CN105356943B - 一种激光通信捕获跟踪系统及其捕跟方法 - Google Patents
一种激光通信捕获跟踪系统及其捕跟方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105356943B CN105356943B CN201510632978.4A CN201510632978A CN105356943B CN 105356943 B CN105356943 B CN 105356943B CN 201510632978 A CN201510632978 A CN 201510632978A CN 105356943 B CN105356943 B CN 105356943B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- liquid crystal
- msub
- sent
- light beam
- mrow
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/11—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum
- H04B10/118—Arrangements specific to free-space transmission, i.e. transmission through air or vacuum specially adapted for satellite communication
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/295—Analog deflection from or in an optical waveguide structure]
- G02F1/2955—Analog deflection from or in an optical waveguide structure] by controlled diffraction or phased-array beam steering
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
本发明公开了一种激光通信捕获跟踪系统，该系统将可变焦液晶透镜与液晶光学相控阵和液晶光楔相结合，在空间激光通信的捕获跟踪过程中实时检测粗捕获探测模块和精跟踪探测模块的接收功率，根据接收光功率的变化，由可变焦透镜动态控制激光通信系统的光束发散角，在捕获和跟踪过程对光束发散角进行自适应控制，在确保跟踪精度的同时，有效提高捕获时间。基于本发明的激光通信捕获跟踪系统，本发明还提供了一种液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的捕跟方法，通过通信双方各自的激光通信捕获跟踪系统建立激光通信链路。
Description
技术领域
本发明涉及液晶光学、衍射光学和空间激光通信等交叉技术领域，特别涉及一种激光通信捕获跟踪系统，以及基于该系统实现的液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的捕跟方法。
背景技术
近年来空间激光通信技术得到快速发展。随着空间激光通信技术的发展，数据传输速率越来越高，高速数传中继链路数据传输速率需要实现高达20Gbps的实时数据传输。中继卫星和中低轨卫星之间以及中低轨卫星之间卫星激光通信链路的建立，需要进行捕获、跟踪和对准(ATP)过程。其中ATP时间、特别是捕获时间直接影响高速实时数传链路的数据传输能力。2000年左右，法国地球观测卫星SPOT-4卫星(低轨卫星)与ESA通信卫星ARTEMIS卫星(高轨卫星)之间建立光学链路，捕获时间约为3分钟。2008年，德国建立了星间高速激光相干激光通信链路，将捕获时间降低到60秒。但是60秒的捕获时间对卫星高速激光通信系统而言仍然过长，如何进一步降低捕跟时间成为卫星激光通信系统需要突破的关键技术。目前建立的空间激光通信系统采用传统光学天线设计方法，光学天线一旦做好后，光束发散角就固定不变，不能充分利用捕获和跟踪探测器的灵敏度差，对光束发散角进行自适应控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种激光通信捕获跟踪系统，该系统将可变焦液晶透镜与液晶光学相控阵和液晶光楔相结合，在空间激光通信的捕获跟踪过程中实时检测粗捕获探测模块和精跟踪探测模块的接收功率，根据接收光功率的变化，由可变焦透镜动态控制激光通信系统的光束发散角，在捕获和跟踪过程对光束发散角进行自适应控制，在确保跟踪精度的同时，有效提高捕获时间。
基于本发明的激光通信捕获跟踪系统，本发明还提供了一种液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的捕跟方法，通过通信双方各自的激光通信捕获跟踪系统建立激光通信链路。
本发明的上述目的通过如下方案实现：
一种激光通信捕获跟踪系统包括数据发射模块、偏振分束器、第一分束器、第二分束器、捕获探测模块、跟踪探测模块、液晶光学相控阵天线和自适应控制器；其中：
数据发射模块：生成光束发散角为θM1的光信号并发送到偏振分束器；偏振分束器：对发射光束和接收光束进行分离，将从自适应液晶光学相控阵天线接收到的接收光束发送到第一分束器，并将从数据发射模块接收的发射光束发送到自适应液晶光学相控阵天线；第一分束器：接收偏振分束器发送的接收光束，并分为两份，其中一份发送到外部数据接收模块，另一份发送到第二分束器；第二分束器：将第一分束器发送的接收光束分为两份，其中一份发送到捕获探测模块，另一份发送到跟踪探测模块；捕获探测模块：对接收光束进行探测，得到视轴误差信号ec(t)和接收光功率Prc，并发送到自适应控制器；跟踪探测模块：对接收光束进行探测，得到视轴误差信号ef(t)和接收光功率Prf，并发送到自适应控制器；
液晶光学相控阵天线：包括液晶光学相控阵单元、液晶光楔单元和可变焦液晶透镜单元，所述三个单元依次分布同一直线上，光轴重合且口径相同；在光束发射过程中：可变焦液晶透镜单元接收偏振分束器发送的发射光束，并接收自适应控制器发送的光束发散角控制指令，按照所述控制指令调整发射光束的发散角，调整后的发射光束依次通过液晶光楔单元和液晶光学相控阵单元发送到通信端；在光束接收过程中：液晶光学相控阵单元接收通信端发送的光束，所述接收光束依次通过液晶光楔单元和可变焦液晶透镜单元，发送到偏振分束器；其中，在光捕获过程中，液晶光学相控阵单元还接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令，并按照所述指令进行视轴调整；在光跟踪过程中，液晶光楔单元还接收自适应控制发送的光束偏转控制指令，并按照所述指令进行视轴调整；
自适应控制器：在光捕获过程中，接收捕获探测模块发送的接收光功率Prc和视轴误差信号ec(t)；根据接收光功率Prc计算光束发散角θM2，并根据光束发散角θM2生成光束发散角控制指令，发送到可变焦液晶透镜单元；根据视轴误差信号ec(t)生成光束偏转控制指令，发送到液晶光学相控阵单元；在光跟踪过程中，接收跟踪探测模块发送的接收光功率Prf和视轴误差信号ef(t)；根据接收光功率Prf计算光束发散角θM2，并根据光束发散角θM2生成光束发散角控制指令，发送到可变焦液晶透镜单元；根据视轴误差信号ef(t)生成光束偏转控制指令，发送到液晶光楔单元。
在上述的激光通信捕获跟踪系统中，如果捕获探测模块计算得到的接收光功率Prc满足如下条件：Prc≥Pdc，则确定所述激光通信捕获跟踪系统进入光捕获过程；如果跟踪探测模块计算得到的接收光功率Prf满足如下条件：Prf≥Pdf，则确定所述激光通信捕获跟踪系统进入光跟踪过程；其中，Pdc和Pdf分别为设定的捕获灵敏度和跟踪灵敏度。
在上述的激光通信捕获跟踪系统中，在捕获或跟踪过程中，数据发射模块生成且发送的光信号为未调制信标的非调制信号；当跟踪探测模块计算得到的视轴误差信号ef(t)满足如下条件时：|ef(t)|≤Eth，则自适应控制器发送控制指令到数据发射模块，所述数据发射模块生成并发送调制光信号，且自适应控制器不再向可变焦液晶透镜单元发送光束发散角控制指令，即液晶光学相控阵天线发射发散角为θM1的调制光信号到通信端进行激光通信，且外部数据接收模块根据第一分束器输出的接收光束进行通信数据处理；其中，Eth为设定的建立激光通信链路的视轴误差门限。
在上述的激光通信捕获跟踪系统中，液晶光学相控阵单元包括液晶光学相控阵和液晶相控阵波控器，其中液晶相控阵波控器接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令，将所述指令转换为液晶光学相控阵的波控电压Uc(t)，液晶光学相控阵在所述波控电压Uc(t)的控制下调整视轴。
在上述的激光通信捕获跟踪系统中，液晶光楔单元包括液晶光楔和液晶光楔波控器，其中液晶光楔波控器接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令，将所述指令转换为液晶光楔的波控电压Uf(t)，液晶光楔在所述波控电压Uf(t)的控制下调整视轴。
在上述的激光通信捕获跟踪系统中，可变焦液晶透镜单元包括可变焦液晶透镜和可变焦透镜波控器，其中可变焦透镜波控器接收自适应控制器发送的发散角控制指令，将所述指令转换为波控电压Un(t)，可变焦液晶透镜在所述波控电压Un(t)的控制下将发射光束的发散角调整为θM2。
在上述的激光通信捕获跟踪系统中，在光捕获过程中，自适应控制器根据接收光功率Prc计算光束发散角θM2，具体计算公式如下：
其中：Pt为设定的发射光功率；ηt为设定的发射天线效率；ηr为设定的接收天线效率；Lwf为设定的波前畸变损耗；Lpt为设定的发射瞄准损耗；Ld为设定的空间几何损耗；Gr为设定的接收天线增益；PMc为设定的捕获链路余量。
在上述的激光通信捕获跟踪系统中，在光跟踪过程中，自适应控制器根据接收光功率Prf计算光束发散角θM2，具体计算公式如下：
其中：Pt为设定的发射光功率；ηt为设定的发射天线效率；ηr为设定的接收天线效率；Lwf为设定的波前畸变损耗；Lpt为设定的发射瞄准损耗；Ld为设定的空间几何损耗；Gr为设定的接收天线增益；PMf为设定的跟踪链路余量。
基于上述激光通信捕获跟踪系统，进行液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的捕跟方法，用于在主动终端M和从动终端S之间建立空间激光通信链路，具体包括如下步骤：
(1)、主动终端M的激光通信捕获跟踪系统发射非调制光信号的光束，对从动终端S的预置不确定区域进行扫描；其中，所述激光通信捕获跟踪系统的自适应控制器根据捕获探测模块发送的接收光信号功率计算发射光束的发散角，并通过控制可变焦透镜单元实现发射光束的发散角调整；同时所述自适应控制根据捕获探测模块发送的视轴误差信号生成光束偏转控制指令，发送到液晶光学相控阵单元，由液晶光学相控阵单元实现视轴调整，发射光束对从动终端S的预置不确定区域进行扫描；
(2)、当从动终端S的捕获探测模块接收到主动终端M发送的光信号，且所述光信号功率达到所述捕获探测模块的灵敏度时，从动终端S的激光通信捕获跟踪系统向主动终端M发送非调制光信号；
(3)、主动终端M和从动终端S各自根据捕获探测模块计算得到的接收光收信号功率和视轴误差信号，调整发射光束的发散角和视轴；
(4)、当主动终端M和从动终端S的跟踪探测模块接收到光信号功率达到各自跟踪探测模块的灵敏度时，开始由跟踪探测模块计算得到的接收光收信号功率和视轴误差信号，调整发射光束的发散角和视轴；
(5)、当主动终端M和从动终端S的跟踪探测模块计算得到的视轴误差信号低于设定门限值时，自适应控制器不再对发射光束的发散角进行调整并且两个通信端互相发送调制光信号进行激光通信。
上述的液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的捕跟方法，在步骤(1)中，主动终端M的自适应控制器根据卫星星历表和轨道参数计算从动终端S的预置不确定区Ω。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明的激光通信捕获跟踪系统，采用在液晶光学相控阵天线中，设置可变焦液晶透镜，该透镜可以根据接收光信号的功率实时调整发射光束的发散角，即在捕获和跟踪过程对光束发散角进行自适应控制，从而在确保跟踪精度的同时，有效提高了捕获时间；
(2)、本发明的激光通信捕获跟踪系统，在液晶光学相控阵天线中，以液晶光学相控阵作为捕获的执行机构，实现视轴的粗调，而以液晶光楔作为跟踪的执行机构，实现光轴的精调，从而确保该系统的捕获跟踪精度；
(3)、本发明的液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的捕跟方法，在通信双方中应用激光通信捕获跟踪系统，从而快速地在两个通信端之间建立激光通信链路。
附图说明
图1本发明激光通信捕获跟踪系统的组成框图；
图2本发明的可变焦液晶透镜控制光束发散角的相位分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示的系统组成框图，本发明提供的激光通信捕获跟踪系统包括数据发射模块、偏振分束器、第一分束器、第二分束器、捕获探测模块、跟踪探测模块、液晶光学相控阵天线和自适应控制器。其中，液晶光学相控阵天线包括液晶光学相控阵、液晶相控阵波控器、液晶光楔、液晶光楔波控器、可变焦液晶透镜和可变焦透镜波控器。
(一)系统组成
(1)、数据发射模块
在本发明的激光通信捕获跟踪系统中，通过数据发射模块生成光束发散角为θM1的光信号到偏振分束器。其中在捕获跟踪过程中，该模块生成的无信标的非调制信号，当跟踪探测模块计算得到的视轴误差信号ef(t)满足如下条件时：|ef(t)|≤Eth，则自适应控制器发送控制指令到数据发射模块，该数据发射模块生成并发送调制光信号，且自适应控制器不再向可变焦液晶透镜单元发送光束发散角控制指令，即液晶光学相控阵天线发射发散角为θM1的调制光信号到通信端进行激光通信，且外部数据接收模块根据第一分束器输出的接收光束进行通信数据处理；其中，Eth为设定的建立激光通信链路的视轴误差门限。
(2)、分束器
在本发明的激光通信捕获跟踪系统中，包括一个偏振分束器和两个分束器。其中，偏振分束器用于对发射光束和接收光束进行分离，将从自适应液晶光学相控阵天线接收到的接收光束发送到第一分束器，并将从数据发射模块接收的发射光束发送到自适应液晶光学相控阵天线。第一分束器接收偏振分束器发送的接收光束并分为两份，其中一份发送到外部数据接收模块，另一份发送到第二分束器。第二分束器将第一分束器发送的接收光束分为两份，其中一份发送到捕获探测模块，另一份发送到跟踪探测模块。
(3)、捕获探测模块和跟踪探测模块
在本发明的激光通信捕获跟踪系统中，捕获探测模块用于实现光信号捕获，其中该模块的探测器探测接收光斑位置和功率分布，得到接收光功率Prc；该模块的信号处理单元采用位置算法(重心算法或形心算法)计算接收光信号的视轴误差信号ec(t)，然后将视轴误差信号ec(t)和接收光功率Prc发送到自适应控制器。
在本发明的激光通信捕获跟踪系统中，跟踪探测模块用于实现光信号的跟踪。其中，该模块的探测器探测接收光斑位置和功率分布，得到接收光功率Prf；该模块的信号处理单元计算得到视轴误差信号ef(t)；然后将视轴误差信号ef(t)和接收光功率Prf发送到自适应控制器。
在捕获跟踪过程中，如果捕获探测模块计算得到的接收光功率Prc满足如下条件：Prc≥Pdc，则确定所述激光通信捕获跟踪系统进入光捕获过程；如果跟踪探测模块计算得到的接收光功率Prf满足如下条件：Prf≥Pdf，则确定所述激光通信捕获跟踪系统进入光跟踪过程；其中，Pdc和Pdf分别为设定的捕获灵敏度和跟踪灵敏度。
(4)、液晶光学相控阵天线
液晶光学相控阵天线包括液晶光学相控阵天线包括液晶光学相控阵、液晶相控阵波控器、液晶光楔、液晶光楔波控器、可变焦液晶透镜和可变焦透镜波控器。其中，液晶光学相控阵、液晶光楔、可变焦液晶透镜依次分布同一直线上，光轴重合且口径相同。
在光束发射过程中：可变焦液晶透镜接收偏振分束器发送的发射光束，可变焦透镜波控器接收自适应控制器发送的发散角控制指令，将该指令转换为波控电压Un(t)，可变焦液晶透镜在所述波控电压Un(t)的控制下对发射光束的发散角进行调整。调整后的发射光束依次通过液晶光楔和液晶光学相控阵发送到对方通信端。但当跟踪探测模块计算得到的视轴误差信号ef(t)满足如下条件时：|ef(t)|≤Eth，则自适应控制器不再向可变焦液晶透镜发送光束发散角控制指令，即不进行发射光束发散角调整。在整个捕获跟踪过程中，可变焦液晶透镜控制发射光束的发散角变化曲线如图2所示。
在光束接收过程中：液晶光学相控阵单元接收通信端发送的光束，所述接收光束依次通过液晶光楔单元和可变焦液晶透镜单元，发送到偏振分束器。
其中：在光捕获过程中，液晶光学相控阵作为执行机构，液晶相控阵波控器接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令，将该指令转换为液晶光学相控阵的波控电压Uc(t)，液晶光学相控阵在该波控电压Uc(t)的控制下进行视轴调整。在光跟踪过程中，液晶光楔作为执行机构，液晶光楔波控器接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令，将该指令转换为液晶光楔的波控电压Uf(t)，液晶光楔在该波控电压Uf(t)的控制下进行视轴调整。
(5)、自适应控制器
自适应控制器作为激光通信跟踪系统的计算控制中心，实时接收和处理捕获探测模块和跟踪探测模块发送的视轴误差信号和接收信号功率，用于控制可变焦液晶透镜、液晶光学相控阵和液晶光楔。
在光捕获过程中，自适应控制器接收捕获探测模块发送的接收光功率Prc和视轴误差信号ec(t)；根据接收光功率Prc计算光束发散角θM2，并根据光束发散角θM2生成光束发散角控制指令，发送到可变焦液晶透镜波控器。同时根据视轴误差信号ec(t)生成光束偏转控制指令，发送到液晶相控阵波控器。其中，自适应控制器根据接收光功率Prc计算光束发散角θM2的具体计算公式如下：
其中：Pt为设定的发射光功率；ηt为设定的发射天线效率；ηr为设定的接收天线效率；Lwf为设定的波前畸变损耗；Lpt为设定的发射瞄准损耗；Ld为设定的空间几何损耗；Gr为设定的接收天线增益；PMc为设定的捕获链路余量。
在光跟踪过程中，自适应控制器接收跟踪探测模块发送的接收光功率Prf和视轴误差信号ef(t)；根据接收光功率Prf计算光束发散角θM2，并根据光束发散角θM2生成光束发散角控制指令，发送到可变焦液晶透镜波控器。同时根据视轴误差信号ef(t)生成光束偏转控制指令，发送到液晶光楔波控器。其中，自适应控制器根据接收光功率Prf计算光束发散角θM2，具体计算公式如下：
其中：Pt为设定的发射光功率；ηt为设定的发射天线效率；ηr为设定的接收天线效率；Lwf为设定的波前畸变损耗；Lpt为设定的发射瞄准损耗；Ld为设定的空间几何损耗；Gr为设定的接收天线增益；PMf为设定的跟踪链路余量。
(二)、捕跟方法
基于本发明的激光通信捕获跟踪系统，进行液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的捕跟方法，可用于在主动终端M和从动终端S之间建立空间激光通信链路。这两个终端具有各自的激光通信捕获跟踪系统。
该捕跟方法的具体实现步骤如下：
(1)、主动终端M的激光通信捕获跟踪系统发射非调制光信号的光束，对从动终端S的预置不确定区域进行扫描；其中，所述激光通信捕获跟踪系统的自适应控制器根据捕获探测模块发送的接收光信号功率计算发射光束的发散角，并通过控制可变焦透镜单元实现发射光束的发散角调整；同时所述自适应控制根据捕获探测模块发送的视轴误差信号生成光束偏转控制指令，发送到液晶光学相控阵单元，由液晶光学相控阵单元实现视轴调整，发射光束对从动终端S的预置不确定区域进行扫描；
(2)、当从动终端S的捕获探测模块接收到主动终端M发送的光信号，且所述光信号功率达到所述捕获探测模块的灵敏度时，从动终端S的激光通信捕获跟踪系统向主动终端M发送非调制光信号；
(3)、主动终端M和从动终端S各自根据捕获探测模块计算得到的接收光收信号功率和视轴误差信号，调整发射光束的发散角和视轴；
(4)、当主动终端M和从动终端S的跟踪探测模块接收到光信号功率达到各自跟踪探测模块的灵敏度时，开始由跟踪探测模块计算得到的接收光收信号功率和视轴误差信号，调整发射光束的发散角和视轴；
(5)、当主动终端M和从动终端S的跟踪探测模块计算得到的视轴误差信号低于设定门限值时，自适应控制器不再对发射光束的发散角进行调整并且两个通信端互相发送调制光信号进行激光通信。
其中，在步骤(1)中，主动终端M的自适应控制器根据卫星星历表和轨道参数计算从动终端S的预置不确定区Ω。
一旦激光通信链路中断，自适应控制器根据粗捕获探测器和精跟踪探测获取的视轴误差信号，从步骤(1)开始控制液晶光学相控阵天线重新进行捕获跟踪。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：包括数据发射模块、偏振分束器、第一分束器、第二分束器、捕获探测模块、跟踪探测模块、液晶光学相控阵天线和自适应控制器；其中：
数据发射模块：生成光束发散角为θM1的光信号并发送到偏振分束器；偏振分束器：对发射光束和接收光束进行分离，将从自适应液晶光学相控阵天线接收到的接收光束发送到第一分束器，并将从数据发射模块接收的发射光束发送到自适应液晶光学相控阵天线；第一分束器：接收偏振分束器发送的接收光束，并分为两份，其中一份发送到外部数据接收模块，另一份发送到第二分束器；第二分束器：将第一分束器发送的接收光束分为两份，其中一份发送到捕获探测模块，另一份发送到跟踪探测模块；捕获探测模块：对接收光束进行探测，得到视轴误差信号ec(t)和接收光功率Prc，并发送到自适应控制器；跟踪探测模块：对接收光束进行探测，得到视轴误差信号ef(t)和接收光功率Prf，并发送到自适应控制器；
液晶光学相控阵天线：包括液晶光学相控阵单元、液晶光楔单元和可变焦液晶透镜单元，所述三个单元依次分布同一直线上，光轴重合且口径相同；在光束发射过程中：可变焦液晶透镜单元接收偏振分束器发送的发射光束，并接收自适应控制器发送的光束发散角控制指令，按照所述光束发散角控制指令调整发射光束的发散角，调整后的发射光束依次通过液晶光楔单元和液晶光学相控阵单元发送到通信端；在光束接收过程中：液晶光学相控阵单元接收通信端发送的光束，所述接收光束依次通过液晶光楔单元和可变焦液晶透镜单元，发送到偏振分束器；其中，在光捕获过程中，液晶光学相控阵单元还接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令，并按照所述光束偏转控制指令进行视轴调整；在光跟踪过程中，液晶光楔单元还接收自适应控制发送的光束偏转控制指令，并按照所述光束偏转控制指令进行视轴调整；
自适应控制器：在光捕获过程中，接收捕获探测模块发送的接收光功率Prc和视轴误差信号ec(t)；根据接收光功率Prc计算光束发散角θM2，并根据光束发散角θM2生成光束发散角控制指令，发送到可变焦液晶透镜单元；根据视轴误差信号ec(t)生成光束偏转控制指令，发送到液晶光学相控阵单元；在光跟踪过程中，接收跟踪探测模块发送的接收光功率Prf和视轴误差信号ef(t)；根据接收光功率Prf计算光束发散角θM2，并根据光束发散角θM2生成光束发散角控制指令，发送到可变焦液晶透镜单元；根据视轴误差信号ef(t)生成光束偏转控制指令，发送到液晶光楔单元。
2.根据权利要求1所述的一种激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：如果捕获探测模块计算得到的接收光功率Prc满足如下条件：Prc≥Pdc，则确定所述激光通信捕获跟踪系统进入光捕获过程；如果跟踪探测模块计算得到的接收光功率Prf满足如下条件：Prf≥Pdf，则确定所述激光通信捕获跟踪系统进入光跟踪过程；其中，Pdc和Pdf分别为设定的捕获灵敏度和跟踪灵敏度。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：在捕获或跟踪过程中，数据发射模块生成且发送的光信号为未调制信标的非调制信号；当跟踪探测模块计算得到的视轴误差信号ef(t)满足如下条件时：|ef(t)|≤Eth，则自适应控制器发送控制指令到数据发射模块，所述数据发射模块生成并发送调制光信号，且自适应控制器不再向可变焦液晶透镜单元发送光束发散角控制指令，即液晶光学相控阵天线发射发散角为θM1的调制光信号到通信端进行激光通信，且外部数据接收模块根据第一分束器输出的接收光束进行通信数据处理；其中，Eth为设定的建立激光通信链路的视轴误差门限。
4.根据权利要求1所述的一种激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：液晶光学相控阵单元包括液晶光学相控阵和液晶相控阵波控器，其中液晶相控阵波控器接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令，将所述光束偏转控制指令转换为液晶光学相控阵的波控电压Uc(t)，液晶光学相控阵在所述波控电压Uc(t)的控制下调整视轴。
5.根据权利要求1所述的一种激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：液晶光楔单元包括液晶光楔和液晶光楔波控器，其中液晶光楔波控器接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令，将所述光束偏转控制指令转换为液晶光楔的波控电压Uf(t)，液晶光楔在所述波控电压Uf(t)的控制下调整视轴。
6.根据权利要求1所述的一种激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：可变焦液晶透镜单元包括可变焦液晶透镜和可变焦透镜波控器，其中可变焦透镜波控器接收自适应控制器发送的发散角控制指令，将所述发散角控制指令转换为波控电压Un(t)，可变焦液晶透镜在所述波控电压Un(t)的控制下将发射光束的发散角调整为θM2。
7.根据权利要求1所述的一种激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：在光捕获过程中，自适应控制器根据接收光功率Prc计算光束发散角θM2，具体计算公式如下：
<mrow>
<mfrac>
<mn>32</mn>
<msubsup>
<mi>&theta;</mi>
<mrow>
<mi>M</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>M</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>c</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<msub>
<mi>L</mi>
<mrow>
<mi>w</mi>
<mi>f</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>L</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>L</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<msub>
<mi>G</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中：Pt为设定的发射光功率；ηt为设定的发射天线效率；ηr为设定的接收天线效率；Lwf为设定的波前畸变损耗；Lpt为设定的发射瞄准损耗；Ld为设定的空间几何损耗；Gr为设定的接收天线增益；PMc为设定的捕获链路余量。
8.根据权利要求1所述的一种激光通信捕获跟踪系统，其特征在于：在光跟踪过程中，自适应控制器根据接收光功率Prf计算光束发散角θM2，具体计算公式如下：
<mrow>
<mfrac>
<mn>32</mn>
<msubsup>
<mi>&theta;</mi>
<mrow>
<mi>M</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>M</mi>
<mi>f</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>f</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>t</mi>
</msub>
<msub>
<mi>L</mi>
<mrow>
<mi>w</mi>
<mi>f</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>L</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
<msub>
<mi>L</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<msub>
<mi>G</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中：Pt为设定的发射光功率；ηt为设定的发射天线效率；ηr为设定的接收天线效率；Lwf为设定的波前畸变损耗；Lpt为设定的发射瞄准损耗；Ld为设定的空间几何损耗；Gr为设定的接收天线增益；PMf为设定的跟踪链路余量。
9.根据权利要求1所述的一种激光通信捕获跟踪系统进行液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的捕跟方法，用于在主动终端M和从动终端S之间建立空间激光通信链路，其特征在包括如下步骤：
(1)、主动终端M的激光通信捕获跟踪系统发射非调制光信号的光束，对从动终端S的预置不确定区域进行扫描；其中，所述激光通信捕获跟踪系统的自适应控制器根据捕获探测模块发送的接收光信号功率计算发射光束的发散角，并通过控制可变焦透镜单元实现发射光束的发散角调整；同时所述自适应控制根据捕获探测模块发送的视轴误差信号生成光束偏转控制指令，发送到液晶光学相控阵单元，由液晶光学相控阵单元实现视轴调整，发射光束对从动终端S的预置不确定区域进行扫描；
(2)、当从动终端S的捕获探测模块接收到主动终端M发送的光信号，且所述光信号功率达到所述捕获探测模块的灵敏度时，从动终端S的激光通信捕获跟踪系统向主动终端M发送非调制光信号；
(3)、主动终端M和从动终端S各自根据捕获探测模块计算得到的接收光收信号功率和视轴误差信号，调整发射光束的发散角和视轴；
(4)、当主动终端M和从动终端S的跟踪探测模块接收到光信号功率达到各自跟踪探测模块的灵敏度时，开始由跟踪探测模块计算得到的接收光收信号功率和视轴误差信号，调整发射光束的发散角和视轴；
(5)、当主动终端M和从动终端S的跟踪探测模块计算得到的视轴误差信号低于设定门限值时，自适应控制器不再对发射光束的发散角进行调整并且两个通信端互相发送调制光信号进行激光通信。
10.根据权利要求9所述的一种液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的捕跟方法，其特征在于：在步骤(1)中，主动终端M的自适应控制器根据卫星星历表和轨道参数计算从动终端S的预置不确定区Ω。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510632978.4A CN105356943B (zh) | 2015-09-29 | 2015-09-29 | 一种激光通信捕获跟踪系统及其捕跟方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510632978.4A CN105356943B (zh) | 2015-09-29 | 2015-09-29 | 一种激光通信捕获跟踪系统及其捕跟方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105356943A CN105356943A (zh) | 2016-02-24 |
| CN105356943B true CN105356943B (zh) | 2017-12-22 |
Family
ID=55332834
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510632978.4A Active CN105356943B (zh) | 2015-09-29 | 2015-09-29 | 一种激光通信捕获跟踪系统及其捕跟方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105356943B (zh) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106054490B (zh) * | 2016-07-29 | 2018-12-21 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统 |
| CN106444209B (zh) * | 2016-09-18 | 2020-05-19 | 电子科技大学 | 一种消偏振的激光相控阵波束扫描系统及方法 |
| EP3639410A4 (en) * | 2017-06-14 | 2021-03-17 | Transcelestial Technologies Pte Ltd | HIGH SPEED COMMUNICATION SYSTEM AND METHOD |
| CN108183750B (zh) * | 2017-12-28 | 2020-04-24 | 长春理工大学 | 一种基于光学相控阵的分口径激光通信光端机 |
| CN109495175B (zh) * | 2018-11-07 | 2020-05-15 | 长沙天仪空间科技研究院有限公司 | 一种基于卫星的激光通信系统 |
| CN109889261A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-06-14 | 上海卫星工程研究所 | 一种基于束散角调整的低轨卫星跟瞄优化策略及系统 |
| CN110233665B (zh) * | 2019-05-28 | 2022-04-12 | 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） | 射频/激光协同快速捕获跟踪对准方法 |
| CN110572210A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-12-13 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种波束灵活控制的多用户激光通信系统及方法 |
| CN110401483B (zh) * | 2019-08-07 | 2020-11-20 | 长春理工大学 | 一种激光通信装置及方法 |
| CN110830116B (zh) * | 2019-11-26 | 2020-12-15 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种无线光通信收/发射终端及中继、时分收/发方法 |
| EP4170932A1 (en) * | 2020-06-19 | 2023-04-26 | Toyo Electric Corporation | Spatial light transmission device |
| CN111970058B (zh) * | 2020-09-22 | 2023-07-07 | 长春理工大学 | 一种基于无信标的星间激光通信快速捕获方法 |
| CN112600586B (zh) * | 2021-03-05 | 2021-05-28 | 北京永为正信电子技术发展有限公司 | 通信终端设备 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102324962A (zh) * | 2011-05-31 | 2012-01-18 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种卫星光通信捕获跟踪处理方法 |
| CN103916183A (zh) * | 2014-04-16 | 2014-07-09 | 电子科技大学 | 一种基于激光相控技术的快速捕获系统及方法 |
| CN104092494A (zh) * | 2014-06-24 | 2014-10-08 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种高精度光学相控捕跟系统 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9800332B2 (en) * | 2013-12-27 | 2017-10-24 | Space Photonics, Inc. | Acquisition, tracking, and pointing apparatus for free space optical communications with moving focal plane array |
-
2015
- 2015-09-29 CN CN201510632978.4A patent/CN105356943B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102324962A (zh) * | 2011-05-31 | 2012-01-18 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种卫星光通信捕获跟踪处理方法 |
| CN103916183A (zh) * | 2014-04-16 | 2014-07-09 | 电子科技大学 | 一种基于激光相控技术的快速捕获系统及方法 |
| CN104092494A (zh) * | 2014-06-24 | 2014-10-08 | 西安空间无线电技术研究所 | 一种高精度光学相控捕跟系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Liquid crystal optical phased array device with a fine steering precision of a few micro-radians;Xiangru Wang 等;《Optics Communications》;20140215;第360-364页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105356943A (zh) | 2016-02-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105356943B (zh) | 一种激光通信捕获跟踪系统及其捕跟方法 | |
| CN104834148B (zh) | 一种双向四波束液晶光学相控阵天线及其多用户通信方法 | |
| CN102324962B (zh) | 一种卫星光通信捕获跟踪处理方法 | |
| Liao et al. | Space-to-ground quantum key distribution using a small-sized payload on Tiangong-2 space lab | |
| EP3100380B1 (en) | Free-space optical communications for mobile devices | |
| CN106767543B (zh) | 一种基于四象限探测器的光斑对准方法 | |
| CN110233665A (zh) | 射频/激光协同快速捕获跟踪对准方法 | |
| CN108712216A (zh) | 轨道角动量光通信中的空间相位补偿系统及其方法 | |
| CN104393930A (zh) | 一种基于自适应光学技术提高空间相干光通信质量的装置 | |
| CN108923859B (zh) | 一种基于电光偏转的相干跟踪装置及方法 | |
| CN104539372B (zh) | 一种快速对准的远距离激光大气通信接收装置及通信方法 | |
| CN110739994B (zh) | 一种自由空间光通信链路建立方法 | |
| CN106018290B (zh) | 用于海雾环境观测的双波段主动偏振目标识别系统 | |
| CN109682465A (zh) | 一种轨道角动量空间光通信系统下的单强度探测自适应光学系统 | |
| CN103592756A (zh) | 一种共孔径光束二维定位跟踪方法及装置 | |
| CN110995343A (zh) | 一种用于水平激光通信的强湍流实时探测和校正方法 | |
| CN109698721A (zh) | 一种卫星激光通信系统 | |
| US20230155687A1 (en) | Optical emission apparatus, optical communication system, and optical communication method | |
| CN101399610A (zh) | 一种大气激光通信系统视轴自动修正方法 | |
| Ke et al. | Airborne laser communication system with automated tracking | |
| CN112235045A (zh) | 一种非直视自由空间光通信的对准装置及其对准方法 | |
| US10298327B1 (en) | Pointing control with fiber nutation | |
| CN110289904B (zh) | 逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制方法和装置 | |
| Bart et al. | Deep learning for enhanced free-space optical communications | |
| CN109782268A (zh) | 基于相控阵和差波束测角的目标跟踪捕获方法及装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |