CN104834148B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双向四波束液晶光学相控阵天线，并基于该天线实现了一种液晶相控多用户空间双向激光通信方法，其中本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。本发明中采用两个并行结构的液晶光学相控阵天线对两个偏振方向相互垂直的线偏光进行独立控制，并采用圆偏光左右旋复用和液晶光学相控相结合的方法，实现同一用户光信号的收发分离，这样既可以实现多用户双向通信，也可以实现单用户偏振复用通信。

Description

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

技术领域

本发明涉及卫星激光通信和激光雷达等技术领域，特别涉及一种双向四波束液晶光学相控阵天线，以及利用该天线实现的一种液晶相控多用户空间双向激光通信方法。

背景技术

近年来空间激光通信技术得到快速发展，国外成功建立了星间、星地高速激光通信演示验证系统。随着空间激光通信技术的发展，星间激光通信链路向空间激光通信网络发展，这需要实现一个用户与多个用户之间的通信。目前国内外研究的激光通信系统为点对点单链路数据传输系统，采用机械式捕跟机构和传统式捕获跟踪技术，机械式捕跟机构(包括天线)体积大、笨重，而且惯性大，不仅难以满足平台对体积和重量需求，而且难以实现多用户接入。随着空间激光通信网络技术的发展，新型空间激光通信系统需要解决以下三方面的技术难题：

●便于实现多用户接入；

●降低激光通信终端的体积和重量；

●降低捕获时间，实现快速捕获。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种双向四波束液晶光学相控阵天线，并基于该天线实现了一种液晶相控多用户空间双向激光通信方法，本发明得到液晶光学相控阵天线与机械式捕跟机构相比，可以实现多个波束的高精度、快速、灵活控制，光电系统的集成度稿，制造成本低，利用本发明天线实现的激光通信方法可以实现多用户的双向通信，从而实现多用户接入。

本发明的上述目的通过如下方案实现：

一种双向四波束液晶光学相控阵天线，用于在激光发射终端和激光接收终端E、激光接收终端F之间建立空间激光通信链路，包括液晶光学相控阵子系统A和液晶光学相控阵子系统B，且两个子系统的液晶取向相互垂直，其中：液晶光学相控阵子系统A包括四分之一波片A、光学相控阵天线单元A、捕获跟踪单元A、偏振分束器A；液晶光学相控阵子系统B包括四分之一波片B、光学相控阵天线单元B、捕获跟踪单元B、偏振分束器B；其中，四分之一波片A、光学相控阵天线单元A和偏振分束器A依次垂直放置在同一光轴A上；四分之一波片B、光学相控阵天线单元B和偏振分束器B依次垂直放置在同一光轴B上，且所述光轴A和光轴B相互平行；

液晶光学相控阵子系统A：在前向发射过程中，偏振分束器A接收激光发射终端发射模块发送的线偏光A并转发给光学相控阵天线单元A，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元A发送的角度偏转信号控制线偏光A的光束偏转方向，并经四分之一波片A转变为圆偏光A后，对激光接收终端E的不确定区域进行扫描，其中，所述线偏光A的偏振方向与液晶光学相控阵子系统A的液晶取向平行；在后向接收过程中，如果激光发射终端接收到激光接收终端E发送的圆偏光C，四分之一波片A将所述圆偏光C转变为线偏光C，并经光学相控阵天线单元A发送到偏振分束器A，偏振分束器A将所述接收到的线偏光C分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元A，捕获跟踪单元A对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A；其中，所述圆偏光C为激光接收终端E接收到激光发射终端发送的圆偏光A后发射的扫描波束，即激光接收终端E发送圆偏光C对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光C的偏振方向与线偏光A相同，且旋转方向与圆偏光A相反；

液晶光学相控阵子系统B：在前向发射过程中，偏振分束器B接收激光发射终端发射模块发送的线偏光B并转发给光学相控阵天线单元B，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元B发送的角度偏转信号控制线偏光B的光束偏转方向，并经四分之一波片B转变为圆偏光B后，对激光接收终端F的不确定区域进行扫描；其中，所述线偏光B与线偏光A独立调制，且线偏光B的偏振方向与液晶光学相控阵子系统B的液晶取向平行，即线偏光B与线偏光A的偏振方向垂直，并且所述圆偏光B和圆偏光A的旋转方向相反；在后向接收过程中，如果激光发射终端接收到激光接收终端F发送的圆偏光D，四分之一波片B将所述圆偏光D转变为线偏光D，并经光学相控阵天线单元B发送到偏振分束器B，偏振分束器B将所述接收到的线偏光D分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元B，捕获跟踪单元B对获得线偏光D的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元B；其中，所述圆偏光D为激光接收终端F接收到激光发射终端发送的圆偏光B后发射的扫描波束，即激光接收终端F发送圆偏光D对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光D的偏振方向与线偏光B相同，且旋转方向与圆偏光B相反。

上述的双向四波束液晶光学相控阵天线，在前向发射过程中，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元A发送的角度偏转信号控制线偏光A的光束偏转方向，具体实现方法为：在初始时刻，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围控制线偏光A的光束偏转角度，对激光接收端A的不确定区域进行扫描；当捕获跟踪单元A接收到线偏光C后，对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A，则光学相控阵天线单元A按照所述角度偏转信号控制线偏光A的波束偏转角度，对激光接收端A的不确定区域进行扫描；

同理，在前向发射过程中，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元B发送的角度偏转信号控制线偏光B的光束偏转方向，具体实现方法为：在初始时刻，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围控制线偏光B的光束偏转角度，对激光接收端B的不确定区域进行扫描；当捕获跟踪单元B接收到线偏光D后，对获得线偏光D的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元B，则光学相控阵天线单元B按照所述角度偏转信号控制线偏光B的波束偏转角度，对激光接收端B的不确定区域进行扫描。

上述的双向四波束液晶光学相控阵天线，光学相控阵天线单元A包括液晶光学相控阵A、液晶光楔A、液晶光楔波控器A和液晶相控阵波控器A；捕获跟踪单元A包括分束器A、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块A；光学相控阵天线单元B包括液晶光学相控阵B、液晶光楔B、液晶光楔波控器B和液晶相控阵波控器B；捕获跟踪单元B包括分束器B、粗捕获探测模块B和精跟踪探测模块B；

所述液晶光学相控阵A和液晶光楔A的通光口径相同，液晶光学相控阵A和液晶光楔A光轴重合，且四分之一波片A、液晶光学相控阵A、液晶光楔A和偏振分束器A依次垂直放置在同一光轴A上；所述液晶光学相控阵B和液晶光楔B的通光口径相同，液晶光学相控阵B和液晶光楔B光轴重合，且四分之一波片B、液晶光学相控阵B、液晶光楔B和偏振分束器B依次垂直放置在同一光轴B上；

其中，捕获跟踪单元A根据偏振分束器A发送的线偏光C计算角度偏转信号，光学相控阵天线单元A通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程如下：

(1)、分束器A将接收到的线偏光C分为两束，分别发送到粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块A；

(2)、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块分别对获得的光信号进行捕获、跟踪，计算得到液晶光学相控阵A和液晶光楔A的角度偏转信号，具体处理过程如下：粗捕获探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶光学相控阵A的角度偏转信号；精跟踪探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶光楔A角度偏转信号；

(3)、粗捕获探测模块A发送液晶光学相控阵A的角度偏转信号到液晶光学相控阵波控器A，液晶光学相控阵波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光学相控阵波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；同时精跟踪探测模块A发送液晶光楔的角度偏转信号到液晶光楔波控器A，液晶光楔波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光楔波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；

其中，捕获跟踪单元B根据偏振分束器B发送的线偏光D计算角度偏转信号，光学相控阵天线单元B通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程与步骤(1)～(3)的处理过程相同。

在上述的双向四波束液晶光学相控阵天线中，液晶光学相控阵A和液晶光学相控阵B的液晶取向方向垂直。

在上述的双向四波束液晶光学相控阵天线中，所述光学相控阵天线单元A还包括液晶偏振光栅A和液晶偏振光栅波控器A；所述光学相控阵天线单元B还包括液晶偏振光栅B和液晶偏振光栅波控器B，其中：

四分之一波片A、液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A、液晶光楔A和偏振分束器A依次垂直放置在同一光轴A上；四分之一波片B、液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵B、液晶光楔B和偏振分束器B依次垂直放置在同一光轴B上；

其中，捕获跟踪单元A根据偏振分束器A发送的线偏光C计算角度偏转信号，光学相控阵天线单元A通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程如下：

(1)、分束器A将接收到的线偏光C分为两束，分别发送到粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块A；

(2)、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块分别对获得的光信号进行捕获、跟踪，计算得到液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A和液晶光楔A的角度偏转信号，具体处理过程如下：粗捕获探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶偏振光栅A和液晶光学相控阵A的角度偏转信号；精跟踪探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶光楔A角度偏转信号；

(3)、粗捕获探测模块A分别发送液晶偏振光栅A和液晶光学相控阵A的角度偏转信号到液晶偏振光栅波控器A和液晶光学相控阵波控器A，其中：液晶偏振光栅波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶偏振光栅A对发射光束的偏转角度进行调整；液晶光学相控阵波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光学相控阵波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；同时精跟踪探测模块A发送液晶光楔的角度偏转信号到液晶光楔波控器A，液晶光楔波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光楔波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；

其中，捕获跟踪单元B根据偏振分束器B发送的线偏光D计算角度偏转信号，光学相控阵天线单元B通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程与步骤(1)～(3)的处理过程相同。

在上述的双向四波束液晶光学相控阵天线中，液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A和液晶光楔A角度调节精度分别为Δθ_A、和Δψ_A，其中，液晶偏振光栅B、液晶光学相控阵B和液晶光楔B角度调节精度分别为Δθ_B、和Δψ_B，其中，

利用上述的双向四波束液晶光学相控阵天线实现的液晶相控多用户空间双向激光通信方法，包括以下步骤：

(1)、激光发射端的发射模块分别发送独立调制的线偏光A和线偏光B到偏振分束器A和偏振分束器B，其中，偏振分束器A将所述线偏光A发送到光学相控阵天线单元A，偏振分束器B将所述线偏光B发送到光学相控阵天线单元B；其中，所述线偏光A的偏振方向与液晶光学相控阵子系统A的液晶取向平行，线偏光B的偏振方向与液晶光学相控阵子系统B的液晶取向平行，即所述线偏光A和线偏光B的偏振方向相互垂直；

(2)、光学相控阵天线单元A按照设定的激光接收端A的不确定区域范围，控制所述线偏光A的波束偏转方向，并发送角度调整后的线偏光A到四分之一波片A；光学相控阵天线单元B按照设定的激光接收端B的不确定区域范围，控制所述线偏光B的波束偏转方向，并发送角度调整后的线偏光B到四分之一波片B；

(3)、四分之一波片A和四分之一波片B分别将接收到的线偏光A和线偏光B转变为圆偏光A和圆偏光B，并发射所述圆偏光A和圆偏光B分别对激光接收端A和激光接收端B的不确定区域进行扫描；其中，所述圆偏光A和圆偏光B的旋转方向相反；

(4)、当空间链路的两个接收终端接收到激光发射端的扫描波束后，分别进行如下处理：

在空间链路的激光接收终端E中，当接收到激光发射终端发送的圆偏光A后，发送圆偏光C对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光C的偏振方向与线偏光A相同，且旋转方向与圆偏光A相反；

在空间链路的激光接收终端F中，当接收到激光发射终端发送的圆偏光B后，发送圆偏光D对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光D的偏振方向与线偏光B相同，且旋转方向与圆偏光B相反；

(5)、当空间链路的激光发射终端接收到两个激光接收端发射的扫描光束后，分别进行如下处理：

当激光发射终端接收接收到圆偏光C后，四分之一波片A将所述圆偏光C转变为线偏光C，并经光学相控阵天线单元A发送到偏振分束器A，偏振分束器A将所述接收到的线偏光C分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元A，捕获跟踪单元A对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A，光学相控阵天线单元A按照所述角度偏转信号控制线偏光A的波束偏转角度；

当激光发射终端接收到圆偏光D后，四分之一波片B将所述圆偏光D转变为线偏光D，并经光学相控阵天线单元B发送到偏振分束器B，偏振分束器B将所述接收到的线偏光D分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元B，捕获跟踪单元B对获得线偏光B的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元B，光学相控阵天线单元B按照所述角度偏转信号控制线偏光B的波束偏转角度。

(6)、重复步骤(4)～(5)，对激光发射端和激光接收端的扫描光束的角度进行不断的调整，实现发射光束和接收光束共轴，建立激光发射端与激光接收端A之间的空间链路，并建立激光发射端与激光接收端B之间的空间链路，从而在所述空间链路上实现双向激光通信。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、在本发明的相控阵天线中，采用液晶光楔、液晶光学相控阵和液晶偏振光栅级联组成光学相控阵天线单元，可以对发射波束进行大角度、高精度角度偏转控制，有助于快速实现捕获，并且这种级联的天线单元相对于传统的机械式捕跟机构，可以有效降低激光通信终端的重量和功耗；

(2)、在本发明的相控阵天线中，两个光学相控阵天线单元的液晶取向相互垂直、光轴相互平行且并行排列，采用圆偏光左右旋复用和液晶光学相控相结合的方法实现多用户双向通信，也可以用于实现单用户偏振复用通信。

附图说明

图1为本发明的双向四波束液晶光学相控阵天线的组成框图；

图2为本发明中“QHQ堆”的光路示意图；

图3为本发明液晶光学相控阵的电极结构示意图；

图4为本发明中液晶光楔波束偏转示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明提供的双向四波束液晶光学相控阵天线用于在激光发射终端和激光接收终端E、激光接收终端F之间建立空间激光通信链路。如图1所示的天线组成框图，本发明的相控阵天线包括液晶光学相控阵子系统A和液晶光学相控阵子系统B，为了实现对用于通信的两个偏振方向相互垂直的波束进行独立控制，本发明中的两个相控阵子系统的液晶取向相互垂直。

液晶光学相控阵子系统A包括四分之一波片A、光学相控阵天线单元A、捕获跟踪单元A、偏振分束器A；液晶光学相控阵子系统B包括四分之一波片B、光学相控阵天线单元B、捕获跟踪单元B、偏振分束器B。在本实施例中，光学相控阵天线单元A包括液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A、液晶光楔A、液晶偏振光栅波控器A、液晶光楔波控器A和液晶相控阵波控器A；捕获跟踪单元A包括分束器A、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块A；光学相控阵天线单元B包括液晶偏振光栅B、液晶光学相控阵B、液晶光楔B、液晶偏振光栅波控器B、液晶光楔波控器B和液晶相控阵波控器B；捕获跟踪单元B包括分束器B、粗捕获探测模块B和精跟踪探测模块B。

其中，四分之一波片A、液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A、液晶光楔A和偏振分束器A依次垂直放置在同一光轴A上；四分之一波片B、液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵B、液晶光楔B和偏振分束器B依次垂直放置在同一光轴B上；且所述光轴A和光轴B相互平行。在本发明的相控阵天线中，液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A和液晶光楔A的通光口径相同，且光轴重合；液晶偏振光栅B、液晶光学相控阵B和液晶光楔B的通光口径相同，且光轴重合；其中，液晶光学相控阵A和液晶光学相控阵B的液晶取向垂直。这种实现方案的两个光学相控阵天线单元的液晶取向相互垂直、光轴相互平行且并行排列，可以用于实现两个偏振方向相互垂直的波束进行独立控制。

液晶光学相控阵子系统A：在前向发射过程中，偏振分束器A接收激光发射终端发射模块发送的线偏光A并转发给光学相控阵天线单元A，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元A发送的角度偏转信号控制线偏光A的光束偏转方向，并经四分之一波片A转变为圆偏光A后，对激光接收终端E的不确定区域进行扫描，其中，所述线偏光A的偏振方向与液晶光学相控阵子系统A的液晶取向平行；在后向接收过程中，如果激光发射终端接收到激光接收终端E发送的圆偏光C，四分之一波片A将所述圆偏光C转变为线偏光C，并经光学相控阵天线单元A发送到偏振分束器A，偏振分束器A将所述接收到的线偏光C分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元A，捕获跟踪单元A对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A；其中，所述圆偏光C为激光接收终端E接收到激光发射终端发送的圆偏光A后发射的扫描波束，即激光接收终端E发送圆偏光C对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光C的偏振方向与线偏光A相同，且旋转方向与圆偏光A相反。

液晶光学相控阵子系统B：在前向发射过程中，偏振分束器B接收激光发射终端发射模块发送的线偏光B并转发给光学相控阵天线单元B，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元B发送的角度偏转信号控制线偏光B的光束偏转方向，并经四分之一波片B转变为圆偏光B后，对激光接收终端F的不确定区域进行扫描；其中，所述线偏光B与线偏光A独立调制，且线偏光B的偏振方向与液晶光学相控阵子系统B的液晶取向平行，即线偏光B与线偏光A的偏振方向垂直，并且所述圆偏光B和圆偏光A的旋转方向相反；在后向接收过程中，如果激光发射终端接收到激光接收终端F发送的圆偏光D，四分之一波片B将所述圆偏光D转变为线偏光D，并经光学相控阵天线单元B发送到偏振分束器B，偏振分束器B将所述接收到的线偏光D分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元B，捕获跟踪单元B对获得线偏光D的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元B；其中，所述圆偏光D为激光接收终端F接收到激光发射终端发送的圆偏光B后发射的扫描波束，即激光接收终端F发送圆偏光D对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光D的偏振方向与线偏光B相同，且旋转方向与圆偏光B相反。

在上述的前向发射过程中，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元A发送的角度偏转信号控制线偏光A的光束偏转方向，具体实现方法为：在初始时刻，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围控制线偏光A的光束偏转角度，对激光接收端A的不确定区域进行扫描；当捕获跟踪单元A接收到线偏光C后，对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A，则光学相控阵天线单元A按照所述角度偏转信号控制线偏光A的波束偏转角度，对激光接收端A的不确定区域进行扫描。同理，在前向发射过程中，在初始时刻，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围控制线偏光B的光束偏转角度，对激光接收端B的不确定区域进行扫描；当捕获跟踪单元B接收到线偏光D后，对获得线偏光D的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元B，则光学相控阵天线单元B按照所述角度偏转信号控制线偏光B的波束偏转角度，对激光接收端B的不确定区域进行扫描。

在本发明中，液晶偏振光栅(LCPG)通过液晶偏振状态的电控转换来实现光束偏转角度的控制，其散射非常低，偏转衍射效率接近100％，使得该器件成为实现波束大角度偏转的理想选择方案。LCPG通过偏振方式的变化实现相位的调制，其基本工作原理基于Pancharatnam方法。让光束依次通过一个1/4波片(Q)，一个1/2波片(H)和另外一个1/4波片(Q)，称之为一个“QHQ堆”。在应用中，需要在“QHQ堆”的前面和后面分别加上一个偏振片。图2为“QHQ堆”光路示意图，其中(a)和(e)为偏振片，(b)和(d)为1/4波片，(c)为1/2波片。

本发明采用的透射式液晶光学相控阵的核心器件是液晶盒,可以通过改变液晶盒的折射率来改变入射光束波阵面，从而实现入射光束的偏转控制。如图3所示的液晶光学相控阵的电极结构示意图，液晶光学相控阵主要由玻璃基板、液晶、取向层、公共电极和驱动电极组成。液晶光学相控阵采用纯相位调制的方式实现类似于透射闪耀光栅的效果，液晶闪耀光栅的工作性能很大程度由平行电极的控制能力决定。液晶闪耀光栅周期单元内多条电极的总宽度等效于光栅常数，通过改变驱动电极的电极数来改变光栅常数，实现衍射角度的变化，再通过调节周期单元内的电压分布，使某一级次的光被闪耀。

液晶光楔是一个斜劈形状的液晶盒，包括上下两基板，基板上覆盖两电极层，如图4所示。液晶光楔的液晶盒上下两基板的透明导电电极在整个基板范围内均匀分布。通过精确控制所述液晶光楔的液晶盒的衬垫物的厚度，使液晶盒的上下两个基板上的取向膜层之间的间距产生一个斜劈状均匀梯度分布，斜劈的斜率均匀一致，对入射光束产生的光程或相位呈现出一个均匀的斜坡分布。采用精密交流电压对液晶光楔进行驱动，在光学性质上它可以等效为一个具有斜坡式折射率分布的棱镜。当施加的电压可编程变化时，液晶光楔产生的相位斜坡的斜率也会发生变化，从而可以控制入射光束通过液晶光楔后的偏转角度，实现光束的可编程高精度偏转和扫描，偏转精度优于1urad。

本发明采用液晶光楔、液晶光学相控阵和液晶偏振光栅级联形成光学相控阵天线单元，其中，液晶偏振光栅的角度调整范围大但调整精度低，可以根据捕获结果配合对液晶光学相控阵进行大角度调整，而液晶光楔的角度调整精度最高，可以用于根据跟踪结果实现更高精度的角度调整。因此，本发明的这种级联方案，可以实现对发射波束进行大角度、高精度角度偏转控制，有助于快速实现捕获。具体的实现过程如下：

(1)、分束器A将接收到的线偏光C分为两束，分别发送到粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块A；

(2)、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块分别对获得的光信号进行捕获、跟踪，计算得到液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A和液晶光楔A的角度偏转信号，具体处理过程如下：粗捕获探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶偏振光栅A和液晶光学相控阵A的角度偏转信号；精跟踪探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶光楔A角度偏转信号；

(3)、粗捕获探测模块A分别发送液晶偏振光栅A和液晶光学相控阵A的角度偏转信号到液晶偏振光栅波控器A和液晶光学相控阵波控器A，其中：液晶偏振光栅波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶偏振光栅A对发射光束的偏转角度进行调整；液晶光学相控阵波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光学相控阵波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；同时精跟踪探测模块A发送液晶光楔的角度偏转信号到液晶光楔波控器A，液晶光楔波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光楔波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；

其中，捕获跟踪单元B根据偏振分束器B发送的线偏光D计算角度偏转信号，光学相控阵天线单元B通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程与步骤(1)～(3)的处理过程相同。

在本发明中，还提供了一种利用双向四波束液晶光学相控阵天线实现液晶相控多用户空间双向激光通信的方法，其具体步骤如下：

(1)、激光发射端的发射模块分别发送独立调制的线偏光A和线偏光B到偏振分束器A和偏振分束器B，其中，偏振分束器A将所述线偏光A发送到光学相控阵天线单元A，偏振分束器B将所述线偏光B发送到光学相控阵天线单元B；其中，所述线偏光A的偏振方向与液晶光学相控阵子系统A的液晶取向平行，线偏光B的偏振方向与液晶光学相控阵子系统B的液晶取向平行，即所述线偏光A和线偏光B的偏振方向相互垂直；

(2)、光学相控阵天线单元A按照设定的激光接收端A的不确定区域范围，控制所述线偏光A的波束偏转方向，并发送角度调整后的线偏光A到四分之一波片A；光学相控阵天线单元B按照设定的激光接收端B的不确定区域范围，控制所述线偏光B的波束偏转方向，并发送角度调整后的线偏光B到四分之一波片B；

(3)、四分之一波片A和四分之一波片B分别将接收到的线偏光A和线偏光B转变为圆偏光A和圆偏光B，并发射所述圆偏光A和圆偏光B分别对激光接收端A和激光接收端B的不确定区域进行扫描；其中，所述圆偏光A和圆偏光B的旋转方向相反；

(4)、当空间链路的两个接收终端接收到激光发射端的扫描波束后，分别进行如下处理：

在空间链路的激光接收终端E中，当接收到激光发射终端发送的圆偏光A后，发送圆偏光C对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光C的偏振方向与线偏光A相同，且旋转方向与圆偏光A相反；

在空间链路的激光接收终端F中，当接收到激光发射终端发送的圆偏光B后，发送圆偏光D对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光D的偏振方向与线偏光B相同，且旋转方向与圆偏光B相反；

(5)、当空间链路的激光发射终端接收到两个激光接收端发射的扫描光束后，分别进行如下处理：

当激光发射终端接收接收到圆偏光C后，四分之一波片A将所述圆偏光C转变为线偏光C，并经光学相控阵天线单元A发送到偏振分束器A，偏振分束器A将所述接收到的线偏光C分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元A，捕获跟踪单元A对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A，光学相控阵天线单元A按照所述角度偏转信号控制线偏光A的波束偏转角度；

当激光发射终端接收到圆偏光D后，四分之一波片B将所述圆偏光D转变为线偏光D，并经光学相控阵天线单元B发送到偏振分束器B，偏振分束器B将所述接收到的线偏光D分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元B，捕获跟踪单元B对获得线偏光B的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元B，光学相控阵天线单元B按照所述角度偏转信号控制线偏光B的波束偏转角度。

(6)、重复步骤(4)～(5)，对激光发射端和激光接收端的扫描光束的角度进行不断的调整，实现发射光束和接收光束共轴，建立激光发射端与激光接收端A之间的空间链路，并建立激光发射端与激光接收端B之间的空间链路，从而在所述空间链路上实现双向激光通信。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种双向四波束液晶光学相控阵天线，用于在一个激光发射终端和两个激光接收终端之间建立空间激光通信链路，其特征在于：包括液晶光学相控阵子系统A和液晶光学相控阵子系统B，且两个子系统的液晶取向相互垂直，其中：液晶光学相控阵子系统A包括四分之一波片A、光学相控阵天线单元A、捕获跟踪单元A、偏振分束器A；液晶光学相控阵子系统B包括四分之一波片B、光学相控阵天线单元B、捕获跟踪单元B、偏振分束器B；其中，四分之一波片A、光学相控阵天线单元A和偏振分束器A依次垂直放置在同一光轴A上；四分之一波片B、光学相控阵天线单元B和偏振分束器B依次垂直放置在同一光轴B上，且所述光轴A和光轴B相互平行；

液晶光学相控阵子系统A：在前向发射过程中，偏振分束器A接收激光发射终端发射模块发送的线偏光A并转发给光学相控阵天线单元A，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元A发送的角度偏转信号控制线偏光A的光束偏转方向，并经四分之一波片A转变为圆偏光A后，对激光接收终端E的不确定区域进行扫描，其中，所述线偏光A的偏振方向与液晶光学相控阵子系统A的液晶取向平行；在后向接收过程中，如果激光发射终端接收到激光接收终端E发送的圆偏光C，四分之一波片A将所述圆偏光C转变为线偏光C，并经光学相控阵天线单元A发送到偏振分束器A，偏振分束器A将所述接收到的线偏光C分为两束，其中一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元A，捕获跟踪单元A对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A；其中，所述圆偏光C为激光接收终端E接收到激光发射终端发送的圆偏光A后发射的扫描波束，即激光接收终端E发送圆偏光C对激光发射终端的不确定区域进行波束扫描，其中，所述圆偏光C的偏振方向与线偏光A相同，且旋转方向与圆偏光A相反；

液晶光学相控阵子系统B：在前向发射过程中，偏振分束器B接收激光发射终端发射模块发送的线偏光B并转发给光学相控阵天线单元B，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元B发送的角度偏转信号控制线偏光B的光束偏转方向，并经四分之一波片B转变为圆偏光B后，对激光接收终端F的不确定区域进行扫描；其中，所述线偏光B与线偏光A独立调制，且线偏光B的偏振方向与液晶光学相控阵子系统B的液晶取向平行，即线偏光B与线偏光A的偏振方向垂直，并且所述圆偏光B和圆偏光A的旋转方向相反；在后向接收过程中，如果激光发射终端接收到激光接收终端F发送的圆偏光D，四分之一波片B将所述圆偏光D转变为线偏光D，并经光学相控阵天线单元B发送到偏振分束器B，偏振分束器B将所述接收到的线偏光D分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元B，捕获跟踪单元B对获得线偏光D的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元B；其中，所述圆偏光D为激光接收终端F接收到激光发射终端发送的圆偏光B后发射的扫描波束，即激光接收终端F发送圆偏光D对激光发射终端的不确定区域进行波束扫描，其中，所述圆偏光D的偏振方向与线偏光B相同，且旋转方向与圆偏光B相反。

2.根据权利要求1所述的一种双向四波束液晶光学相控阵天线，其特征在于：在前向发射过程中，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元A发送的角度偏转信号控制线偏光A的光束偏转方向，具体实现方法为：在初始时刻，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围控制线偏光A的光束偏转角度，对激光接收端A的不确定区域进行扫描；当捕获跟踪单元A接收到线偏光C后，对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A，则光学相控阵天线单元A按照所述角度偏转信号控制线偏光A的波束偏转角度，对激光接收端A的不确定区域进行扫描；

在前向发射过程中，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元B发送的角度偏转信号控制线偏光B的光束偏转方向，具体实现方法为：在初始时刻，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围控制线偏光B的光束偏转角度，对激光接收端B的不确定区域进行扫描；当捕获跟踪单元B接收到线偏光D后，对获得线偏光D的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元B，则光学相控阵天线单元B按照所述角度偏转信号控制线偏光B的波束偏转角度，对激光接收端B的不确定区域进行扫描。

3.根据权利要求1所述的一种双向四波束液晶光学相控阵天线，其特征在于：光学相控阵天线单元A包括液晶光学相控阵A、液晶光楔A、液晶光楔波控器A和液晶相控阵波控器A；捕获跟踪单元A包括分束器A、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块A；光学相控阵天线单元B包括液晶光学相控阵B、液晶光楔B、液晶光楔波控器B和液晶相控阵波控器B；捕获跟踪单元B包括分束器B、粗捕获探测模块B和精跟踪探测模块B；

所述液晶光学相控阵A和液晶光楔A的通光口径相同，液晶光学相控阵A和液晶光楔A光轴重合，且四分之一波片A、液晶光学相控阵A、液晶光楔A和偏振分束器A依次垂直放置在同一光轴A上；所述液晶光学相控阵B和液晶光楔B的通光口径相同，液晶光学相控阵B和液晶光楔B光轴重合，且四分之一波片B、液晶光学相控阵B、液晶光楔B和偏振分束器B依次垂直放置在同一光轴B上；

其中，捕获跟踪单元A根据偏振分束器A发送的线偏光C计算角度偏转信号，光学相控阵天线单元A通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程如下：

(1)、分束器A将接收到的线偏光C分为两束，分别发送到粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块A；

(2)、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块分别对获得的光信号进行捕获、跟踪，计算得到液晶光学相控阵A和液晶光楔A的角度偏转信号，具体处理过程如下：粗捕获探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶光学相控阵A的角度偏转信号；精跟踪探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶光楔A角度偏转信号；

(3)、粗捕获探测模块A发送液晶光学相控阵A的角度偏转信号到液晶光学相控阵波控器A，液晶光学相控阵波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光学相控阵波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；同时精跟踪探测模块A发送液晶光楔的角度偏转信号到液晶光楔波控器A，液晶光楔波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光楔波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；

其中，捕获跟踪单元B根据偏振分束器B发送的线偏光D计算角度偏转信号，光学相控阵天线单元B通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程与步骤(1)～(3)的处理过程相同。

4.根据权利要求3所述的一种双向四波束液晶光学相控阵天线，其特征在于：液晶光学相控阵A和液晶光学相控阵B的液晶取向方向垂直。

5.根据权利要求3或4所述的一种双向四波束液晶光学相控阵天线，其特征在于：所述光学相控阵天线单元A还包括液晶偏振光栅A和液晶偏振光栅波控器A；所述光学相控阵天线单元B还包括液晶偏振光栅B和液晶偏振光栅波控器B，其中：

四分之一波片A、液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A、液晶光楔A和偏振分束器A依次垂直放置在同一光轴A上；四分之一波片B、液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵B、液晶光楔B和偏振分束器B依次垂直放置在同一光轴B上；

其中，捕获跟踪单元A根据偏振分束器A发送的线偏光C计算角度偏转信号，光学相控阵天线单元A通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程如下：

(1)、分束器A将接收到的线偏光C分为两束，分别发送到粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块A；

(2)、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块分别对获得的光信号进行捕获、跟踪，计算得到液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A和液晶光楔A的角度偏转信号，具体处理过程如下：粗捕获探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶偏振光栅A和液晶光学相控阵A的角度偏转信号；精跟踪探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶光楔A角度偏转信号；

(3)、粗捕获探测模块A分别发送液晶偏振光栅A和液晶光学相控阵A的角度偏转信号到液晶偏振光栅波控器A和液晶光学相控阵波控器A，其中：液晶偏振光栅波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶偏振光栅A对发射光束的偏转角度进行调整；液晶光学相控阵波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光学相控阵波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；同时精跟踪探测模块A发送液晶光楔的角度偏转信号到液晶光楔波控器A，液晶光楔波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控制液晶光楔波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；

其中，捕获跟踪单元B根据偏振分束器B发送的线偏光D计算角度偏转信号，光学相控阵天线单元B通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程与步骤(1)～(3)的处理过程相同。

6.根据权利要求5所述的一种双向四波束液晶光学相控阵天线，其特征在于：液晶偏振光栅A、液晶光学相控阵A和液晶光楔A角度调节精度分别为Δθ_A、和Δψ_A，其中，液晶偏振光栅B、液晶光学相控阵B和液晶光楔B角度调节精度分别为Δθ_B、和Δψ_B，其中，

7.根据权利要求1所述的一种双向四波束液晶光学相控阵天线实现的一种液晶相控多用户空间双向激光通信方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、激光发射端的发射模块分别发送独立调制的线偏光A和线偏光B到偏振分束器A和偏振分束器B，其中，偏振分束器A将所述线偏光A发送到光学相控阵天线单元A，偏振分束器B将所述线偏光B发送到光学相控阵天线单元B；其中，所述线偏光A的偏振方向与液晶光学相控阵子系统A的液晶取向平行，线偏光B的偏振方向与液晶光学相控阵子系统B的液晶取向平行，即所述线偏光A和线偏光B的偏振方向相互垂直；

(2)、光学相控阵天线单元A按照设定的激光接收端A的不确定区域范围，控制所述线偏光A的波束偏转方向，并发送角度调整后的线偏光A到四分之一波片A；光学相控阵天线单元B按照设定的激光接收端B的不确定区域范围，控制所述线偏光B的波束偏转方向，并发送角度调整后的线偏光B到四分之一波片B；

(3)、四分之一波片A和四分之一波片B分别将接收到的线偏光A和线偏光B转变为圆偏光A和圆偏光B，并发射所述圆偏光A和圆偏光B分别对激光接收端A和激光接收端B的不确定区域进行扫描；其中，所述圆偏光A+和圆偏光B+的旋转方向相反；

(4)、当空间链路的两个接收终端接收到激光发射端的扫描波束后，分别进行如下处理：

在空间链路的激光接收终端E中，当接收到激光发射终端发送的圆偏光A后，发送圆偏光C对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光C的偏振方向与线偏光A相同，且旋转方向与圆偏光A相反；

在空间链路的激光接收终端F中，当接收到激光发射终端发送的圆偏光B后，发送圆偏光D对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光D的偏振方向与线偏光B相同，且旋转方向与圆偏光B相反；

(5)、当空间链路的激光发射终端接收到两个激光接收端发射的扫描光束后，分别进行如下处理：

当激光发射终端接收接收到圆偏光C后，四分之一波片A将所述圆偏光C转变为线偏光C，并经光学相控阵天线单元A发送到偏振分束器A，偏振分束器A将所述接收到的线偏光C分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元A，捕获跟踪单元A对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A，光学相控阵天线单元A按照所述角度偏转信号控制线偏光A的波束偏转角度；

当激光发射终端接收到圆偏光D后，四分之一波片B将所述圆偏光D转变为线偏光D，并经光学相控阵天线单元B发送到偏振分束器B，偏振分束器B将所述接收到的线偏光D分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元B，捕获跟踪单元B对获得线偏光B的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元B，光学相控阵天线单元B按照所述角度偏转信号控制线偏光B的波束偏转角度；

(6)、重复步骤(4)～(5)，对激光发射端和激光接收端的扫描光束的角度进行不断的调整，实现发射光束和接收光束共轴，建立激光发射端与激光接收端A之间的空间链路，并建立激光发射端与激光接收端B之间的空间链路，从而在所述空间链路上实现双向激光通信。