CN114301536B - 基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法，涉及空间激光通信领域，该系统中，外界光经液晶偏振光栅一衍射、液晶偏振光栅二衍射、主镜反射、次镜反射、快速反射镜一反射、波长分光片透射后进入通信接收支路；一部分光束依次经能量分光片反射、窄带滤光片一滤光、透镜组一会聚后进入CCD成像传感器；另一部分光束经能量分光片透射、窄带滤光片二滤光、透镜组二会聚后进入通信接收模块；激光器的激光依次经1/2波片转换、1/4波片转换、快速反射镜二反射、波长分光片反射、快速反射镜一反射、次镜反射、主镜反射、液晶偏振光栅二衍射、液晶偏振光栅一衍射后射出。本发明具有体积小、质量轻、扫描范围大、指向精度高的优点。

Description

基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法

技术邻域

本发明涉及空间激光通信技术领域，特别是涉及到一种基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法。

背景技术

空间激光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。空间激光通信系统不需要铺设光纤，且具有大通信容量、高速传输的优点。通信过程需要两台激光通信机构接收并解调来自对方的激光脉冲信号，并且空间激光通信的距离都很长，远距离完成光链路的连接是激光通信的一大难点，故需要精确的光束指向能力。

公开号为CN1542490的中国专利公开了一种精密旋转双棱镜光束扫描器及其控制方法，该专利提出旋转双棱镜结构可通过旋转共轴的两个圆形棱镜达到控制光束偏转的目的，采用这种结构可以实现光束扫描，其中存取双圆形棱镜地旋转角度和透射光束俯仰角和方位角的计算机数据库所采用的公式与棱镜的楔角有关。公开号为CN104122900A的中国专利公开了一种基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系，该专利提出采用旋转双棱镜结构可以实现对快速运动目标的高精度跟踪，旋转双棱镜组件包括第一棱镜、第二棱镜、第一电机、和第二电机；其中，旋转双棱镜实现对运动目标的粗跟踪，快速反射镜跟踪装置实现对目标的精跟踪；当棱镜楔角较小时，旋转双棱镜结构可以保证较小的体积及光束偏离精度；然而随着楔角的增大，光束偏离角的范围以及光束偏离角变化率的绝对值越来越大，也就是说，光束偏差的精度变得越来越低，楔角变大的同时也会使体积和重量变大，即楔角的大小必须根据偏转角和精度的要求进行综合优化，在实用性上受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法，以解决现有空间激光通信系统所采用的传统机械式光束指向机构及旋转双棱镜式光束指向机构存在的无法同时满足小体积、轻质量、扫描范围大、指向精度高等要求的问题。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，包括：液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二、电机一、电机二、主镜、次镜、快速反射镜一、波长分光片、快速反射镜二、1/4波片、1/2波片、激光器、能量分光片、窄带滤光片一、透镜组一、CCD成像传感器、窄带滤光片二、透镜组二、通信接收模块和控制器；所述液晶偏振光栅一与电机一电连接，液晶偏振光栅二与电机二电连接；所述控制器与液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二、电机一、电机二、快速反射镜一、快速反射镜二和CCD成像传感器均为电连接；所述液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二共光轴平行放置；所述主镜和次镜平行放置；所述窄带滤光片一、透镜组一和CCD成像传感器同光轴；所述窄带滤光片二、透镜组二和通信接收模块同光轴；所述1/4波片、1/2波片和激光器同光轴；

外界光束依次经液晶偏振光栅一衍射、液晶偏振光栅二衍射、主镜反射、次镜反射、快速反射镜一反射、波长分光片透射后进入通信接收支路；

在通信接收支路中，一部分光束依次经能量分光片反射、窄带滤光片一滤光、透镜组一会聚后进入CCD成像传感器；另一部分光束依次经能量分光片透射、窄带滤光片二滤光、透镜组二会聚后进入通信接收模块；

在通信发射支路中，激光器的激光依次经1/2波片转换、1/4波片转换、快速反射镜二反射、波长分光片反射、快速反射镜一反射、次镜反射、主镜反射、液晶偏振光栅二衍射、液晶偏振光栅一衍射后射出。

进一步的，所述液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二均为通过正交圆偏光干涉刻写的偏振光栅；所述液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二衍射的最大偏折角为30°；所述液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二的周期均为6.12μm。

进一步的，所述液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二共光轴平行放置，以光轴反方向为z轴正方向、光栅线为x轴正方向建立右手坐标系，则出射光由(Φ，Θ)唯一确定表示，Φ是通信光的偏折角，Θ是通信光的方位角；所述液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二共光轴独立旋转，以绕z轴逆时针旋转为正方向，θ₁是液晶偏振光栅一绕z轴的旋转角度，θ₂是液晶偏振光栅二绕z轴的旋转角度。

进一步的，所述电机一和电机二均采用力矩电机，转速均为3000r/s。

进一步的，所述主镜和次镜组成扩束/缩束天线系统，其收发共用，发射时扩大光束口径，接收时缩小光束口径；所述主镜和次镜的表面均为凹的抛物反射面。

进一步的，所述快速反射镜一工作角度均为45°，用于通信光精跟踪；所述波长分光片工作角度为45°，用于反射1530nm波长的激光和透射1550nm波长的激光；所述快速反射镜二工作角度均为45°，用于消色差调节激光发射端和激光接收端同轴；所述1/4波片和1/2波片均用于将线偏振光转换为圆偏振光。

进一步的，所述能量分光片的分光比为95:5，工作角度为45°；所述能量分光片用于反射5％的通信接收光至CCD图像传感器；所述能量分光片用于透射95％的通信接收光至通信接收模块。

进一步的，所述窄带滤光片一和窄带滤光片二的光谱峰值半宽度为4nm。

进一步的，所述通信接收模块采用通信APD探测器；另一部分光束依次经能量分光片透射、窄带滤光片二滤光、透镜组二会聚后进入通信接收模块，通过通信APD探测器进行光电转换并输出光信号。

本发明的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信方法，包括以下步骤：

步骤一、通过控制器控制电机一和电机二运行，分别带动液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二独立旋转，在获取的通信光目标位置，通过液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二引导通信光在光束指向范围内扫描进行通信光捕获；

步骤二、捕获到的通信光传播到由主镜和次镜组成的扩束/缩束天线系统进行缩束，通信光被主镜反射到次镜，缩束后的通信光被次镜反射至快速反射镜一；

步骤三、调节快速反射镜一使通信光反射到波长分光片，再由波长分光片透射至能量分光片；

步骤四、能量分光片反射5％的通信接收光至窄带滤光片一，经透镜组一会聚后在CCD成像传感器上形成光斑并将该光斑位置转化成脱靶量信息传输至控制器；

步骤五、能量分光片透射95％的通信接收光至窄带滤光片二，得到所需的通信光波段经透镜组二会聚后传输至通信接收模块并由通信接收模块进行光电转换后输出光信号；

步骤六、控制器根据通信光引导数据、液晶偏振光栅一的旋转角度θ₁和液晶偏振光栅二的旋转角度θ₂计算出液晶偏振光栅一的旋转变化角度Δθ₁和液晶偏振光栅二的旋转变化角度Δθ₂；

步骤七、控制器根据液晶偏振光栅一的旋转变化角度Δθ₁和液晶偏振光栅二的旋转变化角度Δθ₂计算出电机一的控制量d₁和电机二的控制量d₂，使液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二分别转动Δθ₁和Δθ₂，将光斑位置调整到CCD成像传感器视场中心区域，完成通信光的粗跟踪；

步骤八、通过控制器计算出光斑的脱靶量Δx和Δy，以此再计算出快速反射镜一的控制量Z_x和Z_y；

步骤九、根据控制量Z_x和Z_y调整快速反射镜一将光斑稳定闭环到CCD成像传感器视场中心，完成通信光的精跟踪；

步骤十、激光器发射波长为1530nm的通信发射光，此时波长为1530nm的通信光为外界通信接收端的通信接收光，波长为1530nm的通信发射光经1/2波片和1/4波片转换成圆偏振光后传播至快速反射镜二；

步骤十一、通信发射支路通信光波长为1530nm，通信接收支路的通信光波长为1550nm，故通信光之间存在色差从而导致通信发射支路和通信接收支路光路不同轴，由控制器根据公式(1)计算出不同轴的偏折量大小；

式中，Φ是通信光的偏折角，λ是通信光波长，Λ是液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二的光栅周期，θ₁是液晶偏振光栅一的旋转角度，θ₂是液晶偏振光栅二的旋转角度；

通信发射端和通信接收端不同轴的偏折量随液晶偏振光栅一和液晶偏振光栅二的旋转角度实时变化，控制器根据液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二的旋转角度解算出不同轴的偏折量，解算出的不同轴的偏折量发送到通信发射支路的快速反射镜二进行实时补偿，使得最终的通信发射支路与通信接收支路同光轴，消除通信发射端和通信接收端的色差问题；

步骤十二、波长为1530nm的通信发射光经波长分光片反射至快速反射镜一，经快速反射镜一反射传播到由主镜和次镜组成的扩束/缩束天线系统进行扩束；

步骤十三、通信发射光被次镜反射到主镜，再被主镜反射至液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅一，依次经液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅一衍射后进行通信光指向，该通信发射光能被外界的通信接收端捕获并跟踪。

本发明的有益效果是：

本发明采用双液晶偏振光栅的光束指向机构，液晶偏振光栅通过改变光束波前相位分布实现光束偏转，通过控制液晶偏振光栅的周期大小，即可控制正负一级光的偏转角；当液晶层的双折射相位延迟量为π的奇数倍且入射光为左旋或右旋圆偏振光时，液晶偏振光栅的正或负一级光的理论衍射效率为100％，也就是说，通过控制入射光束的偏振态和液晶层的相位延迟量，还能使得衍射光束在三个偏转角之间切换；由于两个偏振光栅可以在薄的液晶层中形成，该系统可以用更小的厚度和重量来实现，并且它们可以在不增加厚度的情况下扩展到大面积，因此双液晶偏振光栅方法提供了显著的纵横比改进；双液晶偏振光栅通过共轴独立旋转的方式，调整两个液晶偏振光栅旋转即可实现对光束的偏转控制，具有良好的光束指向性能以及良好的扫描动态性；经过光栅的不同波长的通信光的偏折角度与通信光波长和两光栅各自的旋转角有关，而通信发射支路和通信接收支路的通信光波长不一致，故通信光之间存在色差问题，导致通信发射和通信接收支路光轴不同轴。而且通信光之间不同轴的偏折量是随着两光栅的旋转角实时变化的，根据两光栅的旋转角可解算出不同轴的偏折量，控制器解算出的不同轴的偏折量发送到发射支路的快速反射镜进行实时补偿，使得最终的发射支路与接收支路同轴，消除通信发射端和通信接收端的色差问题。

本发明的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，可实时检测信号光脱靶量，并传输给控制器，双液晶偏振光栅和快速反射镜则根据控制器输出的命令进行实时调整角度使通信光同轴，建立激光通信链路。该空间激光通信系统具有体积小、重量轻、指向精度高、功耗低、响应迅速等优点，可实现对光束的大范围、快速、高精度的偏转控制，可代替传统空间光通信系统的光束指向机构，并且该空间激光通信系统可实时地调节通信发射支路和通信接收支路的同轴，以此为基础构成的光学APT系统，可进行远距离光链路的连接，适用于空间激光通信。

附图说明

图1为本发明的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统的光路结构示意图。

图2为双液晶偏振光栅的符号和坐标系统的示意图。

图1中，1-液晶偏振光栅一、2-液晶偏振光栅二、3-电机一、4-电机二、5-主镜、6-次镜、7-快速反射镜一、8-波长分光片、9-快速反射镜二、10-1/4波片、11-1/2波片、12-激光器、13-能量分光片、14-窄带滤光片一、15-透镜组一、16-CCD成像传感器、17-窄带滤光片二、18-透镜组二、19-通信接收模块、20-控制器。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，本发明的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，主要包括：液晶偏振光栅一1、液晶偏振光栅二2、电机一3、电机二4、主镜5、次镜6、快速反射镜一7、波长分光片8、快速反射镜二9、1/4波片10、1/2波片11、激光器12、能量分光片13、窄带滤光片一14、透镜组一15、CCD成像传感器16、窄带滤光片二17、透镜组二18、通信接收模块19和控制器20。

本实施方式中，液晶偏振光栅一1与电机一3电连接，液晶偏振光栅二2与电机二4电连接，液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2共光轴平行放置，分别由电机一3和电机二4带动旋转，液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2共光轴独立旋转。

本实施方式中，液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2均为通过正交圆偏光干涉刻写的偏振光栅。经过液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2衍射的最大偏折角Φ_max＝30°，液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2的周期由公式(2)计算可知均为6.12μm。

Φ_max＝arcsin(2λ/Λ)                              (2)

本实施方式中，电机一3和电机二4的转速均为3000r/s，均采用力矩电机，电机一3的转子与液晶偏振光栅一1直接相连，电机二4的转子与液晶偏振光栅二2直接相连，可360°连续旋转，响应速度快，可直接快速驱动液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2旋转到指定角度。

本实施方式中，由主镜5和次镜6组成天线系统，其收发共用，相当于是一个扩束/缩束系统，发射时扩大光束口径，接收时缩小光束口径。主镜5与次镜6平行放置。主镜5和次镜6的表面均为凹的抛物反射面。

本实施方式中，快速反射镜一7、波长分光片8、快速反射镜二9和能量分光片13的工作角度均为45°。

本实施方式中，快速反射镜一7用于通信接收支路，用作通信光精跟踪；快速反射镜二9用于通信发射支路，用作消色差调节激光发射和激光接收端同轴。

本实施方式中，波长分光片8反射1530nm波长的激光，透射1550nm波长的激光，工作角度为45°。

本实施方式中，由能量分光片13、窄带滤光片一14、透镜组一15、CCD成像传感器16、窄带滤光片二17、透镜组二18、通信接收模块19共同组成通信接收支路。窄带滤光片一14、透镜组一15和CCD成像传感器16同光轴放置；窄带滤光片二17、透镜组二18和通信接收模块19同光轴放置。

本实施方式中，由快速反射镜二9、1/4波片10、1/2波片11、激光器12共同组成通信发射支路。1/4波片10、1/2波片11和激光器12同光轴放置。

本实施方式中，1/2波片11和1/4波片10的主要功能为将线偏振光转换为圆偏振光。

本实施方式中，激光器12发射的激光波长为1530nm±3nm。

本实施方式中，能量分光片13的分光比为95:5，工作角度为45°；能量分光片13反射5％的通信接收光至CCD图像传感器16，分光片13透射95％的通信接收光至通信接收模块19。

本实施方式中，窄带滤光片一14和窄带滤光片二17的光谱峰值半宽度为4nm。

本实施方式中，控制器20与液晶偏振光栅一1、液晶偏振光栅二2、电机一3、电机二4、快速反射镜一7、快速反射镜二9和CCD成像传感器16之间均为电连接。

本实施方式中，通信接收模块19具体采用通信APD探测器。通信接收模块19实现另一方激光终端所发射过来的信号光的解调，由能量分光片13透射的光束会聚到通信APD探测器，由通信APD探测器进行光电转换并输出光信号。

本发明的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，外界光束依次经过液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2衍射后再经过主镜5反射至次镜6上，光束经过次镜6反射至快速反射镜一7上，光束经过快速反射镜一7反射至波长分光片8上，光束经过波长分光片8透射进入通信接收支路。

在通信接收支路中，少部分光束经过能量分光片13反射后入射至窄带滤光片一14滤光，再经过透镜组一15会聚后进入CCD成像传感器16进行成像；同时，大部分光束经过能量分光片13透射后入射至窄带滤光片二17滤光，再经过透镜组二18会聚后进入通信接收模块19。

在通信发射支路中，激光器12发出的激光经过1/2波片11和1/4波片10转换后入射至快速反射镜二9，光束经过快速反射镜二9反射至波长分光片8，光束经过波长分光片8反射至快速反射镜一7，光束经过快速反射镜一7反射至次镜6，光束经过次镜6反射至主镜5，光束经过主镜5反射至液晶偏振光栅二2，光束经过液晶偏振光栅二2和液晶偏振光栅一1衍射后射向外界。

本发明的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信方法，主要包括以下步骤：

步骤一、当外界的通信发射端发射出波长为1550nm的通信发射光，则此时波长为1550nm的通信光是该系统的通信接收光；在这个过程中，通过控制器20控制电机一3和电机二4运行，通过电机一3和电机二4分别带动液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2旋转，在获取的通信光目标位置处，通过液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2引导通信光在光束指向范围内扫描进行通信光捕获；

步骤二、捕获到的通信光传播到由主镜5和次镜6组成的扩束/缩束天线系统进行缩束，通信光传播到主镜5后被反射到次镜6，随后缩束后的通信光被次镜6反射至快速反射镜一7；

步骤三、调节快速反射镜一7的角度使通信光反射到波长分光片8，波长分光片8处透射通信光至能量分光片13；

步骤四、能量分光片13反射5％的通信接收光至窄带滤光片一14，经透镜组一15会聚，在CCD成像传感器16上形成光斑；能量分光片13反射5％的通信接收光在CCD成像传感器16上形成的光斑会有一个光斑位置，光斑位置转化成脱靶量信息传输至控制器20；

步骤五、能量分光片13透射95％的通信接收光至窄带滤光片二17，得到所需的通信光波段经透镜组二18会聚，传输至通信接收模块19；透射的通信接收光会聚到通信接收模块19，由通信接收模块19进行光电转换后并输出光信号；

步骤六、控制器20根据通信光引导数据、液晶偏振光栅一1的旋转角度θ₁和液晶偏振光栅二2的旋转角度θ₂计算出液晶偏振光栅一1的旋转变化角度Δθ₁和液晶偏振光栅二2的旋转变化角度Δθ₂；

如图2所示，液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2共光轴平行放置，以光轴反方向为z轴正方向、光栅线为x轴正方向建立右手坐标系，则出射光可以由(Φ，Θ)唯一确定表示。Φ是通信光的偏折角，Θ是通信光的方位角。液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2共光轴独立旋转，以绕z轴逆时针旋转为正方向，θ₁是液晶偏振光栅一1绕z轴的旋转角度，θ₂是液晶偏振光栅二2绕z轴的旋转角度。

步骤七、控制器20根据液晶偏振光栅一1的旋转变化角度Δθ₁和液晶偏振光栅二2的旋转变化角度Δθ₂计算出电机一3的控制量d₁和电机二4的控制量d₂，使得液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2分别转动Δθ₁和Δθ₂，使得在CCD成像传感器16上的光斑位置调整到视场中心区域，完成通信光的粗跟踪过程；

步骤八、通过控制器20计算出光斑的脱靶量Δx和Δy，以此再计算出快速反射镜一7的控制量Z_x和Z_y；

步骤九、快速反射镜一7根据控制器20计算出的控制量Z_x和Z_y，将光斑稳定闭环到CCD成像传感器16的视场中心，完成通信光的精跟踪过程；

步骤十、当前系统的通信发射端工作，通信发射端的激光器12发射波长为1530nm的通信发射光，此时波长为1530nm的通信光为外界通信接收端的通信接收光，波长为1530nm的通信发射光经过1/2波片11和1/4波片10变成圆偏振光后传播至快速反射镜二9；

步骤十一、双光栅偏折角和通信光波长均与液晶偏振光栅一1和液晶偏振光栅二2的旋转角度有关，该系统通信发射支路通信光波长为1530nm，通信接收支路的通信光波长为1550nm，故通信光之间存在色差问题，导致通信发射支路和通信接收支路光路不同轴，控制器20可根据公式(1)计算出不同轴的偏折量大小。

式中，Φ是通信光的偏折角，λ是通信光波长，Λ是液晶偏振光栅一1、液晶偏振光栅二2的光栅周期，θ₁是液晶偏振光栅一1的旋转角度，θ₂是液晶偏振光栅二2的旋转角度。

通信发射端和通信接收端不同轴的偏折量随着液晶偏振光栅一1、液晶偏振光栅二2的旋转角度实时变化，控制器20根据液晶偏振光栅一1、液晶偏振光栅二2的旋转角度解算出不同轴的偏折量，解算出的不同轴的偏折量发送到通信发射支路的快速反射镜二9进行实时补偿，使得最终的通信发射支路与通信接收支路同光轴，消除通信发射端和通信接收端的色差问题。

步骤十二、波长为1530nm的通信发射光经过波长分光片8反射至快速反射镜一7，经快速反射镜一7反射传播到由主镜5和次镜6组成的扩束/缩束天线系统进行扩束；

步骤十三、通信发射光传播到次镜6后被反射到主镜5，随后被主镜5反射至液晶偏振光栅二2和液晶偏振光栅一1，光束经过液晶偏振光栅二2和液晶偏振光栅一1衍射后进行通信光指向，该通信发射光能被外界的通信接收端捕获并跟踪。

上述描述中的实施方案可以进一步进行优化，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，在不脱离本发明设计思想及方案的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范畴。

Claims (6)

1.基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，包括：液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)、电机一(3)、电机二(4)、主镜(5)、次镜(6)、快速反射镜一(7)、波长分光片(8)、快速反射镜二(9)、1/4波片(10)、1/2波片(11)、激光器(12)、能量分光片(13)、窄带滤光片一(14)、透镜组一(15)、CCD成像传感器(16)、窄带滤光片二(17)、透镜组二(18)、通信接收模块(19)和控制器(20)；所述液晶偏振光栅一(1)与电机一(3)电连接，液晶偏振光栅二(2)与电机二(4)电连接；所述控制器(20)与液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)、电机一(3)、电机二(4)、快速反射镜一(7)、快速反射镜二(9)和CCD成像传感器(16)均为电连接；所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)共光轴平行放置；所述主镜(5)和次镜(6)平行放置；所述窄带滤光片一(14)、透镜组一(15)和CCD成像传感器(16)同光轴；所述窄带滤光片二(17)、透镜组二(18)和通信接收模块(19)同光轴；所述1/4波片(10)、1/2波片(11)和激光器(12)同光轴；

外界光束依次经液晶偏振光栅一(1)衍射、液晶偏振光栅二(2)衍射、主镜(5)反射、次镜(6)反射、快速反射镜一(7)反射、波长分光片(8)透射后进入通信接收支路；

在通信接收支路中，一部分光束依次经能量分光片(13)反射、窄带滤光片一(14)滤光、透镜组一(15)会聚后进入CCD成像传感器(16)；另一部分光束依次经能量分光片(13)透射、窄带滤光片二(17)滤光、透镜组二(18)会聚后进入通信接收模块(19)；

在通信发射支路中，激光器(12)的激光依次经1/2波片(11)转换、1/4波片(10)转换、快速反射镜二(9)反射、波长分光片(8)反射、快速反射镜一(7)反射、次镜(6)反射、主镜(5)反射、液晶偏振光栅二(2)衍射、液晶偏振光栅一(1)衍射后射出。

2.根据权利要求1所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)均为通过正交圆偏光干涉刻写的偏振光栅；所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)衍射的最大偏折角为30°；所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)的周期均为6.12μm。

3.根据权利要求1所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)共光轴平行放置，以光轴反方向为z轴正方向、光栅线为x轴正方向建立右手坐标系，则出射光由(Φ，Θ)唯一确定表示，Φ是通信光的偏折角，Θ是通信光的方位角；所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)共光轴独立旋转，以绕z轴逆时针旋转为正方向，θ₁是液晶偏振光栅一(1)绕z轴的旋转角度，θ₂是液晶偏振光栅二(2)绕z轴的旋转角度。

4.根据权利要求1所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，所述快速反射镜一(7)工作角度均为45°，用于通信光精跟踪；所述波长分光片(8)工作角度为45°，用于反射1530nm波长的激光和透射1550nm波长的激光；所述快速反射镜二(9)工作角度均为45°，用于消色差调节激光发射端和激光接收端同轴。

5.根据权利要求1所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，所述能量分光片(13)的分光比为95:5，工作角度为45°；所述能量分光片(13)用于反射5％的通信接收光至CCD图像传感器16；所述能量分光片(13)用于透射95％的通信接收光至通信接收模块(19)。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统实现的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过控制器(20)控制电机一(3)和电机二(4)运行，分别带动液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)独立旋转，在获取的通信光目标位置，通过液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)引导通信光在光束指向范围内扫描进行通信光捕获；

步骤二、捕获到的通信光传播到由主镜(5)和次镜(6)组成的扩束/缩束天线系统进行缩束，通信光被主镜(5)反射到次镜(6)，缩束后的通信光被次镜(6)反射至快速反射镜一(7)；

步骤三、调节快速反射镜一(7)使通信光反射到波长分光片(8)，再由波长分光片(8)透射至能量分光片(13)；

步骤四、能量分光片(13)反射5％的通信接收光至窄带滤光片一(14)，经透镜组一(15)会聚后在CCD成像传感器(16)上形成光斑并将该光斑位置转化成脱靶量信息传输至控制器(20)；

步骤五、能量分光片(13)透射95％的通信接收光至窄带滤光片二(17)，得到所需的通信光波段经透镜组二(18)会聚后传输至通信接收模块(19)并由通信接收模块(19)进行光电转换后输出光信号；

步骤六、控制器(20)根据通信光引导数据、液晶偏振光栅一(1)的旋转角度θ₁和液晶偏振光栅二(2)的旋转角度θ₂计算出液晶偏振光栅一(1)的旋转变化角度Δθ₁和液晶偏振光栅二(2)的旋转变化角度Δθ₂；

步骤七、控制器(20)根据液晶偏振光栅一(1)的旋转变化角度Δθ₁和液晶偏振光栅二(2)的旋转变化角度Δθ₂计算出电机一(3)的控制量d₁和电机二(4)的控制量d₂，使液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)分别转动Δθ₁和Δθ₂，将光斑位置调整到CCD成像传感器(16)视场中心区域，完成通信光的粗跟踪；

步骤八、通过控制器(20)计算出光斑的脱靶量Δx和Δy，以此再计算出快速反射镜一(7)的控制量Z_x和Z_y；

步骤九、根据控制量Z_x和Z_y调整快速反射镜一(7)将光斑稳定闭环到CCD成像传感器(16)视场中心，完成通信光的精跟踪；

步骤十、激光器(12)发射波长为1530nm的通信发射光，此时波长为1530nm的通信光为外界通信接收端的通信接收光，波长为1530nm的通信发射光经1/2波片(11)和1/4波片(10)转换成圆偏振光后传播至快速反射镜二(9)；

步骤十一、通信发射支路通信光波长为1530nm，通信接收支路的通信光波长为1550nm，故通信光之间存在色差从而导致通信发射支路和通信接收支路光路不同轴，由控制器(20)根据公式(1)计算出不同轴的偏折量大小；

式中，Φ是通信光的偏折角，λ是通信光波长，Λ是液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)的光栅周期，θ₁是液晶偏振光栅一(1)的旋转角度，θ₂是液晶偏振光栅二(2)的旋转角度；

通信发射端和通信接收端不同轴的偏折量随液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)的旋转角度实时变化，控制器(20)根据液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)的旋转角度解算出不同轴的偏折量，解算出的不同轴的偏折量发送到通信发射支路的快速反射镜二(9)进行实时补偿，使得最终的通信发射支路与通信接收支路同光轴，消除通信发射端和通信接收端的色差问题；

步骤十二、波长为1530nm的通信发射光经波长分光片(8)反射至快速反射镜一(7)，经快速反射镜一(7)反射传播到由主镜(5)和次镜(6)组成的扩束/缩束天线系统进行扩束；

步骤十三、通信发射光被次镜(6)反射到主镜(5)，再被主镜(5)反射至液晶偏振光栅二(2)和液晶偏振光栅一(1)，依次经液晶偏振光栅二(2)和液晶偏振光栅一(1)衍射后进行通信光指向，该通信发射光能被外界的通信接收端捕获并跟踪。

Images