CN103916183A - 一种基于激光相控技术的快速捕获系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种基于激光相控技术的快速捕获系统及方法，首先通过查询星历表或者轨道参数，获得目标通信终端所处的空间位置，将其作为最大概率位置点处于待扫描区域中心；根据待扫描区域中心建立坐标系，根据待扫描区域中心将不确定区划分为四个子区域；设置依次排列的信标光线偏振激光器、第一液晶光学相控阵、1/2波片和第二液晶光学相控阵，并将信标光线偏振激光器发出的信标光指向待扫描区，对不确定区域进行扫描；对目标物体最终捕获。本发明的有益效果是降低了空间激光通信链路建立过程的捕获时间。
Description
技术领域
本发明属于激光相控技术领域，涉及一种基于激光相控技术的快速捕获系统及方法。
背景技术
在空间激光通信系统中，受到轨道特性（视轴遮挡）、信道特性（大气、云层）等因素的影响，无法保证两个通信终端之间能够持续保持通信，因此，空间激光通信ATP子系统（捕获、跟踪和瞄准）是建立空间通信链路的硬件基础，其中：捕获概率和捕获时间是衡量其工作性能的关键指标。在建立空间激光通信链路过程中，受到信标光功率的限制与空间背景光的影响，不仅信标光的束散角不能覆盖整个不确定区域，而且捕获视场也不能覆盖整个不确定区域，此时就需要采用扫描/扫描捕获模式。传统的机械扫描方式有螺旋扫描、光栅扫描、螺旋光栅复合扫描和玫瑰形扫描等。螺旋扫描方式从高概率区域向低概率区域扫描，可以减少平均捕获时间，但是在整个扫描过程增加漏扫概率。光栅扫描是按照空间矩形光栅的路径进行扫描，该方式扫描时间较长，在矩形扫描区域的四周将额外增加捕获时间。螺旋光栅复合扫描是将光栅扫描与螺旋扫描结合的一种扫描方式，从高概率区域向低概率区域，按照矩形光栅的方式进行扫描，兼顾光栅方案与螺旋方案优点。玫瑰形扫描是以正弦波为基础产生调幅信号，扫描曲线由玫瑰函数产生，其优点是可对概率较高的中心处进行多次扫描，大大减少高概率区域的漏扫概率，但在不确定区域的边缘间距较大，容易出现漏扫现象。
目前，空间激光通信系统所采用的上述几种机械式波束扫描方式，平均捕获时间均在几十秒量级，大大降低有效的通信时间。因此，在空间通信链路建立环节，捕获时间还有进一步优化的空间，本发明则是一种降低捕获时间的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光相控技术的快速捕获系统，解决了现有的空间激光通信链路建立过程的捕获时间较长的问题。
本发明的另一个目的是提供基于激光相控技术的快速捕获系统的捕获方法。
本发明所采用的技术方案是包括依次排列的信标光线偏振激光器、第一液晶光学相控阵、1/2波片和第二液晶光学相控阵，信标光线偏振激光器发出的信标光依次经过第一液晶光学相控阵、1/2波片和第二液晶光学相控阵后被分为4束。
进一步，第一液晶光学相控阵和第二液晶光学相控阵的中心为通光孔径且阵列电极相互垂直，二分之一波片放置在第一液晶光学相控阵和第二液晶光学相控阵之间，让信标光垂直通过，并且光轴方向与入射激光的偏振方向夹角为45゜。
基于激光相控技术的快速捕获系统进行快速捕获的方法，按照以下步骤进行：
步骤1：首先通过查询星历表或者轨道参数，获得目标通信终端所处的空间位置，将其作为最大概率位置点，最大概率位置点处于待扫描区域中心；
步骤2：根据待扫描区域中心建立坐标系，根据待扫描区域中心将不确定区划分为四个子区域；
步骤3：设置依次排列的信标光线偏振激光器、第一液晶光学相控阵、1/2波片和第二液晶光学相控阵，并将信标光线偏振激光器发出的信标光指向待扫描区，对不确定区域进行扫描；
步骤4：对目标通信终端最终捕获：当4个子激光束中有任何一个照射到目标通信终端时，目标终端中的光电探测器能够接收信标光，同时其内部的光束角度传感器能够获得主动通信终端发射的角度位置，随后目标终端按照该角度信息，返回发送一束激光到主动通信终端，并被其接收到，完成通信光程的单端捕获环节。
进一步，步骤3中扫描过程为：信标光线偏振激光器发生出信标光，信标光经过第一液晶光学相控阵，生成两个波束，其中两个波束关于y轴对称，再经过1/2波片将信标光的偏振态旋转至与第二液晶光学相控阵光轴一致，再经过第二液晶光学相控阵，把两个波束在垂直方向再裂分成4个波束，并关于x轴对称，4个波束分别与4个不确定子区域一一对应，通过控制第一液晶光学相控阵和第二液晶光学相控阵上加载电压代码，改变4个波束在各自所处子区域的空间位置，实施4个信标光子光束在目标终端不确定区域内并行扫描。
本发明的有益效果是降低了空间激光通信链路建立过程的捕获时间。
附图说明
图1为一种基于激光相控技术的快速捕获方法目标不确定区域空间划分示意图；
图2为本发明激光束在I区内的修正螺旋扫描轨迹；
图3为本发明激光束在I区内的非连续扫描分布图；
图4为本发明系统示意图；
图5为本发明信标光线建立坐标系示意图。
图中，1.信标光线偏振激光器，2.第一液晶光学相控阵，3.1/2波片，4.第二液晶光学相控阵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明系统包括依次排列的信标光线偏振激光器1、第一液晶光学相控阵2、1/2波片3和第二液晶光学相控阵4，信标光线偏振激光器1发出的激光依次经过第一液晶光学相控阵2、1/2波片3和第二液晶光学相控阵4后被分为4束。第一液晶光学相控阵2和第二液晶光学相控阵4的中心为通光孔径且阵列电极相互垂直，二分之一波片放置在第一液晶光学相控阵2和第二液晶光学相控阵4之间，让信标光垂直通过。
本发明涉及实现空间激光通信链路建立过程中的终端捕获方法。包括下列步骤：
步骤1：首先通过查询星历表或者轨道参数，获得目标通信终端所处的空间位置，将其作为最大概率位置点，同时考虑空间平台振动、高频摄动造成的可能存在范围，将其作为系统的工作范围，也称为目标的不确定区。其中的目标通信终端即为接收通信数据的一端，同时一般情况下，最大概率位置点处于不确定区域中心，即待扫描区域中心。
步骤2：然后建立坐标系，根据待扫描区域中心将不确定区划分为四个子区域；如图1所示，将目标不确定区域分成四个子区域I、II、III和IV，类似空间直角坐标系，但横纵坐标分别为方位角和俯仰角θ，中心是目标终端出现的最大概率点位置。
步骤3：信标光线偏振激光器1对不确定区域进行扫描。将信标光线偏振激光器1发出的线偏振信标光通过两个液晶光学相控阵分成四个子激光束，分别对应上述四个子不确定区，每个子激光束仅仅在其子区域进行波位扫描，子区域重叠的交界处是相邻两个子激光束所共同扫描覆盖的区域。子激光束的产生办法适用所有二维多波束产生方法。四个子激光束的指向由液晶光学相控阵的波控算法决定，依据需求偏转角度和波束数目，液晶光学相控阵波控器模块生成相关代码，通过液晶驱动芯片加载到其移相器模块，形成对入射激光的分束和定向偏转，并且相互之间可以独立控制，也可以关联控制。各子激光束指向位置的轨迹可以是连续的，也可以是非连续的。
当扫描轨迹为连续情况时，可以采用修正的螺旋扫描方式，其中第I个子激光束的轨迹如图2所示，其他三个与之满足左右对称或者上下对称；第一液晶光学相控阵2和第二液晶光学相控阵4，分别控制扫描轨迹，和光束的指向，在光学相控阵2、4上加载电压代码，改变4个波束在各自所处子区域的空间位置，实现对未知区域的扫描。
当扫描轨迹为不连续情况时，激光光束指向角度只需要按照一定概率密度分布即可，第I个子激光束的指向分布如图3所示，其他三个满足与之满足左右对称或者上下对称。
如图4所示系统，本发明实现对空间激光通信链路建立过程中实施快速捕获的装置或者方法，包括信标光线偏振激光器1，第一液晶光学相控阵2和第二液晶光学相控阵4，1/2波片3，建立的坐标系如图5所示。
液晶相控阵的中心为通光孔径，图4中第一液晶光学相控阵2和第二液晶光学相控阵4的竖直或者水平实心直线区域，其中实心直线方向标记对孔径内透明电极方向，上方的虚线为液晶取向或者液晶光轴方向；1/2波片3的光轴方向为双箭头标记方向，与x和y轴均保持45度。
其中信标光线偏振激光器1是通信链路建立的激光光源，线偏振光的偏振方向为x方向，两个液晶光学相控阵级联放置，让信标光垂直通过其通光孔径，并且阵列电极方向相互垂直，从而实现让信标光能够实现x方向和y方向两个方向扫描；二分之一波片放置在两个液晶光学相控阵之间，让信标光垂直通过。
目标终端不确定区划分为四个子区域，如图1所示，中心为目标最大概率出现点，x轴和y轴分别和两个液晶光学相控阵的电极方向一致；
信标光线偏振激光器1发生出信标光，信标光经过第一液晶光学相控阵2，生成两个波束，其中两个波束关于y轴对称，再经过1/2波片3将激光的偏振态旋转至与第二液晶光学相控阵4光轴一致；再经过第二液晶光学相控阵4，把两个波束在垂直方向再裂分成4个波束，并关于x轴对称，4个波束分别与4个不确定子区域一一对应；通过控制第一液晶光学相控阵2和第二液晶光学相控阵4上加载电压代码，改变4个波束在各自所处子区域的空间位置，实施4个信标光子光束在目标终端不确定区域内并行扫描，降低扫描时间。
步骤4：对目标物体最终捕获：当4个子激光束中有任何一个照射到目标通信终端时，目标终端中的光电探测器能够接收信标光，同时其内部的光束角度传感器能够获得主动通信终端发射的角度位置，随后目标终端按照该角度信息，返回发送一束激光到主动通信终端，并一定能够被其接收到，完成通信光程的单端捕获环节。
下面列举具体实施例对本发明进行说明：
实施例1：在本实施示例中，信标光线偏振激光器1输出信标光是1064nm线偏振红外激光，其偏振方向是y方向，液晶光学相控阵1和2是完全相同的器件，即：电极方向和液晶光轴方向相互垂直，如图2所示，但是两个器件的空间摆放相互垂直；针对1064nm工作的1/2波片3放置在两个液晶相控阵之间，其光轴方向与两者的光轴夹角均为45度；通过上述装置，1064nm信标光被分解成四个波束，依据现有任何一种双波束形成算法和波束指向控制算法，通过改变两个液晶相控阵的波控代码，产生对应的相位调制分布，四个波束将依照加载到两个相控阵的算法或者规律在不确定区域内完成并行扫描，波束生成算法涵盖包括所有的双波束生成算法和不同光束指向切换算法，从而实现降低捕获时间的目的。
本发明公开了一种实现对激光通信终端快速捕获的方法，属于激光技术领域。本发明的方法为：运用液晶光学相控阵的相控方法将信标光分为四个子光束，利用这个四个子激光束在各自的不确定目标区域并行扫描，每扫描完一个位置就捷变到另一个位置的轨迹上继续扫描。本发明是采用激光相控技术实现的多波束并行扫描的捕获方案，能实现快速捕获目标，相比于单波束扫描方案，在相同的扫描不确定区域和扫描策略的情况下，捕获时间缩短四分之一。本发明实现降低空间激光通信链路建立过程的捕获时间的方法。
Claims (4)
1.一种基于激光相控技术的快速捕获系统，其特征在于：包括依次排列的信标光线偏振激光器（1）、第一液晶光学相控阵（2）、1/2波片（3）和第二液晶光学相控阵（4），信标光线偏振激光器（1）发出的激光依次经过第一液晶光学相控阵（2）、1/2波片（3）和第二液晶光学相控阵（4）后被分为4束。
2.按照权利要求1所述一种基于激光相控技术的快速捕获系统，其特征在于：所述第一液晶光学相控阵（2）和所述第二液晶光学相控阵（4）的中心为通光孔径且阵列电极相互垂直，所述二分之一波片放置在第一液晶光学相控阵（2）和第二液晶光学相控阵（4）之间，让信标光垂直通过，并且光轴方向与入射激光的偏振方向夹角为45゜。
3.按照权利要求1所述一种基于激光相控技术的快速捕获系统进行快速捕获的方法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤1：首先通过查询星历表或者轨道参数，获得目标通信终端所处的空间位置，将其作为最大概率位置点，最大概率位置点处于待扫描区域中心；
步骤2：根据待扫描区域中心建立坐标系，根据待扫描区域中心将不确定区划分为四个子区域；
步骤3：设置依次排列的信标光线偏振激光器（1）、第一液晶光学相控阵（2）、1/2波片（3）和第二液晶光学相控阵（4），并将信标光线偏振激光器（1）发出的信标光指向待扫描区，对不确定区域进行扫描；
步骤4：对目标通信终端最终捕获：当4个子激光束中有任何一个照射到目标通信终端时，目标终端中的光电探测器能够接收信标光，同时其内部的光束角度传感器能够获得主动通信终端发射的角度位置，随后目标终端按照该角度信息，返回发送一束激光到主动通信终端，并被其接收到，完成通信光程的单端捕获环节。
4.按照权利要求3所述的快速捕获的方法，其特征在于：所述步骤3中扫描过程为：信标光线偏振激光器（1）发生出信标光，信标光经过第一液晶光学相控阵（2），生成两个波束，其中两个波束关于y轴对称，再经过1/2波片（3）将信标光的偏振态旋转至与第二液晶光学相控阵（4）光轴一致，再经过第二液晶光学相控阵（4），把两个波束在垂直方向再裂分成4个波束，并关于x轴对称，4个波束分别与4个不确定子区域一一对应，通过控制第一液晶光学相控阵（2）和第二液晶光学相控阵（4）上加载电压代码，改变4个波束在各自所处子区域的空间位置，实施4个信标光子光束在目标终端不确定区域内并行扫描。
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