CN109164662B - 基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法 - Google Patents

基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法 Download PDF

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Abstract

基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法，涉及液晶光学相控阵领域，解决现有技术存在的光束指向精度和系统跟踪带宽低的问题，激光器出射一束线偏振光经扩束准直系统和发射系统后产生线偏振光，线偏振光经过缩束扩角系统后在待测物体上发生漫反射；接收系统接收所述待测物体漫反射的光信号并进行光汇聚到CCD探测器的感光面上，计算激光光斑位置与CCD探测器中心的差值；采用斜射式三角测量法获得实际光束偏转角；将实际光束偏转角与设定的光束偏转角的误差传送到分数阶PID控制器，通过分数阶PID控制器控制液晶光学相控阵驱动电路给液晶光学相控阵输入适当的电压，使液晶光学相控阵产生相应的相位调制，实现出射光束的精确偏转。

Description

基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法
技术领域
本发明涉及液晶光学相控阵领域，具体涉及一种基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法。
背景技术
液晶光学相控阵技术是一种无惯性、快速的电控光束扫描控制技术，通过对液晶光学相控阵各阵元施加不同的电压，使每个阵元产生不同的相位延迟，进而改变入射光波的波前相位，经过波束合成后改变入射光波的传播方向，实现光束偏转。与传统机械光束控制技术相比，液晶光学相控阵具有体积小、重量轻、速度快、功耗低、无机械惯量等优点，在激光雷达、激光通信、光信息处理、自适应光学、生物医学成像等领域具有广泛的应用前景。但由于液晶光学相控阵制造工艺难度大，导致液晶盒厚度不均匀，液晶电极宽度与理想值存在偏差；且电极受温度影响，产生热胀冷缩的现象，电极宽度随之变化，致使实际光束偏转角与设定光束偏转角存在误差。为了使光束偏转更加精确，采用CCD等反馈元件构成光束偏转闭环控制系统，可提高光束偏转精度。
目前，在基于液晶光学相控阵的光束偏转闭环系统中，采用经典PI闭环控制算法的系统稳定性虽好，但系统跟踪带宽很低、光束指向精度还有进一步提高的空间。本发明则是一种提高光束指向精度和系统跟踪带宽的光束偏转控制方法。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的光束指向精度和系统跟踪带宽低的问题，提供一种基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法，且基于该光束偏转控制方法搭建的系统光路，在减小系统体积的同时，有效降低了光损失的问题。
基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、激光器出射一束线偏振光经扩束准直系统和发射系统后产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，所述线偏振光经过缩束扩角系统后在待测物体上发生漫反射；
步骤二、采用接收系统接收所述待测物体漫反射的光信号并进行光汇聚，采用折反式系统将回波激光反射至滤光片，经滤光片滤除背景杂光后由双胶合透镜将回波激光汇聚到CCD探测器的感光面上，计算激光光斑位置与CCD探测器中心的差值；
步骤三、采用斜射式三角测量法获得实际光束偏转角；
步骤四、将步骤三获得的实际光束偏转角与设定的光束偏转角的误差传送到分数阶PID控制器，通过分数阶PID控制器控制液晶光学相控阵驱动电路给液晶光学相控阵输入适当的电压，使液晶光学相控阵产生相应的相位调制，实现出射光束的精确偏转。
本发明的有益效果
一、本发明所设计的光束闭环控制系统以液晶相控阵为被控对象，采用分数阶PID控制器，通过选择适当的控制器参数，可以更好的调节控制系统的动态特性，提高光束指向精度，同时提高系统的跟踪带宽和响应速度。
二、本发明所设计的扩束准直光路，由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成，整个光学系统轴向尺寸较小、结构紧凑，且负目镜能够对正物镜进行像差补偿，简化了系统结构，减少了反射面的光能量损失。
三、本发明所设计的缩束扩角系统，可实现出射光束偏转角度放大3倍，增大了角度偏转范围。相较于传统的角度偏转系统，偏转角度一定时，提高了其衍射效率。
四、本发明所设计的接收系统，采用折反式光学系统接收回波信号，以滤光片滤除背景杂光，双胶合透镜将回波汇聚到CCD的感光面上。这种结构可获得尽可能多的回波能量，尽量减少信号衰减，提高信号的信噪比；并在减小系统体积的同时，有效降低光损失的问题。
附图说明
图1为本发明所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制系统的结构示意图；
图2为采用本发明所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制系统的角度测量示意图；
图3为本发明所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制系统光束偏转闭环控制系统原理图；
图4为本发明所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制系统中光束偏转闭环控制系统结构图；
图5为本发明所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制系统中单位阶跃响应曲线示意图；
图6为本发明所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制系统中伯德图；
图7为扰动信号和输出信号曲线，分别表示扰动信号和输出信号。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图7说明本实施方式，基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、激光器出射一束线偏振光经扩束准直系统和发射系统后产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，所述线偏振光经过缩束扩角系统后在待测物体上发生漫反射；
步骤二、采用接收系统接收所述待测物体漫反射的光信号并进行光汇聚，采用折反式系统将回波激光反射至滤光片，经滤光片滤除背景杂光后由双胶合透镜将回波激光汇聚到CCD探测器的感光面上；该接收系统可有效地降低光损失，使光斑在CCD探测器上的成像更加明显，便于数据采集和处理。经数据采集后，计算激光光斑位置与CCD探测器中心的差值；
步骤三、采用斜射式三角测量法获得实际光束偏转角；
步骤四、将实际光束偏转角与设定的光束偏转角的误差传送到分数阶PID控制器，通过分数阶PID控制器控制液晶光学相控阵驱动电路给液晶光学相控阵输入适当的电压，使液晶光学相控阵产生相应的相位调制，实现出射光束的精确偏转。
本实施方式中，步骤三的具体过程为：
步骤三一、在CCD探测器与双胶合透镜间的三角形中已知光斑距CCD探测器中心的偏移量d，即步骤二获得的差值，并设定透镜的焦距f已知，获得漫反射回来的光束与CCD探测器的夹角R；
步骤三二、由实际偏转光束、漫反射光束、漫反射光斑与激光器的间距构成的三角形，再根据余弦定理b2＝(X-b)2+(L-d)2-2(X-b)(L-d)cos(180°-R)，获得实际偏转光束的长度和漫反射光束的长度，再由该三角形中的三边长度获得实际光束偏转角；其中，X为激光光束从出射到接收的路径，L为中心矩。
本实施方式中，所述发射系统包括四分之一波片和偏振片；由扩束准直系统出射的偏振光经1/4波片变成圆偏振光，再经偏振片产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，使进入到液晶光学相控阵的光束实现相位调制。
本实施方式中，所述缩束扩角系统包括第一透镜和第二透镜，所述光束经第一透镜和第二透镜后，实现光束偏转角的放大。第一透镜为焦距f＝300mm的凸透镜，第二透镜为焦距f＝100mm的凸透镜。
具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法的光束偏转控制系统，该系统包括光束偏转控制系统，所述光束偏转控制系统包括控制器，扩束准直系统、发射系统、缩束扩角系统和接收系统，所述接收系统包括CCD探测器、双胶合透镜、滤光片和折反式系统；所述发射系统包括四分之一波片、偏振片和液晶光学相控阵；所述缩束扩角系统包括第一透镜和第二透镜；所述折反式系统由依次放置的副镜、主镜以及校正镜组成，可有效改善光损失问题。
激光器出射一束1064nm的线偏振光，先经过扩束准直系统，再经1/4波片成圆偏振光，再经过偏振片产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，使进入到液晶光学相控阵的光束实现相位调制，最后经过缩束扩角系统，实现偏转角的放大；采用CCD探测器接收待测物体漫反射回来的光信号，CCD探测器前加接收系统将漫反射回来的光进行汇聚，采用折反式系统将回波激光反射至滤光片，以滤光片滤除背景杂光，双胶合透镜将回波汇聚到CCD探测器的感光面上。该接收光路可有效地降低光损失，使光斑在CCD探测器上的成像更加明显，便于数据采集和处理。经数据采集后，将光斑位置与CCD探测器中心的差值进行处理。透镜的焦距f已知，通过测量可得到偏移量d，中心矩L，利用三角几何关系可以求出实际光束偏转角，大致计算过程如下：在CCD探测器与透镜间的三角形中因为已知d和f,所以可以求出实际偏转光束与CCD探测器的夹角R；在由实际偏转光束、漫反射光束、漫反射光斑与激光器的间距构成的三角形中，根据余弦定理可求出实际偏转光束的长度和漫反射光束的长度，再由该三角形中的三边长度即可求出实际光束偏转角；将实际光束偏转角与设定光束偏转角的误差传送到分数阶PID控制器，通过分数阶PID控制器控制液晶光学相控阵驱动电路给液晶光学相控阵输入适当的电压；液晶光学相控阵进行相应的相位调制，实现出射光束的精确偏转。
本实施方式中，所述的第一透镜为焦距f＝300mm的凸透镜，第二透镜为焦距f＝100mm的凸透镜。
具体实施方式三、结合图3至图7本实施方式为具体实施方式一所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法的仿真实例：
一、建立液晶光学相控阵传递函数；
带驱动电路的液晶光学相控阵作为被控对象可以等效为一个一阶惯性环节与延迟环节之积。其中一阶惯性环节主要由液晶分子的驰豫特性引起，延迟环节包括了控制器到驱动器数据传输及驱动器到液晶电极数据传输两部分。液晶相控阵光束偏转器的传递函数可以表示为
其中，T1与液晶分子驰豫特性相关，取值为0.0025，T2代表了液晶相控阵光束偏转器总的延迟，取值为0.1。
二、CCD探测器建立传递函数；
采用CCD探测器作为探测元件的闭环控制系统存在检测延迟，主要包括CCD探测器脱靶量的延迟、CCD探测器积分时间、图像采样及处理时间，其中CCD探测器脱靶量的延迟是必须要考虑的，它对控制回路的闭环带宽和性能有非常大的影响。因此CCD探测器的传递函数取为：其中，T3表示脱靶量的延迟，取值为0.01。
三、模拟大气干扰传递函数建立；
在湍流大气中，大气的各项参数如温度、风速、气压等都是随机变量，很难采用模型精确模拟大气扰动。我们用高斯白噪声加低通滤波器近似模拟大气湍流的随机扰动。低通滤波器模型为：
其中a决定了扰动带宽。相对于液晶相控阵，大气扰动变化较慢，可视为低频扰动，取a＝0.01。
四、搭建光束偏转闭环系统；
光速偏转闭环系统原理图及结构图如图3、4所示，图3中，控制器采用分数阶PID控制，液晶光学相控阵为控制执行单元，CCD相机为探测单元。系统将CCD获取的入射激光在整个靶面采集的主瓣光斑位置与视场中心(CCD中心)的像素差值作为PID的评价参数,通过采集漫反射回来的光信号，将光信号转换为电信号反馈给控制器，通过控制器控制输出电压，系统的输入信号为通过电压控制加载到液晶相控阵的光束偏转角。将输入信号与探测信号的误差送到控制器，生成控制信号传送到被控对象液晶相控阵，CCD探测被控对象输出，形成闭环系统。图4中，U(s)为加载到液晶相控阵的系统预期光束偏转角，E(s)为系统预期光束偏转角与实际偏转角的误差，G1(s)为液晶光学相控阵传递函数，H(s)为CCD传递函数，R(s)为模拟大气干扰，Y(s)为系统实际光束偏转角，通过分数阶PID控制器，将控制角度数据传送给液晶相控阵，经过液晶相控阵的光束通过漫反射在CCD上产生新的光斑。采用斜射式三角测量法计算出实际光束偏转角，角度测量示意图如图2所示。
五、仿真过程为：
为验证分数阶控制算法对光束偏转闭环控制系统的控制效果,使用MATLAB对控制算法进行建模仿真，通过仿真验证对扰动的抑制和跟踪精度的优劣。
A、阶跃响应测试；
通常用阶跃响应曲线来描述系统的动态性能，当取控制系统参数Kp＝0.05，Ki＝1.5，Kd＝0，λ＝-1.03，μ＝1.007时，得到系统单位阶跃响应曲线如图5所示，从阶跃曲线可以看出，系统阶跃响应快、稳定性好。
B、系统闭环带宽测试；
由于系统会受到扰动和噪声等非线性因素的影响，控制系统在选择带宽时需要综合考虑各种输入信号的频率范围及其对系统性能的影响，应使系统对输入信号具有良好的跟踪能力和对扰动信号具有较强的抑制能力。图6所示的伯德图可看出闭环系统幅频特性曲线下降到-3dB时对应的频率为7.67rad/s，则系统的闭环带宽为7.67rad/s。
C、系统扰动抑制测试；
将输入信号置零，通过在控制器与被控对象之间加入正弦扰动信号来测试系统对扰动信号的抑制能力。加入正弦扰动信号R＝sin(N)，测试结果如图7所示，分别表示扰动信号和输出信号。抑制后的振幅为0.125，所以系统抑制比为-18.06dB。

Claims (7)

1.基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法，其特征是：该方法包括以下步骤：
步骤一、激光器出射一束线偏振光经扩束准直系统和发射系统后产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，所述线偏振光经过缩束扩角系统后在待测物体上发生漫反射；
步骤二、采用接收系统接收所述待测物体漫反射的光信号并进行光汇聚，采用折反式系统将回波激光反射至滤光片，经滤光片滤除背景杂光后由双胶合透镜将回波激光汇聚到CCD探测器的感光面上，计算激光光斑位置与CCD探测器中心的差值；
步骤三、采用斜射式三角测量法获得实际光束偏转角；
步骤四、将步骤三获得的实际光束偏转角与设定的光束偏转角的误差传送到分数阶PID控制器，通过分数阶PID控制器控制液晶光学相控阵驱动电路给液晶光学相控阵输入适当的电压，使液晶光学相控阵产生相应的相位调制，实现出射光束的精确偏转。
2.根据权利要求1所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法，其特征在于；步骤三的具体过程为：
步骤三一、设定透镜的焦距已知，并根据步骤二获得的差值，计算漫反射回来的光束与CCD探测器的夹角；
步骤三二、由实际偏转光束、漫反射光束、漫反射光斑与激光器的间距构成的三角形，再根据余弦定理，获得实际偏转光束的长度和漫反射光束的长度，再由该三角形中的三边长度获得实际光束偏转角。
3.根据权利要求1所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法，其特征在于：所述发射系统包括四分之一波片和偏振片；由扩束准直系统出射的偏振光经1/4波片变成圆偏振光，再经偏振片产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，使进入到液晶光学相控阵的光束实现相位调制。
4.根据权利要求1所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法，其特征在于：所述缩束扩角系统包括第一透镜和第二透镜，所述光束经第一透镜和第二透镜后，实现光束偏转角的放大。
5.根据权利要求4所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法，其特征在于：第一透镜为焦距f＝300mm的凸透镜，第二透镜为焦距f＝100mm的凸透镜。
6.根据权利要求1所述的基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法的光束偏转控制系统，其特征在于：包括分数阶PID控制器、扩束准直系统、发射系统、缩束扩角系统和接收系统；
所述接收系统包括CCD探测器、双胶合透镜、滤光片和折反式系统；
所述发射系统包括四分之一波片、偏振片和液晶光学相控阵；
所述缩束扩角系统包括第一透镜和第二透镜；
激光器发出偏振光经扩束准直系统后由1/4波片变成圆偏振光，再经偏振片产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，所述线偏振光进入到液晶光学相控阵实现相位调制，经相位调制后的线偏振光经缩束扩角系统后在待测物体上发生漫反射；
接收系统接收所述待测物体漫反射的光信号，所述折反式系统将回波激光反射至滤光片，经滤光片滤除背景杂光后由双胶合透镜将回波激光汇聚到CCD探测器的感光面上；计算激光光斑位置与CCD探测器中心的差值；计算激光光斑位置与CCD探测器中心的差值；采用斜射式三角测量法获得实际光束偏转角；将实际光束偏转角与设定的光束偏转角的误差传送到分数阶PID控制器，通过分数阶PID控制器控制液晶光学相控阵驱动电路给液晶光学相控阵输入适当的电压，使液晶光学相控阵产生相应的相位调制，实现出射光束的精确偏转。
7.根据权利要求6所述的光束偏转控制系统，其特征在于：所述第一透镜为焦距f＝300mm的凸透镜，第二透镜为焦距f＝100mm的凸透镜。
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