一种高精度光学相控捕跟系统技术方案

一种高精度光学相控捕跟系统，涉及液晶光学、应用光学和衍射光学交叉技术领域，解决现有液晶光学相控阵光束偏转控制精度低的问题。在液晶光学相控阵光束偏转控制的基础上，液晶光学相控阵加载液晶光楔组成液晶光学相控阵天线，作为空间激光通信链路的相控捕跟系统，液晶光学相控阵为粗捕获执行模块，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捕获；液晶光楔为精跟踪执行模块，控制光束进行高精度、连续扫描，进行空间光通信光束跟踪。液晶光学相控阵和液晶光楔联合完成空间激光通信系统的捕获跟踪功能。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度光学相控捕跟系统
本专利技术涉及一种高精度光学相控捕跟系统，属于卫星激光通信和激光雷达等技术 领域。
技术介绍
近年来空间激光通信技术得到快速发展，国外已成功建立空间激光通信链路。目 前国内外研究的空间激光通信链路主要采用机械式捕跟系统和传统式捕获跟踪技术，为点 对点的单链路激光通信链路。机械式捕跟系统及光学天线体积大、笨重，而且惯性大，难以 实现快速捕获。随着空间激光通信技术的发展，新型空间激光通信系统不仅需要进一步降 低激光通信终端的体积、重量和功耗，而且需要大大降低捕获时间。对于空间激光通信链 路，由于链路距离长，光束波束窄，需要很高的跟踪精度。 相控阵技术已在微波系统中得到成功应用。液晶光学相控阵不仅可以实现非机 械式捕跟控制，将捕获时间提高到秒量级，解决空间激光通信链路光束的快速、灵活控制问 题，而且可以大幅降低激光通信终端的体积、重量和功耗，使光电系统的集成度更高，制造 成本更低，在空间激光通信等领域具有重要的应用价值。 目前主要采用多个液晶光学相控阵级联的方式实现空间激光通信系统的捕获跟 踪功能，但是由于液晶光学相控阵所加电压是离散的，其光束偏转控制精度受限，难以满足 空间激光通信高跟踪精度要求。研究基于液晶光学相控阵和液晶光楔的高精度光学相控捕 获跟踪系统，促进传统激光通信捕获跟踪技术和捕跟系统设计方法的变革，具有重要的应 用价值。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有液晶光学相控阵光束偏转控制精度受限问 题，提供一种高精度光学相控捕跟系统，采用液晶相控阵和液晶光楔级联的方式，实现空间 激光通 /[目系统快速捕获、1?精度跟踪。 本专利技术的技术方案是：一种高精度光学相控捕跟系统，包括液晶相控阵、液晶光 楔、液晶光学相控阵波控器、液晶光楔波控器、偏振分束器、分束器、数据发射模块和数据接 收模块、粗捕获探测模块、精跟踪探测模块；液晶光学相控阵和液晶光楔相互平行，并与入 射光光轴垂直放置；所述液晶光学相控阵和液晶光楔通光口径相同，液晶光学相控阵和液 晶光楔光轴重合；在空间激光通信链路的激光发射终端，光发射模块发出的光束依次通过 液晶光楔和液晶光学相控阵，液晶光学相控阵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，空间激光通信链路的激光接收终端接收到激光发射终端发出的光信号后 向光发射终端发送光信号，对激光发射端进行波束扫描。激光发射终端接收到的光信号依 次经过液晶相控阵、液晶光楔后，被偏振分束器分为两束，一束送入数据接收模块，对获取 的光信号进行数据接收处理；另一束送入分束器，再由分束器分为两束后，分别送入粗捕获 探测模块和精跟踪探测模块；粗捕获探测模块实时探测激光接收终端发出光信号的光斑位 置、光斑尺寸和光功率，计算获得接收光信号的光斑位置误差，并将位置误差信号转换为角 度偏转信号，送至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化为 液晶光学相控阵的波控电压，控制液晶光学相控阵对发射光束进行光束偏转控制，进一步 降低粗捕获探测模块的光斑位置误差；精跟踪探测模块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楔波控机，液晶光楔 波控机将角度偏转信号转换为液晶光楔的驱动电压，控制液晶光楔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。 所述的液晶光楔为一个斜劈形状的液晶盒，包括上透明基板和下透明基板、基板 上电极层和基板下电极层；基板上电极层和基板下电极层分别粘在上透明基板和下透明基 板上；基板上电极层的另一侧涂有聚酰亚胺取向层，基板下电极层的另一侧涂有聚酰亚胺 取向层；基板上电极层和基板下电极层中间填充有液晶材料；基板上电极层和基板下电极 层的一端通过第一圆形间隔子隔开，另一端通过第二圆形间隔子隔开，且第一圆形间隔子 的半径小于第二圆形间隔子。 本专利技术与现有技术相比的优点在于： 本专利技术的一种高精度光学相控捕跟系统采用一个液晶光学相控阵作为粗捕获执 行模块，在液晶光学相控阵光轴方向加载一个液晶光楔，液晶光楔作为空间激光通信系统 的精跟踪执行模块，控制光束进行高精度、连续扫描。液晶光学相控阵和液晶光楔联合完成 液晶光学相控阵的空间激光通信系统的捕获跟踪功能，实现离散扫描和连续扫描的结合， 解决液晶光学相控阵作为捕跟控制模块光束偏转控制精度问题。 【附图说明】 图1为液晶相控阵和液晶光楔级联工作原理图； 图2为液晶相控阵原理示意图； 图3为液晶光楔结构示意图； 图4闪耀光栅粗扫原理相位分布图； 图5为偏转角度为0.1度的偏转测量结果； 图6为偏转角度为3度的偏转测量结果。 【具体实施方式】 本专利技术主要
技术实现思路
是基于液晶光学相控阵的大角度光束偏转控制和液晶光楔 的高精度光束偏转控制特点，将液晶光学相控阵和液晶光楔级联在一起，完成空间激光通 信链路的捕获跟踪，为空间激光通信链路提供一种高精度相控捕跟系统。 粗捕获探测模块和精跟踪探测模块主要由C⑶等图像传感器及其位置误差处理 模块构成，粗捕获探测模块和精跟踪探测模块的区别在于接收视场和位置误差传感精度； 粗捕获探测模块为液晶光学相控阵提供粗捕获位置误差信号，精跟踪探测模块为液晶光楔 提供精跟踪位置误差信号。粗捕获探测模块和精跟踪探测模块分别完成光束聚束、位置误 差获取等功能，这部分与传统空间激光通信系统捕获跟踪模块相同。 液晶光学相控阵和液晶光楔的级联方法，具体步骤为： 步骤一：根据图1，采用一个液晶光学相控阵作为粗捕获执行模块，在液晶光学相 控阵后加载一个液晶光楔，采用液晶光楔作为空间激光通信链路的精跟踪执行模块。液晶 光学相控阵和液晶光楔及其波控器组成液晶光学相控阵天线，液晶光学相控阵天线接收和 发射光束，光束发射光轴和光束接收光轴共轴；在沿光轴方向依次垂直于光轴放置透射式 液晶光学相控阵和透射式液晶光楔；液晶光学相控阵和液晶光楔相互平行，并和光轴垂直； 液晶光学相控阵和液晶光楔口径相同，光轴重合。液晶光学相控阵天线发射光束依次通过 液晶光楔和液晶光学相控阵，液晶光学相控阵天线接收光束依次通过透射式液晶光学相控 阵和透射式液晶光楔。 本专利技术粗捕获执行模块为液晶相控阵，液晶相控阵实质上是作为一个液晶闪耀光 栅进行工作，器件核心是液晶盒。采用纯相位调制的方式实现类似于透射闪耀光栅的效果， 如图2所示。液晶闪耀光栅的工作性能很大程度上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。为了使相 位轮廓更加准确，电极的宽度不应小于电极间距的宽度。 本专利技术精跟踪执行模块为液晶光楔，如图3所示。所述的液晶光楔为一个斜劈形 状的液晶盒，包括上透明基板1-1和下透明基板1-2、基板上电极层2-1和基板下电极层 2-2 ;基板上电极层2-1和基板下电极层2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度光学相控捕跟系统，其特征在于：包括液晶相控阵、液晶光楔、液晶光学相控阵波控器、液晶光楔波控器、偏振分束器、分束器、数据发射模块和数据接收模块、粗捕获探测模块、精跟踪探测模块；液晶光学相控阵和液晶光楔相互平行，并与入射光光轴垂直放置；所述液晶光学相控阵和液晶光楔通光口径相同，液晶光学相控阵和液晶光楔光轴重合；在空间激光通信链路的激光发射终端，光发射模块发出的光束依次通过液晶光楔和液晶光学相控阵，液晶光学相控阵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，空间激光通信链路的激光接收终端接收到激光发射终端发出的光信号后向光发射终端发送光信号，对激光发射端进行波束扫描。激光发射终端接收到的光信号依次经过液晶相控阵、液晶光楔后，被偏振分束器分为两束，一束送入数据接收模块，对获取的光信号进行数据接收处理；另一束送入分束器，再由分束器分为两束后，分别送入粗捕获探测模块和精跟踪探测模块；粗捕获探测模块实时探测激光接收终端发出光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算获得接收光信号的光斑位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号，送至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化为液晶光学相控阵的波控电压，控制液晶光学相控阵对发射光束进行光束偏转控制，进一步降低粗捕获探测模块的光斑位置误差；精跟踪探测模块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楔波控机，液晶光楔波控机将角度偏转信号转换为液晶光楔的驱动电压，控制液晶光楔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。...

【技术特征摘要】
1. 一种高精度光学相控捕跟系统，其特征在于：包括液晶相控阵、液晶光楔、液晶光学 相控阵波控器、液晶光楔波控器、偏振分束器、分束器、数据发射模块和数据接收模块、粗捕 获探测模块、精跟踪探测模块；液晶光学相控阵和液晶光楔相互平行，并与入射光光轴垂直 放置；所述液晶光学相控阵和液晶光楔通光口径相同，液晶光学相控阵和液晶光楔光轴重 合；在空间激光通信链路的激光发射终端，光发射模块发出的光束依次通过液晶光楔和液 晶光学相控阵，液晶光学相控阵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，空间激光通信链路的激光接收终端接收到激光发射终端发出的光信号后向光发射终端 发送光信号，对激光发射端进行波束扫描。激光发射终端接收到的光信号依次经过液晶相 控阵、液晶光楔后，被偏振分束器分为两束，一束送入数据接收模块，对获取的光信号进行 数据接收处理；另一束送入分束器，再由分束器分为两束后，分别送入粗捕获探测模块和精 跟踪探测模块；粗捕获探测模块实时探测激光接收终端发出光信号的光斑位置、光斑尺寸 和光功率，计算获得接收光信号的光斑位置误差，并将位置误差信号转换为角度偏转信号， 送至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化为液晶光学相控 阵的波控电压，控制液晶光学相控阵对发射光束进行光束偏转控制，进一步降低粗...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭庆贵，汪相如，李小军，蒋炜，梁栋，朱忠博，窦金芳，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61