CN104092494B - 一种高精度光学相控捕跟系统 - Google Patents

Abstract

一种高精度光学相控捕跟系统，涉及液晶光学、应用光学和衍射光学交叉技术领域，解决现有液晶光学相控阵光束偏转控制精度低的问题。在液晶光学相控阵光束偏转控制的基础上，液晶光学相控阵加载液晶光楔组成液晶光学相控阵天线，作为空间激光通信链路的相控捕跟系统，液晶光学相控阵为粗捕获执行模块，控制光束对预置不确定区进行离散扫描，进行空间光通信光束捕获；液晶光楔为精跟踪执行模块，控制光束进行高精度、连续扫描，进行空间光通信光束跟踪。液晶光学相控阵和液晶光楔联合完成空间激光通信系统的捕获跟踪功能。

Description

一种高精度光学相控捕跟系统

技术领域

本发明涉及一种高精度光学相控捕跟系统，属于卫星激光通信和激光雷达等技术领域。

背景技术

近年来空间激光通信技术得到快速发展，国外已成功建立空间激光通信链路。目前国内外研究的空间激光通信链路主要采用机械式捕跟系统和传统式捕获跟踪技术，为点对点的单链路激光通信链路。机械式捕跟系统及光学天线体积大、笨重，而且惯性大，难以实现快速捕获。随着空间激光通信技术的发展，新型空间激光通信系统不仅需要进一步降低激光通信终端的体积、重量和功耗，而且需要大大降低捕获时间。对于空间激光通信链路，由于链路距离长，光束波束窄，需要很高的跟踪精度。

相控阵技术已在微波系统中得到成功应用。液晶光学相控阵不仅可以实现非机械式捕跟控制，将捕获时间提高到秒量级，解决空间激光通信链路光束的快速、灵活控制问题，而且可以大幅降低激光通信终端的体积、重量和功耗，使光电系统的集成度更高，制造成本更低，在空间激光通信等领域具有重要的应用价值。

目前主要采用多个液晶光学相控阵级联的方式实现空间激光通信系统的捕获跟踪功能，但是由于液晶光学相控阵所加电压是离散的，其光束偏转控制精度受限，难以满足空间激光通信高跟踪精度要求。研究基于液晶光学相控阵和液晶光楔的高精度光学相控捕获跟踪系统，促进传统激光通信捕获跟踪技术和捕跟系统设计方法的变革，具有重要的应用价值。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有液晶光学相控阵光束偏转控制精度受限问题，提供一种高精度光学相控捕跟系统，采用液晶相控阵和液晶光楔级联的方式，实现空间激光通信系统快速捕获、高精度跟踪。

本发明的技术方案是：一种高精度光学相控捕跟系统，包括液晶相控阵、液晶光楔、液晶光学相控阵波控器、液晶光楔波控器、偏振分束器、分束器、数据发射模块和数据接收模块、粗捕获探测模块、精跟踪探测模块；液晶光学相控阵和液晶光楔相互平行，并与入射光光轴垂直放置；所述液晶光学相控阵和液晶光楔通光口径相同，液晶光学相控阵和液晶光楔光轴重合；在空间激光通信链路的激光发射终端，光发射模块发出的光束依次通过液晶光楔和液晶光学相控阵，液晶光学相控阵根据预先设定的扫描方式控制光束对预置不确定区进行扫描，空间激光通信链路的激光接收终端接收到激光发射终端发出的光信号后向光发射终端发送光信号，对激光发射端进行波束扫描。激光发射终端接收到的光信号依次经过液晶相控阵、液晶光楔后，被偏振分束器分为两束，一束送入数据接收模块，对获取的光信号进行数据接收处理；另一束送入分束器，再由分束器分为两束后，分别送入粗捕获探测模块和精跟踪探测模块；粗捕获探测模块实时探测激光接收终端发出光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算获得接收光信号的光斑位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号，送至液晶光学相控阵波控器；液晶光学相控阵波控器将角度偏转信号转化为液晶光学相控阵的波控电压，控制液晶光学相控阵对发射光束进行光束偏转控制，进一步降低粗捕获探测模块的光斑位置误差；精跟踪探测模块实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，并根据光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算获得接收光信号的位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号送给液晶光楔波控机，液晶光楔波控机将角度偏转信号转换为液晶光楔的驱动电压，控制液晶光楔对激光接收终端发出的光信号进行高精度连续偏转控制，进一步降低跟踪误差，将跟踪位置误差控制到发射端和接收端建立有效光通信链路误差阈值内。

所述的液晶光楔为一个斜劈形状的液晶盒，包括上透明基板和下透明基板、基板上电极层和基板下电极层；基板上电极层和基板下电极层分别粘在上透明基板和下透明基板上；基板上电极层的另一侧涂有聚酰亚胺取向层，基板下电极层的另一侧涂有聚酰亚胺取向层；基板上电极层和基板下电极层中间填充有液晶材料；基板上电极层和基板下电极层的一端通过第一圆形间隔子隔开，另一端通过第二圆形间隔子隔开，且第一圆形间隔子的半径小于第二圆形间隔子。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的一种高精度光学相控捕跟系统采用一个液晶光学相控阵作为粗捕获执行模块，在液晶光学相控阵光轴方向加载一个液晶光楔，液晶光楔作为空间激光通信系统的精跟踪执行模块，控制光束进行高精度、连续扫描。液晶光学相控阵和液晶光楔联合完成液晶光学相控阵的空间激光通信系统的捕获跟踪功能，实现离散扫描和连续扫描的结合，解决液晶光学相控阵作为捕跟控制模块光束偏转控制精度问题。

附图说明

图1为液晶相控阵和液晶光楔级联工作原理图；

图2为液晶相控阵原理示意图；

图3为液晶光楔结构示意图；

图4闪耀光栅粗扫原理相位分布图；

图5为偏转角度为0.1度的偏转测量结果；

图6为偏转角度为3度的偏转测量结果。

具体实施方式

本发明主要技术内容是基于液晶光学相控阵的大角度光束偏转控制和液晶光楔的高精度光束偏转控制特点，将液晶光学相控阵和液晶光楔级联在一起，完成空间激光通信链路的捕获跟踪，为空间激光通信链路提供一种高精度相控捕跟系统。

粗捕获探测模块和精跟踪探测模块主要由CCD等图像传感器及其位置误差处理模块构成，粗捕获探测模块和精跟踪探测模块的区别在于接收视场和位置误差传感精度；粗捕获探测模块为液晶光学相控阵提供粗捕获位置误差信号，精跟踪探测模块为液晶光楔提供精跟踪位置误差信号。粗捕获探测模块和精跟踪探测模块分别完成光束聚束、位置误差获取等功能，这部分与传统空间激光通信系统捕获跟踪模块相同。

液晶光学相控阵和液晶光楔的级联方法，具体步骤为：

步骤一：根据图1，采用一个液晶光学相控阵作为粗捕获执行模块，在液晶光学相控阵后加载一个液晶光楔，采用液晶光楔作为空间激光通信链路的精跟踪执行模块。液晶光学相控阵和液晶光楔及其波控器组成液晶光学相控阵天线，液晶光学相控阵天线接收和发射光束，光束发射光轴和光束接收光轴共轴；在沿光轴方向依次垂直于光轴放置透射式液晶光学相控阵和透射式液晶光楔；液晶光学相控阵和液晶光楔相互平行，并和光轴垂直；液晶光学相控阵和液晶光楔口径相同，光轴重合。液晶光学相控阵天线发射光束依次通过液晶光楔和液晶光学相控阵，液晶光学相控阵天线接收光束依次通过透射式液晶光学相控阵和透射式液晶光楔。

本发明粗捕获执行模块为液晶相控阵，液晶相控阵实质上是作为一个液晶闪耀光栅进行工作，器件核心是液晶盒。采用纯相位调制的方式实现类似于透射闪耀光栅的效果，如图2所示。液晶闪耀光栅的工作性能很大程度上由平行电极的控制能力决定。液晶闪耀光栅周期单元内多条电极的总宽度等效于光栅常数，通过改变电极数来改变光栅常数，实现衍射角度的变化，再通过调节周期单元内的电压分布，使某一级次的光被闪耀。为了使相位轮廓更加准确，电极的宽度不应小于电极间距的宽度。

本发明精跟踪执行模块为液晶光楔，如图3所示。所述的液晶光楔为一个斜劈形状的液晶盒，包括上透明基板1-1和下透明基板1-2、基板上电极层2-1和基板下电极层2-2；基板上电极层2-1和基板下电极层2-2分别粘在上透明基板1-1和下透明基板1-2上；基板上电极层2-1的另一侧涂有聚酰亚胺取向层3-1，基板下电极层2-2的另一侧涂有聚酰亚胺取向层3-2；基板上电极层2-1和基板下电极层2-2中间填充有液晶材料5；基板上电极层2-1和基板下电极层2-2的一端通过第一圆形间隔子4-1隔开，另一端通过第二圆形间隔子4-2隔开，且第一圆形间隔子4-1的半径小于第二圆形间隔子4-2。所述液晶光楔的液晶盒上下两透明基板的透明导电电极2-1和2-2在整个基板范围内均匀分布。通过精确控制所述液晶光楔的液晶盒的第一圆形间隔子4-1和第二圆形间隔子4-2的厚度，使液晶盒的上下两个基板上的取向膜层之间的间距产生一个斜劈状的均匀梯度分布，斜劈的斜率均匀一致，对入射光束产生的光程或相位呈现出一个均匀的斜坡分布。采用精密交流电压对液晶光楔进行驱动，电压的精度决定了液晶光楔扫描的角度精度。由于液晶光楔的结构是一个斜劈状的液晶盒，在光学性质上它可以等效为一个具有斜坡式折射率分布的棱镜。当施加的电压可编程变化时，液晶光楔产生的相位斜坡的斜率也会发生变化，从而可以控制入射光束通过液晶光楔后的偏转角度，实现光束的可编程高精度偏转和扫描。偏转精度优于1urad。

步骤二：沿入射光轴方向，在液晶光楔后面放置一个偏振分束器，偏振分束器将反向光束分为两部分，一部分送入数据接收模块，实现数据的接收处理。另一部分送入一分束器，再由分束器分为两部分，分别送入粗捕获探测模块和精跟踪探测模块，粗捕获探测模块和精跟踪探测模块主要由CCD(Charegecoupled device)等图像传感器及其位置误差处理模块构成，粗捕获探测模块和精跟踪探测模块的区别在于接收视场和位置误差传感精度；粗捕获探测模块为液晶光学相控阵提供粗捕获位置误差信号，精跟踪探测模块为液晶光楔提供精跟踪位置误差信号。粗捕获探测模块和精跟踪探测模块分别完成光束聚束、位置误差获取等功能，这部分与传统空间激光通信系统捕获跟踪模块相同。

基于液晶光学相控阵和液晶光楔的高精度光学相控捕获跟踪方法。空间激光通信链路由激光发射终端和激光接收终端组成。空间激光通信链路捕获跟踪过程主要分为粗捕获和精跟踪两部分，依次执行粗捕获和精跟踪流程，具体步骤为：

步骤三：在捕获的起始阶段，激光发射终端和激光接收终端各自的指向误差都很大，双端遵从主-从的过程进行相互捕获。激光发射终端首先根据轨道和平台特性，设定预置不确定区和光束扫描方式，由液晶光学相控阵对预置不确定区进行扫描。根据液晶光学相控阵闪耀光栅原理，液晶光学相控阵相位分布如图4所示，图中Φ表示相位，x表示光束偏转方向平面内液晶相控阵相位分布。光发射模块发出的发射光束依次通过液晶光楔和液晶光学相控阵，液晶光学相控阵根据图4所示的相位分布对发射光束的光相位进行相位控制，将发射光束发送到激光接收终端的预置不确定区，并预置不确定区进行矩形螺旋等形式的光束扫描。发射光束到达并进入激光接收终端后，激光接收终端检测到激光接收终端发出的发射光信号。激光接收终端接收到激光发射终端发出的发射光信号后向激光发射终端发送光信号，对激光发射终端进行扫描，并调节激光接收终端天线指向，进一步降低双端对准误差。

步骤四：激光发射终端的粗捕获探测模块实时探测接收光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率。粗捕获探测模块接收到激光接收终端发送的光信号后，由图像传感器将光信号转换为电信号，位置误差处理模块根据光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率计算接收光信号的光斑位置误差，并将位置误差信号转换为光束角度偏转信号，送给液晶光学相控阵波控器。液晶光学相控阵波控器将角度偏转信号转化为液晶光学相控阵的波控电压，并将波控电压发送给液晶光学相控阵，液晶光学相控阵根据粗捕获探测模块提供的位置误差信号控制光束对预置不确定区进行扫描。

步骤五：激光发射终端的精跟踪探测模块接收到激光接收终端发送的光信号后，粗捕获过程转到精跟踪过程，精跟踪过程由液晶光楔作为精跟踪光束偏转控制执行模块。由图像传感器将光信号转换为电信号，位置误差处理模块根据光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率计算接收光信号的光斑位置误差，并将位置误差信号转换为光束角度偏转信号。送给液晶光楔波控机，液晶光楔波控机将角度偏转信号转换为液晶光楔的驱动电压，控制液晶光楔对接收光束进行高精度连续偏转控制，进一步降低跟踪误差，将跟踪位置误差控制在建立空间激光通信链路的误差容限内。

根据本专利的具体实施方式，建立了基于液晶光学相控阵和液晶光楔级联的捕获跟踪试验系统。在4度范围内测量了捕获跟踪试验系统的光束偏转误差，图5给出了偏转角度为0.01度时的光束偏转误差测量结果，图6给出了偏转角度为3度时的光束偏转误差测量结果。从测试结果可以看出，采用液晶光楔和液晶光学相控阵级联的高精度光学相控捕跟系统，可以实现偏转精度优于2微弧度的光束偏转控制。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种高精度光学相控捕跟系统，其特征在于：包括液晶相控阵、液晶光楔、液晶光学相控阵波控器、液晶光楔波控器、偏振分束器、分束器、数据发射模块和数据接收模块、粗捕获探测模块、精跟踪探测模块；液晶光学相控阵和液晶光楔相互平行，并与入射光光轴垂直放置；所述液晶光学相控阵和液晶光楔通光口径相同，液晶光学相控阵和液晶光楔光轴重合；在空间激光通信链路的激光发射终端，光发射模块发出的光束依次通过液晶光楔和液晶光学相控阵，液晶光学相控阵根据预先设定的扫描方式控制光束对预置不确定区进行扫描，空间激光通信链路的激光接收终端接收到激光发射终端发出的光信号后向光发射终端发送光信号，对激光发射端进行波束扫描；激光发射终端接收到的光信号依次经过液晶相控阵、液晶光楔后，被偏振分束器分为两束，一束送入数据接收模块，对获取的光信号进行数据接收处理；另一束送入分束器，再由分束器分为两束后，分别送入粗捕获探测模块和精跟踪探测模块；粗捕获探测模块实时探测激光接收终端发出光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算获得接收光信号的光斑位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号，送至液晶光学相控阵波控器和液晶光楔波控器；液晶光学相控阵波控器和液晶光楔波控器将角度偏转信号转化为液晶光学相控阵和液晶光楔波控器的波控电压，控制液晶光学相控阵对发射光束进行光束偏转控制，进一步降低粗捕获探测模块的光斑位置误差；精跟踪探测模块实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，并根据光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算获得接收光信号的位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号送给液晶光楔波控机，液晶光楔波控机将角度偏转信号转换为液晶光楔的驱动电压，控制液晶光楔对激光接收终端发出的光信号进行高精度连续偏转控制，进一步降低跟踪误差，将跟踪位置误差控制到发射端和接收端建立有效光通信链路误差阈值内。

2.根据权利要求1所述的一种高精度光学相控捕跟系统，其特征在于： 所述的液晶光楔为一个斜劈形状的液晶盒，包括上透明基板(1-1)和下透明基板(1-2)、基板上电极层(2-1)和基板下电极层(2-2)；基板上电极层(2-1)和基板下电极层(2-2)分别粘在上透明基板(1-1)和下透明基板(1-2)上；基板上电极层(2-1)的另一侧涂有聚酰亚胺取向层(3-1)，基板下电极层(2-2)的另一侧涂有聚酰亚胺取向层(3-2)；基板上电极层(2-1)和基板下电极层(2-2)中间填充有液晶材料(5)；基板上电极层(2-1)和基板下电极层(2-2)的一端通过第一圆形间隔子(4-1)隔开，另一端通过第二圆形间隔子(4-2)隔开，且第一圆形间隔子(4-1)的半径小于第二圆形间隔子(4-2)。