一種光學相控陣相位校準方法
1.本發明屬于光學相控陣的信號處理技術領域，具體涉及一種光學相控陣相位校準方法。
背景技術：
2.光學相控陣是一種新型的激光掃描技術，因其準確度高、穩定性好、掃描速度快以及抗干擾能力強等特點，被廣泛應用于激光雷達等領域。
3.光學相控陣由若干陣元組成，基于電光效應/熱光效應/聲光效應/磁光效應等效應通過電控方式來調制每個陣元的相位，從而實現光束的偏轉。在實際應用中，受限于加工工藝水平，相控單元之間存在著不可避免的相位誤差，使得光束產生旁瓣，造成光能量分散，影響光束指向精度，實際應用中必須對各個相控單元的相位進行校準。由于光學相控陣芯片較小，陣元間距只有微米量級，且芯片中一般也不會為每個陣元單獨添加光開關，各個陣元的相位不能進行獨立測量，因此大部分光學相控陣芯片的相位校準一般都是利用全局優化算法優化各個陣元的相位，常用的優化算法有隨機并行梯度下降(stochastic parallel gradient descent algorithm，簡稱spgd)算法、模擬退火算法、遺傳算法、爬坡算法等。
4.但是，使用全局優化算法對相位進行校準的過程中，增益系數的大小決定了算法的收斂速度和校準性能。傳統的全局優化算法需要多次手動設置不同的增益系數，從中選取一個校準效果較好的增益系數作為經驗值，這大大降低了優化的效率，且增益系數不具備實時性。此外，由于優化過程會出現不確定性還有其他各種因素如相機噪聲，電壓誤差等的影響，實際優化過程可能朝著不利的方向進行，如果每次都以上一組迭代電壓作為下一次迭代的起始點，優化效率并不高、迭代時間也較長。尤其是隨著光學相控陣規模的增加，校準的難度大大提升，實際優化朝著不利方向進行的可能性大大增加。
技術實現要素：
5.為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種光學相控陣相位校準方法。本發明要解決的技術問題通過以下技術方案實現：
6.本發明實施例提供了一種光學相控陣相位校準方法，包括：
7.應用于包括激光器、光學相控陣、紅外相機、計算機和控制電路的系統中，方法包括：
8.所述光學相控陣接收所述激光器發出的光，并發射于自由空間；
9.所述紅外相機從自由空間接收反饋的所述光學相控陣的遠場光場，并發送于所述計算機；
10.所述計算機根據接收的遠場光場計算評價函數值，根據所述評價函數值對控制電壓進行優化，并將優化的控制電壓施加于所述控制電路；
11.所述控制電路根據施加的優化的控制電壓對所述光學相控陣進行相位校準；
12.其中，對控制電壓進行優化包括根據評價函數值擬合一條曲線，根據所述擬合曲線的趨勢多次迭代自適應更新增益系數，根據更新的增益系數對控制電壓進行優化。
13.在本發明的一個實施例中，所述擬合曲線的趨勢包括總體上升型、總體下降型、總體平緩型和總體震蕩型。
14.在本發明的一個實施例中，所述根據所述擬合曲線的趨勢多次迭代自適應更新增益系數，包括：
15.針對每一次迭代過程，根據所述擬合曲線的趨勢判斷當前優化所處的階段：
16.若當前優化所處的階段為總體上升型，則保持增益系數不變；
17.若當前優化所處的階段為總體下降型，則減小增益系數，以更新增益系數；
18.若當前優化所處的階段為總體平緩型，則增大增益系數，以更新增益系數；
19.若當前優化所處的階段為總體震蕩型，則減小增益系數，以更新增益系數。
20.在本發明的一個實施例中，針對增大或減小增益系數的情況，所述根據所述擬合曲線的趨勢多次迭代自適應更新增益系數，還包括：
21.針對每一次迭代過程，記錄評價函數最高對應的歷史最優點及其對應電壓；
22.根據所述擬合曲線的趨勢多次迭代自適應更新增益系數，包括：
23.根據所述歷史最優點及其對應電壓，以及所述擬合曲線的趨勢自適應更新增益系數。
24.在本發明的一個實施例中，所述根據所述歷史最優點及其對應電壓，以及所述擬合曲線的趨勢自適應更新增益系數，包括：
25.以所述歷史最優點為起點，所述控制電路施加對應電壓于所述光學相控陣，重新根據所述擬合曲線的趨勢自適應更新增益系數。
26.在本發明的一個實施例中，所述根據更新的增益系數對控制電壓進行優化，還包括：
27.針對每一次迭代過程，生成一組滿足均值為零且服從伯努利分布的隨機擾動電壓；
28.根據所述隨機擾動電壓計算擾動評價值；
29.根據更新的增益系數和所述擾動評價值對控制電壓進行優化。
30.在本發明的一個實施例中，所述根據所述隨機擾動電壓計算擾動評價值，包括：
31.根據所述隨機擾動電壓計算施加于所述光學相控陣的第一施加電壓和第二施加電壓；
32.分別根據所述第一施加電壓和所述第二施加電壓得到所述紅外相機采集的遠場光場分布，根據該遠場光場分布計算對應的第一評價函數值和第二評價函數值；
33.根據所述第一評函數價值和所述第二評函數價值計算所述擾動評價值。
34.在本發明的一個實施例中，所述光學相控陣包括光波導光學相控陣或光纖相控陣或液晶相控陣或微振鏡相控陣。
35.本發明的有益效果：
36.本發明提出的光學相控陣相位校準方法，針對現有光學相控陣相位校準采用全局優化算法校準效率低的問題，在控制電壓優化過程中，根據評價函數值擬合一條曲線，根據擬合曲線的趨勢多次迭代自適應更新增益系數，根據更新的增益系數對控制電壓進行優
化，可以看出在對控制電壓優化過程中引入能夠自適應更新增益系數的策略，根據實際的校準效果控制增益的變化，適時調節系統收斂性能，進而提高光學相控陣相位校準的速度和效果。
37.以下將結合附圖及實施例對本發明做進一步詳細說明。
附圖說明
38.圖1是本發明實施例提供的一種光學相控陣相位校準方法的流程示意圖；
39.圖2是本發明實施例提供的光學相控陣相位校準系統的結構示意圖；
40.圖3是本發明實施例提供的當出現需要增大或減小增益系數時根據歷史最優點重新優化的結果示意圖；
41.圖4是本發明實施例提供的完整的控制電壓優化過程示意圖；
42.圖5是本發明實施例提供的初始增益系數為50000下傳統光學相控陣相位校準方法和本發明光學相控陣相位校準方法的對比結果示意圖；
43.圖6是本發明實施例提供的初始增益系數為20000下傳統光學相控陣相位校準方法和本發明光學相控陣相位校準方法的對比結果示意圖；
44.圖7是本發明實施例提供的初始增益系數為10000下傳統光學相控陣相位校準方法和本發明光學相控陣相位校準方法的對比結果示意圖；
45.圖8是本發明實施例提供的一種電子設備的結構示意圖。
具體實施方式
46.下面結合具體實施例對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
47.實施例一
48.為了實現更快的光學相控陣相位校準速度和更好的光學相控陣相位校準效果，請參見圖1，本發明實施例提供了一種光學相控陣相位校準方法，應用于如圖2所示的光學相控陣的相位校準系統，包括激光器、光學相控陣、紅外相機、計算機和控制電路的系統中，光學相控陣包括光波導光學相控陣或光纖相控陣或液晶相控陣或微振鏡相控陣。對應光學相控陣相位校準方法包括以下步驟：
49.s10、光學相控陣接收激光器發出的光，并發射于自由空間；
50.s20、紅外相機從自由空間接收反饋的光學相控陣的遠場光場，并發送于計算機；
51.s30、計算機根據接收的遠場光場計算評價函數值，根據評價函數值對控制電壓進行優化，并將優化的控制電壓施加于控制電路；其中，對控制電壓進行優化包括根據評價函數值擬合一條曲線，根據擬合曲線的趨勢多次迭代自適應更新增益系數，根據更新的增益系數對控制電壓進行優化；
52.s40、控制電路根據施加的優化的控制電壓對光學相控陣進行相位校準。
53.經發明人研究發現，在光學相控陣相位校準的過程中，系統評價函數的收斂過程大致可分為兩個階段：初期的快速收斂和后期的慢速高精度逼近。在迭代初期，由于和理想狀態下的評價函數相差較大，校準的步長可以選取得大一些，加快收斂速度，而在接近收斂狀態時，校準的步長應該選取得小一些，減小隨機優化過程的震蕩效應，提升收斂的穩定
性。根據這種自適應策略實現自適應地調整增益系數，在最開始設置一個較大的增益系數，在迭代的過程中尋合適的增益系數。
54.在發明人研究中還發現，將優化迭代過程中的評價函數擬合成一條曲線，發現該擬合曲線的趨勢可以分成4種類型：總體上升型、總體下降型、總體平穩型和總體震蕩型。當擬合曲線的趨勢為總體上升型時，說明評價函數處于一個增長的趨勢，在這個增益系數下優化效果良好，因此增益系數可以保持不變；當擬合曲線的趨勢為總體下降型時，說明評價函數處于一個下降的趨勢，優化在往一個不利的方向發展，說明這個增益系數在此迭代過程中并不合適，由于在開始選取了一個較大的增益系數導致的，因此減小增益系數往下尋合適的值；當擬合曲線的趨勢為總體平緩型時，說明迭代過程中評價函數可能陷入了一個局部極值跳不出來，因此需要增大增益系數使其跳出局部極值；當擬合曲線的趨勢為總體震蕩型時，說明增益系數過大，評價函數在不同的值之間來回跳動，無法到一條合適的路徑到達最優點，因此需要減小增益系數。基于上述分析，針對現有光學相控陣相位校準采用全局優化算法校準效率低的問題，本發明實施例根據擬合曲線包括的總體上升型、總體下降型、總體平緩型和總體震蕩型4種趨勢，多次迭代過程中自適應更新增益系數，包括：
55.針對每一次迭代過程，根據擬合曲線的趨勢判斷當前優化所處的階段：若當前優化所處的階段為總體上升型，則保持增益系數不變；若當前優化所處的階段為總體下降型，則減小增益系數，以更新增益系數；若當前優化所處的階段為總體平緩型，則增大增益系數，以更新增益系數；若當前優化所處的階段為總體震蕩型，則減小增益系數，以更新增益系數。
56.從上可以看出，總體下降型、總體平緩型和總體震蕩型3種趨勢無法達到一最優點，使得系統可能存在并非最優的相位校準。因此，本發明實施例引入回溯的思想，在迭代過程種記錄評價函數最高的歷史最優點，在迭代中更新歷史最優點。如圖3左側標記a的圖所示，當評價函數處于一個不利的優化方向時，即無法達到最優點，需要較多的迭代次數才能回到與當前評價函數相當的位置，但是如圖3右側標記b的圖所示，如果跳出當前優化方向，從評價函數的歷史最優點為起點，以一個新的方向開始優化，可以避免如圖3左側不必要的迭代，減少了迭代次數，降低了運算量。因此，本發明實施例針對增大或減小增益系數的情況，根據擬合曲線的趨勢多次迭代自適應更新增益系數，還包括：
57.針對每一次迭代過程，記錄評價函數最高對應的歷史最優點及其對應電壓；
58.當出現增大或減小增益系數時，根據擬合曲線的趨勢多次迭代自適應更新增益系數，包括：根據歷史最優點及其對應電壓，以及擬合曲線的趨勢自適應更新增益系數。進一步地，根據歷史最優點及其對應電壓，以及擬合曲線的趨勢自適應更新增益系數，包括：
59.以歷史最優點為起點，控制電路施加對應電壓于光學相控陣器件，重新根據擬合曲線的趨勢自適應更新增益系數。
60.進一步地，本發明實施例根據更新的增益系數對控制電壓進行優化，還包括：
61.針對每一次迭代過程，生成一組滿足均值為零且服從伯努利分布的隨機擾動電壓；根據隨機擾動電壓計算擾動評價值；根據更新的增益系數和擾動評價值對控制電壓進行優化。其中，根據隨機擾動電壓計算擾動評價值，包括：
62.根據隨機擾動電壓計算施加于光學相控陣的第一施加電壓和第二施加電壓；分別根據第一施加電壓和第二施加電壓得到所述紅外相機采集的遠場光場分布，根據該遠場光
場分布計算對應的第一評價函數值和第二評價函數值；根據第一評函數價值和第二評函數價值計算擾動評價值。
63.為了更好的理解控制電壓的優化過程，請參見圖4詳細的展示了本發明實施例使用全局優化思想對相位進行校準的優化過程。具體如下：
64.s301、設置初始控制電壓。
65.具體而言，本發明實施例如果上一次迭代的評價函數處于總體下降型、總體平緩型和總體震蕩型3種趨勢中任意一種，則以評價函數的歷史最優點對應的控制電壓為起始點，u＝u
max
，否則u＝u
(n)
，其中，u
(n)
表示第n次迭代得到的控制電壓，u
max
為評價函數最高值對應的一組電壓。
66.s302、生成一組滿足均值為零且服從伯努利分布的隨機擾動電壓；第n次迭代生成的隨機擾動電壓記為δu
(n)
。
67.s303、根據隨機擾動電壓計算擾動評價值。
68.具體而言，本發明實施例根據隨機擾動電壓計算擾動評價值，包括：
69.s3031、根據隨機擾動電壓計算施加于光學相控陣的第一施加電壓和第二施加電壓；這里，第n次迭代根據隨機擾動電壓計算的第一施加電壓和第二施加電壓，分別記為u
(n)
+δu
(n)
和u
(n)-δu
(n)
。
70.s3032、分別將第一施加電壓u
(n)
+δu
(n)
和第二施加電壓u
(n)-δu
(n)
施加到光學相控陣，計算第n次迭代對應的第一評價函數值和第二評價函數值，分別記為和其中，評價函數值的計算方式表示i
main
表示主瓣光強，i
total
表示整個光學相控陣的遠場光場的光強，利用該計算方式，分別計算第一評價函數值和第二評價函數值
71.s3033、根據上述計算得到的第一評函數價值和第二評函數價值計算第n次迭代的擾動評價值，記為δjn；計算表示為
72.s304、根據更新的增益系數和擾動評價值對控制電壓進行優化。
73.具體而言，本發明實施例控制電壓優化公式表示為：u
(n+1)
＝u
(n)
+γ
(n)
δu
(n)
δjn，其中，u
(n)
表示第n次迭代得到的控制電壓，δjn表示第n次迭代的擾動評價值，γ
(n)
表示第n次迭代的迭代步長，也為控制電壓優化時對應更新的增益系數。一般增益系數取值為固定值，但本發明根據上述分析，發現評價函數擬合曲線的趨勢可以反映優化情況，根據評價函數擬合曲線的趨勢判斷當前優化所處的階段，對增益系數進行自適應且合理的調整，可以控制控制電壓的優化朝有利的方向發展。在本發明實施例當擬合曲線的趨勢為總體平緩型時，γ
(n)
＝α
·
γ
(n)
，其中，α為一固定系數，取值范圍為1～2，本發明實施例中選取值為1.1；當擬合曲線的趨勢為總體下降型或總體震蕩型時，γ
(n)
＝β
·
γ
(n)
，其中，β為一固定系數，取值范圍為0～1，本發明實施例中選取值為0.9；當擬合曲線的趨勢處于總體上升型時，選擇γ
(n)
不變。則根據選擇的γ
(n)
、計算得到的u
(n)
和δjn，利用u
(n+1)
＝u
(n)
+γ
(n)
δu
(n)
δjn計算第n+1次迭代的控制電壓。
74.將第n+1次迭代的控制電壓u
(n+1)
施加于光學相控陣計算第n+1次迭代的評價函數j
(n+1)
，更新評價函數j
(n+1)
最高的歷史最優控制電壓u
max
，用于如s301中出現總體下降型、總體平緩型和總體震蕩型3種趨勢時控制電壓起始點的選取。
75.判斷是否滿足迭代停止條件，若滿足，則控制電壓優化流程停止迭代：
76.s305、將當前優化的控制電壓作為最終相位校準的控制電壓；用于最終光學相控陣的相位校準。
77.否則繼續轉到s301繼續迭代，直至滿足迭代停止條件。其中，迭代停止條件可以為最大迭代次數，也可以為其他校準效果達到要求的設計，在此并不局限迭代停止條件的選擇。
78.為了驗證本發明實施例提供的光學相控陣相位校準方法的有效性，根據以下仿真結果來說明。
79.實驗中，對16
×
16陣元光學相控陣進行相位校準，對比了傳統光學相控陣相位校準方法(spgd)和本發明光學相控陣相位校準方法的校準速度和效果。
80.請參見圖5、圖6、圖7，分別設置了三種不同的初始增益系數，使用傳統光學相控陣相位校準方法(spgd)和本發明光學相控陣相位校準方法分別進行了10次重復實驗，取其平均值進行了對比。從圖5、圖6、圖7中可以看到：
81.傳統光學相控陣相位校準方法在初始增益系數較大時，雖然剛開始上升得較快，但由于優化過程種采用的是固定增益系數，容易發生震蕩效應，難以收斂到一個合適的值，校準效果不理想；而在初始增益系數較小時，可以收斂到一個較為理想的值，但迭代速度較慢，需要較大的迭代次數。而本發明光學相控陣相位校準方法，初始增益系數對其影響不大，在三種不同的增益系數下都能較快地迭代到一個較優的評價函數，在提升迭代速度的同時也能夠保證校準效果。結果表明，與傳統光學相控陣相位校準方法相比，本發明光學相控陣相位校準方法通過對增益系數的自適應調整，能夠大幅地提升迭代速度，得到了較好的迭代效果，且校準效果也比較好。
82.綜上所述，本發明實施例提出的光學相控陣相位校準方法，針對現有光學相控陣相位校準采用全局優化算法校準效率低的問題，在控制電壓優化過程中，根據評價函數值擬合一條曲線，根據擬合曲線的趨勢多次迭代自適應更新增益系數，根據更新的增益系數對控制電壓進行優化，可以看出在對控制電壓優化過程中引入能夠自適應更新增益系數的策略，根據實際的校準效果控制增益的變化，適時調節系統收斂性能，進而提高光學相控陣相位校準的速度和效果。
83.同時，本發明實施例還引入了回溯思想，當控制電壓優化往不利的方向進行時，盡早舍棄當前的狀態，以先前記錄的評價函數的歷史最優點作為下一次迭代的起始位置，重新選擇一個方向進行優化，可以避免不必要的迭代，減少迭代次數，進一步提高了系統收斂性能。
84.請參見圖8，本發明實施例提供了一種電子設備，包括處理器801、通信接口802、存儲器803和通信總線804，其中，處理器801、通信接口802、存儲器803通過通信總線804完成相互的通信；
85.存儲器803，用于存放計算機程序；
86.處理器801，用于執行存儲器803上所存放的程序時，實現上述光學相控陣相位校
準方法的步驟。
87.本發明實施例提供了一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質內存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現上述光學相控陣相位校準方法的步驟。
88.對于電子設備/存儲介質實施例而言，由于其基本相近于方法實施例，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。
89.在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
90.盡管在此結合各實施例對本技術進行了描述，然而，在實施所要求保護的本技術過程中，本領域技術人員通過查看所述附圖、公開內容、以及所附權利要求書，可理解并實現所述公開實施例的其他變化。在權利要求中，“包括”(comprising)一詞不排除其他組成部分或步驟，“一”或“一個”不排除多個的情況。單個處理器或其他單元可以實現權利要求中列舉的若干項功能。相互不同的從屬權利要求中記載了某些措施，但這并不表示這些措施不能組合起來產生良好的效果。
91.以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
