基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法技术方案

本发明专利技术是一种基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法，解决了现有技术的光束指向机构存在的无法同时满足小体积、轻质量、扫描范围大、指向精度高等要求以及双液晶偏振光栅光束指向机构存在固有跟踪奇异性的问题。该系统包括三片液晶偏振光栅、主镜、次镜、电机、快速反射镜、激光器、1/2波片、1/4波片、波长分光片、能量分光片、窄带滤光片、透镜组、CCD图像传感器、通信接收模块、控制器；该系统通过旋转三光栅可实现通信光的捕获、指向和跟踪，并利用快速反射镜解决了通信发射支路和通信接收支路的通信光波长不一致导致存在的色差问题，其中一液晶偏振光栅充当导向器，调整跟踪角度与双液晶偏振光栅对视轴的偏移来解决跟踪奇异性。解决跟踪奇异性。解决跟踪奇异性。

【技术实现步骤摘要】
基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法
[0001]技术邻域
[0002]本专利技术涉及空间激光通信
，特别是涉及到一种基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法。

技术介绍

[0003]空间激光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。空间激光通信系统不需要铺设光纤，且具有大通信容量、高速传输的优点。通信过程需要两台激光通信机构接收并解调来自对方的激光脉冲信号，并且空间激光通信的距离都很长，远距离完成光链路的连接是激光通信的一大难点，故需要精确的光束指向能力。
[0004]公开号为CN104122900A的中国专利公开了一种基于旋转双棱镜的复合轴跟踪系，该专利提出采用旋转双棱镜结构可以实现对快速运动目标的高精度跟踪，旋转双棱镜组件包括第一棱镜、第二棱镜、第一电机、和第二电机；其中，旋转双棱镜实现对运动目标的粗跟踪，快速反射镜跟踪装置实现对目标的精跟踪；当棱镜楔角较小时，旋转双棱镜结构可以保证较小的体积及光束偏离精度；然而随着楔角的增大，光束偏离角的范围以及光束偏离角变化率的绝对值越来越大，也就是说，光束偏差的精度变得越来越低，楔角变大的同时也会使体积和重量变大，即楔角的大小必须根据偏转角和精度的要求进行综合优化，在实用性上受到一定的限制。在Chulwoo Oh,Jihwan Kim等的论文A new beam steering concept:Risley gratings中介绍了一种新的“Risley光栅”的光束指向概念，Risley光栅由独立旋转的内联偏振光栅组成，用包含偏振光栅的薄板取代了Risley棱镜的庞大棱镜元素，并采用了它们的高偏振敏感衍射。光束通过旋转的两个偏振光栅衍射，输出光束的轨迹由光栅周期和两个偏振光栅的相对方向决定。双液晶偏振光栅光束指向装置较传统的光束指向装置在结构、扫描范围、动态性能和衍射效率等方面都进行了有效改进，但由于双液晶偏振光栅的固有特性，当通信光在双液晶偏振光栅所达扫描范围的中心和边缘时，需要电机进行快速旋转来进行跟踪补偿，来实现通信光跟踪，此时可能由于电机的旋转能力不足导致通信光的丢失，这是双液晶偏振光栅的跟踪奇异性问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统及方法，以解决现有空间激光通信系统所采用的传统机械式光束指向机构存在的无法同时满足小体积、轻质量、扫描范围大、指向精度高等要求的问题以及和双液晶偏振光栅光束指向机构存在固有跟踪奇异性的问题。
[0006]本专利技术为解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术的基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，包括：液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二、液晶偏振光栅三、电机一、电机二、电机三、主镜、次镜、快速反射镜一、波长分光片、快速反射镜二、1/4波片、1/2波片、激光器、能量分光片、窄带滤光片一、透镜组一、CCD成像传感器、窄带滤光片二、透镜组二、通信接收模块和控制器；所述液晶偏振
光栅一与电机一电连接，液晶偏振光栅二与电机二电连接，液晶偏振光栅三与电机三电连接；所述控制器与液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二、液晶偏振光栅三、电机一、电机二、电机三、快速反射镜一、快速反射镜二和CCD成像传感器均为电连接；所述液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅三共光轴平行放置；所述主镜和次镜平行放置；所述窄带滤光片一、透镜组一和CCD成像传感器同光轴；所述窄带滤光片二、透镜组二和通信接收模块同光轴；所述1/4波片、1/2波片和激光器同光轴；
[0008]外界光束依次经液晶偏振光栅一衍射、液晶偏振光栅二衍射、液晶偏振光栅三衍射、主镜反射、次镜反射、快速反射镜一反射、波长分光片透射后进入通信接收支路；
[0009]在通信接收支路中，一部分光束依次经能量分光片反射、窄带滤光片一滤光、透镜组一会聚后进入CCD成像传感器；另一部分光束依次经能量分光片透射、窄带滤光片二滤光、透镜组二会聚后进入通信接收模块；
[0010]在通信发射支路中，激光器的激光依次经1/2波片转换、1/4波片转换、快速反射镜二反射、波长分光片反射、快速反射镜一反射、次镜反射、主镜反射、液晶偏振光栅三衍射、液晶偏振光栅二衍射、液晶偏振光栅一衍射后射出。
[0011]进一步的，所述液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅三均为通过正交圆偏光干涉刻写的偏振光栅；所述液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅三衍射的最大偏折角为30
°
；所述液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅三周期均为6.12μm。
[0012]进一步的，所述液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅三共光轴平行放置，以光轴反方向为z轴正方向、光栅线为x轴正方向建立右手坐标系，则出射光由(Φ，Θ)唯一确定表示，Φ是通信光的偏折角，Θ是通信光的方位角；所述液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅三共光轴独立旋转，以绕z轴逆时针旋转为正方向，θ1是液晶偏振光栅一绕z轴的旋转角度，θ2是液晶偏振光栅二绕z轴的旋转角度，θ3是液晶偏振光栅三绕z轴的旋转角度。
[0013]进一步的，所述电机一和电机二均采用力矩电机，转速均为3000r/s。
[0014]进一步的，所述主镜和次镜组成扩束/缩束天线系统，其收发共用，发射时扩大光束口径，接收时缩小光束口径；所述主镜和次镜的表面均为凹的抛物反射面。
[0015]进一步的，所述快速反射镜一工作角度均为45
°
，用于通信光精跟踪；所述波长分光片工作角度为45
°
，用于反射1530nm波长的激光和透射1550nm波长的激光；所述快速反射镜二工作角度均为45
°
，用于消色差调节激光发射端和激光接收端同轴；所述1/4波片和1/2波片均用于将线偏振光转换为圆偏振光。
[0016]进一步的，所述能量分光片的分光比为95:5，工作角度为45
°
；所述能量分光片用于反射5％的通信接收光至CCD图像传感器；所述能量分光片用于透射95％的通信接收光至通信接收模块。
[0017]进一步的，所述窄带滤光片一和窄带滤光片二的光谱峰值半宽度为4nm。
[0018]进一步的，所述通信接收模块采用通信APD探测器；另一部分光束依次经能量分光片透射、窄带滤光片二滤光、透镜组二会聚后进入通信接收模块，通过通信APD探测器进行光电转换并输出光信号。
[0019]本专利技术的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信方法，包括以下步骤：
[0020]步骤一、通过控制器控制电机一、电机二和电机三运行，分别带动液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅三独立旋转，在获取的通信光目标位置，通过液晶偏振光栅一、液晶偏振光栅二和液晶偏振光栅三引导通信光在光束指向范围内扫描进行通信光捕获；
[0021]步骤二、捕获到的通信光传播到由主镜和次镜组成的扩束/缩束天线系统进行缩束，通信光被主镜反射到次镜，缩束后的通信光被本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，包括：液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)、液晶偏振光栅三(3)、电机一(4)、电机二(5)、电机三(6)、主镜(7)、次镜(8)、快速反射镜一(9)、波长分光片(10)、快速反射镜二(11)、1/4波片(12)、1/2波片(13)、激光器(14)、能量分光片(15)、窄带滤光片一(16)、透镜组一(17)、CCD成像传感器(18)、窄带滤光片二(19)、透镜组二(20)、通信接收模块(21)和控制器(22)；所述液晶偏振光栅一(1)与电机一(4)电连接，液晶偏振光栅二(2)与电机二(5)电连接，液晶偏振光栅三(3)与电机三(6)电连接；所述控制器(22)与液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)、液晶偏振光栅三(3)、电机一(4)、电机二(5)、电机三(6)、快速反射镜一(9)、快速反射镜二(11)和CCD成像传感器(18)均为电连接；所述液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)和液晶偏振光栅三(3)共光轴平行放置；所述主镜(7)和次镜(8)平行放置；所述窄带滤光片一(16)、透镜组一(17)和CCD成像传感器(18)同光轴；所述窄带滤光片二(19)、透镜组二(20)和通信接收模块(21)同光轴；所述1/4波片(12)、1/2波片(13)和激光器(14)同光轴；外界光束依次经液晶偏振光栅一(1)衍射、液晶偏振光栅二(2)衍射、液晶偏振光栅三(3)衍射、主镜(7)反射、次镜(8)反射、快速反射镜一(9)反射、波长分光片(10)透射后进入通信接收支路；在通信接收支路中，一部分光束依次经能量分光片(15)反射、窄带滤光片一(16)滤光、透镜组一(17)会聚后进入CCD成像传感器(18)；另一部分光束依次经能量分光片(15)透射、窄带滤光片二(19)滤光、透镜组二(20)会聚后进入通信接收模块(21)；在通信发射支路中，激光器(14)的激光依次经1/2波片(13)转换、1/4波片(12)转换、快速反射镜二(11)反射、波长分光片(10)反射、快速反射镜一(9)反射、次镜(8)反射、主镜(7)反射、液晶偏振光栅三(3)衍射、液晶偏振光栅二(2)衍射、液晶偏振光栅一(1)衍射后射出。2.根据权利要求1所述的基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，所述液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)和液晶偏振光栅三(3)均为通过正交圆偏光干涉刻写的偏振光栅；所述液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)和液晶偏振光栅三(3)的周期均为6.12μm。3.根据权利要求1所述的基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，所述液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)和液晶偏振光栅三(3)共光轴平行放置，以光轴反方向为z轴正方向、光栅线为x轴正方向建立右手坐标系，则出射光由(Φ，Θ)唯一确定表示，Φ是通信光的偏折角，Θ是通信光的方位角；所述液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)和液晶偏振光栅三(3)共光轴独立旋转，以绕z轴逆时针旋转为正方向，θ1是液晶偏振光栅一(1)绕z轴的旋转角度，θ2是液晶偏振光栅二(2)绕z轴的旋转角度，θ3是液晶偏振光栅三(3)绕z轴的旋转角度。4.根据权利要求1所述的基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，所述快速反射镜一(9)工作角度均为45
°
，用于通信光精跟踪；所述波长分光片(10)工作角度为45
°
，用于反射1530nm波长的激光和透射1550nm波长的激光；所述快速反射镜二(11)工作角度均为45
°
，用于消色差调节激光发射端和激光接收端同轴。5.根据权利要求1所述的基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统，其特征在于，所述能量分光片(15)的分光比为95:5，工作角度为45
°
；所述能量分光片(15)用于反射5％的通信接收光至CCD图像传感器(18)；所述能量分光片(15)用于透射95％的通信接收
光至通信接收模块(21)。6.如权利要求1至5中任意一项所述的基于三液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统实现的基于三液晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：江伦，王俊，李小明，李响，于笑楠，宋延嵩，董岩，刘洋，常帅，高亮，安岩，张家齐，董科研，佟首峰，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：