用于宽场光相位阵列相位跟踪（PAT）系统的级联到达角检测技术 杜恒 朱磊 王翔宇 何周阳 沈世阳 王晓东

《Photonics》：Cascaded Angle-of-Arrival Detection for Wide-Field Optical Phased Array PAT Systems Heng Du, Lei Zhu, Xiangyu Wang, Zhouyang He, Shiyang Shen and Xiaodong Wang

　　摘要：集成光学相控阵列（OPA）芯片通过电子相位控制实现高速光束转向，为紧凑型指向、捕获和跟踪（PAT）系统提供了有前景的解决方案。然而，OPA-PAT系统必须同时实现宽视场（FOV）覆盖和高精度到达角（AOA）检测。为了解决这一挑战，提出了一种基于多传感器协同架构的级联AOA检测方法。该方法利用分布式探测器阵列（DA）在宽视场范围内进行粗略的入射角估计，然后通过二维（2D）振镜将光束引导到象限探测器（QD）中，在窄视场范围内进行精细测量。开发了一个原型系统来验证所提出的级联算法。实验结果表明，在±20°的视场范围内，该系统在方位角的均方根误差（RMSE）为0.007°，在仰角上的RMSE为0.01°。当集成到OPA-PAT终端中时，能够保持静态2D闭环跟踪，整体跟踪误差优于0.016°（RMSE）。这些结果表明，所提出的级联检测方法可以同时提供宽视场覆盖和高精度AOA测量，为宽视场OPA-PAT系统提供了一种实用的解决方案。

1. 引言
指向、捕获和跟踪（PAT）系统的性能对于维持激光通信链路的稳定性至关重要[1,2]。在飞机与低地球轨道（LEO）卫星之间的激光通信中，平台之间的相对运动迅速，通信距离较长，通信窗口较短[3,4,5]。在这些情况下，PAT系统需要快速转向和高精度指向。为了确保足够的链路预算，通信系统通常采用发散角较小的光束，这进一步增加了对PAT系统指向精度和动态响应能力的要求[6]。传统的PAT系统通常依赖云台和快速转向镜（FSM）的组合来实现宽视场（FOV）扫描和高精度指向[7]。然而，这种架构往往导致体积庞大、重量重且功耗高（SWaP），并且炮塔式安装配置可能会影响高速飞机的空气动力学性能。

近年来，基于硅光子集成技术的光学相控阵列（OPA）系统在无线光通信领域得到了广泛研究[8,9,10,11,12,13,14]。OPA芯片通过电子相位控制实现无惯性的高速光束转向，允许在紧凑结构内快速扫描和高精度指向，为系统集成提供了巨大潜力。然而，OPA-PAT系统去除了云台，并改变了传统架构。因此，OPA-PAT系统必须同时实现宽视场覆盖和高精度到达角（AOA）检测。

现有的AOA检测方法可以分为三种类型：电荷耦合器件（CCD）、象限探测器（QD）和分布式探测器阵列（DA）。基于CCD的宽视场检测技术的研究相对较早开始。2014年，Wang等人实现了一种基于鱼眼镜头的宽角激光检测系统，在80°视场范围内实现了大约6°的AOA误差[15]。2022年，Zhang等人提出了一种由鱼眼镜头和CCD组成的检测系统，该系统的测量视场为120° × 96°，角度误差为0.5°[16]。

象限探测器具有结构简单、响应速度快和实时能力强等优点。2019年，Zhang等人提出了一种结合二维（2D）振镜和四象限探测器的激光跟踪系统，在±1.5 mm的视场范围内实现了0.016 mm的定位误差[17]。2020年，Mai等人使用基于QD的紧凑型AOA跟踪系统实现了优于3 μrad的精度[18]。2025年，Peng等人利用基于AlGaN二极管的太阳盲紫外4QD点定位系统实现了最大0.0101 mm的定位误差[19]。

分布式探测器阵列通过空间排列使多个具有不同方向的光学探测元件能够协同工作，从而实现可扩展的视场。2017年，Eren等人设计了一个半球形5 × 5光探测器阵列，并通过蒙特卡洛仿真进行了评估，显示出在仰角和方位角上的估计误差都在5°以内[20]。2024年，Patel等人报告了一种由五个传感器组成的可部署光学接收孔径，最大角度误差小于6°[21]。2024年，Zhang等人提出了一种由五个具有不同方向的硅光电倍增管单元组成的多样性阵列结构，实现了平均3.08°的角度定位精度[22]。

总体而言，现有的AOA检测方法在视场覆盖和测量精度之间存在固有的权衡。基于CCD的光学系统依赖于多镜头成像结构，扩大视场通常会增加光学复杂性，导致光学像差和系统集成能力降低。QD在宽视场条件下也难以同时满足高精度测量要求。相比之下，DA提供了更大的视场，但代价是相对较低的角度分辨率。此外，将2D振镜扫描与QD结合的方法在初始AOA未知时的捕获效率较低[23]。因此，单一的检测模式不足以在宽视场OPA-PAT系统中同时实现快速光束捕获和高精度角度测量。

为了解决这些挑战，提出了一种基于多传感器协同架构的级联AOA检测方法，该方法结合了分布式探测器阵列和象限探测器。该架构采用了三阶段视场协同检测方法，通过级联AOA检测算法实现粗略捕获和精细跟踪之间的快速切换。在OPA-PAT系统中开发并验证了一个原型级联检测系统。实验结果证明了该系统在两个维度上实现稳定闭环控制的能力，证实了所提出方法用于宽视场高精度OPA-PAT系统的可行性。

2. 材料与方法
2.1. 级联AOA检测方法
所提出的级联AOA检测系统包括分布式探测器阵列、二维振镜和象限探测器（QD）。采用三级视场协同架构来实现宽视场捕获和高精度角度测量。

第一级视场表示分布式探测器阵列的有效检测范围，在入射角不确定性较大时用于快速光束捕获。第二级视场表示象限探测器的有效工作范围，实现了从粗略检测到精细测量的过渡。第三级视场表示QD的线性响应区域，在此进行高精度角度测量。这三个视场区域通过2D振镜的光束转向在分布式探测器阵列和QD的引导下进行连接。视场区域之间的映射关系决定了振镜的最大偏转角、角度分辨率和动态响应，这是视场设计的基础，如图1所示。图1. 级联AOA检测系统的视场。最初，分布式探测器阵列在宽视场内实时感知入射光束，并提供到达角的粗略估计。然后将这些信息输入到2D振镜的控制回路中，将光束引导到QD的工作区域，并最终将光束保持在精细跟踪视场内。通过结合QD的实时角度反馈与2D振镜的扫描角度，可以获得最终的高精度AOA估计，如图2所示。图2. 级联AOA检测的原理。所提出的架构将视场划分为功能阶段，并优化了协同检测机制，从而提高了角度测量的精度并扩展了视场覆盖范围。

2.2. 基于DA的AOA估计
DA采用多面体结构。每个表面上都装有具有相同光谱响应和光敏面积的光探测器，如图3a所示。它具有快速响应、紧凑体积和易于集成的特点，适用于宽视场检测。每个传感器对入射光信号的响应遵循余弦关系。因此，可以通过利用位于不同空间位置的传感器之间的接收光功率差异来估计到达角[24]。图3. (a) DA角度检测原理。(b) 当M = 4时DA的视场。表示入射光能量流密度，可以用笛卡尔坐标系表示为 (1)，其中 是方位角， 是仰角。分布式探测器阵列在入射光照射时的输出矩阵定义为 (2)。矩阵B是从矩阵K中提取的一个块，满足条件，因此可以通过 (3) 计算向量。因此，来自光源的光束的到达角 和 可以通过 (4) 和 (5) 给出。DA由一个顶板和M个侧板组成。图3b显示了M = 4时DA的视场。中心区域由多个传感器的重叠视场形成。DA在这个视场范围内实现了较高的角度测量精度，因此本文选择该区域作为第一阶段的视场。

2.3. 使用QD和2D振镜进行精细角度测量
为了在小视场内实现高精度测量，引入了2D振镜和QD来形成闭环控制子系统。2D振镜在有限的角度范围内提供高带宽和快速光束转向。其紧凑的结构和快速的动态响应使其适合精确控制。

QD根据焦平面上的焦点位移来估计光束角度。QD角度检测的原理如图4a所示。QD由四个面积相等的感测元件组成。当入射光束照亮感光表面时，四个象限产生电压信号，对应于光斑的空间能量分布。当入射光束发生小角度偏差时，焦平面上的光斑位置会相应移动，导致四个象限的输出信号不平衡。图4. (a) QD角度检测原理。(b) 2D振镜扫描模型。水平和垂直方向的归一化位置响应定义为 (6) 和 (7)。当光斑进入第二级视场时，位置偏差 和 会相应变化。根据QD表面的光斑位置，可以区分两种情况：1. 光斑没有完全位于四个象限内，满足条件；在这种情况下，QD的输出信号处于非线性区域，无法提供有效的角度测量；它们仅指示光斑的大致位置。2. 光斑完全位于所有四个象限内，满足条件。在这种情况下，QD在其跟踪视场内工作，相当于第三级视场。在这个跟踪视场内，光斑位移与入射角之间的关系可以近似为 (8) 和 (9)，其中 是QD前的透镜焦距， 是QD表面上的有效光斑半径。在这个视场内，可以通过测量差分输出信号实时获得入射光束的角度变化。

2D振镜使用两个正交排列的镜子来引导光轴。扫描模型如图4b所示。根据几何光学，QD检测角度与镜子旋转角度之间的映射关系可以表示为 (10)，其中 和 分别表示镜子1和镜子2的旋转角度。

QD在其精细跟踪视场内提供高灵敏度的角度测量精度。当光斑显著偏离中心时，测量精度会降低。因此，在级联AOA检测方法中，QD的视场被划分为第二级视场和第三级视场。第二级视场用于确定光斑是否进入有效检测区域，而第三级视场对应于高精度角度测量所需的线性响应区域。所提出的级联检测方法结合了分布式探测器阵列的宽视场检测能力和象限探测器的高精度测量能力，实现了快速光束捕获和准确的角度估计。此外，DA和2D振镜的物理集成在功耗（SWaP）方面具有显著优势。DA由多个空间分布的感测元件组成，具有模块化结构，可以实现高度集成和灵活的系统配置。这种2D振镜具有紧凑的外形尺寸，通常只有几厘米长，并且具有较低的转动惯性（大约0.25 g·cm2）。因此，所提出的架构实现了更小的占地面积和更低的惯性，使其比传统的万向节基系统更适合集成到高速空中平台上。2.4. 级联AOA检测算法级联AOA检测算法采用三阶段视场（FOV）协作检测过程，能够在宽视场获取和高精度测量之间快速切换。当光斑位于QD的完整视场之外时，系统首先使用分布式雪崩光电二极管（DA）进行粗略角度估计，得到一个初步的AOA估计值。这个估计值作为2D振镜控制循环的输入，以执行初步的光束指向。当光斑进入QD的完整视场时，系统根据QD的输出信号计算归一化的光斑位置偏差。然后，系统确定光斑是否进入了精细跟踪区域。为了提高抗噪声能力并避免频繁的模态切换，在QD和DA信号上都应用了移动平均滤波器来抑制噪声。此外，在切换标准中引入了一个非零的决策裕度。具体来说，当 > 0.1时，触发模态转换，其中 表示QD的过滤后的总电压信号。这种方法有效地在切换边界周围引入了一个死区，从而降低了对噪声波动的敏感性。如果不满足这些条件，系统将使用更大的步长进行粗略校正。根据光斑偏移的方向，为2D振镜生成一个反向校正指令，以引导光斑进入精细跟踪视场。 的值定义为QD的完整视场与精细跟踪视场之间的差异。这种策略能够在保持系统稳定运行的同时实现快速的光斑获取。当光斑进入QD的精细跟踪视场时，QD输出精确的测量角度。此时，系统切换到微步校正模式，使用校正系数 来引导光斑保持在QD的光敏表面附近。根据QD提供的角度信息，2D振镜调整 的值，该值等于 角度的倍数。 的值对收敛性能有显著影响。如果 太小，收敛速度会变慢；如果 太大，过度调整会导致振荡。通过后续实验获得 的值，以实现快速收敛并确保光斑定位的稳定性。通过在这三个视场阶段之间的快速切换和对振镜的闭环控制，系统结合了QD测量的角度信息（ ）和2D振镜的偏转角度（ ），以获得最终的高精度AOA。在操作过程中，如果外部干扰导致QD信号无效或光斑离开有效检测范围，系统会自动返回到第一阶段的视场并重新开始粗略获取过程。流程图如图5所示。所提出的级联AOA检测方法能够在保持整体视场覆盖的同时，实现宽视场获取和高精度测量之间的协调操作。这种方法提高了检测稳定性，并为OPA-PAT系统的闭环控制提供了可靠的角度输入。图5. 级联AOA检测算法流程图。3. 级联检测系统和实验结果 3.1. 级联检测系统组成开发了一个级联AOA检测系统的原型。系统硬件包括DA、2D振镜、QD、光学镜头和PCI数据采集卡，如图6所示。系统集成后，DA、2D振镜和QD共同校准，以建立一致的坐标关系并确保它们的光轴对齐。图6. 级联AOA检测系统架构和硬件连接。DA由顶板和四个侧板组成。校准后，在±20°的视场内，其角度测量精度优于0.67°。QD由四象限探测器和镜头组件组成，提供±1°的有效视场，跟踪视场（±0.5°）的角度测量精度优于0.007°。这两种探测器类型都集成了电源和低噪声信号调理电路，通过跨阻放大器将光电流信号转换为电压信号。2D振镜的光学扫描范围为±22.5° × ±22.5°，电机分辨率为12 μrad，重复性为8 μrad。实验使用高精度旋转台来模拟入射光束角的变化，其角度分辨率为17.5 μrad，重复性为21.8 μrad。信号采集和系统控制通过配备16个模拟输入通道（AI）和2个模拟输出通道（AO）的PCI数据采集卡实现，每个通道具有16位分辨率。AI通道从DA和QD获取输出信号，而AO通道生成扫描镜驱动器的控制电压。获取的信号通过主机计算机进行过滤和实时AOA计算，相应的控制电压通过DAC输出以调整光束方向。对2D振镜指向QD的指向误差进行了仿真分析。在±12.5°的扫描范围内，最大方位角和仰角误差分别为30 μrad和26 μrad。最小方位角和仰角误差分别为21 μrad和16 μrad。考虑到QD的测量精度、振镜的指向精度以及旋转台的定位精度，系统的角度测量精度设计为0.01°。3.2. 结果为了验证级联AOA检测系统的性能，建立了如图7所示的实验装置。光源由1550 nm激光器和掺铒光纤放大器（EDFA）组成。在7米的传输距离下，光束直接通过光纤输出，形成相对均匀的光斑，模拟了远场条件。图7. 级联AOA检测系统的实验装置。(a) 级联AOA检测系统测试平台。(b) 实验激光源。在开始实验之前，对2D振镜进行校准，以建立控制信号和输出角度之间的映射关系。随后，通过实验评估所提出的级联AOA检测系统的角度测量性能。在实验过程中，万向节在?20°到20°的范围内以1°为增量旋转，以模拟入射光束角的变化。此时，调整控制参数 和 ，并将 设置为0.5，将 设置为0.1。最后，记录系统输出的方位角和仰角，以评估级联检测算法的角度测量精度和稳定性。实验结果如图8所示。在±20°的视场内，系统的最大测量误差分别为方位角0.017°和仰角0.027°。相应的均方根误差（RMSE）分别为0.007°和0.01°。这些结果表明，即使在宽视场条件下，所提出的级联检测方法也保持了高角度测量精度，验证了级联检测算法和振镜误差补偿方法的有效性。图8. 级联AOA检测系统测量的角度及其对应的误差。(a) 方位角。(b) 仰角。与传统单检测方法相比，所提出的级联检测系统在±20°的视场内实现了优于0.01°的角度精度，显著优于传统的单检测方法，如表1所示。表1. 不同检测方法的结果比较。4. OPA-PAT实验 4.1. OPA-PAT系统PAT系统由信标端点和PAT端子组成，如图9所示。PAT端子包括一个OPA传输模块和所提出的级联AOA检测系统。OPA传输模块由512元件硅光子波导OPA、一维振镜和镜子以及OPA控制器组成，能够在宽角度范围内实现高精度光束指向控制。级联AOA检测系统实时测量信标光束的入射角度。信标端子包含一个由EDFA放大的1550 nm激光源和一个近红外（NIR）相机。信标源提供稳定的信标光束，而NIR相机用于观察和评估闭环指向性能。实验装置中使用的设备如表2所示。图9. OPA-PAT测试系统的框图。表2. 实验装置中使用的设备。OPA由移相器、发射天线和额外的功能组件组成。移相器采用TiN加热电极，具有制备简单、响应快速和光损耗低的优势。发射天线阵列采用均匀布局，中心到中心的间距为1.8 μm，有效减少了串扰。OPA芯片的结构如图10a所示。图10. (a) OPA传输模块和级联AOA检测系统的集成。(b) OPA传输模块光斑的远场测量结果。OPA传输模块主要由OPA芯片、反射镜和一维振镜组成。激光束通过光纤耦合到芯片后，通过功率分配网络分配到每个通道。通过热光相位控制实现远场光束转向和连续扫描。然后通过镜子将输出光束引导到一维振镜，通过振镜的俯仰扫描实现二维光束指向。在系统实验之前，应用旋转元件电场向量（REV）算法来校准OPA传输模块的相位[25]。然后进行远场测试。远场测量结果如图10b所示。在±20°的扫描范围内，OPA传输模块的扫描精度（RMSE）优于0.014°。全散角为0.14° × 0.073°，峰值旁瓣比优于13.5 dB。1D振镜的角度分辨率为25 μrad，重复性为100 μrad。实验视场限制在±20°以内，以匹配OPA的有效工作范围并确保稳定的光束指向性能。4.2. PAT闭环实验建立了如图11所示的PAT闭环实验平台。信标源系统与之前描述的级联AOA检测系统中使用的相同。NIR相机放置在漫反射屏前，以记录闭环光束指向性能。主传输链路距离为7米，而监控NIR相机放置在距离屏幕1.5米的地方。图11. PAT闭环测试平台。实验开始时，将信标源与分布式探测器阵列和2D振镜对齐，并记录OPA传输模块的初始光斑位置。然后驱动旋转台进行圆形、垂直和水平运动，以引入不同的入射角度。级联AOA检测系统实时测量信标角度，并将信息反馈给OPA控制器，以实现闭环光束指向。同时，NIR相机同步记录光斑位置。实验结果如图12所示。在±20°的视场内，PAT系统的最大闭环指向误差为0.027°，相应的RMSE为0.016°。这些结果表明，所提出的PAT系统可以在宽视场条件下保持稳定的闭环控制性能。图12. 2D闭环跟踪实验的结果。5. 讨论闭环指向性能与之前对OPA传输模块的特性结果一致，闭环误差略高于级联AOA检测系统的角度测量精度。PAT系统的最大闭环跟踪误差为0.027°，而OPA的光束散角约为0.14°。由于指向误差小于光束散角的20%，因此产生的对准偏差只会造成有限的能量损失，能够满足PAT系统的跟踪精度要求。目前OPA-PAT研究的状态总结在表3中。大多数报道的光学相控阵列系统仅限于初始光束指向或在小角度范围内的闭环跟踪。相比之下，由于缺乏有效的宽视场高精度检测机制，宽角度闭环跟踪仍然具有挑战性。表3. OPA激光通信的PAT结果比较。总体而言，所提出的级联AOA（到达角）检测方法解决了OPA-PAT（光学相位地址检测）系统中的一个关键技术挑战，即同时实现宽视场（wide-FOV）光束采集和高精度角度测量。通过采用多传感器协作架构，该架构整合了数字助理（DA）、低惯性磁力仪和高精度量子点（QD），系统有效地结合了宽视场覆盖范围和精细跟踪能力，从而实现了OPA-PAT的宽场闭环控制。此外，该系统具有良好的可扩展性。在未来的工作中，可以通过使用扫描范围更大的二维磁力仪或将分布式探测器阵列集成到OPA传输模块的外部外壳中，进一步扩展有效视场范围，从而提高系统的紧凑性和集成程度。另外，通过引入滞后带或基于置信度的状态转换机制，并结合时间滤波，可以进一步增强级联AOA检测算法，以确保在噪声条件下粗略跟踪阶段和精细跟踪阶段之间的平滑过渡。这些改进将进一步提升系统性能，并为实际激光通信应用提供强有力的技术支持，特别是在诸如飞机与LEO（低地球轨道）链接等动态场景中。

6. 结论

本文提出了一种适用于宽视场条件的OPA-PAT系统中的级联AOA检测方法。该方法基于多传感器协作架构，利用分布式探测器阵列在宽视场内进行到达角的粗略估计，然后通过二维磁力仪将光束定向到四分圆探测器进行精细测量。开发了一个级联检测原型系统并通过实验进行了验证。在±20°的视场范围内，方位角和仰角的均方根误差（RMSE）分别为0.007°和0.01°。这些结果展示了在高保持宽视场覆盖的同时，能够实现准确的角度测量。基于这个原型系统，还构建了一个OPA-PAT系统。闭环实验显示，在±20°的视场范围内，光束指向保持稳定，跟踪的RMSE小于0.016°。结果表明，级联检测方法适用于宽视场OPA-PAT系统。