CN106154681A - 一种激光相控阵多波束形成系统及方法 - Google Patents

一种激光相控阵多波束形成系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光相控阵多波束形成方法及系统，所述系统，具体包括：激光器、偏振分光棱镜、扩束镜、第一液晶光学相控阵、4f光学系统以及第二液晶光学相控阵。所述激光器的出射激光束依次经过偏振分光棱镜、扩束镜、第一液晶光学相控阵、4f光学系统和第二液晶光学相控阵；为实现任意多波束的形成和偏转，本发明通过将两个液晶光学相控阵级联的方式，其中一个相控阵作为振幅调制器，另一个相控阵作为相位调制器，并采用4f系统对二者的移相单元进行精确对位。本发明通过精确控制液晶光学相控阵的幅度和相位调制的方式，能够实现任意波束数目的形成和随机指向。

Description

一种激光相控阵多波束形成系统及方法
技术领域
本发明属于激光相控技术、液晶光电子器件技术领域，具体涉及一种激光相控阵多波束形成方法及系统。
背景技术
近年来，基于相控体制的激光偏转技术在空间激光通信、激光雷达等领域得到越来越深入的发展。目前的激光束偏转技术有机械式和非机械式两类，机械式方法主要通过万向节等设备实现，其响应速度慢、控制精度低和灵活性较差，难以满足快速捕获、高精度跟踪、多波束控制的应用需求。非机械式方法则是采用激光相控阵列电控方式来实现，通过相位控制能够实现精确的波束形成和指向偏转，相比于机械式方法而言，其波束偏转具有很高的捷便性和灵活性，具有体积小、重量轻、功耗低，响应速度快和偏转精度高等优点。
多波束的形成能力对于激光相控阵的应用具有重要的意义。多波束的形成使得相控阵在空域实现多目标的同时扫描和跟踪，能够提高相控阵雷达的搜索与跟踪数据率以及波束自适应能力等。将其应用于卫星通信系统，可以实现多用户同时接入与通信，从而实现空间多用户动态组网。
液晶光学相控阵(LCOPA)是采用液晶作为相位调制的电光材料，其具备指向精度高、驱动电压低、有效像素多等优势，成为激光相控技术的重要研究方向。通过对相控单元的合理控制，将相控阵的孔径面进行划分，并对每个子孔径单独的相位控制，从而形成多个子孔径光束。该方法称为子孔径法，但孔径的减小将直接导致子波束宽度的增大，从而降低子波束的效率和扫描精度。本发明提出一种激光相控阵多波束形成方法和系统，该方法仅采用两个液晶光学相控阵级联，前者作为振幅调制器，后者作为相位调制器，实现任意波束数目的形成和随机指向。
发明内容
本发明的目的是在上述背景技术基础上，提出一种激光相控阵多波束形成系统。
本发明的技术方案为：一种激光相控阵多波束形成系统，具体包括：激光器、偏振分光棱镜、扩束镜、第一液晶光学相控阵、4f光学系统以及第二液晶光学相控阵，所述激光器的出射激光束依次经过偏振分光棱镜、扩束镜、第一液晶光学相控阵、4f光学系统和第二液晶光学相控阵；光束偏振方向与液晶光学相控阵光轴方向一致，所述第一液晶光学相控阵和第二液晶光学相控阵平行放置，且第一液晶光学相控阵位于4f系统的输入焦平面上，第二液晶光学相控阵位于4f系统的输出焦平面上。
进一步的，所述第一液晶光学相控阵作为振幅调制器，所述第二液晶光学相控阵作为 相位调制器。
基于上述激光相控阵多波束形成系统，本发明还提出了一种多波束形成方法，具体步骤如下：
步骤1：系统校准，
激光器输出高斯光经过偏振分光棱镜后为水平方向的线偏振光，再经过扩束镜后形成均匀平面波，所述平面波经过第一液晶光学相控阵和4f光学系统后，将在4f光学系统的输出面，即第二液晶光学相控阵所在平面上产生第一液晶光学相控阵的光栅电极的像，利用所成的像进行调校，使第一液晶光学相控阵的光栅电极的像对准第二液晶光学相控阵口径上的光栅电极；
步骤2：设置目标波束，
设置波束个数n及各子波束偏转方向θ1,θ2,...,θn，θm(m从1到n)为液晶光学相控阵视场范围内任意的偏转角度；
步骤3：计算每个偏转角度对应的相位调制量，
根据相控阵原理，相邻移相单元之间的相位差Δφm与偏转角θm满足公式Δφm＝k0d sinθm，其中，k0＝2π/λ,λ为激光器工作波长，d为电极之间的间距(光栅周期)；
将目标偏转角度θ1,θ2,...,θn代入，计算得到每个偏转角度对应的Δφ1,Δφ2,...,Δφn，以初始电极的相位为0作为参考，计算N根电极上的相位值并进行2π取余操作，使得相位调制的范围在[0,2π]之间，最终得到每个偏转角度对应的相位调制量φ1,φ2,...,φn。因此，每一个移相单元i上对应的相位调制量φm(i)可从φ1,φ2,...,φn中查表得到，即φm(i)＝i·k0d sinθm，i(从0到N)为电极所在位置，其中，N为液晶光学相控阵的电极数量；
步骤4：计算第一液晶光学相控阵的幅度调制量和第二液晶光学相控阵的相位调制量；
根据远场与近场满足傅里叶变换关系，假设远场Efar的n个光束θm(m从1到n)为对应角度位置上的δ函数，可表示为Efar＝δ(θ-θ1)+δ(θ-θ2)+...+δ(θ-θn)，δ(·)为离散冲激函数，且 θ为远场的空间位置；
近场为远场的傅里叶反变换，即Enear＝exp(jk0sinθ1·x)+exp(jk0sinθ2·x)+...+exp(jk0sinθn·x)，其中，x＝i·d，将Enear转化为Enear＝Ax·exp(jφx)的形式，其中，Ax为第一液晶光学相控阵A所 需的幅度调制量，φx为第二液晶光学相控阵所需的相位调制量；进而可以得到每个移相单元上的幅度调制量为ξ:1→n-1,η:2→n,且ξ≠η，η,ξ均表示目标偏转角度索引(ξ:1→n-1表示下标ξ从1到n-1；η:2→n表示下标η从2到n)；每个移相单元上的相位调制量为m:1→n；
步骤5：信号加载并实现多波束偏转；
通过波控器将信号加载到各对应的液晶光学相控阵，使得第一液晶光学相控阵产生的幅度调制量满足步骤4中Ax所计算的值，第二液晶光学相控阵产生的相位调制量满足步骤4中φx所计算的值；查找第一液晶光学相控阵与第二液晶光学相控阵的电压-相位特性曲线，得到相应的电压代码，加载驱动信号并对入射光束进行调制，最终实现多波束的形成和偏转。
本发明的有益效果：本发明的激光相控阵多波束形成系统及方法采用两个液晶光学相控阵级联，前者作为振幅调制器，后者作为相位调制器，在近场对入射光束实现幅度加相位的调制，达到在远场形成多个波束的任意角度的偏转的目的。本发明的激光相控阵多波束形成系统中采用4f光学系统，将两个相控阵器件的移相单元进行精确对准，保证了在每个单元上实现精确的幅度和相位控制，实现了激光相控阵多波束形成和偏转。本发明的系统及方法可以应用在激光雷达、空间激光通信等激光相控等领域。
附图说明
图1为本发明实施例所采用的液晶光学相控阵的结构示意图。
图2为本发明实施例的激光相控阵多波束形成系统示意图。
图3为本发明实施例的流程图。
图4中(a)为本发明实施例偏转角θ1＝0.1°时液晶光学相控阵的相位调分布示意图，
(b)为偏转角θ1＝0.2°时液晶光学相控阵的相位分布示意图，
(c)为偏转角θ1＝0.3°时液晶光学相控阵的相位分布示意图。
图5为本发明实施例液晶光学相控阵A的幅度调制量Ax示意图。
图6为本发明实施例液晶光学相控阵B的相位调制量φx示意图。
图7为本发明实施例多波束的归一化远场光强分布示意图。
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所示为本发明所采用的液晶光学相控阵的结构示意图，该液晶光学相控阵包括：相对平行放置的上玻璃基板11和下玻璃基板17。上基板内部包含有取向层13和透明导电的ITO电极层，所述上基板上的电极层作为阵列光栅电极12，所述光栅电极数目为N，相邻电极之间的间距为d，所述光栅电极形成的有效口径大小为D。下基板内部包含有取向层15和透明导电的ITO电极层，所述下基板上的电极层作为公共电极16。所述两基板之间填充有液晶材料14，所述液晶光学相控阵外部配置有波控器电路18，波控器电路18可以实现波控算法和波控数据的加载。
如图2所示为本发明提出的一种基于液晶光学相控阵的多波束形成系统，该系统包括：激光器21、偏振分光棱镜22、扩束镜23、液晶光学相控阵A24、透镜25和透镜26构成的4f光学系统、液晶光学相控阵B27。根据光路图，所述激光器的出射激光束依次经过所述偏振分光棱镜、扩束镜、液晶光学相控阵A、4f光学系统和液晶光学相控阵B。要求光束的偏振方向为水平方向，即与液晶光学相控阵光轴方向一致。液晶光学相控阵A和液晶光学相控阵B平行放置，且液晶光学相控阵A位于4f系统的输入焦平面上，液晶光学相控阵B位于4f系统的输出焦平面(像平面)上。当所述液晶光学相控阵为水平放置时，器件能实现水平方向上的一维光束偏转，因此，该系统也将实现水平方向上的一维多波束偏转。
采用4f光学系统，利用液晶光学相控阵A的光栅电极所成的像进行调校，使得液晶光学相控阵A的光栅电极与液晶光学相控阵B的光栅电极精确对位。
本发明实施例提供的一种多波束形成方法的流程图如图3所示，为实施本方法之前，首先进行初始化系统参数，需要设置的系统参数包括：激光器工作波长λ＝1.064μm，液晶光学相控阵移相单元数量N＝1920,相邻移相单元之间的间距d＝5μm，液晶光学相控阵有效口径D＝10×10mm，偏振分光棱镜为水平偏振方向，扩束镜工作波长为1.064μm。
具体包括以下步骤：
步骤1：系统建立及校准。
根据图2提供的基于液晶光学相控阵的多波束形成系统，建立光路，激光器输出高斯光经过偏振分光棱镜后为水平方向的线偏振光，再经过扩束镜后形成均匀平面波，所述平面波经过液晶光学相控阵A和4f系统后，将在4f系统的输出面(即液晶光学相控阵B所在平面)上产生液晶光学相控阵A的光栅电极的像，利用所成的像进行调校，使得液晶光学相控阵A的光栅电极与液晶光学相控阵B的光栅电极一一对准。
步骤3：设置目标波束。
设置波束个数n＝3，各子波束偏转方向分别为θ1＝0.1°,θ2＝0.2°,θ3＝0.3°，均为液晶光学相控阵视场范围内可实现的偏转角度。
步骤3：计算每个偏转角度对应的相位调制量。
根据相控阵原理，相邻移相单元之间的相位差Δφm与偏转角θm满足公式Δφm＝k0d sinθm。将θ1,θ2,θ3代入计算得到每个偏转角度对应的相位调制量φ1,φ2,φ3。采用台阶的方式实现，当相位调制大于2π时进行相位置位，给出的1-400根电极上的相位调制量如图4中(a)、(b)、(c)所示。于是，每一个移相单元i上对应的相位调制量φm(i)可从φ1,φ2,φ3中查表得到，即满足φm(i)＝i·k0d sinθm，i(从0到1920)为电极位置。
步骤4：计算液晶光学相控阵A的幅度调制量Ax和液晶光学相控阵B的相位调制量φx。
理想情况下，远场Efar的3个光束可表示为对应角度位置上的δ函数，即远场可以由Efar＝δ(θ-θ1)+δ(θ-θ2)+δ(θ-θ3)给出。
由近场与远场的傅里叶变换关系可得Enear＝exp(jk0sinθ1·x)+exp(jk0sinθ2·x)+exp(jk0sinθ3·x)，其中，k0＝2π/λ,x＝i·d。再将Enear转化为Enear＝Ax·exp(jφx)的形式，其中Ax为液晶光学相控阵A所需的幅度调制量，φx为液晶光学相控阵B所需的相位调制量。根据上述公式可得，每个移相单元上的幅度调制量为给出1-400根电极上的幅度调制量如图5所示。每个移相单元上的相位调制量为给出1-400根电极上的相位调制量如图6所示。
步骤5：信号加载并实现多波束偏转。
通过波控器将信号加载到各对应的液晶光学相控阵，使得液晶光学相控阵A产生的幅度调制量满足步骤4中Ax所计算的值，液晶光学相控阵B产生的相位调制量满足步骤4中φx所计算的值。查找液晶光学相控阵A与液晶光学相控阵B的电压-相位特性曲线，得到相应的电压代码，加载驱动信号并对入射光束进行调制，最终在远场实现3个等光强的波束的形成和偏转，归一化远场光强分布如图7所示。
综上所述，本发明提供的方法可以实现液晶光学相控阵的多波束形成和波束偏转。可以拓展的是，该方法也适用于其他的激光相控阵的多波束形成。实施例中所取的3个波束和角度，仅仅是本案例中的一个特例，本方法可以实现的是液晶相控阵全部视场范围[-6°,6°]内任意波束个数的形成和偏转。
可以理解，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理，然而本发明并不局限于此，对于本领域内的技术人员，可以做出各种改进和变型，这些改进和变型也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种激光相控阵多波束形成系统，具体包括：激光器、偏振分光棱镜、扩束镜、第一液晶光学相控阵、4f光学系统以及第二液晶光学相控阵，所述激光器的出射激光束依次经过偏振分光棱镜、扩束镜、第一液晶光学相控阵、4f光学系统和第二液晶光学相控阵；光束偏振方向与液晶光学相控阵光轴方向一致，所述第一液晶光学相控阵和第二液晶光学相控阵平行放置，且第一液晶光学相控阵位于4f系统的输入焦平面上，第二液晶光学相控阵位于4f系统的输出焦平面上。
2.根据权利要求1所述的激光相控阵多波束形成系统，其特征在于，所述第一液晶光学相控阵作为振幅调制器，所述第二液晶光学相控阵作为相位调制器。
3.根据权利要求1或2所述的激光相控阵多波束形成系统，其特征在于，所述液晶光学相控阵包括：相对平行放置的上玻璃基板和下玻璃基板，上玻璃基板内部包含有取向层和透明导电的ITO阵列电极层，所述上玻璃基板上的电极层作为阵列光栅电极，下玻璃基板内部包含有取向层和透明导电的ITO电极层，所述下基板上的电极层作为公共电极，所述两基板之间填充有液晶材料。
4.一种多波束形成方法，具体步骤如下：
步骤1：系统校准，
激光器输出高斯光经过偏振分光棱镜后为水平方向的线偏振光，再经过扩束镜后形成均匀平面波，所述平面波经过第一液晶光学相控阵和4f光学系统后，将在4f光学系统的输出面，即第二液晶光学相控阵所在平面上产生第一液晶光学相控阵的光栅电极的像，利用所成的像进行调校，使第一液晶光学相控阵的光栅电极的像对准第二液晶光学相控阵口径上的光栅电极；
步骤2：设置目标波束，
设置波束个数n及各子波束偏转方向θ1,θ2,...,θn，θm(m从1到n)为液晶光学相控阵视场范围内任意的偏转角度；
步骤3：计算每个偏转角度对应的相位调制量，
根据相控阵原理，相邻移相单元之间的相位差Δφm与偏转角θm满足公式Δφm＝k0dsinθm，其中，k0＝2π/λ,λ为激光器工作波长，d为电极之间的间距；
将目标偏转角度θ1,θ2,...,θn代入，计算得到每个偏转角度对应的Δφ1,Δφ2,...,Δφn，以初始电极的相位为0作为参考，计算N根电极上的相位值并进行2π取余操作，使得相位调制的范围在[0,2π]之间，最终得到每个偏转角度对应的相位调制量φ1,φ2,...,φn。因此，每一个移相单元i上对应的相位调制量φm(i)可从φ1,φ2,...,φn中查表得到，即φm(i)＝i·k0dsinθm，i(从0到N)为电极所在位置，其中，N为液晶光学相控阵的电极数量；
步骤4：计算第一液晶光学相控阵的幅度调制量和第二液晶光学相控阵的相位调制量；
根据远场与近场满足傅里叶变换关系，假设远场Efar的n个光束θm(m从1到n)为对应角度位置上的δ函数，可表示为Efar＝δ(θ-θ1)+δ(θ-θ2)+...+δ(θ-θn)，δ(·)为离散冲激函数，且θ为远场的空间位置；
近场为远场的傅里叶反变换，即Enear＝exp(jk0sinθ1·x)+exp(jk0sinθ2·x)+...+exp(jk0sinθn·x)，其中，x＝i·d，将Enear转化为Enear＝Ax·exp(jφx)的形式，其中，Ax为第一液晶光学相控阵A所需的幅度调制量，φx为第二液晶光学相控阵所需的相位调制量；进而可以得到每个移相单元上的幅度调制量为ξ:1→n-1,η:2→n,且ξ≠η，η,ξ均表示目标偏转角度索引(ξ:1→n-1表示下标ξ从1到n-1；η:2→n表示下标η从2到n)；每个移相单元上的相位调制量为m:1→n；
步骤5：信号加载并实现多波束偏转；
通过波控器将信号加载到各对应的液晶光学相控阵，使得第一液晶光学相控阵产生的幅度调制量满足步骤4中Ax所计算的值，第二液晶光学相控阵产生的相位调制量满足步骤4中φx所计算的值；查找第一液晶光学相控阵与第二液晶光学相控阵的电压-相位特性曲线，得到相应的电压代码，加载驱动信号并对入射光束进行调制，最终实现多波束的形成和偏转。
5.根据权利要求4所述的一种多波束形成方法，其特征在于，所述第一液晶光学相控阵作为振幅调制器，所述第二液晶光学相控阵作为相位调制器。
6.根据权利要求4或5所述的一种多波束形成方法，其特征在于，所述液晶光学相控阵包括：相对平行放置的上玻璃基板和下玻璃基板，上玻璃基板内部包含有取向层和透明导电的ITO阵列电极层，所述上玻璃基板上的电极层作为阵列光栅电极，下玻璃基板内部包含有取向层和透明导电的ITO电极层，所述下基板上的电极层作为公共电极，所述两基板之间填充有液晶材料。
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