[发明专利]一种二维光学相控阵

说明书

本发明公开了一种二维光学相控阵，可应用于激光雷达，生物医学成像、全息成像和超高数据率通信等诸多技术领域。本发明二维光学相控阵的阵元为一组频率相同的点光源，所述相控阵以其中一个阵元为圆心，其余阵元被均分为若干组，每一组阵元与所述圆心一起构成一个径向的线阵，各线阵的结构相同且沿周向等角间距分布。本发明二维光学相控阵结构同时兼具圆形、等角间距、高度对称性和阵元空间分布紧凑等特点，因此具有加工难度低，栅瓣抑制能力强，二维大角度的扫描范围等优势。基于非均匀阵元分布抑制栅瓣技术，控制该相控阵阵元相位实现光束形成和成像，可有效抑制栅瓣和多级效应，实现单光束形成，同时具有很高的波束扫描分辨率。

技术领域

本发明涉及一种光学相控阵，尤其涉及一种二维光学相控阵，可应用于激光雷达，生物医学成像、全息成像和超高数据率通信等诸多技术领域。

背景技术

近年来，光学相控阵在激光雷达，生物医学成像和宽带宽空间光通信等领域得到广泛的应用。光学相控阵是一种全新的光束转向技术，与微波相控阵天线扫描的特点相类似，通过相位延迟可实现自由空间快速扫描，无需移动或者旋转设备。与微波相控阵相比，由于其波长小得多，光相控阵具有高分辨率，保密性和芯片级等优点。然而，受现有制造工艺水平的限制，目前的光学相控阵的阵元间隔通常远大于光波长的一半，这导致在远场中形成栅瓣。栅瓣的存在不仅限制了能量效率，而且严重地降低了波束的扫描范围。因此，栅瓣的抑制显得极为重要，在光学相控阵广泛应用于实际应用之前，这个问题迫切地需要得到解决。

密度加权是一种有效抑制栅瓣的手段，波束形成理论以及诸多论文已经证明对于某一固定主瓣角度，它可以有效地实现栅瓣抑制。而相控阵本身就是为了大角度范围内波束扫描，现有的光学相控阵结构大多为矩形，由于其不对称性，对于不同主瓣角度的波束形成，为了有效抑制栅瓣，最佳的阵元分布往往不相同，这就决定了栅瓣抑制的密度加权的矩形光相控阵无法有效地实现二维大角度范围。同时由于阵元数量和相邻阵元间隔的限制，矩形相控阵栅瓣的抑制效果不是非常理想。为了实现二维大角度光束扫描，这些问题目前亟须解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种栅瓣抑制能力强且可实现二维大角度扫描的二维光学相控阵。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种二维光学相控阵，其阵元为一组频率相同的点光源，所述相控阵以其中一个阵元为圆心，其余阵元被均分为若干组，每一组阵元与所述圆心一起构成一个径向的线阵，各线阵的结构相同且沿周向等角间距分布。

进一步地，所述线阵中各相邻阵元之间的间距是以最大化主瓣与最大旁瓣的比值为优化目标，通过优化算法优化得到。

所述优化算法可以是遗传算法、蚁群算法等人工智能能算法，优选地，所述优化算法为遗传算法，其适应度函数为主瓣与最大旁瓣的比值。

优选地，每个阵元所发出的光信号的相位和强度均独立可控。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明的二维光学相控阵同时兼具圆形、等角间距、高度对称性和阵元空间分布紧凑等特点，因此具有加工难度低，栅瓣抑制能力强，二维大角度的扫描范围等优势。基于非均匀阵元分布抑制栅瓣技术，控制该相控阵阵元相位实现光束形成和成像，可有效抑制栅瓣和多级效应，实现单光束形成，同时具有很高的波束扫描分辨率。

附图说明

图1为本发明二维光学相控阵的结构示意图；

图2为本发明二维光学相控阵的远场示意图；

图3为规则的矩形相控阵的远场方向图。

图4为本发明二维光学相控阵的远场方向图。

图5为最佳密度加权的矩形相控阵的远场方向图。