基于阵列优化的超低栅瓣光学相控阵研究

发布时间：2020-10-17 19:56

　　 激光扫描技术在激光雷达、自由空间光通信、全息成像和生物医学成像等方面有着广泛应用。光学相控阵技术是一种非常有前景的新型激光扫描技术,可以在不移动或旋转激光扫描系统的情况下实现精确快速的空间光波束成形。然而受限于现有加工工艺技术,光学相控阵阵元间隔往往大于工作光波长,导致栅瓣的产生,严重降低了波束扫描的质量,限制了波束扫描范围。因此对光学相控阵栅瓣抑制进行深入研究对于实现光学相控阵大范围波束扫描非常有意义。本文主要研究基于非均匀光学相控阵阵列的栅瓣抑制。详细介绍了光学相控阵波束成形理论,应用改进的遗传算法对非均匀光学相控阵的阵列分布进行了优化以实现最佳的栅瓣抑制,并进一步拓展研究了光学相控阵多阶干涉成像的抑制。具体开展了以下三个方面的研究工作:1.通过改进的遗传算法优化非均匀光学相控阵阵元分布,对一维和矩形非均匀光学相控阵的栅瓣抑制效果进行了数值仿真分析,结果表明通过改进的遗传算法优化后的超低栅瓣一维光学相控阵和矩形光学相控阵的栅瓣抑制效果明显优于传统的非均匀光学相控阵。2.提出了一种基于新型环形光学相控阵的超低栅瓣快速大范围波束扫描方式。通过改进的遗传算法优化后的超低栅瓣环形光学相控阵具有极好的栅瓣抑制效果,优化后的超低栅瓣环形光学相控阵具有突出优势:一旦环形光学相控阵通过改进的遗传算法针对特定的俯仰角方向进行优化后,无需重构光学相控阵阵列分布,即可以实现峰值旁瓣电平几乎不变的二维大范围波束扫描,使得大范围快速波束扫描成为可能。3.研究了阵元随机分布的非均匀光学相控阵的多阶干涉成像的抑制。基于改进的GS(Gerchberg-Saxton)算法,快速恢复光学相控阵相位分布,论证分析了阵元随机分布的非均匀光学相控阵多阶成像抑制的可行性。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN249;TP18
【部分图文】：

为以后 OPA 的研究奠定了基础。5 年，美国加州大学圣迭戈分校 Thomas 等人使用 PLZT 压电陶瓷制作了含有 1]。6 年，美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory, AFRL）的 Mc Ma一种由液晶材料制成的快速扫描 OPA[22,23]。同年，美国雷声公司生产了由 4制器构成的液晶 OPA 器件[17]。1 年，BNS 公司研制了一种由 4096 个阵元组成的新型液晶 OPA 器件[24]。至 在此前研究的基础上，将液晶 OPA 的阵元数增加到 12288 个。 OPA 的研究主要为液晶 LC 和电光晶体 PLZT 材料的 OPA，除此之外，现如 OPA 研究方向一个是光波导相控阵，一个是微机电系统 MEMS 相控阵。光学移相器的类型主要分为俩类：基于电光移相器的光波导相控阵和基于热光控阵。移相器是根据光的电光效应[25]，即通过外加电压的方式，改变波导的折射率成调制功能。2005 年，西安电子科技大学的石顺祥课题组在 GaAs/AlGaAs 的光波导阵列[26]，验证了光波导阵列电光扫描器原理的可行性。

学 Stuart Yin 等于 2007 年首次提出简易的四阵元32 nm，各阵元辐射强度一致，对于阵元间距均为场为高斯型，其远场栅瓣功率略小于主瓣功率，元间距分别为 10 μm，20 μm 和 15 μm，栅瓣功的有效抑制。大学奥斯汀分校 Amir Hossein 和 D. Kwong 等应现栅瓣的抑制[33]，如图 1.2，相控阵工作波长为 该方法可以实现栅瓣的有效抑制并提高 OPA 的为 800 nm，在某一个扫描方向上±45°时实现了-84%），能量效率达到 18%。东等于 2014 年提出幅度相位联合加权的方法实 OPA，其相控阵工作波长为 1.55 μm，阵元间距功率从主瓣功率的 80%减小至 20%。其中幅度加函数。根据研究，通过幅度相位加权可以实现对

南京航空航天大学硕士学位论文2017 年巴西坎皮纳斯大学（UNICAMP）Pita 等提出并论证了阵元按费米曲线分布的稀疏非均匀 OPA[38]，相控阵阵元通过费米曲线分布可以有效抑制栅瓣。相控阵工作波长为 1.55 μm费米曲线中最小阵元间距为 9 μm。基于 CMOS 工艺的 8 阵元光波导 OPA，实现了 0.9 dB 的旁瓣抑制比（旁瓣功率为主瓣功率的 81%），基于空间光调制器（SLM）的 64 阵元 OPA 实现了6.9 dB 的旁瓣抑制比（旁瓣功率为主瓣功率的 20%），如图 1.3。
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本文编号：2845252