CN109782433A - 一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，针对目前通过液晶空间光调制器进行二维光束偏转仅可实现有限的偏转角度，需要对一维相位调制图进行旋转，整个扫描范围呈稀疏的、不均匀的同心圆分布，随着扫描角度的增大衍射效率严重下降，无法满足空间光通信中捕获、跟踪和瞄准(ATP)等需要光束连续扫描的实际需求等问题，提出该方法可以有效解决扫描范围离散、分布不均匀的问题，提高了衍射效率，更能满足实际应用的需求。
Description
技术领域
本发明涉及光束扫描技术领域，具体的涉及一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，主要用于基于液晶空间光调制器的光束扫描。
背景技术
光束扫描技术是指对激光光束方向进行精确控制的技术，在激光通信、航天器、生物医学和军事等诸多领域有着广泛的应用背景。随着成熟的激光技术以及全球整体发展信息化，具有通信容量大、体积小、功耗低、保密性好等优点的空间激光通信技术得到重视。在空间激光通信技术中，通信终端的捕获、跟踪和瞄准(ATP)是其关键技术之一，也是建立可靠通信链路的重要保证。只有在建立起可靠的通信链路的基础上，系统才能进行可靠性高、抗干扰能力强的通信，由此星地光通信成为卫星对地大容量通信的最佳方案。对于距离较远、处于相对运动状态等实际情况，为了保证通信质量，对ATP技术的跟瞄精度要求非常高，是空间光通信的核心技术问题之一。传统机械式和半机械式ATP技术由于体积重量大、功耗较高、稳定性差、响应时间慢以及不易和驱动电路相结合等缺点，限制了机械式器件的控制性能。随着空间光学、信息光学的发展，以空间光通信、激光雷达、红外对抗、航天器、生物医学等为代表的应用领域对光束偏转技术在精确度、灵活控制、低功耗等方面的要求不断提高。
光学相控阵技术能够实现激光光束方向的可编程控制，可用于光束偏转，具有高扫描精度、随机偏转、响应速度快、功耗低、稳定性好等优点。其中基于液晶材料的光学相控阵技术是发展最迅速的非机械式光束偏转技术，利用液晶晶体在电场的作用下产生双折射的原理，通过控制电场强度实时、精确地改变相位，使光束在设定的方向上形成等相位波前，产生加强干涉，得到高强度的光束能量从而实现光束的电控扫描，不仅解决了激光束指向的快速、灵活控制等扫描问题，还使系统集成度更高、制造成本更低。但液晶由于材料本身特性的限制，在加载电压下不能得到理想的相位调制，导致衍射效率和扫描范围都有一定程度的下降，特别是应用在二维扫描的情况下，需要进一步提高扫描性能。
利用传统周期性闪耀光栅模型进行二维光束偏转仅可实现有限的偏转角度，需要对一维相位调制图进行旋转，整个扫描范围呈稀疏的、不均匀的同心圆分布，随着扫描角度的增大衍射效率严重下降，无法满足空间光通信中ATP等需要光束连续扫描的实际需求等问题。将平面相控阵模型应用到液晶空间光调制器中，可以弥补扫描范围稀疏、不均匀的缺点，且可以一步生成相位调制图，也在一定程度上缩短系统的响应时间。
发明内容
本发明一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，克服现有技术的不足，解决扫描范围离散、不均匀的问题，提高衍射效率。
本发明采用的技术方案为：一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、在建立基于平面相控阵的二维光束扫描模型时，确定模型的坐标原点、阵元数、阵元间距参数；
步骤二、每个阵元之间保持固定的电极相位差，需要对2π以后的电极相位进行2π求余，再通过模型生成可用于液晶空间光调制器的相位调制图，在给定相邻阵元电极相位差的情况下，实现电极相位差和扫描角度、电极相位差和衍射效率的理论关系曲线；
步骤三、搭建扫描观测光路图，将有效扫描范围内的相位调制图整理为视频形式，并加载到液晶空间光调制器上；
步骤四、利用PSD器件采集光束扫描并进行观测，对比电极相位差和实际扫描角度与步骤二中的曲线进行对比分析。
进一步地，其特征在于：建立基于平面相控阵的二维光束扫描模型过程包括：
1)对于远场特定点的电场强度方向图可以表示为x方向和y方向的方向图的乘积，表达式如下：
式中，θ为扫描俯仰角，φ为方位角，N为x方向上阵元个数，M为y方向上阵元个数，k为波数，dx、dy分别为x方向和y方向的阵元间距；
2)采用U、V空间来描述平面相控阵的扫描性能，将上式中的俯仰角θ和方位角φ转换为该空间，对应关系式如下：
该式表示扫描可视范围为一个圆平面。
进一步地，将远场特定点的电场强度方向图通过欧拉公式进行变形，可计算得出给定相邻阵元电极相位差对应的相位调制图，同时可获得电极相位差和扫描角度、电极相位差和衍射效率的理论关系曲线。
进一步地，根据液晶空间光调制器的输入要求，将有效扫描范围内的相位调制图整理成视频格式，搭建光束扫描实验光路图。
进一步地，利用PSD器件获取光束扫描光斑，在计算机上收集实际扫描角度和光强数据，以此获得电极相位差和实际扫描角度、电极相位差和衍射效率的关系曲线，将该曲线和步骤二生成的曲线进行对比分析。
本发明与现有方法相比具有如下优点：
(1)该发明可直接生成二维相位调制图，减少需要将一维相位调制图进行旋转的步骤。
(2)该发明弥补了扫描范围离散、不均匀的缺点，可实现在整个圆平面范围内的连续扫描，同时提高了衍射效率。
(3)该发明构建的模型简单易懂，更适合实际化应用。
附图说明
图1是本发明的平面相控阵的二维光束扫描的原理图；
图2是本发明的一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法的流程图；
图3是本发明的光束扫描探测光路图；
图4是本发明的电极相位差与衍射效率的关系曲线图；
图5是本发明的电极相位差与扫描角度的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行说明。但以下实施例仅限于解释本发明。
本发明一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，具体步骤如下：
步骤一、建立如图1所示的平面相控阵扫描模型，θ为扫描俯仰角，φ为扫描方位角，N为x方向上阵元个数，M为y方向上阵元个数，选择N＝M＝200，入射光波波长为532.8nm，dx和dy分别表示x方向和y方向上阵元间距，均取值为半波长，对于远场特定点的电场强度方向图可以表示为x方向和y方向的方向图的乘积，表达式如下：
接着采用U、V空间来描述平面相控阵的扫描性能，将上式中的俯仰角θ和方位角φ转换为该空间，对应关系式如下：
该式表示扫描可视范围为一个圆平面。
步骤二、每个阵元之间保持固定的电极相位差，需要对2π以后的电极相位进行2π求余，再通过模型生成可用于液晶空间光调制器的相位调制图，在给定相邻阵元电极相位差的情况下，可获得如图4所示电极相位差与衍射效率的关系曲线图，如图5所示电极相位差与扫描角度的关系曲线图；
步骤三、搭建如图3所示的扫描观测光路原理图，根据液晶空间光调制器的输入要求，将有效扫描范围内的相位调制图整理成视频格式，输入到调制器中；
步骤四、利用PSD器件获取光束扫描光斑，在计算机上收集实际扫描角度和光强数据，以此获得电极相位差和实际扫描角度、电极相位差和衍射效率的关系曲线，可将该曲线和步骤二生成的曲线进行对比分析。
Claims (5)
1.一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤一、在建立基于平面相控阵的二维光束扫描模型时，确定模型的坐标原点、阵元数、阵元间距参数；
步骤二、每个阵元之间保持固定的电极相位差，需要对2π以后的电极相位进行2π求余，再通过模型生成可用于液晶空间光调制器的相位调制图，在给定相邻阵元电极相位差的情况下，实现电极相位差和扫描角度、电极相位差和衍射效率的理论关系曲线；
步骤三、搭建扫描观测光路图，将有效扫描范围内的相位调制图整理为视频形式，并加载到液晶空间光调制器上；
步骤四、利用光电位置敏感器件(PSD)采集光束扫描并进行观测，对比电极相位差和实际扫描角度与步骤二中的曲线进行对比分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，其特征在于：建立基于平面相控阵的二维光束扫描模型过程包括：
1)对于远场特定点的电场强度方向图可以表示为x方向和y方向的方向图的乘积，表达式如下：
式中，θ为扫描俯仰角，φ为方位角，N为x方向上阵元个数，M为y方向上阵元个数，k为波数，dx、dy分别为x方向和y方向的阵元间距；
2)采用U、V空间来描述平面相控阵的扫描性能，将上式中的俯仰角θ和方位角φ转换为该空间，对应关系式如下：
该式表示扫描可视范围为一个圆平面。
3.根据权利要求1所述的一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，其特征在于：将远场特定点的电场强度方向图通过欧拉公式进行变形，可计算得出给定相邻阵元电极相位差对应的相位调制图，同时可获得电极相位差和扫描角度、电极相位差和衍射效率的理论关系曲线。
4.根据权利要求1所述的一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，其特征在于：根据液晶空间光调制器的输入要求，将有效扫描范围内的相位调制图整理成视频格式，搭建光束扫描实验光路图。
5.根据权利要求1所述的一种基于平面相控阵的二维光束扫描方法，其特征在于：利用PSD器件获取光束扫描光斑，在计算机上收集实际扫描角度和光强数据，以此获得电极相位差和实际扫描角度、电极相位差和衍射效率的关系曲线，将该曲线和步骤二生成的曲线进行对比分析。
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