CN113376924A - 一种星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法，其具体步骤包括：获取当前卫星系统波束指向角度θ₁和期望的天线指向角度θ₂；计算θ₁与θ₂的差值绝对值，并与切换阈值比较，若小于阈值，则等待一个时间间隔，重新获取当前波束指向角度θ₁；若大于阈值，则计算当前天线中每个电极的初始相移量和目标相移量；将电极i的相移量由初始相移量调整至目标相移量并将i加1；判断i是否大于电极总数N，如果是，则完成波束指向切换；否则将电极i的相移量由初始相移量调整至目标相移量并重复前一步骤，直至i大于电极总数N，完成卫星波束指向切换。本发明在波位切换过程保持功率稳定，能够有效便捷的实现波束控制；波束指向角度平滑过渡，能够避免远场光斑闪耀。

Description

一种星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法

技术领域

本发明属于卫星移动通信领域，尤其涉及一种星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法。

背景技术

液晶光学相控阵(LCOPA)技术是一种先进的波束扫描技术，具有驱动电压低、低SWaP、响应速度快等优点，广泛应用于自适应光学、激光雷达和空间光通信等领域。LCOPA通过对波束相位的精准调制，实现高精度的波束偏转和波束指向。由于受到液晶加工工艺水平的限制，液晶光学相控阵的实际偏转效率远低于理论水平，而消除加工工艺所造成的缺陷只能依赖于生产技术水平的提高。因此，从指向动态切换的角度来提高波束偏转效率具有实际的应用价值。

论文“激光雷达液晶相控阵波控数据优化算法研究”(电子科技大学硕士毕业论文，2011)采用了模式搜索法自适应地对液晶相控阵的控制电压进行校正，提高了波束的偏转效率，但该方法优化速度较慢，无法满足实际应用需求。中国专利CN104834148B中提出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，该发明天线采用透射式液晶偏振光栅和透射式液晶光学相控阵联合进行大角度偏转控制,实现波束扫描,并通过液晶光楔控制波束进行高精度波束偏转控制,实现高精度波束跟踪，但该方法无法满足星载条件下动态连接的激光链路切换需求。

发明内容

针对现有的液晶光学相控阵的实际偏转效率较低的问题，本发明公开了一种星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法，其具体步骤包括：

S1，通过分析星载液晶光学相控阵天线的波束切换的捷变特性，获取卫星通信系统的当前波束指向角度θ₁；

依据液晶光学相控阵理论，从星载液晶光学相控阵天线的初始波束指向角α₁和目标波束指向角α₂，分别得到对应的初始驱动电压阵列值U₁和目标驱动电压阵列值U₂，其中，U₁＝[U₁(1),U₁(2),…,U₁(M)]，U₂＝[U₂(1),U₂(2),…,U₂(M)]，M为星载液晶光学相控阵天线所包含的单元天线的数目；对于星载液晶光学相控阵天线中的每一个单元天线k，根据其初始驱动电压U₁(k)和加载的目标驱动电压U₂(k)，利用液晶的动力学方程确定一段时间内的液晶指向矢量分布的变化过程，k＝1,2,…,M；依据液晶的移相原理，确定星载液晶光学相控阵天线的出射激光近场光斑的相位分布φ(x,y,t)的变化过程，φ(x,y,t)表示t时刻近场光斑在坐标(x,y)处的相位，坐标(x,y)是指近场光斑在出射激光光束波前平面中以光束中心为原点的二维平面直角坐标下的坐标，同时也是相控阵天线出射平面中的坐标，根据液晶光学相控阵理论，确定星载液晶光学相控阵天线的出射激光远场光斑参数的变化过程，具体包括远场光斑的功率密度分布变化I_f(α_x,α_y,t)和相位分布变化φ_f(α_x,α_y,t)，I_f(α_x,α_y,t)和φ_f(α_x,α_y,t)分别表示t时刻远场光斑在坐标(α_x,α_y)处的功率密度和相位，坐标(α_x,α_y)是指远场光斑在出射激光光束波前平面中以光束中心为原点的二维平面直角坐标下的坐标。

在星载液晶光学相控阵天线的波束指向角的切换过程中，星载液晶光学相控阵天线的各个单元天线中的液晶分子独立发生转动；星载液晶光学相控阵天线的出射激光的远场光斑与近场光斑的场强关系满足：

其中，E_far(θ_x)表示远场光斑距离光斑中心射线的散射角为θ_x处的光场强度，l为远场光斑传播距离，λ为激光波长，E_near(x)为近场光斑在距离光斑中心点x距离处的光场强度，k₀为玻尔兹曼常数，E_near(x)的计算公式为：

E_near(x)＝E_A(x)exp(jφ(x))，

其中，E_A(x)为入射激光光束在距离光斑中心点x距离处的光场强度，φ(x)为星载液晶光学相控阵天线在距离光斑中心点x距离处产生的附加相位，

其中，d为液晶光学相控阵的液晶层厚度，n_e(z)表示非寻常光在z处的折射率，z为在液晶光学相控阵的液晶层厚度方向上的坐标值，非寻常光的折射率满足折射率椭球原理，

其中θ是卫星通信系统的当前波束指向角度θ₁下液晶指向矢量的偏转角度，n_⊥(z)和n_||(z)分别表示平行于光轴方向和垂直于光轴方向的非寻常光在z处的折射率。

S2，获取星载液晶光学相控阵天线的期望指向角度θ₂；

S3，对星载液晶光学相控阵天线的波束切换进行优化，计算θ₁与θ₂之间差值的绝对值，并与切换阈值相比较，若该差值的绝对值大于切换阈值，则执行步骤S4；若该差值的绝对值小于切换阈值，则等待一个指向调整时间间隔，执行步骤S1，其中指向调整时间间隔由卫星的轨道参数和卫星通信链路质量需求决定；

使用逐行扫描法，对星载液晶光学相控阵天线中的单个液晶移相器进行扫描控制，从而实现每次的波位切换时，整个星载液晶光学相控阵天线上只有一根电极上的电压发生变化，将星载液晶光学相控阵天线以电控方式独立划分成A和B两个子区域，两个子区域对液晶层的占有率通过电控切换方式改变；根据两个角度θ₁和θ₂，分别确定子区域A和B上的每根电极所需的相移量，在子区域A和B上的第i根电极上所需的相移量分别是φ_i2和φ_i1，第i根电极的相移量φ_i表达为：

其中，N为子区域A和B之间的边界区域上的电极索引值，因此0≤N≤N_max，N_max是星载液晶光学相控阵天线的电极总数；子区域A对液晶层的占有率η被定义为η＝N/N_max；子区域A产生激光光束的远场光场强度分布记为E_A,far，子区域B产生激光光束的远场光场强度分布记为E_B,far，这两个远场分布组成的相干重叠区的光场强度分布表示为：

E_far＝E_A,far+E_B,far，

从子区域A和B产生的激光光束的光场生成一个中心角度介于θ₁和θ₂之间的新的相干波峰，该新的相干波峰的中心角度为θ_cs；子区域A对液晶层的的占有率η值从0变到1时，该新的相干波峰的中心角度θ_cs从θ₁平滑移动至θ₂。

S4，计算当前星载液晶光学相控阵天线中的第i根电极的初始相移量φ_1,i，i＝1,2,…,N_max；

S5，根据步骤S2中获取的星载液晶光学相控阵天线的期望指向角度θ₂，计算星载液晶光学相控阵天线中每个电极所对应的相移量φ_2,i，i＝1,2,…,N_max；

S6，假设电极索引值i的初始值为1；

S7，将第i根电极的相移量由φ_1,i调整至φ_2,i，令i＝i+1；

S8，判断i是否大于电极总数N_max，如果是，则完成波束指向动态切换；若否，则执行S7，直至i大于电极总数N_max，完成卫星波束指向动态切换。

本发明的有益效果包括：

1、本发明重点针对相控阵波位切换的捷变特性进行分析，在“动中通”的约束条件下，建立激光链路的动态连接，保证波位切换过程的功率稳定，使得系统波束控制更为有效便捷；

2、本发明使用的逐行扫描相干法是对单个液晶移相器进行扫描控制，在每次波束指向切换时，整个阵列上的电极电压依次发生变化，从而实现波束指向角度平滑过渡，避免远场光斑的闪耀。

附图说明

图1为本发明的星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法实现流程图；

图2为本发明的子孔径相干法的相位分布图；

图3为星载液晶光学相控阵天线LC-OPA的相位分布图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例公开了一种星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法，包括以下步骤：

S1，通过分析星载液晶光学相控阵天线的波束切换的捷变特性，获取卫星通信系统的当前波束指向角度θ₁；

依据液晶光学相控阵理论，从星载液晶光学相控阵天线的初始波束指向角α₁和目标波束指向角α₂，分别得到对应的初始驱动电压阵列值U₁和目标驱动电压阵列值U₂，其中，U₁＝[U₁(1),U₁(2),…,U₁(M)]，U₂＝[U₂(1),U₂(2),…,U₂(M)]，M为星载液晶光学相控阵天线所包含的单元天线的数目；对于星载液晶光学相控阵天线中的每一个单元天线k，根据其初始驱动电压U₁(k)和加载的目标驱动电压U₂(k)，利用液晶的动力学方程确定一段时间内的液晶指向矢量分布的变化过程，k＝1,2,…,M；依据液晶的移相原理，确定星载液晶光学相控阵天线的出射激光近场光斑的相位分布φ(x,y,t)的变化过程，φ(x,y,t)表示t时刻近场光斑在坐标(x,y)处的相位，坐标(x,y)是指近场光斑在出射激光光束波前平面中以光束中心为原点的二维平面直角坐标下的坐标，同时也是相控阵天线出射平面中的坐标，根据液晶光学相控阵理论，确定星载液晶光学相控阵天线的出射激光远场光斑参数的变化过程，具体包括远场光斑的功率密度分布变化I_f(α_x,α_y,t)和相位分布变化φ_f(α_x,α_y,t)，I_f(α_x,α_y,t)和φ_f(α_x,α_y,t)分别表示t时刻远场光斑在坐标(α_x,α_y)处的功率密度和相位，坐标(α_x,α_y)是指远场光斑在出射激光光束波前平面中以光束中心为原点的二维平面直角坐标下的坐标。

在星载液晶光学相控阵天线的波束指向角的切换过程中，星载液晶光学相控阵天线的各个单元天线中的液晶分子独立发生转动；同时，液晶分子的转动过程相比光的传输过程是一个非常缓慢的过程，因此，波束切换时间不需考虑光在液晶层内的传输时间；所以，星载液晶光学相控阵天线的出射激光的远场光斑与近场光斑的场强关系满足：

其中，E_far(θ_x)表示远场光斑距离光斑中心射线的散射角为θ_x处的光场强度，l为远场光斑传播距离，λ为激光波长，E_near(x)为近场光斑在距离光斑中心点x距离处的光场强度，k₀为玻尔兹曼常数，E_near(x)的计算公式为：

E_near(x)＝E_A(x)exp(jφ(x))，

其中，E_A(x)为入射激光光束在距离光斑中心点x距离处的光场强度，φ(x)为星载液晶光学相控阵天线在距离光斑中心点x距离处产生的附加相位，

其中，d为液晶光学相控阵的液晶层厚度，n_e(z)表示非寻常光在z处的折射率，z为在液晶光学相控阵的液晶层厚度方向上的坐标值，非寻常光的折射率满足折射率椭球原理，

其中θ是卫星通信系统的当前波束指向角度θ₁下液晶指向矢量的偏转角度，液晶指向矢量是指在电压控制条件下，液晶偏转后的矢量方向，n_⊥(z)和n_||(z)分别表示平行于光轴方向和垂直于光轴方向的非寻常光在z处的折射率。

S2，获取星载液晶光学相控阵天线的期望指向角度θ₂；

S3，对星载液晶光学相控阵天线的波束切换进行优化，计算θ₁与θ₂之间差值的绝对值，并与切换阈值相比较，若该差值的绝对值大于切换阈值，则执行步骤S4；若该差值的绝对值小于切换阈值，则等待一个指向调整时间间隔，执行步骤S1，其中指向调整时间间隔由卫星的轨道参数和卫星通信链路质量需求决定；

使用逐行扫描法，对星载液晶光学相控阵天线中的单个液晶移相器进行扫描控制，从而实现每次的波位切换时，整个星载液晶光学相控阵天线上只有一根电极上的电压发生变化，从而对远场光斑的影响不是闪耀的结果，而会出现平滑过渡。星载液晶光学相控阵天线的液晶移相器上的相位分布示意图如图2所示，将星载液晶光学相控阵天线以电控方式独立划分成A和B两个子区域，两个子区域对液晶层的占有率通过电控切换方式改变；根据两个角度θ₁和θ₂，分别确定子区域A和B上的每根电极所需的相位调制量；在子区域A和B上的第i根电极上所需的相移量分别是φ_i2和φ_i1，第i根电极的相移量φ_i表达为：

其中，N为子区域A和B之间的边界区域上的电极索引值，因此0≤N≤N_max，N_max是星载液晶光学相控阵天线的电极总数；子区域A对液晶层的占有率η被定义为η＝N/N_max；子区域A产生激光光束的远场光场强度分布记为E_A,far，子区域B产生激光光束的远场光场强度分布记为E_B,far，这两个远场分布组成的相干重叠区的光场强度分布表示为：

E_far＝E_A,far+E_B,far，

如图3所示，从子区域A和B发出的光场来源于具有相同波长和偏振态的激光源，并且其在远场处的光束可以相干重叠，图3中的(a)图为波束指向切换前的天线相位分布图，(b)图为波束指向切换中的天线相位分布图，(c)图为波束指向切换后的天线相位分布图，因此，从子区域A和B产生的激光光束的光场生成一个中心角度介于θ₁和θ₂之间的新的相干波峰，该新的相干波峰的中心角度为θ_cs；子区域A对液晶层的的占有率η值从0变到1时，该新的相干波峰的中心角度θ_cs从θ₁平滑移动至θ₂。

S4，计算当前星载液晶光学相控阵天线中的第i根电极的初始相移量φ_1,i，i＝1,2,…,N_max；

S5，根据步骤S2中获取的星载液晶光学相控阵天线的期望指向角度θ₂，计算星载液晶光学相控阵天线中每个电极所对应的相移量φ_2,i，i＝1,2,…,N_max；

S6，假设电极索引值i的初始值为1；

S7，将第i根电极的相移量由φ_1,i调整至φ_2,i，令i＝i+1；

S8，判断i是否大于电极总数N_max，如果是，则完成波束指向动态切换；若否，则执行S7，直至i大于电极总数N_max，完成卫星波束指向动态切换。

以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书是用于解释权利要求的，本发明的保护范围以权利要求为准，在本发明的基础上，任何所做的修改、等同替换和改进等都应当在所要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法，其特征在于，其具体步骤包括：

S1，通过分析星载液晶光学相控阵天线的波束切换的捷变特性，获取卫星通信系统的当前波束指向角度θ₁；

S2，获取星载液晶光学相控阵天线的期望指向角度θ₂；

S3，对星载液晶光学相控阵天线的波束切换进行优化，计算θ₁与θ₂之间差值的绝对值，并与切换阈值相比较，若该差值的绝对值大于切换阈值，则执行步骤S4；若该差值的绝对值小于切换阈值，则等待一个指向调整时间间隔，执行步骤S1，其中指向调整时间间隔由卫星的轨道参数和卫星通信链路质量需求决定；

S4，计算当前星载液晶光学相控阵天线中的第i根电极的初始相移量φ_1,i，i＝1,2,…,N_max，N_max是星载液晶光学相控阵天线的电极总数；

S5，根据步骤S2中获取的星载液晶光学相控阵天线的期望指向角度θ₂，计算星载液晶光学相控阵天线中每个电极所对应的相移量φ_2,i，i＝1,2,…,N_max；

S6，假设电极索引值i的初始值为1；

S7，将第i根电极的相移量由φ_1,i调整至φ_2,i，令i＝i+1；

S8，判断i是否大于电极总数N_max，如果是，则完成波束指向动态切换；若否，则执行S7，直至i大于电极总数N_max，完成卫星波束指向动态切换。

2.如权利要求1所述的星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法，其特征在于，所述的步骤S1，其具体包括，依据液晶光学相控阵理论，从星载液晶光学相控阵天线的初始波束指向角α₁和目标波束指向角α₂，分别得到对应的初始驱动电压阵列值U₁和目标驱动电压阵列值U₂，其中，U₁＝[U₁(1),U₁(2),…,U₁(M)]，U₂＝[U₂(1),U₂(2),…,U₂(M)]，M为星载液晶光学相控阵天线所包含的单元天线的数目；对于星载液晶光学相控阵天线中的每一个单元天线k，根据其初始驱动电压U₁(k)和加载的目标驱动电压U₂(k)，利用液晶的动力学方程确定一段时间内的液晶指向矢量分布的变化过程，k＝1,2,…,M；依据液晶的移相原理，确定星载液晶光学相控阵天线的出射激光近场光斑的相位分布φ(x,y,t)的变化过程，φ(x,y,t)表示t时刻近场光斑在坐标(x,y)处的相位，坐标(x,y)是指近场光斑在出射激光光束波前平面中以光束中心为原点的二维平面直角坐标下的坐标，同时也是相控阵天线出射平面中的坐标，根据液晶光学相控阵理论，确定星载液晶光学相控阵天线的出射激光远场光斑参数的变化过程，具体包括远场光斑的功率密度分布变化I_f(α_x,α_y,t)和相位分布变化φ_f(α_x,α_y,t)，I_f(α_x,α_y,t)和φ_f(α_x,α_y,t)分别表示t时刻远场光斑在坐标(α_x,α_y)处的功率密度和相位，坐标(α_x,α_y)是指远场光斑在出射激光光束波前平面中以光束中心为原点的二维平面直角坐标下的坐标；

在星载液晶光学相控阵天线的波束指向角的切换过程中，星载液晶光学相控阵天线的各个单元天线中的液晶分子独立发生转动；星载液晶光学相控阵天线的出射激光的远场光斑与近场光斑的场强关系满足：

其中，E_far(θ_x)表示远场光斑距离光斑中心射线的散射角为θ_x处的光场强度，l为远场光斑传播距离，λ为激光波长，E_near(x)为近场光斑在距离光斑中心点x距离处的光场强度，k₀为玻尔兹曼常数，E_near(x)的计算公式为：

E_near(x)＝E_A(x)exp(jφ(x))，

其中，E_A(x)为入射激光光束在距离光斑中心点x距离处的光场强度，φ(x)为星载液晶光学相控阵天线在距离光斑中心点x距离处产生的附加相位，

其中，d为液晶光学相控阵的液晶层厚度，n_e(z)表示非寻常光在z处的折射率，z为在液晶光学相控阵的液晶层厚度方向上的坐标值，非寻常光的折射率满足折射率椭球原理，

其中θ是卫星通信系统的当前波束指向角度θ₁下液晶指向矢量的偏转角度，n_⊥(z)和n_||(z)分别表示平行于光轴方向和垂直于光轴方向的非寻常光在z处的折射率。

3.如权利要求1所述的星载液晶光学相控阵天线波束指向动态切换方法，其特征在于，所述的步骤S3，其具体包括，使用逐行扫描法，对星载液晶光学相控阵天线中的单个液晶移相器进行扫描控制，从而实现每次的波位切换时，整个星载液晶光学相控阵天线上只有一根电极上的电压发生变化，将星载液晶光学相控阵天线以电控方式独立划分成A和B两个子区域，两个子区域对液晶层的占有率通过电控切换方式改变；根据两个角度θ₁和θ₂，分别确定子区域A和B上的每根电极所需的相移量，在子区域A和B上的第i根电极上所需的相移量分别是φ_i2和φ_i1，第i根电极的相移量φ_i表达为：

其中，N为子区域A和B之间的边界区域上的电极索引值，因此0≤N≤N_max，N_max是星载液晶光学相控阵天线的电极总数；子区域A对液晶层的占有率η被定义为η＝N/N_max；子区域A产生激光光束的远场光场强度分布记为E_A,far，子区域B产生激光光束的远场光场强度分布记为E_B,far，这两个远场分布组成的相干重叠区的光场强度分布表示为：

E_far＝E_A,far+E_B,far，

从子区域A和B产生的激光光束的光场生成一个中心角度介于θ₁和θ₂之间的新的相干波峰，该新的相干波峰的中心角度为θ_cs；子区域A对液晶层的的占有率η值从0变到1时，该新的相干波峰的中心角度θ_cs从θ₁平滑移动至θ₂。

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