一種基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)及方法，首先通過查詢星歷表或者軌道參數(shù)，獲得目標(biāo)通信終端所處的空間位置，將其作為最大概率位置點(diǎn)處于待掃描區(qū)域中心；根據(jù)待掃描區(qū)域中心建立坐標(biāo)系，根據(jù)待掃描區(qū)域中心將不確定區(qū)劃分為四個(gè)子區(qū)域；設(shè)置依次排列的信標(biāo)光線偏振激光器、第一液晶光學(xué)相控陣、1/2波片和第二液晶光學(xué)相控陣，并將信標(biāo)光線偏振激光器發(fā)出的信標(biāo)光指向待掃描區(qū)，對(duì)不確定區(qū)域進(jìn)行掃描；對(duì)目標(biāo)物體最終捕獲。本發(fā)明的有益效果是降低了空間激光通信鏈路建立過程的捕獲時(shí)間。
【專利說明】一種基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光相控【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在空間激光通信系統(tǒng)中，受到軌道特性(視軸遮擋)、信道特性(大氣、云層)等因素的影響，無法保證兩個(gè)通信終端之間能夠持續(xù)保持通信，因此，空間激光通信ATP子系統(tǒng)(捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn))是建立空間通信鏈路的硬件基礎(chǔ)，其中:捕獲概率和捕獲時(shí)間是衡量其工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)。在建立空間激光通信鏈路過程中，受到信標(biāo)光功率的限制與空間背景光的影響，不僅信標(biāo)光的束散角不能覆蓋整個(gè)不確定區(qū)域，而且捕獲視場(chǎng)也不能覆蓋整個(gè)不確定區(qū)域，此時(shí)就需要采用掃描/掃描捕獲模式。傳統(tǒng)的機(jī)械掃描方式有螺旋掃描、光柵掃描、螺旋光柵復(fù)合掃描和玫瑰形掃描等。螺旋掃描方式從高概率區(qū)域向低概率區(qū)域掃描，可以減少平均捕獲時(shí)間，但是在整個(gè)掃描過程增加漏掃概率。光柵掃描是按照空間矩形光柵的路徑進(jìn)行掃描，該方式掃描時(shí)間較長，在矩形掃描區(qū)域的四周將額外增加捕獲時(shí)間。螺旋光柵復(fù)合掃描是將光柵掃描與螺旋掃描結(jié)合的一種掃描方式，從高概率區(qū)域向低概率區(qū)域，按照矩形光柵的方式進(jìn)行掃描，兼顧光柵方案與螺旋方案優(yōu)點(diǎn)。玫瑰形掃描是以正弦波為基礎(chǔ)產(chǎn)生調(diào)幅信號(hào)，掃描曲線由玫瑰函數(shù)產(chǎn)生，其優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)概率較高的中心處進(jìn)行多次掃描，大大減少高概率區(qū)域的漏掃概率，但在不確定區(qū)域的邊緣間距較大，容易出現(xiàn)漏掃現(xiàn)象。
[0003]目前，空間激光通信系統(tǒng)所采用的上述幾種機(jī)械式波束掃描方式，平均捕獲時(shí)間均在幾十秒量級(jí)，大大降低有效的通信時(shí)間。因此，在空間通信鏈路建立環(huán)節(jié)，捕獲時(shí)間還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，本發(fā)明則是一種降低捕獲時(shí)間的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有的空間激光通信鏈路建立過程的捕獲時(shí)間較長的問題。
[0005]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)的捕獲方法。
[0006]本發(fā)明所米用的技術(shù)方案是包括依次排列的信標(biāo)光線偏振激光器、第一液晶光學(xué)相控陣、1/2波片和第二液晶光學(xué)相控陣,信標(biāo)光線偏振激光器發(fā)出的信標(biāo)光依次經(jīng)過第一液晶光學(xué)相控陣、1/2波片和第二液晶光學(xué)相控陣后被分為4束。
[0007]進(jìn)一步，第一液晶光學(xué)相控陣和第二液晶光學(xué)相控陣的中心為通光孔徑且陣列電極相互垂直，二分之一波片放置在第一液晶光學(xué)相控陣和第二液晶光學(xué)相控陣之間，讓信標(biāo)光垂直通過，并且光軸方向與入射激光的偏振方向夾角為45
[0008]基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)進(jìn)行快速捕獲的方法，按照以下步驟進(jìn)行:
[0009]步驟1:首先通過查詢星歷表或者軌道參數(shù)，獲得目標(biāo)通信終端所處的空間位置，將其作為最大概率位置點(diǎn)，最大概率位置點(diǎn)處于待掃描區(qū)域中心；[0010]步驟2:根據(jù)待掃描區(qū)域中心建立坐標(biāo)系，根據(jù)待掃描區(qū)域中心將不確定區(qū)劃分為四個(gè)子區(qū)域；
[0011]步驟3:設(shè)置依次排列的信標(biāo)光線偏振激光器、第一液晶光學(xué)相控陣、1/2波片和第二液晶光學(xué)相控陣，并將信標(biāo)光線偏振激光器發(fā)出的信標(biāo)光指向待掃描區(qū)，對(duì)不確定區(qū)域進(jìn)行掃描；
[0012]步驟4:對(duì)目標(biāo)通信終端最終捕獲:當(dāng)4個(gè)子激光束中有任何一個(gè)照射到目標(biāo)通信終端時(shí)，目標(biāo)終端中的光電探測(cè)器能夠接收信標(biāo)光，同時(shí)其內(nèi)部的光束角度傳感器能夠獲得主動(dòng)通信終端發(fā)射的角度位置，隨后目標(biāo)終端按照該角度信息，返回發(fā)送一束激光到主動(dòng)通信終端，并被其接收到，完成通信光程的單端捕獲環(huán)節(jié)。
[0013]進(jìn)一步，步驟3中掃描過程為:信標(biāo)光線偏振激光器發(fā)生出信標(biāo)光，信標(biāo)光經(jīng)過第一液晶光學(xué)相控陣，生成兩個(gè)波束，其中兩個(gè)波束關(guān)于I軸對(duì)稱，再經(jīng)過1/2波片將信標(biāo)光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)至與第二液晶光學(xué)相控陣光軸一致，再經(jīng)過第二液晶光學(xué)相控陣，把兩個(gè)波束在垂直方向再裂分成4個(gè)波束，并關(guān)于X軸對(duì)稱，4個(gè)波束分別與4個(gè)不確定子區(qū)域一一對(duì)應(yīng)，通過控制第一液晶光學(xué)相控陣和第二液晶光學(xué)相控陣上加載電壓代碼，改變4個(gè)波束在各自所處子區(qū)域的空間位置，實(shí)施4個(gè)信標(biāo)光子光束在目標(biāo)終端不確定區(qū)域內(nèi)并行掃描。
[0014]本發(fā)明的有益效果是降低了空間激光通信鏈路建立過程的捕獲時(shí)間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為一種基于激光相控技術(shù)的快速捕獲方法目標(biāo)不確定區(qū)域空間劃分示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明激光束在I區(qū)內(nèi)的修正螺旋掃描軌跡；
[0017]圖3為本發(fā)明激光束在I區(qū)內(nèi)的非連續(xù)掃描分布圖；
[0018]圖4為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖；
[0019]圖5為本發(fā)明信標(biāo)光線建立坐標(biāo)系示意圖。
[0020]圖中，1.信標(biāo)光線偏振激光器，2.第一液晶光學(xué)相控陣，3.1/2波片，4.第二液晶光學(xué)相控陣。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括依次排列的信標(biāo)光線偏振激光器1、第一液晶光學(xué)相控陣2、1/2波片3和第二液晶光學(xué)相控陣4，信標(biāo)光線偏振激光器I發(fā)出的激光依次經(jīng)過第一液晶光學(xué)相控陣2、1/2波片3和第二液晶光學(xué)相控陣4后被分為4束。第一液晶光學(xué)相控陣2和第二液晶光學(xué)相控陣4的中心為通光孔徑且陣列電極相互垂直，二分之一波片放置在第一液晶光學(xué)相控陣2和第二液晶光學(xué)相控陣4之間，讓信標(biāo)光垂直通過。
[0023]本發(fā)明涉及實(shí)現(xiàn)空間激光通信鏈路建立過程中的終端捕獲方法。包括下列步驟:
[0024]步驟1:首先通過查詢星歷表或者軌道參數(shù)，獲得目標(biāo)通信終端所處的空間位置，將其作為最大概率位置點(diǎn)，同時(shí)考慮空間平臺(tái)振動(dòng)、高頻攝動(dòng)造成的可能存在范圍，將其作為系統(tǒng)的工作范圍，也稱為目標(biāo)的不確定區(qū)。其中的目標(biāo)通信終端即為接收通信數(shù)據(jù)的一端，同時(shí)一般情況下，最大概率位置點(diǎn)處于不確定區(qū)域中心，即待掃描區(qū)域中心。[0025]步驟2:然后建立坐標(biāo)系，根據(jù)待掃描區(qū)域中心將不確定區(qū)劃分為四個(gè)子區(qū)域；如圖1所示，將目標(biāo)不確定區(qū)域分成四個(gè)子區(qū)域1、I1、III和IV，類似空間直角坐標(biāo)系，但橫縱坐標(biāo)分別為方位角P和俯仰角Θ，中心是目標(biāo)終端出現(xiàn)的最大概率點(diǎn)位置。
[0026]步驟3:信標(biāo)光線偏振激光器I對(duì)不確定區(qū)域進(jìn)行掃描。將信標(biāo)光線偏振激光器I發(fā)出的線偏振信標(biāo)光通過兩個(gè)液晶光學(xué)相控陣分成四個(gè)子激光束，分別對(duì)應(yīng)上述四個(gè)子不確定區(qū)，每個(gè)子激光束僅僅在其子區(qū)域進(jìn)行波位掃描，子區(qū)域重疊的交界處是相鄰兩個(gè)子激光束所共同掃描覆蓋的區(qū)域。子激光束的產(chǎn)生辦法適用所有二維多波束產(chǎn)生方法。四個(gè)子激光束的指向由液晶光學(xué)相控陣的波控算法決定，依據(jù)需求偏轉(zhuǎn)角度和波束數(shù)目，液晶光學(xué)相控陣波控器模塊生成相關(guān)代碼，通過液晶驅(qū)動(dòng)芯片加載到其移相器模塊，形成對(duì)入射激光的分束和定向偏轉(zhuǎn)，并且相互之間可以獨(dú)立控制，也可以關(guān)聯(lián)控制。各子激光束指向位置的軌跡可以是連續(xù)的，也可以是非連續(xù)的。
[0027]當(dāng)掃描軌跡為連續(xù)情況時(shí)，可以采用修正的螺旋掃描方式，其中第I個(gè)子激光束的軌跡如圖2所示，其他三個(gè)與之滿足左右對(duì)稱或者上下對(duì)稱；第一液晶光學(xué)相控陣2和第二液晶光學(xué)相控陣4,分別控制掃描軌跡,和光束的指向,在光學(xué)相控陣2、4上加載電壓代碼，改變4個(gè)波束在各自所處子區(qū)域的空間位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知區(qū)域的掃描。
[0028]當(dāng)掃描軌跡為不連續(xù)情況時(shí)，激光光束指向角度只需要按照一定概率密度分布即可，第I個(gè)子激光束的指向分布如圖3所示，其他三個(gè)滿足與之滿足左右對(duì)稱或者上下對(duì)稱。
[0029]如圖4所示系統(tǒng)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對(duì)空間激光通信鏈路建立過程中實(shí)施快速捕獲的裝置或者方法，包括信標(biāo)光線偏振激光器I，第一液晶光學(xué)相控陣2和第二液晶光學(xué)相控陣4,1/2波片3，建立的坐標(biāo)系如圖5所示。
[0030]液晶相控陣的中心為通光孔徑，圖4中第一液晶光學(xué)相控陣2和第二液晶光學(xué)相控陣4的豎直或者水平實(shí)心直線區(qū)域，其中實(shí)心直線方向標(biāo)記對(duì)孔徑內(nèi)透明電極方向，上方的虛線為液晶取向或者液晶光軸方向；1/2波片3的光軸方向?yàn)殡p箭頭標(biāo)記方向，與X和y軸均保持45度。
[0031]其中信標(biāo)光線偏振激光器I是通信鏈路建立的激光光源，線偏振光的偏振方向?yàn)閄方向，兩個(gè)液晶光學(xué)相控陣級(jí)聯(lián)放置，讓信標(biāo)光垂直通過其通光孔徑，并且陣列電極方向相互垂直，從而實(shí)現(xiàn)讓信標(biāo)光能夠?qū)崿F(xiàn)X方向和y方向兩個(gè)方向掃描；二分之一波片放置在兩個(gè)液晶光學(xué)相控陣之間，讓信標(biāo)光垂直通過。
[0032]目標(biāo)終端不確定區(qū)劃分為四個(gè)子區(qū)域，如圖1所示，中心為目標(biāo)最大概率出現(xiàn)點(diǎn)，X軸和I軸分別和兩個(gè)液晶光學(xué)相控陣的電極方向一致；
[0033]信標(biāo)光線偏振激光器I發(fā)生出信標(biāo)光，信標(biāo)光經(jīng)過第一液晶光學(xué)相控陣2,生成兩個(gè)波束，其中兩個(gè)波束關(guān)于y軸對(duì)稱，再經(jīng)過1/2波片3將激光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)至與第二液晶光學(xué)相控陣4光軸一致；再經(jīng)過第二液晶光學(xué)相控陣4，把兩個(gè)波束在垂直方向再裂分成4個(gè)波束，并關(guān)于X軸對(duì)稱，4個(gè)波束分別與4個(gè)不確定子區(qū)域一一對(duì)應(yīng)；通過控制第一液晶光學(xué)相控陣2和第二液晶光學(xué)相控陣4上加載電壓代碼，改變4個(gè)波束在各自所處子區(qū)域的空間位置，實(shí)施4個(gè)信標(biāo)光子光束在目標(biāo)終端不確定區(qū)域內(nèi)并行掃描，降低掃描時(shí)間。
[0034]步驟4:對(duì)目標(biāo)物體最終捕獲:當(dāng)4個(gè)子激光束中有任何一個(gè)照射到目標(biāo)通信終端時(shí)，目標(biāo)終端中的光電探測(cè)器能夠接收信標(biāo)光，同時(shí)其內(nèi)部的光束角度傳感器能夠獲得主動(dòng)通信終端發(fā)射的角度位置，隨后目標(biāo)終端按照該角度信息，返回發(fā)送一束激光到主動(dòng)通信終端，并一定能夠被其接收到，完成通信光程的單端捕獲環(huán)節(jié)。
[0035]下面列舉具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明:
[0036]實(shí)施例1:在本實(shí)施例中，信標(biāo)光線偏振激光器I輸出信標(biāo)光是1064nm線偏振紅外激光，其偏振方向是y方向，液晶光學(xué)相控陣I和2是完全相同的器件,即:電極方向和液晶光軸方向相互垂直，如圖2所不,但是兩個(gè)器件的空間擺放相互垂直；針對(duì)1064nm工作的1/2波片3放置在兩個(gè)液晶相控陣之間，其光軸方向與兩者的光軸夾角均為45度；通過上述裝置，1064nm信標(biāo)光被分解成四個(gè)波束，依據(jù)現(xiàn)有任何一種雙波束形成算法和波束指向控制算法，通過改變兩個(gè)液晶相控陣的波控代碼，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的相位調(diào)制分布，四個(gè)波束將依照加載到兩個(gè)相控陣的算法或者規(guī)律在不確定區(qū)域內(nèi)完成并行掃描，波束生成算法涵蓋包括所有的雙波束生成算法和不同光束指向切換算法，從而實(shí)現(xiàn)降低捕獲時(shí)間的目的。
[0037]本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)對(duì)激光通信終端快速捕獲的方法，屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的方法為:運(yùn)用液晶光學(xué)相控陣的相控方法將信標(biāo)光分為四個(gè)子光束，利用這個(gè)四個(gè)子激光束在各自的不確定目標(biāo)區(qū)域并行掃描，每掃描完一個(gè)位置就捷變到另一個(gè)位置的軌跡上繼續(xù)掃描。本發(fā)明是采用激光相控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的多波束并行掃描的捕獲方案，能實(shí)現(xiàn)快速捕獲目標(biāo)，相比于單波束掃描方案，在相同的掃描不確定區(qū)域和掃描策略的情況下，捕獲時(shí)間縮短四分之一。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)降低空間激光通信鏈路建立過程的捕獲時(shí)間的方法。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)，其特征在于:包括依次排列的信標(biāo)光線偏振激光器(I)、第一液晶光學(xué)相控陣(2)、1/2波片(3)和第二液晶光學(xué)相控陣(4),信標(biāo)光線偏振激光器(I)發(fā)出的激光依次經(jīng)過第一液晶光學(xué)相控陣(2)、1/2波片(3)和第二液晶光學(xué)相控陣(4)后被分為4束。
2.按照權(quán)利要求1所述一種基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)，其特征在于:所述第一液晶光學(xué)相控陣(2)和所述第二液晶光學(xué)相控陣(4)的中心為通光孔徑且陣列電極相互垂直，所述二分之一波片放置在第一液晶光學(xué)相控陣(2)和第二液晶光學(xué)相控陣(4)之間，讓信標(biāo)光垂直通過，并且光軸方向與入射激光的偏振方向夾角為45
3.按照權(quán)利要求1所述一種基于激光相控技術(shù)的快速捕獲系統(tǒng)進(jìn)行快速捕獲的方法，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: 步驟1:首先通過查詢星歷表或者軌道參數(shù)，獲得目標(biāo)通信終端所處的空間位置，將其作為最大概率位置點(diǎn)，最大概率位置點(diǎn)處于待掃描區(qū)域中心； 步驟2:根據(jù)待掃描區(qū)域中心建立坐標(biāo)系，根據(jù)待掃描區(qū)域中心將不確定區(qū)劃分為四個(gè)子區(qū)域； 步驟3:設(shè)置依次排列的信標(biāo)光線偏振激光器(I)、第一液晶光學(xué)相控陣(2)、1/2波片(3)和第二液晶光學(xué)相控陣(4),并將信標(biāo)光線偏振激光器(I)發(fā)出的信標(biāo)光指向待掃描區(qū)，對(duì)不確定區(qū)域進(jìn)行掃描； 步驟4:對(duì)目標(biāo)通信終端最終捕獲:當(dāng)4個(gè)子激光束中有任何一個(gè)照射到目標(biāo)通信終端時(shí)，目標(biāo)終端中的光電探測(cè)器能夠接收信標(biāo)光，同時(shí)其內(nèi)部的光束角度傳感器能夠獲得主動(dòng)通信終端發(fā)射的角度位置，隨后目標(biāo)終端按照該角度信息，返回發(fā)送一束激光到主動(dòng)通信終端，并被其接收到，完成通信光程的單端捕獲環(huán)節(jié)。
4.按照權(quán)利要求3所述的快速捕獲的方法，其特征在于:所述步驟3中掃描過程為:信標(biāo)光線偏振激光器(I)發(fā)生出信標(biāo)光，信標(biāo)光經(jīng)過第一液晶光學(xué)相控陣(2),生成兩個(gè)波束，其中兩個(gè)波束關(guān)于I軸對(duì)稱，再經(jīng)過1/2波片(3)將信標(biāo)光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)至與第二液晶光學(xué)相控陣(4)光軸一致，再經(jīng)過第二液晶光學(xué)相控陣(4)，把兩個(gè)波束在垂直方向再裂分成4個(gè)波束，并關(guān)于X軸對(duì)稱，4個(gè)波束分別與4個(gè)不確定子區(qū)域一一對(duì)應(yīng)，通過控制第一液晶光學(xué)相控陣(2)和第二液晶光學(xué)相控陣(4)上加載電壓代碼，改變4個(gè)波束在各自所處子區(qū)域的空間位置，實(shí)施4個(gè)信標(biāo)光子光束在目標(biāo)終端不確定區(qū)域內(nèi)并行掃描。
【文檔編號(hào)】H04B10/11GK103916183SQ201410153933
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】汪相如, 湯鎮(zhèn)輝, 黃子強(qiáng), 邱棋 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)