一種基于光學相控陣的大角度波束控制系統的制作方法
【專利摘要】一種基于光學相控陣的大角度波束控制系統，包括液晶偏振光柵、液晶光學相控陣、偏振分束器、光發射模塊、光接收模塊、位置傳感器、控制中心、偏振光柵波控器、液晶相控陣波控器。本發明系統采用基于雙頻材料的液晶光學相控陣和液晶偏振光柵級連，完成激光通信鏈路的捕獲跟蹤功能。由于雙頻液晶響應速度快，在激光通信的捕獲跟蹤過程中可以實現快速捕獲和跟蹤；另外，液晶光學相控陣分別工作于粗跟蹤和精跟蹤階段，有效減少了液晶器件的使用數量，降低了系統復雜度。在粗跟蹤切換至精跟蹤過程后，液晶光學相控陣工作于分區控制模式，這樣可以實現波束的連續掃描，確保精跟蹤階段激光通信鏈路功率的穩定性。
【專利說明】
一種基于光學相控陣的大角度波束控制系統
技術領域
[0001] 本發明屬于衛星激光通信技術領域，涉及一種光學相控陣天線的波束控制系統。
【背景技術】
[0002] 空間激光通信技術的發展要求空間激光通信系統便于實現多用戶接入;進一步降 低激光通信終端的體積和重量;降低捕獲時間，實現快速捕獲。液晶光學相控陣天線不僅可 以解決多波束的高精度、快速、靈活控制問題，而且使光電系統的集成度更高，制造成本更 低。
[0003] 對于LE0-GE0等大動態衛星激光鏈路，要求光學相控陣天線具有大的偏轉角度和 快速捕獲能力。此外，在建立跟蹤鏈路后，還需要保持激光通信鏈路的穩定性。
[0004] 目前公開文獻資料所報道的大角度波束控制方法，一種是基于液晶光學相控陣的 區域掃描和區域填充相結合的方案，但是該方案沒有解決波束連續偏轉控制的問題；另一 種方案是基于液晶光學相控陣和液晶光楔級連的方式，這種方案需要額外采用液晶光楔。 此外，現有液晶光學相控陣采用傳統液晶材料，波束單元的切換時間也較慢。

【發明內容】

[0005] 本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種基于光學相控陣的 大角度波束控制系統，解決傳統液晶光學相控陣天線偏轉角度小和波束非連續偏轉控制的 技術難題。
[0006] 本發明的技術解決方案是：一種基于光學相控陣的大角度波束控制系統，包括液 晶偏振光柵、液晶光學相控陣、偏振分束器、光發射模塊、光接收模塊、位置傳感器、控制中 心、偏振光柵波控器、液晶相控陣波控器，液晶偏振光柵、液晶光學相控陣和偏振分束器依 次垂直于同一光軸放置，液晶偏振光柵和液晶相控陣相互平行；
[0007] 光發射模塊的出射激光依次通過偏振分束器、液晶光學相控陣和液晶偏振光柵 后，對空間預置的不確定區域進行掃描;外部激光發射終端發出的激光依次經過液晶偏振 光柵、液晶光學相控陣，而后被偏振分束器分為兩束，一束送入光接收模塊進行數據接收處 理，另一束送入位置傳感器；
[0008] 所述的位置傳感器實時探測外部激光發射終端發出的激光，一旦探測到外部激光 發射終端發出的激光，則計算獲得接收激光光束與所述光軸的位置誤差；當光斑位置誤差 大于預先設定的位置閾值時，控制中心將位置誤差轉換為角度偏轉信號并送至偏振光柵波 控器，偏振光柵波控器將角度偏轉信號轉化為液晶偏振光柵的波控電壓，控制液晶偏振光 柵對外部激光發射終端發出的激光進行光束偏轉控制，進一步降低實時探測的光斑位置誤 差；當光斑位置誤差小于等于所述位置閾值時，控制中心將位置誤差轉換為角度偏轉信號 并送至液晶相控陣波控器，液晶相控陣波控器將角度偏轉信號轉換為液晶光學相控陣的驅 動電壓，控制液晶光學相控陣對外部激光發射終端發出的激光進行光束偏轉控制，直至實 時探測的光斑位置誤差滿足精度要求并保持。
[0009] 所述的控制中心在保持光斑位置誤差滿足精度要求時，對液晶光學相控陣采用分 區連續偏轉控制，具體為:將液晶光學相控陣分為兩個子區域，兩個子區域A和B分別偏轉角 度01和02,01和02為相鄰的兩個角度，01和02分別確定A和B兩個子區域每根電極的相移量;控 制子區域A和B之間的邊界從左到右移動，使得n = N/NmaX的值從0變到1，從而使得從子區域 A和B出來的光束在遠場處進行相干疊加，由此生成一系列偏轉角度介于0#P02之間的重疊 相干偏轉波束，其中N為子區域A和B之間的邊界上的電極索引值，N max是液晶光學相控陣上 電極的總數，0SN彡Nmax。
[0010] 所述的液晶光學相控陣采用雙頻液晶材料。雙頻液晶材料包括正性液晶單體、負 性液晶單體以及稀釋劑。
[0011] 所述的液晶光學相控陣和液晶偏振光柵的通光口徑相同。
[0012] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0013] (1)本發明系統采用基于雙頻材料的液晶光學相控陣和液晶偏振光柵級連，完成 激光通信鏈路的捕獲跟蹤功能。基于透射式液晶偏振光柵和透射式液晶光學相控陣，給出 了液晶光學相控陣天線控制方法。液晶偏振光柵通過液晶偏振狀態的電控轉換來實現光束 偏轉角度的控制，實現大角度偏轉控制，對預置不確定區進行掃描。液晶光學相控陣分別獨 立完成空間激光通信系統的粗跟蹤和精跟蹤功能。本發明系統一方面可以實現波束快速捕 跟，另一方面由一個液晶光學相控陣分別實現了粗跟蹤和精跟蹤，減少了液晶器件的使用 數量，降低了系統復雜度；
[0014] (2)本發明系統在粗跟蹤切換至精跟蹤過程后，液晶光學相控陣工作于分區控制 模式。液晶光學相控陣從粗跟蹤過程轉換到精跟蹤過程后，為了保證空間激光通信鏈路的 連續偏轉控制，要求液晶光學相控陣在波束切換過程中確保波束的連續性。為了實現波束 連續偏轉控制，將液晶光學相控陣分為多個連續個子區域，對這多個子區域進行分區控制， 分別控制光束依次進行波束連續偏轉，實現波束的連續偏轉控制。采用分區控制的方法，有 效克服了傳統液晶光學相控陣脈沖掃描控制的缺點，實現了波束連續偏轉控制。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明控制系統的組成原理框圖；
[0016] 圖2為本發明液晶光學相控陣電極結構示意圖；
[0017] 圖3為本發明液晶偏振光柵光路示意圖；
[0018] 圖4為本發明液晶光學相控陣分區控陣相位分布圖。
[0019] (a)初始偏轉角度及控制相位
[0020] (b)區域A對波束偏轉控制相位分布示意圖
[0021] (c)區域B對波束偏轉控制后相位分布示意圖
【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，為本發明控制系統的原理框圖，本發明系統主要包括:透射式液晶偏 振光柵、透射式液晶光學相控陣、偏振分束器、光發射模塊、光接收模塊、位置傳感器(粗跟 蹤位置傳感器和精跟蹤位置傳感器）、偏振光柵波控器、液晶相控陣波控器。
[0023]首先在同一光軸上依次垂直于光軸放置透射式液晶偏振光柵、透射式液晶光學相 控陣和偏振分束器。液晶偏振光柵和液晶相控陣相互平行，并與入射光光軸垂直放置。本發 明中，液晶光學相控陣和液晶偏振光柵的通光口徑相同，液晶光學相控陣的光軸與液晶偏 振光柵的光軸重合。液晶偏振光柵為粗捕獲執行模塊，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掃描捕獲;液晶光學相控陣為跟蹤模塊，控制光束進行連續掃 描，進行空間光通信光束的跟蹤。在空間激光通信鏈路的激光發射終端，光發射模塊發出的 線偏振光束依次通過液晶光學相控陣和液晶偏振光柵。激光發射終端接收到的光信號依次 經過液晶偏振光柵和液晶光學相控陣，而后被偏振分束器分為兩束，一束送入光接收模塊， 對獲取的光信號進行數據接收處理；另一束送入位置傳感器，位置傳感器獲得的位置信息 又送入控制中心
[0024] 透射式液晶光學相控陣的核心器件是液晶盒，通過改變液晶盒的折射率，從而改 變入射光束波陣面，實現入射光束的偏轉控制。
[0025] 液晶光學相控陣主要由玻璃基板、液晶、取向層、公共電極和驅動電極組成，如圖2 所示。本發明采用雙頻液晶材料，實現液晶光學相控陣波束單元的快速切換。
[0026] 本發明采用雙頻液晶材料作為液晶光學相控陣的液晶材料，并在液晶光學相控陣 的公共電極上加載高頻電壓VCQM，在液晶光學相控陣的離散電極上加載低頻電壓I，所述高 頻電壓V CQM的頻率f高使得雙頻液晶的介電各向異性A ￡>〇,所述低頻電壓Vi的頻率f低使得雙 頻液晶的介電各向異性△ ￡〈〇,高低頻電壓的最大電壓差能夠實現360的光相位變化，通過 改變所述低頻電壓￥:與所述高頻電壓VCQM的電壓差值實現液晶光學相控陣的波束單元切 換。
[0027] 雙頻液晶材料包括正性液晶單體、負性液晶單體以及稀釋劑。所述的公共電極電 壓Vcom工作頻率f高以及低頻電壓Vi工作頻率f低的選擇根據雙頻液晶材料測量得到的雙頻液 晶的介電常數和驅動頻率的關系確定。通過改變所述低頻電壓I的大小改變液晶的等效折 射率。
[0028] 其中液晶偏振光柵(LCPG)通過液晶偏振狀態的電控轉換來實現光束偏轉角度的 控制，其散射非常低，偏轉衍射效率接近1〇〇%，使得該器件成為實現波束大角度偏轉的理 想選擇方案；LCPG通過偏振方式的變化實現相位的調制，其基本工作原理基于 Pancharatnam方法。讓光束依次通過一個1/4波片(Q)，一個1/2波片(H)和另外一個1/4波片 (Q)，稱之為一個"QHQ堆"。在應用中，需要在"QHQ堆"的前面和后面分別加上一個偏振片。圖 3為"QHQ堆"光路示意圖，其中兩邊最外側為偏振片，最中間一個為1/2波片，其余兩個為1/4 波片。
[0029] 激光通信起始階段，采用液晶偏振光柵對空間激光通信預置不確定區進行掃描。 液晶偏振光柵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，粗跟蹤位置傳 感器實時探測對方激光通信終端發出的光信號，直到粗跟蹤位置傳感器探測到對方通信終 端發出的光信號。空間激光通信轉入粗跟蹤階段。
[0030] 在粗跟蹤階段，粗跟蹤位置傳感器實時探測接收對方通信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，采用重心算法或形心算 法，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相 控陣波控器，液晶相控陣波控器將角度偏轉信號轉換為驅動電壓，控制液晶光學相控陣對 激光接收終端發出的光信號進行光束掃描，進一步降低波束偏轉角度，直到精跟蹤探測模 塊探測到光信號。空間激光通信轉入精跟蹤階段。
[0031] 在精跟蹤階段，為了實現波束連續偏轉控制，將液晶光學相控陣進行分區控制，控 制光束依次進行波束連續偏轉，實現波束的連續偏轉控制。這樣，可以確保波束的連續性。 精跟蹤位置傳感器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 轉換為液晶光學相控陣的驅動電壓，控制液晶光學相控陣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。
[0032] 為了實現波束連續跟蹤，對單個液晶光學相控陣的控制電極進行分區域相位控 制，本發明將液晶光學相控陣分為A和B兩個獨立的子區域，分別對這兩個區域進行獨立控 制。
[0033] 兩個子區域A和B分別偏轉角度01和02，01和02為相鄰的兩個角度，0 1和02的角度差 受限于光束偏轉的角度分辨率。化和以分別確定A和B兩個子區域每根電極的相移量。子區域 A和B之間的邊界是由各自子區域的占有率確定。
[0034] 子區域A和B上的第i根電極上對應的相移量分別是巾12和巾n。該相移量被定義為
[0036] 其中，N為子區域A和B之間的邊界上的電極索引值，因此0< Nmax，仏^是電極的 總數。子區域A的占有率n被定義為n = N/Nmax，其相位分布如圖4(b)所示。對于傳統的液晶 光學相控陣，N取值為Nmax或者0,液晶光學相控陣的相位分布分別用圖4(a)和(c)表示。
[0037] 從子區域A和B出來的光場來源于具有相同波長和偏振態的同一激光源。它們在遠 場處的光束可以相干疊加，生成一個偏轉角度為M勺波束，轉角度L介于化和以之間。子區 域A和B之間的邊界N從左到右移動，即n的值從〇變到1時，新的相干波束的偏轉角度就會從 0 1向02移動。這樣設計不同的占有率n，即設定不同的N值，控制子區域A和子區域B分別以角 度1到9 2對波束進行控制，可以產生從1到92的系列重疊相干偏轉波束，這樣確保了波束偏 轉的連續性。
[0038]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種基于光學相控陣的大角度波束控制系統，其特征在于包括:液晶偏振光柵、液晶 光學相控陣、偏振分束器、光發射模塊、光接收模塊、位置傳感器、控制中心、偏振光柵波控 器、液晶相控陣波控器，液晶偏振光柵、液晶光學相控陣和偏振分束器依次垂直于同一光軸 放置，液晶偏振光柵和液晶相控陣相互平行； 光發射模塊的出射激光依次通過偏振分束器、液晶光學相控陣和液晶偏振光柵后，對 空間預置的不確定區域進行掃描;外部激光發射終端發出的激光依次經過液晶偏振光柵、 液晶光學相控陣，而后被偏振分束器分為兩束，一束送入光接收模塊進行數據接收處理，另 一束送入位置傳感器； 所述的位置傳感器實時探測外部激光發射終端發出的激光，一旦探測到外部激光發射 終端發出的激光，則計算獲得接收激光光束與所述光軸的位置誤差；當光斑位置誤差大于 預先設定的位置閾值時，控制中心將位置誤差轉換為角度偏轉信號并送至偏振光柵波控 器，偏振光柵波控器將角度偏轉信號轉化為液晶偏振光柵的波控電壓，控制液晶偏振光柵 對外部激光發射終端發出的激光進行光束偏轉控制，進一步降低實時探測的光斑位置誤 差；當光斑位置誤差小于等于所述位置閾值時，控制中心將位置誤差轉換為角度偏轉信號 并送至液晶相控陣波控器，液晶相控陣波控器將角度偏轉信號轉換為液晶光學相控陣的驅 動電壓，控制液晶光學相控陣對外部激光發射終端發出的激光進行光束偏轉控制，直至實 時探測的光斑位置誤差滿足精度要求并保持。2. 根據權利要求1所述的一種基于光學相控陣的大角度波束控制系統，其特征在于:所 述的控制中心在保持光斑位置誤差滿足精度要求時，對液晶光學相控陣采用分區連續偏轉 控制，具體為:將液晶光學相控陣分為兩個子區域，兩個子區域A和B分別偏轉角度θ#ΡΘ 2，θι 和92為相鄰的兩個角度，Θ#ΡΘ2*別確定Α和Β兩個子區域每根電極的相移量;控制子區域A 和B之間的邊界從左到右移動，使得n = N/Nmax的值從0變到1，從而使得從子區域A和B出來 的光束在遠場處進行相干疊加，由此生成一系列偏轉角度介于Θ#ΡΘ 2之間的重疊相干偏轉 波束，其中Ν為子區域Α和Β之間的邊界上的電極索引值，Nmax是液晶光學相控陣上電極的總 數，0<N<Nm ax〇3. 根據權利要求1或2所述的一種基于光學相控陣的大角度波束控制系統，其特征在 于:所述的液晶光學相控陣采用雙頻液晶材料。4. 根據權利要求3所述的一種基于光學相控陣的大角度波束控制系統，其特征在于:所 述的雙頻液晶材料包括正性液晶單體、負性液晶單體以及稀釋劑。5. 根據權利要求1或2所述的一種基于光學相控陣的大角度波束控制系統，其特征在 于:所述的液晶光學相控陣和液晶偏振光柵的通光口徑相同。
【文檔編號】G02B27/28GK106054490SQ201610616404
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月29日
【發明人】譚慶貴, 李小軍, 汪相如, 曹政, 蔣煒, 梁棟, 朱忠博, 馬海虹
【申請人】西安空間無線電技術研究所