仪再对反射光的偏振方向沿着光传输方向逆时针旋转45度，因此到达偏振分光棱镜时，与其P方向一致，完全通过，进入傅里叶透镜，并到达焦平面处的CCD探测器，转换成电信号，传输至控制中心中的控制器；

所述主控制器用于对接收的电信号进行处理生成优化电压；

所述波控器用于将主控制器生成的电压代码，逐祯地加载到液晶阵列控制器中，液晶阵列控制器再将电压代码转换成相应的电压，加载到液晶光学相控阵对应的电极上，并转换为激光信号传输至三角锥。

基于上述液晶光学相控阵的衍射效率优化系统，本发明还提供了一种液晶光学相控阵的衍射效率优化方法，具体包括如下步骤：

步骤S1.激光器连接至偏振分光棱镜，所述激光器输出的激光与偏振分光棱镜的S光方向一致，S偏光经过法拉第旋光仪，沿着光路传输，偏振方向发生45度旋转，旋转后的光束垂直进入液晶光学相控阵，并且入射激光的偏振方向与液晶光学相控阵的光轴方向一致；

步骤S2.所述三角锥放置在偏转后远场的主瓣光斑中心，从所述液晶光学相控阵出来的激光经过三角锥反射后由原路返回液晶相控阵，并且由于三角锥进行保偏处理后，反射光的偏振态不发生变化，反射激光光束沿着原路返回，反射光线进入法拉第旋光仪，法拉第旋光仪再对反射光的偏振方向沿着光传输方向逆时针旋转45度，因此到达偏振分光棱镜时，与其P方向一致，完全通过，进入傅里叶透镜，并到达焦平面处的CCD探测器，转换成电信号，传输至控制中心中的控制器；

步骤S3.主控制器对接收的电信号进行处理并生成优化电压；

步骤S4.波控器将主控制器生成的电压代码，逐祯地加载到液晶阵列控制器中，液晶阵列控制器再将电压代码转换成相应的电压，加载到液晶光学相控阵对应的电极上，并转换为激光信号传输至三角锥并经三角锥反射后由原路返回液晶相控阵。

进一步的，步骤S3对接收的电信号进行处理的具体过程为：主控制器将采集到的图像数据转换成灰度图，进行卡尔曼滤波，然后进行中值滤波，通过滤波将空气的扰动及CCD采集的噪声滤除，将滤波后的结果进行自适应二值化，得到二值图像，将二值图像进行canny边缘检测，计算出连通体，得到连通体的数量即为CCD采集到的光斑的数量，通过计算每个光斑内每个像素灰度值的总和作为每个光斑的能量，其中，能量最大的为主瓣光斑，其余的为栅瓣；

衍射效率通过计算主瓣能量与所有能量的比值得到，公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{E_{main}}{E_{total}}$

其中，E_main为主瓣的能量，E_total为主瓣与所有被采集到的旁瓣的总和：

$E_{main}=\underset{s}{\Σ}{\mathrm{gray}}_{i,j}(i,j)\∈s$

$E_{total}=\underset{s}{\Σ}{\mathrm{gray}}_{i,j}(i,j)\∈S$

其中，s为主瓣所在的区域，S为整个图像，gray_i,j为其像素坐标对应的灰度值。

更进一步的，步骤S3生成优化电压具体流程如下：

S30.初始化，当前电极z＝1、n＝1、电极电压为μ_z⁽ⁿ⁾；

S31.根据要偏转的角度计算电压值μ_z⁽¹⁾，同时产生随机电压Δμ_z⁽¹⁾；

S32.将电压值μ_z⁽¹⁾+Δμ_z⁽¹⁾转换成电压代码，并发送给液晶光学相控阵；

S33.CCD采集图像，滤波并计算J_z+⁽¹⁾；

S34.将电压值μ_z⁽¹⁾-Δμ_z⁽¹⁾转换成电压代码，并发送给液晶光学相控阵；

S35.CCD采集图像，滤波并计算J_z-⁽¹⁾；

S36.计算两次评价结果的差值ΔJ_z⁽¹⁾＝J_z+⁽¹⁾-J_z-⁽¹⁾；

S37.计算电压μ_z⁽²⁾＝μ_z⁽¹⁾+γ·μ_z⁽¹⁾·ΔJ_z⁽¹⁾，将电压值转换成电压代码，并发送，直到ΔJ_z⁽ⁿ⁾＝0则停止迭代该电极的电压值，当前的该电极已经优化完成，进入下一个电极的迭代优化。

本发明的有益效果：本发明的液晶光学相控阵的衍射效率优化系统及方法基于对三角锥的反射光进行的采集，无论液晶相控阵角度如何调整，都可以保证反射光的主瓣光斑在CCD阵面中的位置保持不变，因此能够可以省去重新调整光路带来的附加误差，能够同时收集大部分栅瓣的能量；并且能通过计算CCD采集的图像中，主斑与所有主瓣和删瓣的比值来计算液晶相控阵的衍射效率，进行SPGD算法迭代，直至所有电极的加载电压满足衍射效率达到最大值，能够实现液晶相控阵衍射效率的高效，并能快速优化，解决了现有无波前探测系统的存在的问题。

附图说明

图1为液晶光学相控阵衍射效率优化系统结构框图。

图2液晶光学相控阵效率优化系统CCD采集的光斑示意图。

图3液晶光学相控阵效率优化系统的图像处理流程图。

图4液晶光学相控阵效率优化系统的SPGD算法处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种实现液晶光学相控阵效率优化系统，具体包括：激光器、偏振分光棱镜、法拉第旋光仪、液晶光学相控阵、三角锥、透镜、CCD和控制中心；所述控制中心包括：控制器和波控器；

所述激光器连接至偏振分光棱镜，所述激光器输出的激光与偏振分光棱镜的S光方向一致，S偏光经过法拉第旋光仪，沿着光路传输，偏振方向发生45度旋转，旋转后的光束垂直进入液晶光学相控阵，并且入射激光的偏振方向与液晶光学相控阵的光轴方向一致。

这里激光器波长的选取，取决于需要测试的液晶相控阵的工作波长。

所述三角锥放置在偏转后远场的主瓣光斑中心，从所述液晶光学相控阵出来的激光经过三角锥反射后由原路返回液晶相控阵，并且由于三角锥进行保偏处理后，反射光的偏振态不发生变化，反射激光光束沿着原路返回，反射光线进入法拉第旋光仪，法拉第旋光仪再对反射光的偏振方向沿着光传输方向逆时针旋转45度，因此到达偏振分光棱镜时，与其P方向一致，完全通过，进入傅里叶透镜，并到达焦平面处的CCD探测器(见图2)，转换成电信号，传输至控制中心中的控制器。CCD可以采用通用的CCD图像传感器，对口径和分辨率没有特别严格的要求。

所述主控制器用于对接收的电信号进行处理生成优化电压；

所述波控器用于将主控制器生成的电压代码，逐祯地加载到液晶阵列控制器中，液晶阵列控制器再将电压代码转换成相应的电压，加载到液晶光学相控阵对应的电极上，并转换为激光信号传输至三角锥。

可以看出，优化的数据来源于CCD采集的图像，通过图像计算液晶光学相控阵的衍射效率，从而为SPGD算法的优化提供性能的评价依据。SPGD算法将优化后的电压转换成液晶光学相控阵阵列控制器所能识别的电压代码。

本发明提供的液晶光学相控阵的衍射效率优化方法，具体包括如下步骤：

步骤S1.激光器连接至偏振分光棱镜，所述激光器输出的激光与偏振分光棱镜的S光方向一致，S偏光经过法拉第旋光仪，沿着光路传输，偏振方向发生45度旋转，旋转后的光束垂直进入液晶光学相控阵，并且入射激光的偏振方向与液晶光学相控阵的光轴方向一致。

这里通过液晶光学相控阵之后，光束传输方向发生角度偏转，其中，偏转角度由液晶光学相控阵的波控数据来决定，并且波控数据则是本系统待优化的物理量。

步骤S2.所述三角锥放置在偏转后远场的主瓣光斑中心，从所述液晶光学相控阵出来的激光经过三角锥反射后由原路返回液晶相控阵，并且由于三角锥进行保偏处理后，反射光的偏振态不发生变化，反射激光光束沿着原路返回，反射光线进入法拉第旋光仪，法拉第旋光仪再对反射光的偏振方向沿着光传输方向逆时针旋转45度，因此到达偏振分光棱镜时，与其P方向一致，完全通过，进入傅里叶透镜，并到达焦平面处的CCD探测器，转换成电信号，传输至控制中心中的控制器。

由于液晶光学相控阵的工艺缺陷和回程区的存在，造成移相分布并非理想，在其远场区域形成除了主瓣以外，在其他周期位置还存在栅瓣。由于相控阵的移相特性的可逆特性，此时反射光经过液晶光学相控阵后，主瓣方向是以垂直液晶光学相控阵的角度，即：系统光轴的0°方向，如图1所示；并且该光学特征与液晶光学相控阵所加载的角度无关。

液晶光学相控阵在加载不同指向角度的波控数据时，反射光束的主瓣始终处于CCD的中心，而栅瓣的间距是波控的角度，针对器件在不同波束指向的情况下，优化系统无需要进行复杂光路再次调整。

步骤S3.主控制器对接收的电信号进行处理并生成优化电压；

步骤S4.波控器将主控制器生成的电压代码，逐祯地加载到液晶阵列控制器中，液晶阵列控制器再将电压代码转换成相应的电压，加载到液晶光学相控阵对应的电极上，并转换为激光信号传输至三角锥并经三角锥反射后由原路返回液晶相控阵。

这里步骤S3对接收的电信号进行处理的具体过程为：主控制器将采集到的图像数据转换成灰度图，进行卡尔曼滤波，然后进行中值滤波，通过滤波将空气的扰动及CCD采集的噪声滤除，将滤波后的结果进行自适应二值化，得到二值图像，将二值图像进行canny边缘检测，计算出连通体，得到连通体的数量即为CCD采集到的光斑的数量，通过计算每个光斑内每个像素灰度值的总和作为每个光斑的能量，其中，能量最大的为主瓣光斑，其余的为栅瓣；通过CCD进行衍射光斑的采集，由采集到的主瓣光斑与所有主瓣和删瓣的比值作为SPGD算法的评价函数。具体如图3所示：

衍射效率通过计算主瓣能量与所有能量的比值得到，公式为：

$\mathrm{\η}=\frac{E_{main}}{E_{total}}---\left(1\right)$

其中，E_main为主瓣的能量，E_total为主瓣与所有被采集到的旁瓣的总和。

$E=\underset{s}{\Σ}{\mathrm{gray}}_{i,j}(i,j)\∈s---\left(2\right)$

其中，s为光瓣所在的区域gray_i,j为其像素坐标对应的灰度值。

生成优化电压过程具体要用到SPGD(随机并行梯度下降)算法，具体通过对每个电极的波控数据进行逐个的迭代优化，SPGD算法的理论公式：

${\mathrm{\μ}}_z^{(n+1)}={\mathrm{\μ}}_z^{\left(1\right)}+{\mathrm{\γ\Δ\μ}}_z^{\left(n\right)}{\mathrm{\ΔJ}}_z^{\left(n\right)}---\left(3\right)$

J_z⁽ⁿ⁾＝η⁽ⁿ⁾ (4)

ΔJ_zⁿ＝J_z+⁽ⁿ⁾-J_z⁽ⁿ⁾ (5)

式中：z是液晶相控阵单元天线序号，μ_z⁽ⁿ⁾＝{μ_z1⁽ⁿ⁾,...,μ_zj⁽ⁿ⁾，μ_zN⁽ⁿ⁾}和μ_z⁽ⁿ⁺¹⁾＝{μ_z1⁽ⁿ⁺¹⁾,...,μ_zj⁽ⁿ⁺¹⁾,μ_zN⁽ⁿ⁺¹⁾}分别为第n次和第n+1次闭环迭代时施加到液晶光学相控阵的N个驱动器上的校正电压向量，其中μ_zk⁽ⁿ⁾代表第n次加载到第k个电极的电压；γ为增益常数；Δμ_z⁽ⁿ⁾＝{Δμ_z1⁽ⁿ⁾,...,Δμ_zj⁽ⁿ⁾,Δμ_zN⁽ⁿ⁾}为第n次迭代时每个电极上施加的随机扰动电压向量，其中，Δμ_zk⁽ⁿ⁾代表第n次加载到第k个电极电压相较于上次的变化量，各相互独立且同为伯努利分布，即各分量的幅值相等|μ_zj|＝σPr(Δμ_zj＝±σ)＝0.5，其中Δμ_zk为加载到第k个电极上的电压的分布函数。

系统性能评价函数:

$\mathrm{\Δ}{J_z}^{\left(n\right)}={\mathrm{\η}}_{{(z}^{+})}-{\mathrm{\η}}_{\left(z^{-}\right)}$

其中，为液晶光学相控阵加载的电压为μ_z⁽ⁿ⁾+Δμ_z⁽ⁿ⁾时的衍射效率，为液晶光学相控阵加载的电压为μ_z⁽ⁿ⁾-Δμ_z⁽ⁿ⁾时的衍射效率。

如图4为本发明实施例液晶光学相控阵效率优化系统的SPGD算法的执行流程图，SPGD算法的执行流程如下：

具体流程如下：

S30.初始化，当前电极z＝1、n＝1、电极电压为μ_z⁽ⁿ⁾；

S31.根据要偏转的角度计算电压值μ_z⁽¹⁾，同时产生随机电压Δμ_z⁽¹⁾；

S32.将电压值μ_z⁽¹⁾+Δμ_z⁽¹⁾转换成电压代码，并发送给液晶光学相控阵；

S33.CCD采集图像，滤波并计算J_z+⁽¹⁾；

S34.将电压值μ_z⁽¹⁾-Δμ_z⁽¹⁾转换成电压代码，并发送给液晶光学相控阵；

S35.CCD采集图像，滤波并计算J_z-⁽¹⁾；

S36.计算两次评价结果的差值ΔJ_z⁽¹⁾＝J_z+⁽¹⁾-J_z-⁽¹⁾；

S37.计算电压μ_z⁽²⁾＝μ_z⁽¹⁾+γ·μ_z⁽¹⁾·ΔJ_z⁽¹⁾，将电压值转换成电压代码，并发送，直到ΔJ_z⁽ⁿ⁾＝0则停止迭代该电极的电压值，当前的该电极已经优化完成，进入下一个电极的迭代优化。每个电极的优化都如上面的流程，直至所有的电极优化完成。

可以看出，本实施例提供的系统和方法，激光器发出的激光光束在由液晶相控阵偏转后，由三角锥将激光沿原路反射，再经由液晶相控阵，将角度偏转回来，保证了无论液晶相控阵如何偏转，反射回来的光，其主瓣光斑在CCD中的位置保持不变，同时通过SPGD算法对采集回来的光束进行效率迭代计算，直至所有电极的加载电压满足衍射效率达到最大值，能够实现液晶相控阵衍射效率的高效，并能快速优化。