CN110286541A - 一种基于液晶的光束偏转系统控制方法 - Google Patents

一种基于液晶的光束偏转系统控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110286541A
CN110286541A CN201910608136.3A CN201910608136A CN110286541A CN 110286541 A CN110286541 A CN 110286541A CN 201910608136 A CN201910608136 A CN 201910608136A CN 110286541 A CN110286541 A CN 110286541A
Authority
CN
China
Prior art keywords
beam deflection
fpga
liquid crystal
psd
light modulator
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.)
Pending
Application number
CN201910608136.3A
Other languages
English (en)
Inventor
胡婕
杜升平
郭弘扬
任曦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Optics and Electronics of CAS
Original Assignee
Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Optics and Electronics of CAS filed Critical Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority to CN201910608136.3A priority Critical patent/CN110286541A/zh
Publication of CN110286541A publication Critical patent/CN110286541A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • G02F1/292—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 by controlled diffraction or phased-array beam steering

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于液晶的光束偏转系统控制方法。针对基于液晶空间光调制器进行二维光束偏转控制过程中，延迟较大的问题，该方法在基于PID控制算法的基础上，通过非成像探测PSD器件减小反馈延迟，基于FPGA的HDMI驱动器减小响应延迟，构造了一个由驱动器、液晶空间光调制器组成的被控对象，PSD作为反馈回路。该方法是从控制装置上对光束偏转系统进行改进，在反馈控制的基础上结合PSD器件和基于FPGA的HDMI驱动器的能力，减小延迟，提高系统带宽和跟踪精度。

Description

一种基于液晶的光束偏转系统控制方法
技术领域
本发明涉及光束偏转技术领域，具体的涉及一种基于液晶的光束偏转系统控制方法，主要将FPGA和PSD器件应于基于液晶空间光调制器的光束偏转闭环控制，减小延迟时间，以提高系统带宽和跟踪精度。
背景技术
光束偏转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。在控制方面，由于液晶材料本身特性的限制，再加上常用的CCD探测器和外接HDMI图像显示器的延时，大大降低了系统带宽和跟踪精度，这远不能满足我们对跟踪性能的要求。
发明内容
本发明一种基于液晶的光束偏转系统控制方法，克服现有技术的不足，解决硬件上带来的延时影响，有效提高系统带宽和跟踪精度。
本发明采用的技术方案为：一种基于液晶的光束偏转系统控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：在相位调制图传入液晶空间光调制器之前，连接一个基于FPGA的HDM驱动器；
步骤二：搭建光束控制光路，光束闭环控制系统的控制器采用PID控制算法，控制器和基于FPGA的HDM驱动器共同组成数据处理单元；
步骤三：通过数据处理单元将电极相位差输送给基于FPGA的HDMI驱动器，驱动器根据相位差生成相位调制图，再将相位调制图加载到液晶空间光调制器；
步骤四：利用光电位置敏感器件(PSD)采集光束偏转脱靶量，并通过数据处理单元进行信标光跟踪，实现闭环控制。
进一步地，采用FPGA来处理输入的电极相位差信号，将生成的相位调制图处理为HDMI信号且直接加载到液晶空间光调制器。
进一步地，液晶空间光调制器可等效为一阶惯性环节和延迟环节，为保证良好的幅频和相位裕度，控制器可以设计为PID控制器，PID控制器是一种线性控制器，其传递函数为：
其中，kp为比例系数，ki为积分时间系数，kd为微分时间系数，比例环节可以有效减少偏差，积分环节可用于消除静差，以提高系统的无差度，微分环节反映偏差信号的变化趋势，能够在偏差信号变得太大之前引入一个有效的修正信号，以减少调节时间。
进一步地，通过计算机可对FPGA连续输入不同的电极相位差，FPGA再通过不同的电极相位差快速地、实时地生成相位调制图，并给液晶空间光调制器，以进行实时光束偏转。
进一步地，通过光电位置敏感器件(PSD)非成像探测光束偏转脱靶量，并通过数据处理单元进行脱靶量质心分析，可以减小反馈延迟，利用步骤二中的PID控制器进行信标光的跟踪修正，以实现闭环控制。
本发明与现有方法相比具有如下优点：
(1)该发明可直接通过数据处理单元将电极相位差传给基于FPGA的HDMI驱动器，弥补了液晶空间光调制器控制软件的自带功能延时大的缺点，可快速、实时相位调制图给液晶空间光调制器，可减小响应延时。
(2)该发明弥补了常用CCD探测器进行显示脱靶量质心采集的方式的延时大的缺点，利用PSD非成像探测脱靶量质心信息，可同步输入到数据处理单元，可减小反馈延时，提高系统带宽和跟踪精度。
(3)该发明改进的控制装置简单易懂，更适合实际化应用。
附图说明
图1是本发明控制方法利用的PID控制系统原理框图。
图2是本发明的光束控制光路图。
图3是本发明的光束偏转控制系统原理图。
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。
本发明一种基于液晶的光束偏转系统控制方法，具体步骤如下：
如图1所示，控制器采用PID控制算法，该算法是一种线性控制器，传递函数可表示为：
其中，Y(s)表示输出信号，U(s)表示输入信号，kp为比例系数，ki为积分时间系数，kd为微分时间系数，比例环节可以有效减少偏差，积分环节可用于消除静差，以提高系统的无差度，微分环节反映偏差信号的变化趋势，能够在偏差信号变得太大之前引入一个有效的修正信号，以减少调节时间。被控对象由基于FPGA的HDMI驱动器、液晶空间光调制器组成；
如图2所示，该图为光束偏转系统实验原理图，液晶空间光调制器采用PLUTO-NIR-011型号，该调制器入射波长范围为420-1064nm，故入射激光波长可选在此范围内的任意波长。由于液晶材料对入射光的要求为S偏振光，在激光达到液晶空间光调制器前需要通过起偏器进行P、S光分解。液晶空间光调制器后置会聚透镜，PSD靶面位于透镜焦面，PSD非成像探测的信标光质心通过电信号传入到数据处理单元。数据处理单元由控制器和FPGA组成。通过数据处理，调整跟踪信息，FPGA生成相位调制图实时给液晶空间光调制器，这就构成了完整的闭环回路。
如图3所示，该图描述了光束偏转系统闭环控制回路，输入信号为电极相位差序列，通过PID控制器调节输入信号，再将调整后的电极相位差序列送给FPGA，实时生成相位调制图，并到液晶空间光调制器上，利用具有快速响应特性的PSD非成像探测光束偏转脱靶量，并通过数据处理单元进行脱靶量质心分析，以实现光束偏转闭环控制，且可提高系统带宽和跟踪精度。

Claims (5)

1.一种基于液晶的光束偏转系统控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤一：在相位调制图传入液晶空间光调制器之前，连接一个基于FPGA的HDM驱动器；
步骤二：搭建光束控制光路，光束闭环控制系统的控制器采用PID控制算法，控制器和基于FPGA的HDM驱动器共同组成数据处理单元；
步骤三：通过数据处理单元将电极相位差输送给基于FPGA的HDMI驱动器，驱动器根据相位差生成相位调制图，再将相位调制图加载到液晶空间光调制器；
步骤四：利用光电位置敏感器件(PSD)采集光束偏转脱靶量，并通过数据处理单元进行信标光跟踪，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶的光束偏转系统控制方法，其特征在于：步骤一中采用FPGA来处理输入的电极相位差信号，将生成的相位调制图处理为HDMI信号且直接加载到液晶空间光调制器。
3.根据权利要求1所述的一种基于液晶的光束偏转系统控制方法，其特征在于：步骤二中液晶空间光调制器可等效为一阶惯性环节和延迟环节，为保证良好的幅频和相位裕度，控制器可以设计为PID控制器，PID控制器是一种线性控制器，其传递函数为：
其中，kp为比例系数，ki为积分时间系数，kd为微分时间系数，比例环节可以有效减少偏差，积分环节可用于消除静差，以提高系统的无差度，微分环节反映偏差信号的变化趋势，能够在偏差信号变得太大之前引入一个有效的修正信号，以减少调节时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于液晶的光束偏转系统控制方法，其特征在于：步骤三中通过数据处理单元对FPGA连续输入不同的电极相位差，FPGA再通过不同的电极相位差快速地、实时地生成相位调制图，并加载到液晶空间光调制器，以进行光束偏转闭环回路。
5.根据权利要求3所述的一种基于液晶的光束偏转系统控制方法，其特征在于：步骤四中通过光电位置敏感器件(PSD)非成像探测光束偏转脱靶量，并通过数据处理单元进行脱靶量质心分析，可以减小反馈延迟，利用步骤二中的PID控制器进行信标光的跟踪修正，以实现闭环控制。
CN201910608136.3A 2019-07-08 2019-07-08 一种基于液晶的光束偏转系统控制方法 Pending CN110286541A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910608136.3A CN110286541A (zh) 2019-07-08 2019-07-08 一种基于液晶的光束偏转系统控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910608136.3A CN110286541A (zh) 2019-07-08 2019-07-08 一种基于液晶的光束偏转系统控制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110286541A true CN110286541A (zh) 2019-09-27

Family

ID=68020917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910608136.3A Pending CN110286541A (zh) 2019-07-08 2019-07-08 一种基于液晶的光束偏转系统控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110286541A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111323985A (zh) * 2020-03-03 2020-06-23 中国科学院光电技术研究所 一种用于液晶光束偏转系统的控制器整定方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107065124A (zh) * 2017-05-19 2017-08-18 广州大学 一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法
CN107369418A (zh) * 2017-08-04 2017-11-21 中国科学院光电技术研究所 一种基于fpga的液晶过驱动实现方法
CN109164662A (zh) * 2018-10-23 2019-01-08 长春理工大学 基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法
CN109298406A (zh) * 2018-11-19 2019-02-01 长春理工大学 基于液晶相控阵的激光雷达系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107065124A (zh) * 2017-05-19 2017-08-18 广州大学 一种基于液晶空间光调制器实现光束聚焦反馈控制的方法
CN107369418A (zh) * 2017-08-04 2017-11-21 中国科学院光电技术研究所 一种基于fpga的液晶过驱动实现方法
CN109164662A (zh) * 2018-10-23 2019-01-08 长春理工大学 基于液晶光学相控阵的光束偏转控制方法
CN109298406A (zh) * 2018-11-19 2019-02-01 长春理工大学 基于液晶相控阵的激光雷达系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杜升平: "应用于空间光通信的液晶光束偏转技术研究", 《中国科学院大学博士学位论文》 *
胡婕: "基于液晶光学相控阵的光束扫描研究进展", 《激光与光电子学进展》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111323985A (zh) * 2020-03-03 2020-06-23 中国科学院光电技术研究所 一种用于液晶光束偏转系统的控制器整定方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103837982B (zh) 基于光斑质心计算的目标在回路阵列光束共靶瞄准控制方法
CN106154681B (zh) 一种激光相控阵多波束形成系统及方法
US11573298B2 (en) OPA-based laser radar transceiver antenna and distance measurement method
CN102207614A (zh) 一种深空光通信跟踪瞄准系统及方法
CN112213872B (zh) 一种轻量化光学天线及基于其实现捕获跟瞄的方法
US11880068B2 (en) Space optical coupling apparatus
CN112713935B (zh) 自由空间光通信扫描跟踪方法、系统、设备及介质
CN205484801U (zh) 一种激光测距机的光轴调校系统
CN110286541A (zh) 一种基于液晶的光束偏转系统控制方法
CN202059416U (zh) 一种深空光通信跟踪瞄准系统
CN103904551A (zh) 自由电子激光器谐振腔
US20230155687A1 (en) Optical emission apparatus, optical communication system, and optical communication method
CN115291331B (zh) 一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法
CN115480391A (zh) 一种基于四象限探测器的微小光斑跟踪装置和方法
CN103645564A (zh) 用于光学图像处理的二维全光负反馈系统
Yu et al. Multifield acquisition technology for a narrow beacon laser on the non-orbit determination platform
CN111323985A (zh) 一种用于液晶光束偏转系统的控制器整定方法
Gibson Laser pointing technology
Ke et al. Automatic focusing control in beaconless APT system
Song et al. Design and implementation of infrared/laser dual-mode compound detection system
Teng et al. High Precision Implementation With Design Considerations and Experimental Tracking Results for Single-Sensor Optical Communication Terminal
Chi et al. Feasibility study of microsatellite laser communication pointing system based on SEEOR technology
Liu et al. Coarse and fine combination technology based on gyrostability and missing target tracking
Wang et al. Research progress of LIDAR system based on optical phased array technology
Yang et al. Design and implementation of a miniaturized beam emitting and tracking system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190927

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication