一种自适应的光学相控阵光相位控制电路及其控制方法

1.本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种自适应的光学相控阵光相位控制电路及其控制方法。


背景技术：

2.随着光电材料与技术的飞速发展，采用光学相控阵(opa)技术的全固态激光雷达越来越多。因为发射和接受的电磁波是光波因此波长要短得多，这意味着激光雷达将具有比传统微波雷达更好的角分辨率，这使得激光雷达可以应用在自动驾驶、农业测绘、河流调查、污染建模、考古建筑等领域。光学相控阵传统上使用液晶或铌酸锂晶体、砷化镓晶体、钽酸锂晶体等电光晶体材料利用电光效应进行相位调制。伴随着半导体工艺的进步和光电子集成技术的发展，光波导相控阵成为了近年的研究热点，其具有兼容cmos工艺、扫描速度快、驱动电压低、扫描角度范围大、体积小便于大规模硅光子集成等特点，使得光波导在光学相控阵领域显示出巨大的发展潜力。硅基的光学相控阵(opa)还可以和驱动电路集成在一块芯片上，具有体积小、集成度高、功耗低等优点。
3.通过对opa进行相位调制即可实现光束的横向转向乃至扫描，由于工艺误差初始光束并不是完全干涉的，因此需要红外cmos相机和pc作为反馈回路进行相位调制校准以提高旁瓣抑制比。目前国内外对opa的相位控制多采用集成电路实现，该方法成本高、通用性差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有技术中存在的成本高、通用性差、扫描速度慢等问题，提供一种自适应的光学相控阵光相位控制电路及其控制方法，即实现光束的高速扫描和自适应初始相位校准，该系统使用现有产品和器件实现，成本低、扩展性强、通用性好。
5.为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种自适应的光学相控阵光相位控制电路，包括氮化硅光波导相控阵芯片、相位控制电路、红外cmos相机、pc电脑，所述相位控制电路、红外cmos相机都与pc电脑电性连接，所述氮化硅光波导相控阵芯片与红外cmos相机电性连接。
7.作为优选，所述相位控制电路包括fpga电路模块、rs232串口通信模块、提供48路独立可调电压源的数模转换模块、usb转串口模块，所述usb转串口模块通过rs232串口通信模块与fpga电路模块电性连接，所述fpga电路模块与提供48路独立可调电压源的数模转换模块电性连接。
8.作为优选，fpga电路模块由xc7z020clg484-2芯片、外部50mhz晶振、用于存储系统启动镜像的flash芯片模块、jtag下载调试电路、供电电源、两路扩展io口组成，所述外部50mhz晶振、用于存储系统启动镜像的flash芯片模块、jtag下载调试电路、供电电源、两路扩展io口都与xc7z020clg484-2芯片电性连接。
9.作为优选，用于存储系统启动镜像的flash芯片模块包括串口接收控制器、数据转
换器、数模转换控制器，所述串口接收控制器通过数据转换器与数模转换控制器电性连接。
10.作为优选，rs232串口通信模块由用于连接usb转串口线的db9串口公座、usb转串口线、基于max3232芯片的电平转换电路、用于连接fpga电路模块的40阵排母构成，所述usb转串口线由usb公头、基于ch430芯片的usb转串口电路和db9串口母座构成。
11.作为优选，提供48路独立可调电压源的数模转换模块由3个16路独立的可调电压源组成。
12.作为优选，可调电压源由3片ltc2668组成。
13.一种自适应的光学相控阵光相位控制电路的控制方法，包括如下步骤：
14.步骤1：fpga电路模块通过串口通信模块从pc电脑接收48路独立可调电压源的下一电压值；
15.步骤2：通过串口接收控制器、数据转换器生成48路独立可调电压源的控制字，
16.步骤3：通过数模转换模块控制器将48路独立可调电压源的控制字加载到提供48路独立可调电压源的数模转换模块中；
17.步骤4：48路独立可调电压源的数模转换模块输出48路输出电压，然后加载到氮化硅光波导相控阵芯片的移相器上，从而实现opa的相位调制；
18.步骤5：红外cmos相机测量opa的远场图像并把二维光强数据传送给pc电脑，同时红外cmos相机接收氮化硅光波导相控阵芯片的数据并传送给pc电脑，然后pc电脑利用matlab软件进行数据分析和48路独立可调电压源的下一电压值生成，即可实现opa输出光束的初始相位校准和扫描。
19.本发明的有益效果如下：
20.1、rs232串口通信模块使用基于max3232芯片的电平转换电路和基于ch430芯片的usb转串口电路，因此只需在fpga中实现串口接收控制器电路就可以方便地接受来自pc电脑的数据流；
21.2、控制电路的数据转换器全部使用fpga内部的pl资源实现，可移植性和可更改性强，开发周期短；
22.3、三片ltc2668并行工作，所有通道电压可同时变化且建立时间短，输出电压精度高相对误差小，输出电流带载能力也满足受控opa的需求，可实现对opa相位的精确控制；
23.4、光相位控制电路全部使用现有的芯片在pcb板上搭建出电路模块来实现，硬件电路可更改性强，成本较低，开发周期较短；
24.5、采用红外cmos相机作输出光远场图像测量装置相较ccd相机功耗更低，帧率更高；
25.6、使用pc中matlab软件做光强数据读取和分析及串口数据流的生成比较易于实现，降低了开发周期。
附图说明
26.图1为本发明的系统框图；
27.图2为用于存储系统启动镜像的flash芯片模块的模块连接图；
28.图3为本发明的原理示意图；
29.图4为本发明的opa光相位控制原理；
30.图5为usb转串口线的原理图；
31.图6为rs232串口通信模块原理图；
32.图7为串口传输一个数据帧的时序图；
33.图8为串口接收控制器的原理图；
34.图9为实现串口接收控制器的流程图；
35.图10为数据转换器的原理图；
36.图11为数模转换器模块上一片ltc2668的原理图；
37.图12为数模转换控制器原理图；
38.图13为ltc2668的spi接口控制字写入时序图；
39.图14为对dac的一个通道执行写入操作的状态机；
40.图15为对一片dac芯片所有通道依次执行写入操作的时序图；
41.图16为运用模式搜索法对光学相控阵输出光束的初始相位校准算法流程图。
具体实施方式
42.下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：
43.如图1、图2所示，一种自适应的光学相控阵光相位控制电路，包括氮化硅光波导相控阵芯片1、相位控制电路2、红外cmos相机3、pc电脑4，所述相位控制电路2、红外cmos相机3都与pc电脑4电性连接，所述氮化硅光波导相控阵芯片1与红外cmos相机3电性连接。
44.如图1、图2所示，所述相位控制电路2包括fpga电路模块5、rs232串口通信模块6、提供48路独立可调电压源的数模转换模块7、usb转串口模块17，所述usb转串口模块17通过rs232串口通信模块6与fpga电路模块5电性连接，所述fpga电路模块5与提供48路独立可调电压源的数模转换模块7电性连接。
45.如图1、图2所示，fpga电路模块5由xc7z020clg484-2芯片8、外部50mhz晶振9、用于存储系统启动镜像的flash芯片模块10、jtag下载调试电路11、供电电源12、两路扩展io口13组成，所述外部50mhz晶振9、用于存储系统启动镜像的flash芯片模块10、jtag下载调试电路11、供电电源12、两路扩展io口13都与xc7z020clg484-2芯片8电性连接。
46.如图1、图2所示，用于存储系统启动镜像的flash芯片模块10包括串口接收控制器14、数据转换器15、数模转换控制器16，所述串口接收控制器14通过数据转换器15与数模转换控制器16电性连接。
47.如图1、图2所示，rs232串口通信模块6由用于连接usb转串口线的db9串口公座、usb转串口线、基于max3232芯片的电平转换电路、用于连接fpga电路模块的40阵排母构成，所述usb转串口线由usb公头、基于ch430芯片的usb转串口电路和db9串口母座构成。
48.如图1、图2所示，提供48路独立可调电压源的数模转换模块7由3个16路独立的可调电压源组成。
49.如图1、图2所示，可调电压源由3片ltc2668组成。
50.如图3所示，已经通过引线键合封装在pcb板上的氮化硅光波导相控阵芯片opa上；由usb转串口模块、rs232串口通信模块、fpga电路模块和提供48路独立可调电压源的数模转换模块构成的相位控制电路；红外cmos相机3读取和分析cmos测量相机数据并生成最优电压值发送给相位控制电路，然后传送给电脑处理。
51.如图4所示，1、氮化硅光波导相控阵芯片的各个发射单元；(2)、氮化硅光波导相控阵芯片的各通道上的移相器；(3)、提供n路独立可调电压源的相位控制电路；(4)、利用分波阵面法获得多个相干光波的使用1
×
2mmi级联实现的光功率平均分配网络；(5)、波长可调的连续激光器作为光学相控阵(opa)的可见光源。
52.图5为由usb公头、基于ch430芯片的usb转串口电路和db9串口母座构成的usb转串口线原理图。
53.图6为由连接usb转串口线的db9串口公座(图6中j2)、基于max3232芯片(图6中u2)的电平转换电路、用于连接fpga电路模块的40阵排母(图6中j1)构成的rs232串口通信模块原理图，图中u1为ams117高效线性稳压器用来实现从5v电压到3.3v电压的转换。
54.图7为串口传输一个数据帧的时序图，数据位为8，无奇偶校验位。当处于空闲状态时接收引脚为高电平，当开始传输时产生1个下降沿接着在1个波特率周期内保持低电平代表起始位，随后8个波特率周期依次传输8个数据位，紧接着拉高并保持1个波特率周期代表结束位等待下一次传输。串口接收控制器通过监测接收引脚的高低电平来接收异步串行通信传输的一帧帧数据。
55.图8为串口接收控制器的原理图，有两个输入端口和两个输出端口。系统时钟sys_clk在内部通过分频模块得到16倍波特率频率采样时钟s_clk以保证不会滑码，在采样时钟作用下完成一个数据帧的接收，接收完成时输出数据有效信号dout_vld拉高表示此时接收到的数据dout是有效的。图9为实现串口接收控制器的流程图，当监测到下降沿时表明接收开始，采样时钟计数器开始计数，然后在数据帧的每一位的中点处采样确保不会滑码，当采样完停止位后表明接收结束，采样时钟计数器复位。
56.图10为数据转换器的原理图，6个输入端、48个输出端。图11为实现数据转换器的流程图，以串口接收控制器的dout_vld上升沿为时钟信号，每次上升沿表明一个数据帧接收完成，将192个数据帧依次移入192级联的8位寄存器组中，传输第193个占位数据帧的时间内为了稳定192个数据，传输第194个占位数据帧为了给计算控制字的电压编码留时间，传输第195个占位数据帧为了将控制字的电压编码转换为控制字并送给输出端口。
57.图11为数模转换器模块上一片ltc2668的原理图，配置引脚使输出范围为0v-10v，使用ldac异步同时刷新所有通道，不用sdo、mux、tgp功能。
58.图12为数模转换控制器原理图，1+48＝49个输入端口接收来自数据转换器的48个控制字，4*3＝12个输出端口将控制字写入3片ltc2668的各个通道中。图13为ltc2668的spi接口控制字写入时序图，控制字为24位，高4位为命令字(设为0000表示写入某个通道的寄存器)、接着4位为地址字(表示对哪个通道操作)、低16位是电压编码(数据转换模块算得)。
59.图14为对dac的一个通道执行写入操作的状态机。当csld为高电平时处于空闲状态，当csld拉低，sck时钟计数器作为状态转移判断条件，在25个时钟周期内完成控制字写入的csld、sck、sdi时序。
60.图15为对一片dac芯片所有通道依次执行写入操作的时序图。通过分时复用对一个通道执行写入操作的spi模块,即第1-25个时钟周期对通道0进行寄存器写入操作、第26-50个时钟周期对通道1进行寄存器写入操作等等、第376-400个时钟周期对通道15进行寄存器写入操作，第401和第0个时钟周期将ldac拉低异步同时更新所有通道的输出，如此循环即可使用402个时钟周期完成一次所有通道的电压变化，即调制频率可达125khz。
61.图16为运用模式搜索法对光学相控阵输出光束的初始相位校准算法流程图。算法通过寻找具有较小目标函数值的方向，在迭代的过程中沿搜索方向逼近最优点，进而得出最优解。该算法在matlab中进行，输入为256320的矩阵、矩阵中每个元素的数值在0-65535之间，目标函数为矩阵中心元素(128,160)的数值。给到各个通道的电压初始电压都为0v，对第一个通道按照0.5v的步长增加电压(对应通道内的光束相移约0.1
°
)，若目标函数值变大则继续按步长增加电压、直到目标函数值变小记上一时刻的电压值作为此通道的优化值，对剩余各个通道依次按照此过程进行搜索，当最后一个通道完成搜索后即生成了各个通道对应的电压值为4位十进制数(0000-9999)(单位是mv)。
62.实施例1：
63.如图1、图2所示，一种自适应的光学相控阵光相位控制电路，包括氮化硅光波导相控阵芯片1、相位控制电路2、红外cmos相机3、pc电脑4，所述相位控制电路2、红外cmos相机3都与pc电脑4电性连接，所述氮化硅光波导相控阵芯片1与红外cmos相机3电性连接。
64.相位控制电路2包括fpga电路模块5、rs232串口通信模块6、提供48路独立可调电压源的数模转换模块7、usb转串口模块17，所述usb转串口模块17通过rs232串口通信模块6与fpga电路模块5电性连接，所述fpga电路模块5与提供48路独立可调电压源的数模转换模块7电性连接。
65.如图1、图2所示，fpga电路模块5由xilinx公司zynq7000系列的xc7z020clg484-2芯片8、外部50mhz晶振9、用于存储系统启动镜像的flash芯片模块10、jtag下载调试电路11、供电电源12、两路扩展io口13组成，所述外部50mhz晶振9、用于存储系统启动镜像的flash芯片模块10、jtag下载调试电路11、供电电源12、两路扩展io口13都与xc7z020clg484-2芯片8电性连接。
66.如图1、图2所示，用于存储系统启动镜像的flash芯片模块10包括串口接收控制器14、数据转换器15、数模转换控制器16，所述串口接收控制器14通过数据转换器15与数模转换控制器16电性连接。所述提供48路独立可调电压源的数模转换模块7由3个16路独立的可调电压源组成。可调电压源由3片ltc2668组成。
67.一种自适应的光学相控阵光相位控制电路的控制方法，包括如下步骤：
68.步骤1：fpga电路模块5通过串口通信模块6从pc电脑4接收48路独立可调电压源的下一电压值；
69.步骤2：通过串口接收控制器14、数据转换器15生成48路独立可调电压源的控制字，
70.步骤3：通过数模转换模块控制器16将48路独立可调电压源的控制字加载到提供48路独立可调电压源的数模转换模块7中；
71.步骤4：48路独立可调电压源的数模转换模块7输出48路输出电压，然后加载到氮化硅光波导相控阵芯片1的移相器上，从而实现opa的相位调制；
72.步骤5：红外cmos相机3测量opa的远场图像并把二维光强数据传送给pc电脑4，同时红外cmos相机3接收氮化硅光波导相控阵芯片1的数据并传送给pc电脑4，然后pc电脑4利用matlab软件进行数据分析和48路独立可调电压源的下一电压值生成，即可实现opa输出光束的初始相位校准和扫描。
73.rs232串口通信模块使用基于max3232芯片的电平转换电路和基于ch430芯片的
usb转串口电路，因此只需在fpga中实现串口接收控制器电路就可以方便地接受来自pc电脑的数据流；
74.控制电路的数据转换器全部使用fpga内部的pl资源实现，可移植性和可更改性强，开发周期短；
75.三片ltc2668并行工作，所有通道电压可同时变化且建立时间短，输出电压精度高相对误差小，输出电流带载能力也满足受控opa的需求，可实现对opa相位的精确控制；
76.光相位控制电路全部使用现有的芯片在pcb板上搭建出电路模块来实现，硬件电路可更改性强，成本较低，开发周期较短；
77.采用红外cmos相机作输出光远场图像测量装置相较ccd相机功耗更低，帧率更高；
78.使用pc中matlab软件做光强数据读取和分析及串口数据流的生成比较易于实现，降低了开发周期。
79.实施例2：
80.如图1、图2所示，一种自适应的光学相控阵光相位控制电路，包括氮化硅光波导相控阵芯片1、相位控制电路2、红外cmos相机3、pc电脑4，所述相位控制电路2、红外cmos相机3都与pc电脑4电性连接，所述氮化硅光波导相控阵芯片1与红外cmos相机3电性连接。
81.相位控制电路2包括fpga电路模块5、rs232串口通信模块6、提供48路独立可调电压源的数模转换模块7、usb转串口模块17，所述usb转串口模块17通过rs232串口通信模块6与fpga电路模块5电性连接，所述fpga电路模块5与提供48路独立可调电压源的数模转换模块7电性连接。
82.如图1、图2所示，fpga电路模块5由xilinx公司zynq7000系列的xc7z020clg484-2芯片8、外部50mhz晶振9、用于存储系统启动镜像的flash芯片模块10、jtag下载调试电路11、供电电源12、两路扩展io口13组成，所述外部50mhz晶振9、用于存储系统启动镜像的flash芯片模块10、jtag下载调试电路11、供电电源12、两路扩展io口13都与xc7z020clg484-2芯片8电性连接。
83.如图1、图2所示，用于存储系统启动镜像的flash芯片模块10包括串口接收控制器14、数据转换器15、数模转换控制器16，所述串口接收控制器14通过数据转换器15与数模转换控制器16电性连接。所述提供48路独立可调电压源的数模转换模块7由3个16路独立的可调电压源组成。可调电压源由3片ltc2668组成。
84.一种自适应的光学相控阵光相位控制电路的控制方法，包括如下步骤：
85.步骤1：本步骤展示的系统组成原理如图3所示，pc电脑中的matlab读取红外cmos相机生成的代表光强的灰度值，采集的图像大小为320*256、灰度为16阶，然后运用模式搜索法这种寻优算法进行下一时刻最佳电压编码十进制值的生成，并通过串口发送给相位控制电路，直到满足远场图像中间是一束较为明亮的光斑，即峰值旁瓣比较高时结束搜索完成初始相位校准。
86.步骤2：opa电控扫描原理如图4所示。光相位控制电路首先通过图5中的usb协议转rs232协议电路与pc进行异步串行全双工通信，接收来自pc中matlab发来的串行数据，如图8所示一个数据帧包括1位起始位、8位数据位、1位停止位。光相位控制电路然后通过图7中的集成电路将数据帧接收存入寄存器中，并将接收有效标志位置位。串口接收控制器按照图8中的思路实现，采用16倍于波特率的时钟并在每一bit的中间时刻采样确保不会在异步
通信接收中滑码，通过比较上一时钟沿和当前时钟沿来临时接收引脚的值来判断数据帧传输的开始和停止标志。传输开始后通过采样时钟计数器来判断当前是对哪一bit进行采样。
87.步骤3：本实施中4个数据帧代表一个通道的电压值、每个数据帧的十进制值在0-9之间即每个通道电压值为0000mw-9999mv之间。利用图10中的集成电路将步骤1中的接收到的数据存储在192个8位的寄存器中并生成48个通道的控制字。此数据转换器按照图11中的思路实现，在串口接收控制器产生的数据帧接收有效信号的上升沿作用下，将串口接收控制器接收到的一个数据帧移入192级级联的8位寄存器的第1级，如此下去当串口接收控制器接收192次数据帧后，代表电压值的48*4＝192个0-9的十进制值对应的8位ascii码就全部存入192个8位寄存器中，串口接收控制器接收第193个数据帧时是为了192个数据稳定，串口接收控制器接收第194个数据帧时是为了用192个数据计算出48个通道对应的电压编码，串口接收控制器接收第195个数据帧时是为了用48个通道对应的电压编码生成48个通道对应的控制字。
88.步骤4：将步骤2中生成的48个通道对应的控制字通过图12中的集成电路转换成spi协议和异步加载信号ldac去对3片ltc2668数模转换器进行写入操作以驱动输出的48通道模拟电压同步刷新。图11是ltc2668的电路原理图，只对芯片进行写操作因此只用数据输入端口sdi，这样每片数模转换器只需要4个控制信号，对3片ltc2668的控制是并行的，fpga的扩展io口数量非常充裕。直接使用数据转换器的多个电压输出口作输出，这样在满足带载能力(10ma)的前提下电压建立延迟更短。
89.图13为ltc2668的spi接口控制字写入时序图，图14为对dac的一个通道执行写入操作的状态机。采用50mhz时钟sck驱动状态机，fpga上电后状态机停留在stop状态，当csld变低电平开始写入操作，把寄存在24位寄存器里的控制字从高位到低位，在sck时钟计数器组合逻辑作状态转移判断条件下依次通过组合逻辑输出给sdi，并在sck时钟沿作用下完成同步状态转移。图15为对一片dac芯片所有通道依次执行写入操作的时序图，利用分时复用的思想，复用对一个通道执行写入操作的spi模块,使用402个sck时钟周期(16us)完成一次所有通道的电压同步刷新。
90.rs232串口通信模块使用基于max3232芯片的电平转换电路和基于ch430芯片的usb转串口电路，因此只需在fpga中实现串口接收控制器电路就可以方便地接受来自pc电脑的数据流；
91.控制电路的数据转换器全部使用fpga内部的pl资源实现，可移植性和可更改性强，开发周期短；
92.三片ltc2668并行工作，所有通道电压可同时变化且建立时间短，输出电压精度高相对误差小，输出电流带载能力也满足受控opa的需求，可实现对opa相位的精确控制；
93.光相位控制电路全部使用现有的芯片在pcb板上搭建出电路模块来实现，硬件电路可更改性强，成本较低，开发周期较短；
94.采用红外cmos相机作输出光远场图像测量装置相较ccd相机功耗更低，帧率更高；
95.使用pc中matlab软件做光强数据读取和分析及串口数据流的生成比较易于实现，降低了开发周期。
96.需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导
出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。