基于LCoS-SLM的新型高精度光束转向控制方法

中科院长春光机所应用光学国家重点实验室液晶光学团队王承邈博士提出了一种基于液晶空间光调制器的新型相位生成算法，旨在进一步提升非机械式光束转向控制技术中光束偏转角度的指向精度及扫描精度。与此同时该团队完善了新型算法理论框架的构建，通过模拟验证给出了用于算法性能分析的完备数学模型，使该算法在应用于其他光束转向控制系统时为使用者提供清晰的理论依据。

基于硅基液晶空间光调制器（LCoS-SLM，Liquid Crystal on Silicon-Spatial Light Modulator）的高精度光束转向控制技术目前广泛应用于相控阵激光雷达，空间交互式激光通信，目标结构探测等各个领域。作为典型的非机械式光束偏转技术，它具有扫描速度快，功耗低，灵活轻便等诸多特点，因此易于实现系统小型化与集成化。利用液晶空间光调制器实现光束转向控制的传统方法是在相控阵（OPA，Optical Phased Array）面板上生成周期排列的齿状相位，形成闪耀光栅结构，使光束经调制后占绝大部分能量的衍射一级光偏离光轴，达到光束转向的目的。

图1. (a)液晶空间光调制器实物图 (b)相控阵面板实物图 (c)相位调制产生光偏转原理图

图1.(c)中传统的相位调制方法又称变周期光栅法（VPG，Variable Period Grating）。受限于相控阵像素尺寸无法趋于无限小且生成相位灰度级次有限，使用VPG法进行光束转向控制时易出现局部指向精度不足，最小扫描步长浮动明显等问题。针对这一问题，中科院长春光机所应用光学国家重点实验室液晶光学团队王承邈博士提出了一种全新的相位生成算法——对称径向子孔径算法（SRSAC，Symmetrical Radial Sub-Aperture Coherence）。从而保证光束转向控制系统即使处于横向机械扰动的影响下，对于任意口径入射的光束亦能够稳定地实现超高的指向精度与扫描精度。

SRSAC算法在现阶段较为成熟的横向子孔径相干（SAC）技术的基础上优化设计得到。其核心设计思路是将相控阵面板分割为两个不同区域，并在两区域内依据VPG法分别加载不同偏转角对应的周期性相位，通过控制两区域面积大小的比例实现介于两区域对应偏转角度之间的其他角度的精细调节，如图2。

图2. (a)二维SAC算法相位示意图 (b)二维SRSAC算法相位示意图

SRSAC算法相对于VPG算法的主要优势之一在于其良好的抗机械扰动性能，具体在于当光束口径，光束横向位置存在偏差时，SRSAC的对称双扇形式区域分割方式能够有效地减弱此类误差对指向精度造成的影响。在区域面积分配方面，子区域的面积占有率在不同的硬件条件下均与角度分配比之间存在明确的一一映射关系。在此基础上，对于需求的光束偏转角度，只需计算得到其数值邻域内最近的两端点角度并分别生成VPG相位，再根据需求角度在两端点角度之间的具体 位置即可反算出区域面积分割比例，生成SRSAC相位分布。

图3. (a)面积占有率与角度分配比之间的一一映射关系 (b)端点角度构成扫描区段内的角度示意图 

VPG法受限于相控阵像素尺寸无法趋于无限小且生成相位灰度级次有限等问题，使用该方法进行光束转向控制时指向精度局部劣化明显，具体表现为周期性地出现指向误差高值区域，我们称之为“误差峰”，如图4（a）所示。而SRSAC算法的原理是选定需求偏转角度所在的偏转角度区段，并在偏转角度区段内通过精调子区域面积的方法进行高精度插值实现需求角度。SRSAC算法的角度插值思想能够中和两个端点角度的指向误差，对误差峰具有明显的抑制作用，如图4（b）所示。

图4. (a)VPG指向误差分布 (b)SRSAC指向误差分布 (c)SRSAC剃峰后指向误差分布

当插值端点角度恰巧位于误差峰内部时，指向误差无法完全剔除，因此图4（b）中仍存在少量误差峰，为完全剔除误差峰对整体指向精度的影响，该团队通过计算机模拟计算得出了VPG法在一个二维误差分布单元内误差峰所在位置的示意图，如图5所示。在误差峰位置，宽度等参量已知的情况下，该团队又进一步提出了针对SRSAC进行更深层次精度优化的局部误差剔除法。具体方法是在利用需求偏转角度检索邻域可用端点角度时加入鉴别步骤，当判断两插值端点均位于误差峰之外时正常执行原有算法流程的后续步骤，当两插值端点中存在一个端点位于误差峰内部时将插值区段沿径向方向整体上移或下移半个区段长度，与此同时更改端点角度的插值权重分配，重新进行原有SRSAC算法中的后续步骤，其插值区段平移过程如图6所示。

图5. VPG法中一个误差分布单元内误差峰的位置、大小示意图

图6. 局部误差剔除方法中平移插值区段以规避误差峰的原理示意图

当控制插值区段长度值为误差峰宽度的二倍时，可保证平移后两侧的插值端点均位于误差峰之外，保证此处误差峰的剔除。误差峰邻域处VPG法和优化后SRSAC算法的指向误差实测对比图如图7,明显可见VPG法在该扫描位置处产生的指向精度大幅劣化由改进后的SRSAC算法完全剔除。其一维扫描下的全局指向精度示意图如图4（c）所示，对比图4(a,b)均有明显提升。

图7. 误差峰位置处的偏转角度误差实测数据(a)VPG法 (b)优化SRSAC算法

综上所述，为应光束转向控制技术中传统变周期光栅（VPG）相位生成方法指向精度不足，扫描精度浮动明显这一问题，开创性地提出了对称径向子孔径（SRSAC）算法及其附属的局部误差剔除算法。在不影响系统光学稳定性的前提下从根本上完全剔除误差峰，大幅提升指向精度，为非机械性光束转向控制技术的更广泛应用打下了基础。

转载 | 应用光学国家重点实验室