一种轻量化光学天线及基于其实现捕获跟瞄的方法

技术领域

本发明属于空间激光通信领域，具体为一种新型轻量化光学天线，以及基于该光学天线实现空间激光通信光束的捕获与跟瞄方法。

背景技术

空间激光通信因其速率高、保密性好等优势，成为空间信息网络骨干链路的必选技术途径，近年来美国、欧洲以及中国均多次实现了星间、星地之间空间激光通信技术的在轨演示验证。为了构建完善的空间信息网络，国内外均部署了多个与空间激光通信相关的演示验证计划。

空间激光通信系统中，光学天线是空间激光链路得以建立、高速数据稳定传输的核心部分。其功能是捕获待传输的激光链路，并快速跟瞄以使光束稳定且高效率耦合进单模光纤，以便通信部分解调数据。

现有空间激光通信系统的光学天线多采用机械转台，通过转台的机械转动实现通信目标光束的粗跟踪捕获，然后基于能够快速摆动的振镜实现通信目标光束的精跟踪跟瞄，这种机械转台光学天线的体积重量功耗极大，占据了空间激光终端70％以上的体积重量功耗资源，难以满足空间平台对激光通信终端的体积重量严苛要求，限制了空间激光通信终端的小型、轻量化工程实现；且机械转动过程耗时，使得空间激光链路的建立时间拉长。

随着液晶器件技术成熟，也有采用液晶光学相控阵实现通信目标光束捕获跟瞄的方案，虽能够降低光学天线的体积和重量，但大角度扫描的液晶光学相控阵响应慢，无法及时跟瞄光束；而采用楔形双频液晶相控阵虽能够提高响应速率，实现高精度光束指向，但楔形不同厚度处的光束指向响应时间不同，限制了此类光学天线的在实际系统中的应用，且楔形双频液晶相控阵难以制作成大面积器件，无法满足空间激光通信光学天线对收光面积的要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型轻量化光学天线及基于其实现捕获跟瞄的方法，以克服传统机械转台式光学天线重量功耗极大、单纯基于液晶相控阵光学天线响应慢、楔形双频液晶相控阵面积过小、响应时间不均匀的难题。

本发明的技术方案是提供一种轻量化光学天线，其特殊之处在于：包括粗跟踪液晶、粗跟踪液晶控制器、缩束系统、精跟踪液晶、精跟踪液晶控制器、分光镜、第一耦合系统、单模光纤、第二耦合系统、探测器及数据分析与指令系统；

其中粗跟踪液晶、缩束系统、精跟踪液晶及分光镜依次设置且位于同一中心轴线上；分光镜与所述中心轴线呈135°夹角放置；

第一耦合系统和单模光纤依次位于分光镜的一路出射光路中，第二耦合系统和探测器依次位于分光镜的另一路出射光路中；

数据分析与指令系统的输入端与探测器连接，输出端分别与粗跟踪液晶控制器及精跟踪液晶控制器连接；数据分析与指令系统用于接收通信目标初始位置信息或提取探测器上光斑信息，并进行分析，向粗跟踪液晶控制器及精跟踪液晶控制器提供角度偏转信息指令；

粗跟踪液晶控制器的输出端与粗跟踪液晶连接，用于将角度偏转信息指令转化为控制电压；

粗跟踪液晶在控制电压作用下偏转，实现入射光束的大角度指向；

缩束系统用于将入射光束的直径压缩或放大；

精跟踪液晶控制器的输出端与精跟踪液晶连接，用于将角度偏转信息指令转化为控制电压；

精跟踪液晶采用三层双态双频液晶器件层叠封装；在控制电压作用下偏转，实现入射光束的小角度指向；

分光镜用于将入射光束分为两束，分别入射至第一耦合系统与第二耦合系统；

第一耦合系统用于将光束汇聚并耦合至单模光纤；或将单模光纤中的光束转化为平行光入射至分光镜；

第二耦合系统用于将光束汇聚并透射至探测器的光敏面；

探测器实现光束成像，并输出光斑信息。

进一步地，为了接收、发射共用，缩束系统由马克苏托夫望远物镜和折射式目镜组成，且马克苏托夫望远物镜中的透镜及反射镜均为球面镜。

进一步地，为了满足光学天线的大通光面积，精跟踪液晶中每一层双态双频液晶器件均包括依次从左至右的第一液晶区域与第二液晶区域；第一液晶区域与第二液晶区域的控制电压不同；

第一层双态双频液晶器件中第一液晶区域与第二液晶区域的占比为3:1；

第二层双态双频液晶器件中第一液晶区域与第二液晶区域的占比为2:2；

第三层双态双频液晶器件中第一液晶区域与第二液晶区域的占比为1:3。

进一步地，缩束系统的缩束比例为N；

粗跟踪液晶面积是精跟踪液晶面积的N倍，其中N为自然数。

进一步地，第一耦合系统和第二耦合系统均包括五片光学镜，第一片透镜为系统真空补偿镜，其余四片采用透射式光学透镜。

进一步地，探测器为CMOS红外图像传感器。

本发明还提供一种基于上述的一种轻量化光学天线实现捕获跟瞄的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

当该天线用于接收通信目标的激光光束时：

步骤1a、数据分析与指令系统接收通信目标初始位置信息，根据通信目标初始位置与粗跟踪液晶初始位置的位置关系，向粗跟踪液晶控制器提供角度偏转信息指令；

步骤2a、粗跟踪液晶控制器将角度偏转信息指令转换为控制电压，控制粗跟踪液晶指向通信目标初始位置；

步骤3a、通信目标光束依次经过粗跟踪液晶、缩束系统、精跟踪液晶、分光镜、第二耦合系统后在探测器光敏面出现光斑；

步骤4a、数据分析与指令系统提取探测器上的光斑信息，根据光斑位置与探测器中心的位置关系，向粗跟踪液晶控制器提供角度偏转信息指令；粗跟踪液晶控制器将角度偏转信息指令转换为控制电压，控制粗跟踪液晶偏转；

步骤5a、重复步骤3a至步骤4a，直至光斑位置处于探测器中心处，允许偏差量≤a像元，像元为探测器的成像最小单元，且能量最强；其中a为正数；

步骤6a、缩束系统将经粗跟踪液晶透射的光束直径压缩，输出平行光束，所有平行光束全部透过精跟踪液晶，再依次经过分光镜、第二耦合系统后在探测器光敏面出现光斑；

步骤7a、数据分析与指令系统提取探测器输出的光斑信息，根据光斑位置与探测器中心位置的位置关系，向精跟踪液晶控制器提供角度偏转信息指令；

步骤8a、精跟踪液晶控制器将步骤7a中的角度偏转信息指令，转换为控制电压，控制精跟踪液晶指向特定位置；

步骤9a、重复步骤6a、7a和步骤8a，直至使得探测器上光斑始终稳定在其中心位置处不漂移，允许偏差量≤b像元，像元为探测器的成像最小单元，其中b为小于a的正数；

步骤10a、第一耦合系统将分光镜透射的光束汇聚并耦合至单模光纤中；

用于发射激光光束至通信目标时：

步骤1b、数据分析与指令系统接收通信目标初始位置信息，根据通信目标初始位置与粗跟踪液晶初始位置的位置关系，向粗跟踪液晶控制器提供角度偏转信息指令；

步骤2b、粗跟踪液晶控制器将步骤1b中的角度偏转信息指令，转换为控制电压，控制粗跟踪液晶指向通信目标初始位置；

步骤3b、通信目标的信标光依次经过粗跟踪液晶、缩束系统、精跟踪液晶、分光镜、第二耦合系统后在探测器光敏面出现光斑；

步骤4b、数据分析与指令系统提取探测器输出的光斑信息，根据光斑位置与探测器中心位置的位置关系，向粗跟踪液晶控制器提供角度偏转信息指令；粗跟踪液晶控制器将角度偏转信息指令，转换为控制电压，控制粗跟踪液晶偏转；

步骤5b、重复步骤3b至步骤4b，直至光斑位置处于探测器中心处，允许偏差量≤a像元，像元为探测器的成像最小单元，且能量最强；其中a为正数；

步骤6b、缩束系统将经粗跟踪液晶透射的光束直径压缩，输出平行光束，所有平行光束全部透过精跟踪液晶，再依次经过分光镜、第二耦合系统后在探测器光敏面出现光斑；

步骤7b、数据分析与指令系统提取探测器输出的光斑信息，根据光斑位置与探测器中心位置的位置关系，向精跟踪液晶控制器提供角度偏转信息指令；

步骤8b、精跟踪液晶控制器将步骤7b中的角度偏转信息指令，转换为控制电压，使得精跟踪液晶指向特定位置；

步骤9b、重复步骤6b、7b和步骤8b，直至使得探测器上光斑始终稳定在其中心位置处不漂移，允许偏差量≤b像元，像元为探测器的成像最小单元，其中b为小于a的正数；

步骤10b、单模光纤输出光束经第一耦合系统转换为空间平行光束，并经分光镜、精跟踪液晶透射至缩束系统；

步骤11b、缩束系统将光束直径扩大，使得输出平行光束全部入射至粗跟踪液晶；

步骤12b、粗跟踪液晶将光束偏转至通信目标方向，建立空间激光链路。

进一步地，步骤6a中缩束系统将经粗跟踪液晶透射的光束直径压缩N倍；

步骤11b中缩束系统将光束直径扩大N倍。

本发明的优点是：

(1)本发明光学天线体积小、重量轻、功耗低、光束指向快、响应时间短；

本发明所提出的一种新型轻量化光学天线，采用两级液晶器件级联实现了空间激光光束的捕获和跟瞄，与机械转台式光学天线相比，具有体积小、重量轻、功耗低的特点，有利于空间激光通信终端对体积、重量、功耗等资源的优化和研制成本控制；同时利用双态双频液晶的偏转实现光束高精度指向改变，具有光束指向快，响应时间短的优势。

(2)满足光学天线的大通光面积；

本发明采用缩束系统实现了空间光束直径的压缩(接收时)或扩大(发射时)，利用小面积双态双频液晶实现了高精度光束指向，既满足光学天线的大通光面积要求，又有效解决了用于精跟踪的楔形双频液晶材料难以制作成大面积器件的难题。

(3)本发明精跟踪液晶表面各处响应时间一致，跟踪精度高；

本发明精跟踪液晶采用三层双态液晶器件错位层叠封装方式，实现精跟踪液晶厚度均匀，且表面各处响应时间一致，有效避免了楔形封装方式因不同厚度处响应时间不同对光学天线跟踪精度的影响。

(4)本发明光学天线结构简单，制造成本低；

本发明采用单个捕获跟瞄支路和单个探测器实现了光学天线的光束捕获和跟瞄两个功能，极大降低了光学天线的系统复杂度和工程实现成本。

附图说明

图1是本发明实施例中的光学天线系统示意图；

图中附图标记为：

1-粗跟踪液晶，2-粗跟踪液晶控制器，3-缩束系统，4-精跟踪液晶，5-精跟踪液晶控制器，6-分光镜，7-第一耦合系统，8-单模光纤，9-第二耦合系统，10-探测器，11-数据分析与指令系统。

图2是本发明液晶器件工作原理示意图；其中(a)为未加电压时液晶器件的状态，(b)为加电压时液晶器件的状态；

图中附图标记为：01-基片，02-电极层，03-液晶材料。

图3是本发明精跟踪液晶的封装方式示意图；

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

参照图1，本实施例新型轻量化光学天线，用于在空间两个激光终端之间建立激光链路，具体包括粗跟踪液晶1、粗跟踪液晶控制器2、缩束系统3、精跟踪液晶4、精跟踪液晶控制器5、分光镜6、第一耦合系统7、单模光纤8、第二耦合系统9、探测器10及数据分析与指令系统11。

其中粗跟踪液晶1、缩束系统3、精跟踪液晶4、分光镜6、第一耦合系统7和单模光纤8从左至右依次设置，位于同一中心轴线上；分光镜6与系统光轴成135°夹角放置。从图中可以看出，第一耦合系统7和单模光纤8依次位于分光镜6的透射光路中，第二耦合系统9与探测器10依次位于分光镜6的反射光路中。当然，在其他实施例中也可以是第一耦合系统7和单模光纤8位于分光镜6的反射光路中，而第二耦合系统9与探测器10位于分光镜6的透射光路中。数据分析与指令系统11的输入端与探测器10相连接，输出端与粗跟踪液晶控制器2及精跟踪液晶控制器5连接。数据分析与指令系统11用于接收通信目标初始位置信息或提取探测器10上光斑信息，进行分析后，向粗跟踪液晶控制器2及精跟踪液晶控制器5提供角度偏转信息指令；粗跟踪液晶控制器2用于将角度偏转信息指令转化为控制电压，控制粗跟踪液晶1偏转，实现入射光束的大角度指向；缩束系统3用于将入射光束的直径压缩或放大N倍，因此对应的粗跟踪液晶1的面积是精跟踪液晶4面积的N倍。本实施例缩束系统3由马克苏托夫望远物镜和折射式目镜组成，且透镜及反射镜均为球面。该系统能够为接收、发射共用，且波像差可控制在≤0.005λ范围(λ为激光波长)。精跟踪液晶控制器5用于将角度偏转信息指令转化为控制电压，控制精跟踪液晶4偏转，实现入射光束的小角度、高精度、快响应指向。分光镜6采用能量分光方式，将入射光束能量的一部分透射至第一耦合系统7，另一部分反射至第二耦合系统9；第一耦合系统7用于将光束汇聚并耦合至单模光纤8；第二耦合系统9用于将光束汇聚并透射至探测器10的光敏面；探测器10实现光束成像，并输出光斑的位置、功率分布和尺寸等信息。本实施例中第一耦合系统7和第二耦合系统9均包括五片光学镜，第一片透镜为系统真空补偿镜，其余四片采用透射式光学透镜。定义光束先到达的透镜为第一片透镜。探测器10为CMOS红外图像传感器。

本发明中，粗跟踪液晶1和精跟踪液晶4的工作原理如图2所示：

液晶材料03灌注在带有电极层02的两片玻璃(称为基片01)之间，其中一片基片01的电极层02由多个电极构成，其中各电极之间相互间隔且独立，每条电极都通过引线和液晶控制器相连接。当加上电压时，由于极化作用，将会使位于两基片01之间的液晶分子重新取向(趋于沿着电场方向取向)，并且其折射率也会发生改变，对电极以M为周期进行编组，通过对每个周期内的各个电极施加近乎锯齿分布的电压，就可以在液晶板的某一方向形成按锯齿函数分布的折射率，这样便形成了液晶闪耀光栅，当激光束由透明电极入射，通过液晶材料03后，就可以实现光束指向偏转。为了控制通过液晶后的光束偏转角度，要求液晶层的厚度应能够产生2π以上的相位延迟，因此液晶层的厚度t应满足：

其中Δn是液晶材料的双折射率，λ是自由空间波长。以可见光和近红外波段的向列相液晶材料E7为例，其双折率Δn大约在0.2左右，取波长为1.55μm，则液晶层厚度为8μm即可产生所要求的2π弧度相位延迟。因而基于这种液晶器件实现光束偏转能够极大降低光学天线的体积、重量和功耗等资源，成本也可得以极大降低。

如图3所示，本实施例精跟踪液晶4由三层双态双频液晶器件错位层叠封装为矩形。(图1中由于缩束系统为圆形，因此实际使用时精跟踪液晶4的有效透光面积为圆形，如图1所示)其中每一层双态双频液晶器件都包括2个区域，且两个区域的控制电压不同；此外，每一层双态双频液晶器件的分区比例不同，如图3所示，从上至下，分别为第一层双态双频液晶器件、第二层双态双频液晶器件及第三层双态双频液晶器件。第一层双态双频液晶器件的分区比例为3:1，即控制电压为V1的区域和控制电压为V2的区域之比为3:1，且控制电压为V1的区域与控制电压为V2的区域依次从左至右设置；类似的，第二层双态双频液晶器件的分区比例为2:2，同样控制电压为V1的区域与控制电压为V2的区域依次从左至右设置；第三层双态双频液晶器件的分区比例为1:3，控制电压为V1的区域与控制电压为V2的区域依次从左至右设置；这样从整体来看，封装成的矩形精跟踪液晶器件其内部可看成是由2个不同控制电压的楔形双频液晶组成。当然也可以是控制电压为V2的区域位于各层双态双频液晶器件的左半部分；控制电压为V1的区域位于各层双态双频液晶器件的右半部分。

采用三层双态液晶器件错位层叠封装方式，确保精跟踪液晶4的厚度均匀，且表面各处响应时间一致，有效避免了常规的楔形封装方式因不同厚度处响应时间不同对光学天线跟踪精度的影响。

基于上述新型轻量化光学天线实现空间激光光束的捕获跟瞄，当用于接收通信目标的激光光束时：

1】数据分析与指令系统11接收通信目标初始位置信息，分析通信目标初始位置与粗跟踪液晶1初始位置的位置关系，向粗跟踪液晶控制器2提供角度偏转信息指令；

2】粗跟踪液晶控制器2得到步骤1】中角度偏转信息，并将其转换为控制电压，使得粗跟踪液晶1指向通信目标初始位置；

3】通信目标光束进入所述光学天线视场，依次经过粗跟踪液晶1、缩束系统3、精跟踪液晶4、分光镜6、第二耦合系统9后在探测器10光敏面出现光斑；

4】数据分析与指令系统11提取探测器10输出的光斑信息后，根据光斑位置相对于探测器10中心的偏移量，向粗跟踪液晶控制器2提供角度偏转信息指令；粗跟踪液晶控制器2将角度偏转信息指令转换为控制电压，控制粗跟踪液晶1再次偏转指向通信目标初始位置；

5】、重复步骤3】至步骤4】，直至光斑位置处于探测器10中心处，且能量最强；因上述步骤为粗跟踪，因此，本实施例中确保光斑位置与探测器10中心的位置的允许偏差量≤1像元即可。

6】缩束系统3将经粗跟踪液晶1透射的光束直径压缩N倍，输出像质良好的平行光束至精跟踪液晶4表面；光束依次经过分光镜6、第二耦合系统9后在探测器10光敏面出现光斑；

7】数据分析与指令系统11提取探测器10输出的光斑信息，根据光斑位置相对于探测器10中心的偏移量，向精跟踪液晶控制器5提供角度偏转信息指令；

8】精跟踪液晶控制器5根据步骤7】中角度偏转信息，转换为控制电压，使得精跟踪液晶4指向特定位置；

9】重复步骤6】、7】和8】，最终使得探测器10上光斑始终稳定在其中心位置处不漂移；精跟踪主要作用是对粗跟踪回路残余的误差进一步抑制和校正，从而满足光学天线最终的对准和跟踪精度要求。因此本实施例需要确保光斑位置与探测器10中心的位置偏差≤1/5像元。

10】第一耦合系统7将分光镜6透射的光斑汇聚并注入到的单模光纤8中，以便后续通信系统进行数据处理。

上述光学天线用于发射通信目标的激光光束时：

1】数据分析与指令系统11接收通信目标初始位置信息，根据通信目标初始位置与粗跟踪液晶1初始位置的位置关系，向粗跟踪液晶控制器2提供角度偏转信息指令；

2】粗跟踪液晶控制器2得到步骤1】中角度偏转信息，转换为控制电压，使得粗跟踪液晶1指向通信目标初始位置；

3】通信目标的信标光进入所述光学天线视场，依次经过粗跟踪液晶1、缩束系统3、精跟踪液晶4、分光镜6、第二耦合系统9后在探测器10光敏面出现光斑；

4】数据分析与指令系统11提取探测器10输出的光斑信息后，根据光斑位置与探测器10中心位置的位置关系，向粗跟踪液晶控制器2提供角度偏转信息指令；粗跟踪液晶控制器2将角度偏转信息指令，转换为控制电压，控制粗跟踪液晶1偏转；

5】重复步骤3】至步骤4】，直至光斑位置处于探测器10中心处，且能量最强；本实施例中确保光斑位置与探测器10中心的位置的允许偏差量≤1像元即可。

6】缩束系统3将经粗跟踪液晶1透射的光束直径压缩，输出平行光束，所有平行光束全部透过精跟踪液晶4，再依次经过分光镜6、第二耦合系统9后在探测器10光敏面出现光斑；

7】数据分析与指令系统11提取探测器10输出的光斑信息，根据光斑位置与探测器10中心位置的位置关系，即根据光斑位置相对于探测器10中心的偏移量，向精跟踪液晶控制器5提供角度偏转信息指令；

8】精跟踪液晶控制器5根据步骤7】中角度偏转信息，转换为控制电压，使得精跟踪液晶4指向特定位置；

9】重复步骤6】、步骤7】和步骤8】，最终使得探测器10上光斑始终稳定在其中心位置处不漂移；本实施例中该步骤需要确保光斑位置与探测器10中心的位置偏差≤1/5像元。

10】单模光纤8输出光束经第二耦合系统9转换为空间平行光束，并经分光镜6、精跟踪液晶4透射至缩束系统3；

11】缩束系统3将光束直径扩大N倍，输出像质良好的平行光束至粗跟踪液晶1；

12】粗跟踪液晶1将光束偏转至通信目标方向，建立空间激光链路。

上述实施例表明，本发明所提出的一种新型轻量化光学天线，采用两级液晶器件级联实现了空间激光光束的捕获和跟瞄，与机械转台式光学天线相比，具有体积小、重量轻、功耗低的特点，有利于空间激光通信终端对体积、重量、功耗等资源的优化和研制成本控制；而利用双频液晶的偏转实现光束指向改变，具有响应时间短的优势；同时，本发明采用缩束系统实现了空间光束直径的压缩(接收时)或扩大(发射时)，利用小面积双态双频液晶实现了高精度光束指向，有效解决了用于精跟踪的楔形双频液晶材料难以制作成大面积器件的难题。本发明中精跟踪液晶采用三层双态液晶器件错位层叠封装方式，确保精跟踪液晶的厚度均匀，且表面各处响应时间一致，有效避免了楔形封装方式因不同厚度处响应时间不同对光学天线跟踪精度的影响；此外，本发明采用单个捕获跟瞄支路和单个探测器实现了光学天线的光束捕获和跟瞄两个功能，极大降低了光学天线的系统复杂度和工程实现成本。