光学相控阵的制作方法

光学相控阵的制作方法
【专利摘要】公开了光学相控阵(100)和使用光学相控阵(100)形成光束的方法(200)。光学相控阵(100)包括用于产生输出光束的光学头(116)，扩展频谱调制模块(112)和用于控制扩展频谱调制光束的相位的模块(114)。光学头(116)具有在该光学头(116)中的参考表面并包括分别用于接收各个光束的多个子孔径(130)。参考表面(116)产生背反射光信号(126)。扩展频谱调制模块(112)调制每个光束以具有用于分离各个调制光束的扩展频谱信号，该扩展频谱调制模块用于光学头(116)。用于控制扩展频谱调制光束的相位的模块(114)依赖于背反射光信号(126)和扩展频谱调制。
【专利说明】光学相控阵
[0001] 根据美国35USC§ 119,本申请享有以澳大利亚国立大学的名义于2012年1月4日 提交的第2012900034号澳大利亚临时专利申请的在先提交日期，其内容通过引用整体并 入本文。

【技术领域】
[0002] 本发明一般涉及光源并且更具体地涉及光束调向系统。

【背景技术】
[0003] 相控阵在射频（RF)工程领域是众所周知的用于控制电磁场的传播方向和明显起 源的机制。随着电磁（EM)辐射频率的增加在EM光谱的射频带以外延伸该技术变得愈加困 难。这是因为当波长变得更小并且频率增加时，控制辐射相位的能力变得愈加困难。
[0004] 控制光频相位、电磁（EM)辐射的方法是已知的。然而，如果反馈控制机制没有放 入输出光束路径中，该光束形成装置全部失灵。在输出光束中放置该反馈控制机制对于在 光束形成装置的光程长度（0PL)中由热源和其他源引起的不可避免的变化的测量和调整 已经是必需的。不利地，在输出光束中放置该反馈控制机制必然从其预定目标转移部分输 出能量。此外，传感器的定位需要在光束形成装置以外。


【发明内容】

[0005] 根据本发明的方面，提供了一种光学相控阵，其包括：用于产生输出光束的光学 头，该光学头具有在光学头中的参考表面并包括多个子孔径，每个子孔径用于接收各自的 光束，该参考表面产生背反射光信号；扩展频谱调制模块，用于调制多个光束中的每一个以 具有用于分离各自的调制光束的扩展频谱信号，该扩展频谱信号被提供至该光学头；以及 用于根据背反射光信号和扩展频谱调制控制扩展频谱调制光束的相位的装置。
[0006] 控制装置可以是根据背反射光信号和扩展频谱调制调整每个扩展频谱调制光束 的光程长度的相位校正模块。
[0007] 光学相控阵还可包括多个用于大功率光束形成的激光器并且其中控制装置直接 控制每个激光器的相位。
[0008] 每个激光的相位可通过改变该激光的频率直接控制。
[0009] 该控制的、扩展频谱调制光束在反馈机制中使用以实现对输出光束的控制。
[0010] 输出光束是大功率光束。
[0011] 至少两个扩展频谱调制光束的相位可根据背反射光信号和扩展频谱调制被独立 地控制。替代地，扩展频谱调制模块可利用唯一代码对输入扩展频谱调制模块的每个光束 调进行制以产生唯一识别的光束。
[0012] 扩展频谱调制模块可利用单个通用代码调制每个光束输入以从每个子孔径分离 信号，每个子孔径信号具有不同的延迟。光学相控阵可包括产生输入至扩展频谱调制模块 的多个光束的多个光源。光学相控阵可包括用于根据背反射光信号获取相位信息以提供相 位校正信号的数字信号处理系统。相位信息可用于对每个子孔径的相移反馈以在远场中给 出输出光束的期望的光束调向/光束形成。该数字信号处理系统可以：使用扩展频谱解码 技术在背反射光信号中分别分离来自每个子孔径的信号的相位以及测量在背反射光信号 中来自每个子孔径的信号的相位。
[0013] 光学相控阵可包括用于根据背反射光信号生成数字信号的光探测器。
[0014] 光学相控阵可包括用于在光探测器上干扰背反射光信号并用于对从该光电探测 器获得的信号数字化的干扰和光电探测模块。
[0015] 根据本发明另外的方面，提供了使用光学相控阵形成光束的方法。该方法包括：使 用扩展频谱调制模块调制多个光束中的每一个以具有用于分离所述各个调制光束的扩展 频谱信号；使用光学头从多个扩展频谱调制光束产生输出光束，光学头具有位于光学头中 的参考表面并包括多个子孔径，每个子孔径用于接收扩展频谱调制光束中的各自的扩展频 谱调制光束，该参考表面产生背反射光信号；以及根据背反射光信号和扩展频谱调制控制 扩展频谱调制光束的相位。
[0016] 控制步骤可使用相位校正模块实现，相位校正模块根据背反射光信号和扩展频谱 调制调整每个扩展频谱调制光束的光程长度。
[0017] 该方法可包括：使用用于大功率光束形成的多个激光器；以及其中控制步骤直接 控制每个激光器的相位。
[0018] 每个激光的相位可通过改变激光器的频率被直接控制。
[0019] 该控制的、扩展频谱调制光束在反馈机制中使用以实现对输出光束的控制。
[0020] 输出光束是大功率光束。
[0021] 至少两个扩展频谱调制光束的相位可根据背反射光信号和扩展频谱调制被独立 地控制。
[0022] 调制步骤可利用唯一代码调制每个光束以产生唯一识别的光束。替代地，调制步 骤可利用单个公共代码调制输入的每个光束以分离来自每个子孔径的信号，每个子孔径信 号具有不同的延迟。该方法可包括产生输入至扩展频谱调制模块的多个光束的多个光源。
[0023] 该方法可包括使用数字信号处理系统，根据背反射光信号获取相位信息以提供相 位校正信号。
[0024] 相位信息用于向每个子孔径的相移反馈以在远场中给出输出光束的期望的光束 调向/光束形成。
[0025] 该数字信号处理系统可以：利用扩展频谱解码技术在背反射光信号中分别分离并 测量来自每个子孔径的信号的相位。该方法可包括根据背反射光信号生成数字信号。
[0026] 如权利要求所述的方法可包括在光探测器上干扰背反射光信号以及数字化从光 探测器获得的信号。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 在下文中参考附图对本发明的实施方式进行描述，其中：
[0028] 图1是示出了根据本发明的实施方式的光学相控阵的框图。
[0029] 图2是示出了使用光学相控阵形成光束的方法的概要流程图；以及
[0030] 图3是示出了图2的方法的其他方面的更详细的流程图。

【具体实施方式】
[0031] 本文公开了使用光学相控阵形成光束的方法、系统以及光学相控阵。在下面的描 述中，陈述了许多细节，包括特定的光源、调制技术等。然而，根据本公开，可进行修改和/ 或替换而不脱离本发明的范围对本领域的技术人员将是显而易见的。在其他情况中，具体 细节可被省略以免模糊本发明。
[0032] 在任意一个或多个附图中参考步骤和/或特征，这些步骤和/或特征具有相同的 附图标记，用于本说明书的目的的那些步骤和/或特征具有相同的功能或操作，除非出现 相反意图。
[0033] 本发明的实施方式针对光学相控阵。光学相控阵（0ΡΑ)是结合来自多个子孔径的 光以在远场中形成光束的装置。通过调整子孔径的相对相位，由光学相控阵产生的光束的 特征可被修改，例如，可在远场中控制光束，或者可修改（聚焦/散焦）光束尺寸。0ΡΑ的另 一应用为结合多个独立的激光器以实现超大功率光束。
[0034] 与微波/无线电频率相控阵相比，0ΡΑ中的挑战在于子孔径的相对相位的控制。在 RF系统中，例如可通过固定驱动发射器的导体的路径长度设置相对相位。在光学系统中， 光的波长小得多，并且自然地在路径长度中出现波动使得在发射器处精确设置光的相位变 得困难。本发明的实施方式提取与透射光有关的相位信息，具体地测量子孔径的相位，并且 调整传播到每个子孔径的光的路径长度，意味着从每个子孔径发射的光具有控制的相位关 系。
[0035] 读出技术使用扩展频谱调制。出射光束，或者用于形成光束的分量的至少部分是 利用伪随机码相位调制的。该调制允许来自各个子孔径的信号被分离以进行识别。然后， 分离的信号的相位可使用例如外差干扰来测量。然后，相位信息可用于调整0PL并补偿在 0PL中不需要的变化。
[0036] 下文中描述的本发明的实施方式消除了对外部传感器的需要并且允许仅基于电 磁（EM)辐射控制光束形成装置的光程长度（0PL)变化，有助于能量不再进一步从预定目标 转移，其中电磁辐射在0ΡΑ内不可避免地反射。
[0037] 图2示出了使用光学相控阵形成光束的概要方法200。在步骤210中，多个光束中 的每一个被调制成具有用于分离各自的调制光束的扩展频谱信号。在步骤220中，使用光 学头从光束产生输出光束。光束或通过子孔径传输的每个光束的至少一部分是扩展频谱调 制的。光束具有扩展频谱调制的至少一个分量，如在下文中解释的，其用于输出光束和未扩 展光束的效果控制。如在下文中所使用的，"扩展频谱调制光束"是具有如此调制的至少一 个分量的光束。该术语被用于区分已经通过扩展频谱调制模块处理的光束和没有如此处理 的光束。光学头具有位于该光学头中的参考表面并包括多个子孔径，每个子孔径用于接收 扩展频谱调制光束中的各自的调制光束。参考表面产生背反射光信号。在步骤230中，扩展 频谱调制光束的相位根据背反射光信号和扩展频谱调制来控制。控制步骤230可使用相位 校正模块实现，相位校正模块根据背反射光信号调整扩展频谱调制光束的光程长度。替代 地，多个激光器可用于大功率光束形成，并且控制步骤230可直接控制每个激光器的相位。 此外，每个激光器的相位可以通过改变该激光器的频率直接控制。
[0038] 该控制的、扩展频谱调制光束在反馈机制中使用以实现对输出光束的控制。
[0039] 输出光束是大功率光束。
[0040] 两个或两个以上扩展频谱调制光束的相位可根据背反射光信号和扩展频谱调制 被独立地控制。
[0041] 每个光束可利用唯一代码调制以产生唯一识别的光束。替代地，可利用每个光束 调制单个公共代码，光束被输入以从每个子孔径分离信号，每个子孔径信号具有不同的延 迟。
[0042] 多个光源产生输入至扩展频谱调制模块的多个光束。
[0043] 相位信息根据背反射光信号获得以提供相位校正信号。相位信息可用于对每个子 孔径的相移反馈，以在远场中给出输出光束的期望的光束调向/光束形成。
[0044] 数字信号处理系统可使用扩展频谱解码技术在背反射光信号中分别分离并测量 来自每个子孔径的信号的相位。
[0045] 数字信号可根据背反射光信号产生。
[0046] 背反射光信号可在光电探测器上被干扰并且将从光探测器获得的信号数字化。
[0047] 本发明的实施方式的这些和其他细节在下文中参考图1和图3进行描述。
[0048] 图1示出了根据本发明的实施方式的光学相控阵（0ΡΑ) 100。图3示出了使用图1 的光学相控阵100形成光束的方法300。
[0049] 图1中的光源110包括多个光源（例如，若干激光器）以提供输入到扩展频谱调 制模块112的光束120。光源110可以是单个激光源，或者可包括多个单独的激光器，例如， 光纤激光器。
[0050] 方法300在步骤310中开始处理。在步骤310中，利用扩展频谱信号调制每个来 自光源110的光束。图1的扩展频谱调制模块112利用唯一代码对每个光束或每个光束的 分量进行相位调制，从而每个光束可被唯一地识别。调制可包括二进制相移键控（BPSK)，或 高阶相移键控，例如QPSK，8-PSK。扩展频谱调制的调制深度可以是低的（<pi，或者部分调 制），使得光束的较大部分是未调制的（载波光）。该载波光的干扰在远场中干扰以产生光 束调向。
[0051] 通过扩展频谱调制模块112产生的出射光122被传到光学头和参考表面116。如 在图1中所示，出射光122通过相位校正模块114。如在下文中详细描述的，出射光122可 通过相位校正模块114进行"相位校正"。在图3的步骤312中，扩展频谱调制光束（S卩，出 射光122)被传输到光学头116。在一个实现中，传输使用耦合至光学头116的光纤（在图 1中未示出）实现。
[0052] 在光学头116处，输入到光学头116的出射光122的一些部分126从光学头116的 参考表面反射。参考表面是具有良好特征的表面轮廓的局部反射表面并且通常是在光退出 光束形成装置之前相互作用的最后表面。每个子孔径的出射光122的该部分是背反射光。 参考表面116通常被打磨为平面并且采样出射光122的小部分，剩余的出射光122是出射 光束124。
[0053] 在图3的步骤314中，来自每个发射器的光的一部分从光学头116内的参考表面 反射，并且该背反射光被获得或接收。
[0054] 如在图1中所示，背反射光126穿过相位校正模块114以向扩展频谱调制模块112 提供输入信号128。相位校正模块114赋予出射光和背反射光相同的相移。
[0055] 扩展频谱调制模块112可根据调制模块112的详细设计和扩展频谱编码的速度影 响背反射光的相位或不影响背反射光的相位。可选地，路径130可被移动从而该路径130 位于相位校正模块114与干扰和光电探测模块140之间（在图1中未示出）。
[0056] 在图3的步骤316中，背反射光被干扰，并且干扰的光在光电探测器（例如，光电 二极管）上被检测。具有扩展频谱信号的背反射光用本地振荡器干扰，本地振荡器本身可 以是扩展频谱。在图1中，通过扩展频谱调制模块112输出的来自所有子孔径130的背反 射光输出到干扰和光电探测模块140,并且在该模块140的单个光探测器上干扰。模块140 将路径130中的光能转换为电子信号132。模块140可利用附加光场（本地振荡器）干扰 背反射光，或者可使用来自每个子孔径的光场之间存在的干扰。
[0057] 在步骤318中，来自光电探测模块140的电信号被处理以提取相位信息，光束的光 程长度从该相位信息推测。光程长度可以是光纤路径长度。从光电探测器140获得的电子 信号被数字化并且生成的数字信号132被发送给数字信号处理系统150 (例如，现场可编程 门阵列（FPGA))，以用于在步骤318中的处理。在FPGA150内，扩展频谱解码技术被用于分 别从每个子孔径分离信号并且使得它们的相位可以被测量。优选地，扩展频谱解码技术是 Shaddock, Daniel A.在 OPTICS LETTERS (光学快报）的第 32 卷，第 22 号，第 3355-3357 页 的"Digitally enhanced heterodyne interferometry (数字增强外差干扰测量法）"中公 开的"Digital Interferometry (数字干扰测量法）"，其通过引用全部并入本文。数字干扰 测量法允许信号在单调制编码的情况下通过它们的飞行时间（或相当于延迟）分离，或者 在使用多调制编码的情况下通过码分复用技术。通过将信号132乘以具有适当延迟的同一 调制码来提取信号。使用不同的编码或具有不同延迟的同一编码而编码的信号表现为宽带 噪声，该宽带噪声可通过适当的过滤抑制。与PRN调制的一般用法相比，该解码步骤的目的 为分离信号以用于来自每个子孔径的信号的相位的后续确定，在PRN调制中，测量输出是 需要匹配输入信号132的编码延迟的解码信号的延迟。
[0058] 通过数字信号处理系统150提取或获取的该相位信息向相位校正模块114提供相 位校正信号输出134。在图3的步骤320中，通过光纤的光程长度被调整以在发射器处将光 的相位驱动为期望值。因此，相位信息被用于对每个子孔径的相移进行反馈以在远场中给 出输出光束的期望的光束调向/光束形成。
[0059] 由扩展频谱调制模块112产生的出射光122在传输到图1的光学头116之前通过 相位校正模块114进行相位校正。
[0060] 在步骤322中，来自每个发射器的输出光在远场中被干扰以实现光束形成/调向 /聚焦。该过程300可重复进行。
[0061] 图1的0ΡΑ系统100允许光源不需要机械致动器而被调向。本文呈现的体系结构 突出了用于读出每个子孔径的出口点处的光的相对相位的创新方法。该信号用于闭环控制 系统以使用电磁干扰对出射光束调向。当作为接收装置运行时该同一光学计量系统可用于 调整视场。装置的另一用途为利用唯一的光源驱动每个子孔径，然后通过在子孔径处控制 每个光源的相位而在远场中将光源相干地组合。装置的实时感测和闭环操作克服了与在子 孔径的输出处的光信号之间维持稳定的相位差相关的问题。
[0062] 图1的根据本发明的实施方式的0PA100是有利的，如下所述：
[0063] 可伸缩件:多个子孔径可仅利用单个光电探测器和数字化系统测量。
[0064] 大功率处理和光束质量:在出射（大功率）光束上无需附加的光学部件。所有控 制信号是在反射上提取的。
[0065] 闭环控制：数字干扰测量法相位测量系统提供高灵敏度的、全范围相位读出，允许 稳定地并精确地控制光束，例如在很宽的角度范围上。
[0066] 与传统的调制方案相比，扩展频谱调制的使用可在存在背散射光（例如，由于在 模块之间的接口处的反射）的情况下改善感测的相位的鲁棒性。
[0067] 本发明的实施方式具有多种应用，包括：
[0068] 防御：激光瞄准以及武器和空间碎片跟踪；
[0069] 通信：自由空间光学网络；以及
[0070] 消费电子产品：激光显示器和沉浸式全息技术。
[0071] 上文仅是示例并且不构成根据本发明的实施方式的0ΡΑ的可能的应用的详细清 单。
[0072] 所述的布置适用于光源尤其是光波形成装置和系统。
[0073] 本文描述了用于使用光学相控阵形成光束的方法和系统以及光学相控阵。上文仅 描述了本发明的一些实施方式，并且能够在不脱离本发明的精神和范围的情况下对其做出 改进和/或变化，实施方式为说明性的而不是限制性的。
[0074] 在该说明书的上下文中，词"包括"是指"主要包括但未必仅包括"或者"具有"或 者"包含"，并且不是"仅由...组成"。考虑开放式含义而不是封闭式表达（如"由...组 成"）。词"包括（comprising)" 的变型，如"包括（comprise)" 和"包括（comprises)" 相 应地具有变化的含义。
【权利要求】
1. 一种光学相控阵，包括： 光学头，用于产生输出光束，所述光学头具有位于所述光学头中的参考表面并包括多 个子孔径，每个子孔径用于接收各自的光束，所述参考表面产生背反射光信号； 扩展频谱调制模块，用于调制多个光束中的每一个以具有用于分离各自的调制光束的 扩展频谱信号，所述扩展频谱信号被提供至所述光学头；以及 用于根据所述背反射光信号和所述扩展频谱调制控制扩展频谱调制光束的相位的装 置。
2. 如权利要求1中所述的光学相控阵，其中控制装置为根据所述背反射光信号和所述 扩展频谱调制调整每个扩展频谱调制光束的光程长度的相位校正模块。
3. 如权利要求1中所述的光学相控阵，包括： 用于大功率光束形成的多个激光器；以及 其中所述控制装置直接控制每个激光器的相位。
4. 如权利要求3中所述的光学相控阵，其中每个激光器的相位通过改变所述激光器的 频率直接控制。
5. 如权利要求1中所述的光学相控阵，其中所述控制的、扩展频谱调制光束在反馈机 制中使用以实现对所述输出光束的控制。
6. 如在权利要求1中所述的光学相控阵，其中所述输出光束为大功率光束。
7. 如权利要求1中所述的光学相控阵，其中至少两个扩展频谱调制光束的相位根据所 述背反射光信号和所述扩展频谱调制被独立地控制。
8. 如权利要求1中所述的光学相控阵，其中所述扩展频谱调制模块利用唯一代码对输 入至所述扩展频谱调制模块的每个光束进行调制以产生唯一识别的光束。
9. 如权利要求1中所述的光学相控阵，其中所述扩展频谱调制模块利用单个公共代码 调制输入的每个光束以分离来自每个子孔径的信号，每个子孔径信号具有不同的延迟。
10. 如权利要求8或9所述的光学相控阵，还包括产生输入至所述扩展频谱调制模块的 多个光束的多个光源。
11. 如权利要求1中所述的光学相控阵，还包括数字信号处理系统，用于根据所述背反 射光信号获取相位信息以提供相位校正信号。
12. 如权利要求11中所述的光学相控阵，其中所述相位信息用于对每个子孔径的相移 反馈以在远场中给出所述输出光束的期望的光束调向/光束形成。
13. 如在权利要求11中所述的光学相控阵，其中所述数字信号处理系统： 使用扩展频谱解码技术以在背反射光信号中分别分离来自每个子孔径的信号的相位 以及 测量在所述反射光信号中来自每个子孔径的信号的相位。
14. 如权利要求1或11中所述的光学相控阵，还包括用于根据所述背反射光信号产生 数字信号的光探测器。
15. 如权利要求1或11所述的光学相控阵，还包括干扰和光电探测模块，用于在光探测 器上干扰所述背反射光信号以及用于对从所述光探测器获得的信号数字化。
16. -种使用光学相控阵形成光束的方法，包括： 使用扩展频谱调制模块调制多个光束中的每一个以具有用于分离各个调制光束的扩 展频谱信号； 使用光学头从多个所述扩展频谱调制光束产生输出光束，所述光学头具有位于所述光 学头中的参考表面并包括多个子孔径，每个子孔径用于接收所述扩展频谱调制光束中的各 自的扩展频谱调制光束，所述参考表面产生背反射光信号；以及 根据所述背反射光信号和所述扩展频谱调制控制所述扩展频谱调制光束的相位。
17. 如权利要求16中所述的方法，其中控制步骤使用相位校正模块实现，所述相位校 正模块根据所述背反射光信号和所述扩展频谱调制调整每个扩展频谱调制光束的光程长 度。
18. 如权利要求16中所述的方法，包括： 使用用于大功率光束形成的多个激光器；以及 其中控制步骤直接控制每个激光器的相位。
19. 如权利要求18中所述的方法，其中每个激光器的相位通过改变所述激光器的频率 直接控制。
20. 如权利要求16中所述的方法，其中所述控制的、扩展频谱调制光束在反馈机制中 使用以实现对所述输出光束的控制。
21. 如权利要求16中所述的方法，其中所述输出光束是大功率光束。
22. 如权利要求16中所述的方法，其中至少两个扩展频谱调制光束的相位根据所述背 反射光信号和所述扩展频谱调制被独立地控制。
23. 如权利要求16中所述的方法，其中调制步骤用唯一代码调制每个光束以产生唯一 识别的光束。
24. 如权利要求16中所述的方法，其中调制步骤用单个公共代码调制输入的每个光束 以分离来自每个子孔径的信号，每个子孔径信号具有不同的延迟。
25. 如权利要求23或24中所述的方法，还包括产生输入至扩展频谱调制模块的多个光 束的多个光源。
26. 如权利要求16中所述的方法，包括使用数字信号处理系统，根据所述背反射光信 号获取相位信息以提供相位校正信号。
27. 如权利要求26中所述的方法，其中所述相位信息用于对每个子孔径的相移反馈以 在远场中给出所述输出光束的期望的光束调向/光束形成。
28. 如权利要求26中所述的方法，其中所述数字信号处理系统： 使用扩展频谱解码技术以在背反射光信号中分别分离来自每个子孔径的信号的相位 以及 测量在所述反射光信号中来自每个子孔径的信号的相位。
29. 如权利要求16或26中所述的方法，包括根据所述背反射光信号产生数字信号。
30. 如权利要求16或26中所述的方法，包括在光探测器上干扰所述背反射光信号和对 从所述光探测器获得的信号数字化。
【文档编号】G02F1/29GK104145437SQ201280070119
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2012年1月4日
【发明者】丹尼尔·安东尼·夏多克 申请人:澳大利亚国立大学