CN101231387A - 大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统 - Google Patents

大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统 Download PDF

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Abstract

大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统，有信号发射单元(1)和信号接收单元(2)两部分；信号发射单元(1)由激光器(3)、发射光学系统(4)组成；信号接收单元(2)中有缩束器(5)、分光镜(6)、液晶可调节光束衰减器(7)、接收光学系统(11)和CCD探测器(12)，还有与分光镜6光链接的接收光学系统(13)、光电探测器(14)和自适应控制器(15)，后者将电信号施加给液晶光束衰减器。本发明利用液晶可调节光束衰减器在无运动部件条件下对激光光强进行衰减，通过自适应算法改变液晶光束衰减器所需的电压信号来改变其透过率，进而对入射信标光进行自适应控制，最终保证CCD探测器接收的激光能量稳定，其动态范围为20dB。

Description

大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统
技术领域
本发明专利是大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统，主要应用于空间激光通信技术领域。
背景技术
激光通信系统是一个能量传输系统。在空间光通信系统中，由于传输距离长、激光的发散角小(mrad量级)，因此激光光束在传输过程中会受到大气环境的影响，主要表现为大气衰减和光束闪烁、扩散及偏折两个方面。大气衰减(吸收和散射)引起了激光的能量衰减，大气湍流效应会引起接收到的激光功率起伏、激光束漂移、扩展、激光的相位起伏和到达角起伏，大气微粒多次散射则造成了通信激光脉冲展宽等。为了克服大气湍流引起的能量闪烁、衰减和漂移，通信光路可以采取加大激光器能量的方法克服大气闪烁的影响；但对于信标光路，由于信标光探测器CCD的特点(积分器件、易饱和)，大气闪烁将使信标光接收受到影响，尤其对于位于精视场的高帧频CCD，帧频越高，大气闪烁影响将越严重，这很难保证空间光通信精密跟踪的精度。对于CCD探测器而言，传统上采用电子调光或机械调光的方法实现光束调整。但在空间光通信系统中，由于空间环境的限制，传统的机械调光技术无法保证接收端激光光斑的质量和精度；由于大气湍流的影响，电子调光无法保证系统的动态范围的要求。此外，现有的自适应光学技术也是校正大气湍流的有效手段，但主要是针对光斑破碎和变形，即若大气湍流对信标光的影响主要是相位变化，常规的自适应光学校正是非常有效的。然而随着湍流强度的增加或传输距离的加长，由其引起的接收平面上的光强随机起伏(即闪烁效应)也会加大，此时光强起伏对校正效果的影响是不能忽视的。
迄今为止，大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统尚未见报道。
发明内容
为了克服现有技术的不足，我们提供了大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统。
其结构如图1所示，它由信号发射单元1和信号接收单元2两部分组成；所述的信号发射单元1由同轴排列的激光器3和发射光学系统4组成；所述的信号接收单元2中有同轴排列的缩束器5、分光棱镜6、液晶可调节光束衰减器7、接收光学系统11和CCD探测器12，还有与分光棱镜6光链接的接收光学系统13、光电探测器14和自适应控制器15，光电探测器14和自适应控制器15二者电气连接，并将电调制信号施加于液晶可调节光束衰减器7上；
所述的液晶可调节光束衰减器7由依次同轴排列的起偏片8、液晶盒9和检偏片10组成，是实现激光光束衰减的主要部件，液晶盒9由两块极板以及其间夹含的液晶层构成，液晶层只有10μm厚，液晶分子平行于极板表面排列，但是排列方向在两块之间连续扭转了90°，因而具有旋光效应，起偏片8和检偏片10正交摆放，当两个极板上没有电压时，见图2所示，经起偏片8起偏的线偏振光垂直入射和通过液晶层后，其偏振方向会被液晶扭转90°，经过检偏片10后，光束完全透过；当两个极板上加有电压V，并达到阈值电压V′时，液晶盒9的旋光现象消失，液晶分子长轴一律沿电场方向进行再排列，见图3所示，这时通过液晶层的线偏振光的偏振方向没有改变，再经过检偏片10后，光束被完全遮挡；具体的衰减情况由所加电压值V的大小决定；
当从激光器3发射的激光经过发射光学系统4后变为平行光发射，经过大气传输后，由信号接收单元2进行接收，首先经过缩束器5进行缩束，然后经过分光棱镜6进行分光，70％的光被透射，经过液晶可调节光束衰减器7后被接收光学系统11进行聚焦，由CCD探测器12接收；30％的光被反射，经接收光学系统13进行聚焦，由光电探测器14接收；预先设定接收的信号功率稳定值为P，当系统工作后，通过自适应算法给出自适应控制器15的输出电压信号V的幅值，进而控制液晶可调节光束衰减器7的透过率，保证CCD探测器12上接收的激光信号的功率稳定在P值上。
有益效果
大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统，主要是以具有电控柔性衰减作用的液晶可调节光束衰减器为核心部件，利用液晶可调节光束衰减器在无运动部件条件下对激光信号进行光强衰减控制，通过自适应控制算法改变液晶可调节光束衰减器所需要的电压信号大小，从而改变其透过率，进而对入射的信标光进行自适应控制，最终保证了信标光CCD探测器上接收到的激光能量保持稳定，其动态范围为20dB。
附图说明
图1是本发明结构示意图。图2是液晶可调节光束衰减器7进行光束衰减的一种状态示意图。图3是液晶可调节光束衰减器7进行光束衰减的一种状态示意图。
具体实施方式
实施例1
见图1所示，本发明大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统由信号发射单元1和信号接收单元2两部分组成。所述的信号发射单元1由同轴排列的激光器3和发射光学系统4组成。激光器3采用半导体激光器，激光波长为750nm～850nm。从激光器3发射的激光经过发射光学系统4变为平行光后发射。所述的信号接收单元2中有同轴排列的缩束器5、分光棱镜6、液晶可调节光束衰减器7、接收光学系统11和CCD探测器12，还有与分光棱镜6光链接的接收光学系统13、光电探测器14和自适应控制器15，光电探测器14和自适应控制器15二者电气连接，并将电调制信号施加于液晶可调节光束衰减器7上。缩束器5是一种透射式缩束系统，它对接收的激光信号进行缩束。分光棱镜6是一种分光镜，对缩束后的平行光进行分光，经过分光后，70％的光被透射，经过液晶可调节光束衰减器7后被接收光学系统11进行聚焦，由CCD探测器12接收；30％的光被反射，经接收光学系统13进行聚焦，由光电探测器14接收。液晶可调节光束衰减器7是一种柔性光束衰减器，能够在电场作用下对入射的激光信号进行衰减。接收光学系统11是一种会聚光学系统，它的作用是将平行激光光束会聚到CCD探测器12上。CCD探测器12采用高帧频CCD相机，用于接收激光信号。接收光学系统13是一种会聚光学系统，它的作用是将经过分光棱镜6分光的30％的平行激光光束会聚到CCD光电探测器14上。光电探测器14采用PIN硅光电二极管，它将光信号转换为电信号，然后将该电信号传输给自适应控制器15，它与光电探测器14电器连接。自适应控制器15是一种常规电子学部件，用于完成对光电探测器14的输出电压信号的数据采集和处理，内部有主控单片机；并通过自适应控制算法控制D/A变换器产生一个2KHz、幅值可调的方波信号V，用以维持液晶可调节光束衰减器7的液晶分子取向，从而对入射的激光能量进行衰减控制，达到稳定光强的作用。
上述的液晶可调节光束衰减器7由依次同轴排列的起偏片8、液晶盒9和检偏片10组成，其中液晶盒9具有旋光效应，起偏片8和检偏片10正交摆放。当两个极板上没有电压时，见图2所示，经起偏片8起偏的线偏振光垂直入射和通过液晶层后，其偏振方向会被液晶扭转90°，经过检偏片10后，光束完全透过；当两个极板上加有电压V，并达到阈值电压V′时，液晶盒9的旋光现象消失，液晶分子长轴一律沿电场方向进行再排列，见图3所示，这时通过液晶层的线偏振光的偏振方向没有改变，再经过检偏片10后，光束被完全遮挡；具体的衰减情况由所加电压值V的大小决定。

Claims (1)

1.大气激光通信系统中基于液晶的光强自适应控制系统，其特征在于，它是由信号发射单元(1)和信号接收单元(2)两部分组成；所述的信号发射单元(1)由同轴排列的激光器(3)和发射光学系统(4)组成；所述的信号接收单元(2)中有同轴排列的缩束器(5)、分光棱镜(6)、液晶可调节光束衰减器(7)、接收光学系统(11)和CCD探测器(12)，还有与分光棱镜(6)光链接的接收光学系统(13)、光电探测器(14)和自适应控制器(15)，光电探测器(14)和自适应控制器(15)二者电气连接，并将电调制信号施加于液晶可调节光束衰减器(7)上；
液晶可调节光束衰减器(7)由依次同轴排列的起偏片(8)、液晶盒(9)和检偏片(10)组成，其中液晶盒(9)具有旋光效应，起偏片(8)和检偏片(10)正交摆放，是实现激光光束衰减的主要部件，当两个极板上没有电压时，经起偏片(8)起偏的线偏振光垂直入射和通过液晶层后，其偏振方向会被液晶扭转90°，经过检偏片(10)后，光束完全透过；当两个极板上加有电压V，并达到阈值电压V′寸，液晶盒(9)的旋光现象消失，液晶分子长轴一律沿电场方向进行再排列，这时通过液晶层的线偏振光的偏振方向没有改变，再经过检偏片(10)后，光束被完全遮挡；具体的衰减情况由所加电压值V的大小决定；
当从激光器(3)发射的激光经过发射光学系统(4)后变为平行光发射，经过大气传输后，由信号接收单元(2)进行接收；首先经过缩束器(5)进行缩束，然后经过分光棱镜(6)进行分光，70％的光被透射，经过液晶可调节光束衰减器(7)后被接收光学系统(11)进行聚焦，由CCD探测器(12)接收；30％的光被反射，经接收光学系统(13)进行聚焦，由光电探测器(14)接收；预先设定接收的信号功率稳定值为P，当系统工作后，通过自适应算法给出自适应控制器(15)的输出电压信号V的幅值，进而控制液晶可调节光束衰减器(7)的透过率，保证CCD探测器(12)上接收的激光信号的功率稳定在P值上。
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