一種高精度光學相控捕跟系統的制作方法
【專利摘要】一種高精度光學相控捕跟系統，涉及液晶光學、應用光學和衍射光學交叉【技術領域】，解決現有液晶光學相控陣光束偏轉控制精度低的問題。在液晶光學相控陣光束偏轉控制的基礎上，液晶光學相控陣加載液晶光楔組成液晶光學相控陣天線，作為空間激光通信鏈路的相控捕跟系統，液晶光學相控陣為粗捕獲執行模塊，控制光束對預置不確定區進行離散掃描，進行空間光通信光束捕獲；液晶光楔為精跟蹤執行模塊，控制光束進行高精度、連續掃描，進行空間光通信光束跟蹤。液晶光學相控陣和液晶光楔聯合完成空間激光通信系統的捕獲跟蹤功能。
【專利說明】一種高精度光學相控捕跟系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高精度光學相控捕跟系統，屬于衛星激光通信和激光雷達等技術 領域。
【背景技術】
[0002] 近年來空間激光通信技術得到快速發展，國外已成功建立空間激光通信鏈路。目 前國內外研究的空間激光通信鏈路主要采用機械式捕跟系統和傳統式捕獲跟蹤技術，為點 對點的單鏈路激光通信鏈路。機械式捕跟系統及光學天線體積大、笨重，而且慣性大，難以 實現快速捕獲。隨著空間激光通信技術的發展，新型空間激光通信系統不僅需要進一步降 低激光通信終端的體積、重量和功耗，而且需要大大降低捕獲時間。對于空間激光通信鏈 路，由于鏈路距離長，光束波束窄，需要很高的跟蹤精度。
[0003] 相控陣技術已在微波系統中得到成功應用。液晶光學相控陣不僅可以實現非機 械式捕跟控制，將捕獲時間提高到秒量級，解決空間激光通信鏈路光束的快速、靈活控制問 題，而且可以大幅降低激光通信終端的體積、重量和功耗，使光電系統的集成度更高，制造 成本更低，在空間激光通信等領域具有重要的應用價值。
[0004] 目前主要采用多個液晶光學相控陣級聯的方式實現空間激光通信系統的捕獲跟 蹤功能，但是由于液晶光學相控陣所加電壓是離散的，其光束偏轉控制精度受限，難以滿足 空間激光通信高跟蹤精度要求。研究基于液晶光學相控陣和液晶光楔的高精度光學相控捕 獲跟蹤系統，促進傳統激光通信捕獲跟蹤技術和捕跟系統設計方法的變革，具有重要的應 用價值。
【發明內容】
[0005] 本發明解決的技術問題是：克服現有液晶光學相控陣光束偏轉控制精度受限問 題，提供一種高精度光學相控捕跟系統，采用液晶相控陣和液晶光楔級聯的方式，實現空間 激光通 /[目系統快速捕獲、1?精度跟蹤。
[0006] 本發明的技術方案是：一種高精度光學相控捕跟系統，包括液晶相控陣、液晶光 楔、液晶光學相控陣波控器、液晶光楔波控器、偏振分束器、分束器、數據發射模塊和數據接 收模塊、粗捕獲探測模塊、精跟蹤探測模塊；液晶光學相控陣和液晶光楔相互平行，并與入 射光光軸垂直放置；所述液晶光學相控陣和液晶光楔通光口徑相同，液晶光學相控陣和液 晶光楔光軸重合；在空間激光通信鏈路的激光發射終端，光發射模塊發出的光束依次通過 液晶光楔和液晶光學相控陣，液晶光學相控陣根據預先設定的掃描方式控制光束對預置不 確定區進行掃描，空間激光通信鏈路的激光接收終端接收到激光發射終端發出的光信號后 向光發射終端發送光信號，對激光發射端進行波束掃描。激光發射終端接收到的光信號依 次經過液晶相控陣、液晶光楔后，被偏振分束器分為兩束，一束送入數據接收模塊，對獲取 的光信號進行數據接收處理；另一束送入分束器，再由分束器分為兩束后，分別送入粗捕獲 探測模塊和精跟蹤探測模塊；粗捕獲探測模塊實時探測激光接收終端發出光信號的光斑位 置、光斑尺寸和光功率，計算獲得接收光信號的光斑位置誤差，并將位置誤差信號轉換為角 度偏轉信號，送至液晶光學相控陣波控器；液晶光學相控陣波控器將角度偏轉信號轉化為 液晶光學相控陣的波控電壓，控制液晶光學相控陣對發射光束進行光束偏轉控制，進一步 降低粗捕獲探測模塊的光斑位置誤差；精跟蹤探測模塊實時探測激光接收終端發出的光信 號的光斑位置、光斑尺寸和光功率，并根據光斑位置、光斑尺寸和光功率，計算獲得接收光 信號的位置誤差，并將位置誤差信號轉換為角度偏轉信號送給液晶光楔波控機，液晶光楔 波控機將角度偏轉信號轉換為液晶光楔的驅動電壓，控制液晶光楔對激光接收終端發出的 光信號進行高精度連續偏轉控制，進一步降低跟蹤誤差，將跟蹤位置誤差控制到發射端和 接收端建立有效光通信鏈路誤差閾值內。
[0007] 所述的液晶光楔為一個斜劈形狀的液晶盒，包括上透明基板和下透明基板、基板 上電極層和基板下電極層；基板上電極層和基板下電極層分別粘在上透明基板和下透明基 板上；基板上電極層的另一側涂有聚酰亞胺取向層，基板下電極層的另一側涂有聚酰亞胺 取向層；基板上電極層和基板下電極層中間填充有液晶材料；基板上電極層和基板下電極 層的一端通過第一圓形間隔子隔開，另一端通過第二圓形間隔子隔開，且第一圓形間隔子 的半徑小于第二圓形間隔子。
[0008] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0009] 本發明的一種高精度光學相控捕跟系統采用一個液晶光學相控陣作為粗捕獲執 行模塊，在液晶光學相控陣光軸方向加載一個液晶光楔，液晶光楔作為空間激光通信系統 的精跟蹤執行模塊，控制光束進行高精度、連續掃描。液晶光學相控陣和液晶光楔聯合完成 液晶光學相控陣的空間激光通信系統的捕獲跟蹤功能，實現離散掃描和連續掃描的結合， 解決液晶光學相控陣作為捕跟控制模塊光束偏轉控制精度問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1為液晶相控陣和液晶光楔級聯工作原理圖；
[0011] 圖2為液晶相控陣原理示意圖；
[0012] 圖3為液晶光楔結構示意圖；
[0013] 圖4閃耀光柵粗掃原理相位分布圖；
[0014] 圖5為偏轉角度為0.1度的偏轉測量結果；
[0015] 圖6為偏轉角度為3度的偏轉測量結果。
【具體實施方式】
[0016] 本發明主要技術內容是基于液晶光學相控陣的大角度光束偏轉控制和液晶光楔 的高精度光束偏轉控制特點，將液晶光學相控陣和液晶光楔級聯在一起，完成空間激光通 信鏈路的捕獲跟蹤，為空間激光通信鏈路提供一種高精度相控捕跟系統。
[0017] 粗捕獲探測模塊和精跟蹤探測模塊主要由C⑶等圖像傳感器及其位置誤差處理 模塊構成，粗捕獲探測模塊和精跟蹤探測模塊的區別在于接收視場和位置誤差傳感精度； 粗捕獲探測模塊為液晶光學相控陣提供粗捕獲位置誤差信號，精跟蹤探測模塊為液晶光楔 提供精跟蹤位置誤差信號。粗捕獲探測模塊和精跟蹤探測模塊分別完成光束聚束、位置誤 差獲取等功能，這部分與傳統空間激光通信系統捕獲跟蹤模塊相同。
[0018] 液晶光學相控陣和液晶光楔的級聯方法，具體步驟為：
[0019] 步驟一：根據圖1，采用一個液晶光學相控陣作為粗捕獲執行模塊，在液晶光學相 控陣后加載一個液晶光楔，采用液晶光楔作為空間激光通信鏈路的精跟蹤執行模塊。液晶 光學相控陣和液晶光楔及其波控器組成液晶光學相控陣天線，液晶光學相控陣天線接收和 發射光束，光束發射光軸和光束接收光軸共軸；在沿光軸方向依次垂直于光軸放置透射式 液晶光學相控陣和透射式液晶光楔；液晶光學相控陣和液晶光楔相互平行，并和光軸垂直； 液晶光學相控陣和液晶光楔口徑相同，光軸重合。液晶光學相控陣天線發射光束依次通過 液晶光楔和液晶光學相控陣，液晶光學相控陣天線接收光束依次通過透射式液晶光學相控 陣和透射式液晶光楔。
[0020] 本發明粗捕獲執行模塊為液晶相控陣，液晶相控陣實質上是作為一個液晶閃耀光 柵進行工作，器件核心是液晶盒。采用純相位調制的方式實現類似于透射閃耀光柵的效果， 如圖2所示。液晶閃耀光柵的工作性能很大程度上由平行電極的控制能力決定。液晶閃耀 光柵周期單元內多條電極的總寬度等效于光柵常數，通過改變電極數來改變光柵常數，實 現衍射角度的變化，再通過調節周期單元內的電壓分布，使某一級次的光被閃耀。為了使相 位輪廓更加準確，電極的寬度不應小于電極間距的寬度。
[0021] 本發明精跟蹤執行模塊為液晶光楔，如圖3所示。所述的液晶光楔為一個斜劈形 狀的液晶盒，包括上透明基板1-1和下透明基板1-2、基板上電極層2-1和基板下電極層 2-2 ;基板上電極層2-1和基板下電極層2-2分別粘在上透明基板1-1和下透明基板1-2 上；基板上電極層2-1的另一側涂有聚酰亞胺取向層3-1，基板下電極層2-2的另一側涂有 聚酰亞胺取向層3-2 ;基板上電極層2-1和基板下電極層2-2中間填充有液晶材料5 ;基板 上電極層2-1和基板下電極層2-2的一端通過第一圓形間隔子4-1隔開，另一端通過第二 圓形間隔子4-2隔開，且第一圓形間隔子4-1的半徑小于第二圓形間隔子4-2。所述液晶光 楔的液晶盒上下兩透明基板的透明導電電極2-1和2-2在整個基板范圍內均勻分布。通過 精確控制所述液晶光楔的液晶盒的第一圓形間隔子4-1和第二圓形間隔子4-2的厚度，使 液晶盒的上下兩個基板上的取向膜層之間的間距產生一個斜劈狀的均勻梯度分布，斜劈的 斜率均勻一致，對入射光束產生的光程或相位呈現出一個均勻的斜坡分布。采用精密交流 電壓對液晶光楔進行驅動，電壓的精度決定了液晶光楔掃描的角度精度。由于液晶光楔的 結構是一個斜劈狀的液晶盒，在光學性質上它可以等效為一個具有斜坡式折射率分布的棱 鏡。當施加的電壓可編程變化時，液晶光楔產生的相位斜坡的斜率也會發生變化，從而可以 控制入射光束通過液晶光楔后的偏轉角度，實現光束的可編程高精度偏轉和掃描。偏轉精 度優于lurad。
[0022] 步驟二：沿入射光軸方向，在液晶光楔后面放置一個偏振分束器，偏振分束器將反 向光束分為兩部分，一部分送入數據接收模塊，實現數據的接收處理。另一部分送入一分束 器，再由分束器分為兩部分，分別送入粗捕獲探測模塊和精跟蹤探測模塊，粗捕獲探測模塊 和精跟蹤探測模塊主要由(XD(Chareg e coupled device)等圖像傳感器及其位置誤差處理 模塊構成，粗捕獲探測模塊和精跟蹤探測模塊的區別在于接收視場和位置誤差傳感精度； 粗捕獲探測模塊為液晶光學相控陣提供粗捕獲位置誤差信號，精跟蹤探測模塊為液晶光楔 提供精跟蹤位置誤差信號。粗捕獲探測模塊和精跟蹤探測模塊分別完成光束聚束、位置誤 差獲取等功能，這部分與傳統空間激光通信系統捕獲跟蹤模塊相同。
[0023] 基于液晶光學相控陣和液晶光楔的高精度光學相控捕獲跟蹤方法。空間激光通信 鏈路由激光發射終端和激光接收終端組成。空間激光通信鏈路捕獲跟蹤過程主要分為粗捕 獲和精跟蹤兩部分，依次執行粗捕獲和精跟蹤流程，具體步驟為 ：
[0024] 步驟三：在捕獲的起始階段，激光發射終端和激光接收終端各自的指向誤差都很 大，雙端遵從主-從的過程進行相互捕獲。激光發射終端首先根據軌道和平臺特性，設定預 置不確定區和光束掃描方式，由液晶光學相控陣對預置不確定區進行掃描。根據液晶光學 相控陣閃耀光柵原理，液晶光學相控陣相位分布如圖4所不，圖中Φ表不相位，X表不光束 偏轉方向平面內液晶相控陣相位分布。光發射模塊發出的發射光束依次通過液晶光楔和液 晶光學相控陣，液晶光學相控陣根據圖4所示的相位分布對發射光束的光相位進行相位控 制，將發射光束發送到激光接收終端的預置不確定區，并預置不確定區進行矩形螺旋等形 式的光束掃描。發射光束到達并進入激光接收終端后，激光接收終端檢測到激光接收終端 發出的發射光信號。激光接收終端接收到激光發射終端發出的發射光信號后向激光發射終 端發送光信號，對激光發射終端進行掃描，并調節激光接收終端天線指向，進一步降低雙端 對準誤差。
[0025] 步驟四：激光發射終端的粗捕獲探測模塊實時探測接收光信號的光斑位置、光斑 尺寸和光功率。粗捕獲探測模塊接收到激光接收終端發送的光信號后，由圖像傳感器將光 信號轉換為電信號，位置誤差處理模塊根據光信號的光斑位置、光斑尺寸和光功率計算接 收光信號的光斑位置誤差，并將位置誤差信號轉換為光束角度偏轉信號，送給液晶光學相 控陣波控器。液晶光學相控陣波控器將角度偏轉信號轉化為液晶光學相控陣的波控電壓， 并將波控電壓發送給液晶光學相控陣，液晶光學相控陣根據粗捕獲探測模塊提供的位置誤 差信號控制光束對預置不確定區進行掃描。
[0026] 步驟五：激光發射終端的精跟蹤探測模塊接收到激光接收終端發送的光信號后， 粗捕獲過程轉到精跟蹤過程，精跟蹤過程由液晶光楔作為精跟蹤光束偏轉控制執行模塊。 由圖像傳感器將光信號轉換為電信號，位置誤差處理模塊根據光信號的光斑位置、光斑尺 寸和光功率計算接收光信號的光斑位置誤差，并將位置誤差信號轉換為光束角度偏轉信 號。送給液晶光楔波控機，液晶光楔波控機將角度偏轉信號轉換為液晶光楔的驅動電壓，控 制液晶光楔對接收光束進行高精度連續偏轉控制，進一步降低跟蹤誤差，將跟蹤位置誤差 控制在建立空間激光通信鏈路的誤差容限內。
[0027] 根據本專利的【具體實施方式】，建立了基于液晶光學相控陣和液晶光楔級聯的捕獲 跟蹤試驗系統。在4度范圍內測量了捕獲跟蹤試驗系統的光束偏轉誤差，圖5給出了偏轉 角度為〇. 〇1度時的光束偏轉誤差測量結果，圖6給出了偏轉角度為3度時的光束偏轉誤差 測量結果。從測試結果可以看出，采用液晶光楔和液晶光學相控陣級聯的高精度光學相控 捕跟系統，可以實現偏轉精度優于2微弧度的光束偏轉控制。
[0028] 本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1. 一種高精度光學相控捕跟系統，其特征在于：包括液晶相控陣、液晶光楔、液晶光學 相控陣波控器、液晶光楔波控器、偏振分束器、分束器、數據發射模塊和數據接收模塊、粗捕 獲探測模塊、精跟蹤探測模塊；液晶光學相控陣和液晶光楔相互平行，并與入射光光軸垂直 放置；所述液晶光學相控陣和液晶光楔通光口徑相同，液晶光學相控陣和液晶光楔光軸重 合；在空間激光通信鏈路的激光發射終端，光發射模塊發出的光束依次通過液晶光楔和液 晶光學相控陣，液晶光學相控陣根據預先設定的掃描方式控制光束對預置不確定區進行掃 描，空間激光通信鏈路的激光接收終端接收到激光發射終端發出的光信號后向光發射終端 發送光信號，對激光發射端進行波束掃描。激光發射終端接收到的光信號依次經過液晶相 控陣、液晶光楔后，被偏振分束器分為兩束，一束送入數據接收模塊，對獲取的光信號進行 數據接收處理；另一束送入分束器，再由分束器分為兩束后，分別送入粗捕獲探測模塊和精 跟蹤探測模塊；粗捕獲探測模塊實時探測激光接收終端發出光信號的光斑位置、光斑尺寸 和光功率，計算獲得接收光信號的光斑位置誤差，并將位置誤差信號轉換為角度偏轉信號， 送至液晶光學相控陣波控器；液晶光學相控陣波控器將角度偏轉信號轉化為液晶光學相控 陣的波控電壓，控制液晶光學相控陣對發射光束進行光束偏轉控制，進一步降低粗捕獲探 測模塊的光斑位置誤差；精跟蹤探測模塊實時探測激光接收終端發出的光信號的光斑位 置、光斑尺寸和光功率，并根據光斑位置、光斑尺寸和光功率，計算獲得接收光信號的位置 誤差，并將位置誤差信號轉換為角度偏轉信號送給液晶光楔波控機，液晶光楔波控機將角 度偏轉信號轉換為液晶光楔的驅動電壓，控制液晶光楔對激光接收終端發出的光信號進行 高精度連續偏轉控制，進一步降低跟蹤誤差，將跟蹤位置誤差控制到發射端和接收端建立 有效光通信鏈路誤差閾值內。
2. 根據權利要求1所述的一種高精度光學相控捕跟系統，其特征在于：所述的液晶光 楔為一個斜劈形狀的液晶盒，包括上透明基板（1-1)和下透明基板（1-2)、基板上電極層 (2-1)和基板下電極層（2-2);基板上電極層（2-1)和基板下電極層（2-2)分別粘在上透 明基板（1-1)和下透明基板（1-2)上；基板上電極層（2-1)的另一側涂有聚酰亞胺取向層 (3-1)，基板下電極層（2-2)的另一側涂有聚酰亞胺取向層（3-2);基板上電極層（2-1)和 基板下電極層（2-2)中間填充有液晶材料（5);基板上電極層（2-1)和基板下電極層（2-2) 的一端通過第一圓形間隔子（4-1)隔開，另一端通過第二圓形間隔子（4-2)隔開，且第一圓 形間隔子（4-1)的半徑小于第二圓形間隔子（4-2)。
【文檔編號】H04B10/11GK104092494SQ201410286131
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】譚慶貴, 汪相如, 李小軍, 蔣煒, 梁棟, 朱忠博, 竇金芳 申請人:西安空間無線電技術研究所