[發明專利]基于鄰域采樣主成分分析的光學相控陣陣元互耦補償方法

有效

• 申請號: 202210437250.6
• 申請日: 2022-04-21
• 公開（公告）號: CN114815436B
• 公開（公告）日: 2023-05-19
• 發明（設計）人: 汪相如;黃彥威;王康哲;嚴倩盈;譚慶貴
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02F1/29
• 分類號: G02F1/29
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

本發明公開了一種基于鄰域采樣主成分分析的光學相控陣陣元互耦補償方法，包括降維和迭代兩個過程，降維包括以下步驟：S1、計算相控陣每個陣元對應的驅動電壓；S2、得到鄰域采樣矩陣X；S3、計算X的協方差矩陣C；S4、計算C的特征值和特征向量，將特征向量按行拼接得到矩陣U；S5、特征值從大到小排序，對U矩陣中的特征向量也對應進行排序，得到空間變換矩陣P；S6、使用P矩陣左乘電壓向量，得到新的向量迭代包括以下步驟：S7、得到更新后的電壓向量并加載到相控陣的陣元上；S8、采集評價函數的值J，依據評價函數的改變量δJ對的前K個值進行更新。本發明可以極大地降低優化過程的迭代維數，提高收斂速度，提高系統運行的魯棒性。

技術領域

屬于光學相控陣控制、自適應光學優化算法技術領域，具體涉及一種基于鄰域采樣主成分分析的光學相控陣陣元互耦補償方法。

背景技術

光學相控陣是實現非機械光束偏轉的理想方法，應用于許多領域，如光探測與測距、自由空間通信、目標跟蹤和遙感等。但是，許多光學相控陣都面臨著陣元間相互耦合的問題，如液晶相控陣的橫向電場、硅基相控陣的熱串擾等，這會導致近場波前的相位誤差，從而導致遠場偏轉光束質量的惡化。這些由器件結構引起的耦合問題，僅靠改進制造工藝或材料是很難解決的。因此，常用的方法是通過某些基于迭代的自適應優化算法，例如遺傳算法、粒子群算法、隨機并行梯度下降算法等，對相差進行補償。然而，這些算法的迭代收斂速率，會隨著陣元數量的增加而大大降低。這是由于這些迭代算法對相控陣的每個陣元進行獨立的優化，因此迭代變量的維數等于陣元數，而高維空間通過迭代法尋找到全局最優解是非常困難的，甚至可能落入局部最優解而造成無法完成收斂。因此，迭代收斂速度慢，成為了制約優化算法在實際系統中應用的主要障礙。

為了提高優化算法的收斂速度，目前主要的方法有三種。第一種方法是陣元解耦合，即通過數值計算的方法，對陣元之間的耦合關系進行建模，從而剝離出單個陣元對評價函數的影響。但在實際系統中，對陣元之間的耦合關系進行精確建模是十分困難的，因此這一方法大多停留在理論層面，實際工程中少有應用。第二種方法是相差建模，即依據相差理論對系統的相差進行建模，建立起相差和評價函數之間的關系，然后對相差產生的原因進行有針對性的優化。這一方法能系統的優化速度，但所建立的模型只能應用于特定場景，不同場景需要不同的模型，而且某些場景下難以對相差進行準確的建模。第三種方法是機器學習建模，通過大量的樣本訓練構建起相控陣器件的誤差模型，然后對器件進行優化。但這一方法需要大量的樣本用于預先訓練模型，而且模型在不同的器件之間并不通用。

總的來說，目前仍然缺少一種實用的算法，能夠針對光學相控陣陣元間耦合問題帶來的相位誤差，進行自適應迭代優化、實現相位補償，在保證收斂速度快、支持在線運行的同時兼顧通用性。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種可以極大地降低優化過程的迭代維數，避免落入局部最優解，提高收斂速度，提高系統運行的魯棒性的基于鄰域采樣主成分分析的光學相控陣陣元互耦補償方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：基于鄰域采樣主成分分析的光學相控陣陣元互耦補償方法，包括降維和迭代兩個過程，所述降維過程包括以下步驟：

S1、根據偏轉的目標角度，通過相控陣公式及電壓-相位關系，計算相控陣每個陣元對應的驅動電壓，將所有陣元的驅動電壓記為一個N維列向量其中N為相控陣的陣元總數；

S2、在目標角度的一個鄰域內，設置K-1個采樣點，并計算每個采樣點對應的電壓向量將它們與按列拼接，得到鄰域采樣矩陣記為X，其中K為電壓向量總數；

S3、計算鄰域采樣矩陣X的協方差矩陣C＝XX^T；

S4、計算協方差矩陣C的特征值和特征值對應的特征向量，將特征向量按行拼接得到矩陣U；

S5、將協方差矩陣C的特征值從大到小排序，同時對U矩陣中的特征向量也對應進行排序，得到空間變換矩陣P；