CN106054490B - 一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统，包括液晶偏振光栅、液晶光学相控阵、偏振分束器、光发射模块、光接收模块、位置传感器、控制中心、偏振光栅波控器、液晶相控阵波控器。本发明系统采用基于双频材料的液晶光学相控阵和液晶偏振光栅级连，完成激光通信链路的捕获跟踪功能。由于双频液晶响应速度快，在激光通信的捕获跟踪过程中可以实现快速捕获和跟踪；另外，液晶光学相控阵分别工作于粗跟踪和精跟踪阶段，有效减少了液晶器件的使用数量，降低了系统复杂度。在粗跟踪切换至精跟踪过程后，液晶光学相控阵工作于分区控制模式，这样可以实现波束的连续扫描，确保精跟踪阶段激光通信链路功率的稳定性。

Description

一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统

技术领域

本发明属于卫星激光通信技术领域，涉及一种光学相控阵天线的波束控制系统。

背景技术

空间激光通信技术的发展要求空间激光通信系统便于实现多用户接入；进一步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。液晶光学相控阵天线不仅可以解决多波束的高精度、快速、灵活控制问题，而且使光电系统的集成度更高，制造成本更低。

对于LEO-GEO等大动态卫星激光链路，要求光学相控阵天线具有大的偏转角度和快速捕获能力。此外，在建立跟踪链路后，还需要保持激光通信链路的稳定性。

目前公开文献资料所报道的大角度波束控制方法，一种是基于液晶光学相控阵的区域扫描和区域填充相结合的方案，但是该方案没有解决波束连续偏转控制的问题；另一种方案是基于液晶光学相控阵和液晶光楔级连的方式，这种方案需要额外采用液晶光楔。此外，现有液晶光学相控阵采用传统液晶材料，波束单元的切换时间也较慢。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统，解决传统液晶光学相控阵天线偏转角度小和波束非连续偏转控制的技术难题。

本发明的技术解决方案是：一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统，包括液晶偏振光栅、液晶光学相控阵、偏振分束器、光发射模块、光接收模块、位置传感器、控制中心、偏振光栅波控器、液晶相控阵波控器，液晶偏振光栅、液晶光学相控阵和偏振分束器依次垂直于同一光轴放置，液晶偏振光栅和液晶相控阵相互平行；

光发射模块的出射激光依次通过偏振分束器、液晶光学相控阵和液晶偏振光栅后，对空间预置的不确定区域进行扫描；外部激光发射终端发出的激光依次经过液晶偏振光栅、液晶光学相控阵，而后被偏振分束器分为两束，一束送入光接收模块进行数据接收处理，另一束送入位置传感器；

所述的位置传感器实时探测外部激光发射终端发出的激光，一旦探测到外部激光发射终端发出的激光，则计算获得接收激光光束与所述光轴的位置误差；当光斑位置误差大于预先设定的位置阈值时，控制中心将位置误差转换为角度偏转信号并送至偏振光栅波控器，偏振光栅波控器将角度偏转信号转化为液晶偏振光栅的波控电压，控制液晶偏振光栅对外部激光发射终端发出的激光进行光束偏转控制，进一步降低实时探测的光斑位置误差；当光斑位置误差小于等于所述位置阈值时，控制中心将位置误差转换为角度偏转信号并送至液晶相控阵波控器，液晶相控阵波控器将角度偏转信号转换为液晶光学相控阵的驱动电压，控制液晶光学相控阵对外部激光发射终端发出的激光进行光束偏转控制，直至实时探测的光斑位置误差满足精度要求并保持。

所述的控制中心在保持光斑位置误差满足精度要求时，对液晶光学相控阵采用分区连续偏转控制，具体为：将液晶光学相控阵分为两个子区域，两个子区域A和B分别偏转角度θ₁和θ₂，θ₁和θ₂为相邻的两个角度，θ₁和θ₂分别确定A和B两个子区域每根电极的相移量；控制子区域A和B之间的边界从左到右移动，使得η＝N/Nmax的值从0变到1，从而使得从子区域A和B出来的光束在远场处进行相干叠加，由此生成一系列偏转角度介于θ₁和θ₂之间的重叠相干偏转波束，其中N为子区域A和B之间的边界上的电极索引值，N_max是液晶光学相控阵上电极的总数，0≤N≤N_max。

所述的液晶光学相控阵采用双频液晶材料。双频液晶材料包括正性液晶单体、负性液晶单体以及稀释剂。

所述的液晶光学相控阵和液晶偏振光栅的通光口径相同。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明系统采用基于双频材料的液晶光学相控阵和液晶偏振光栅级连，完成激光通信链路的捕获跟踪功能。基于透射式液晶偏振光栅和透射式液晶光学相控阵，给出了液晶光学相控阵天线控制方法。液晶偏振光栅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，实现大角度偏转控制，对预置不确定区进行扫描。液晶光学相控阵分别独立完成空间激光通信系统的粗跟踪和精跟踪功能。本发明系统一方面可以实现波束快速捕跟，另一方面由一个液晶光学相控阵分别实现了粗跟踪和精跟踪，减少了液晶器件的使用数量，降低了系统复杂度；

(2)本发明系统在粗跟踪切换至精跟踪过程后，液晶光学相控阵工作于分区控制模式。液晶光学相控阵从粗跟踪过程转换到精跟踪过程后，为了保证空间激光通信链路的连续偏转控制，要求液晶光学相控阵在波束切换过程中确保波束的连续性。为了实现波束连续偏转控制，将液晶光学相控阵分为多个连续个子区域，对这多个子区域进行分区控制，分别控制光束依次进行波束连续偏转，实现波束的连续偏转控制。采用分区控制的方法，有效克服了传统液晶光学相控阵脉冲扫描控制的缺点，实现了波束连续偏转控制。

附图说明

图1为本发明控制系统的组成原理框图；

图2为本发明液晶光学相控阵电极结构示意图；

图3为本发明液晶偏振光栅光路示意图；

图4为本发明液晶光学相控阵分区控阵相位分布图。

(a)初始偏转角度θ₁及控制相位

(b)区域A对波束偏转控制相位分布示意图

(c)区域B对波束偏转控制后相位分布示意图

具体实施方式

如图1所示，为本发明控制系统的原理框图，本发明系统主要包括：透射式液晶偏振光栅、透射式液晶光学相控阵、偏振分束器、光发射模块、光接收模块、位置传感器(粗跟踪位置传感器和精跟踪位置传感器)、偏振光栅波控器、液晶相控阵波控器。

首先在同一光轴上依次垂直于光轴放置透射式液晶偏振光栅、透射式液晶光学相控阵和偏振分束器。液晶偏振光栅和液晶相控阵相互平行，并与入射光光轴垂直放置。本发明中，液晶光学相控阵和液晶偏振光栅的通光口径相同，液晶光学相控阵的光轴与液晶偏振光栅的光轴重合。液晶偏振光栅为粗捕获执行模块，控制光束对预置不确定区进行离散扫描，进行空间光通信光束扫描捕获；液晶光学相控阵为跟踪模块，控制光束进行连续扫描，进行空间光通信光束的跟踪。在空间激光通信链路的激光发射终端，光发射模块发出的线偏振光束依次通过液晶光学相控阵和液晶偏振光栅。激光发射终端接收到的光信号依次经过液晶偏振光栅和液晶光学相控阵，而后被偏振分束器分为两束，一束送入光接收模块，对获取的光信号进行数据接收处理；另一束送入位置传感器，位置传感器获得的位置信息又送入控制中心

透射式液晶光学相控阵的核心器件是液晶盒，通过改变液晶盒的折射率，从而改变入射光束波阵面，实现入射光束的偏转控制。

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，如图2所示。本发明采用双频液晶材料，实现液晶光学相控阵波束单元的快速切换。

本发明采用双频液晶材料作为液晶光学相控阵的液晶材料，并在液晶光学相控阵的公共电极上加载高频电压V_COM，在液晶光学相控阵的离散电极上加载低频电压V_i，所述高频电压V_COM的频率f_高使得双频液晶的介电各向异性Δε>0，所述低频电压V_i的频率f_低使得双频液晶的介电各向异性Δε<0，高低频电压的最大电压差能够实现360的光相位变化，通过改变所述低频电压V_i与所述高频电压V_COM的电压差值实现液晶光学相控阵的波束单元切换。

双频液晶材料包括正性液晶单体、负性液晶单体以及稀释剂。所述的公共电极电压V_COM工作频率f_高以及低频电压V_i工作频率f_低的选择根据双频液晶材料测量得到的双频液晶的介电常数和驱动频率的关系确定。通过改变所述低频电压V_i的大小改变液晶的等效折射率。

其中液晶偏振光栅(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3为“QHQ堆”光路示意图，其中两边最外侧为偏振片，最中间一个为1/2波片，其余两个为1/4波片。

激光通信起始阶段，采用液晶偏振光栅对空间激光通信预置不确定区进行扫描。液晶偏振光栅根据预先设定的扫描方式控制光束对预置不确定区进行扫描，粗跟踪位置传感器实时探测对方激光通信终端发出的光信号，直到粗跟踪位置传感器探测到对方通信终端发出的光信号。空间激光通信转入粗跟踪阶段。

在粗跟踪阶段，粗跟踪位置传感器实时探测接收对方通信终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，并根据光斑位置、光斑尺寸和光功率，采用重心算法或形心算法，计算获得接收光信号的位置误差。并将位置误差信号转换为角度偏转信号送给液晶相控阵波控器，液晶相控阵波控器将角度偏转信号转换为驱动电压，控制液晶光学相控阵对激光接收终端发出的光信号进行光束扫描，进一步降低波束偏转角度，直到精跟踪探测模块探测到光信号。空间激光通信转入精跟踪阶段。

在精跟踪阶段，为了实现波束连续偏转控制，将液晶光学相控阵进行分区控制，控制光束依次进行波束连续偏转，实现波束的连续偏转控制。这样，可以确保波束的连续性。精跟踪位置传感器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，并根据光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算获得接收光信号的位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号送给液晶光学相控阵波控器，液晶光学相控阵波控器将角度偏转信号转换为液晶光学相控阵的驱动电压，控制液晶光学相控阵对激光接收终端发出的光信号进行高精度连续偏转控制，进一步降低跟踪误差，将跟踪位置误差控制到发射端和接收端建立有效光通信链路误差阈值内。

为了实现波束连续跟踪，对单个液晶光学相控阵的控制电极进行分区域相位控制，本发明将液晶光学相控阵分为A和B两个独立的子区域，分别对这两个区域进行独立控制。

两个子区域A和B分别偏转角度θ₁和θ₂，θ₁和θ₂为相邻的两个角度，θ₁和θ₂的角度差受限于光束偏转的角度分辨率。θ₁和θ₂分别确定A和B两个子区域每根电极的相移量。子区域A和B之间的边界是由各自子区域的占有率确定。

子区域A和B上的第i根电极上对应的相移量分别是φ_i2和φ_i1。该相移量被定义为

其中，N为子区域A和B之间的边界上的电极索引值，因此0≤N≤N_max，N_max是电极的总数。子区域A的占有率η被定义为η＝N/Nmax，其相位分布如图4(b)所示。对于传统的液晶光学相控阵，N取值为N_max或者0，液晶光学相控阵的相位分布分别用图4(a)和(c)表示。

从子区域A和B出来的光场来源于具有相同波长和偏振态的同一激光源。它们在远场处的光束可以相干叠加，生成一个偏转角度为θ_cs的波束，转角度θ_cs介于θ₁和θ₂之间。子区域A和B之间的边界N从左到右移动，即η的值从0变到1时，新的相干波束的偏转角度就会从θ₁向θ₂移动。这样设计不同的占有率η，即设定不同的N值，控制子区域A和子区域B分别以角度θ₁到θ₂对波束进行控制，可以产生从θ₁到θ₂的系列重叠相干偏转波束，这样确保了波束偏转的连续性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统，其特征在于包括：液晶偏振光栅、液晶光学相控阵、偏振分束器、光发射模块、光接收模块、位置传感器、控制中心、偏振光栅波控器、液晶相控阵波控器、液晶偏振光栅、液晶光学相控阵和偏振分束器依次垂直于同一光轴放置，液晶偏振光栅和液晶相控阵相互平行；

光发射模块的出射激光依次通过偏振分束器、液晶光学相控阵和液晶偏振光栅后，对空间预置的不确定区域进行扫描；外部激光发射终端发出的激光依次经过液晶偏振光栅、液晶光学相控阵，而后被偏振分束器分为两束，一束送入光接收模块进行数据接收处理，另一束送入位置传感器；

所述的位置传感器实时探测外部激光发射终端发出的激光，一旦探测到外部激光发射终端发出的激光，则计算获得接收激光光束与所述光轴的位置误差；当光斑位置误差大于预先设定的位置阈值时，控制中心将位置误差转换为角度偏转信号并送至偏振光栅波控器，偏振光栅波控器将角度偏转信号转化为液晶偏振光栅的波控电压，控制液晶偏振光栅对外部激光发射终端发出的激光进行光束偏转控制，进一步降低实时探测的光斑位置误差；当光斑位置误差小于等于所述位置阈值时，控制中心将位置误差转换为角度偏转信号并送至液晶相控阵波控器，液晶相控阵波控器将角度偏转信号转换为液晶光学相控阵的驱动电压，控制液晶光学相控阵对外部激光发射终端发出的激光进行光束偏转控制，直至实时探测的光斑位置误差满足精度要求并保持；

所述的控制中心在保持光斑位置误差满足精度要求时，对液晶光学相控阵采用分区连续偏转控制，具体为：将液晶光学相控阵分为两个子区域，两个子区域A和B分别偏转角度θ₁和θ₂，θ₁和θ₂为相邻的两个角度，θ₁和θ₂分别确定A和B两个子区域每根电极的相移量；控制子区域A和B之间的边界从左到右移动，使得η＝N/N max的值从0变到1，从而使得从子区域A和B出来的光束在远场处进行相干叠加，由此生成一系列偏转角度介于θ₁和θ₂之间的重叠相干偏转波束，其中N为子区域A和B之间的边界上的电极索引值，N_max是液晶光学相控阵上电极的总数，0≤N≤N_max。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统，其特征在于：所述的液晶光学相控阵采用双频液晶材料。

3.根据权利要求2所述的一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统，其特征在于：所述的双频液晶材料包括正性液晶单体、负性液晶单体以及稀释剂。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学相控阵的大角度波束控制系统，其特征在于：所述的液晶光学相控阵和液晶偏振光栅的通光口径相同。