本發(fā)明屬于激光相控技術、液晶光電子器件技術領域，具體涉及一種激光相控陣多波束形成方法及系統(tǒng)。

背景技術：

近年來，基于相控體制的激光偏轉技術在空間激光通信、激光雷達等領域得到越來越深入的發(fā)展。目前的激光束偏轉技術有機械式和非機械式兩類，機械式方法主要通過萬向節(jié)等設備實現(xiàn)，其響應速度慢、控制精度低和靈活性較差，難以滿足快速捕獲、高精度跟蹤、多波束控制的應用需求。非機械式方法則是采用激光相控陣列電控方式來實現(xiàn)，通過相位控制能夠實現(xiàn)精確的波束形成和指向偏轉，相比于機械式方法而言，其波束偏轉具有很高的捷便性和靈活性，具有體積小、重量輕、功耗低，響應速度快和偏轉精度高等優(yōu)點。

多波束的形成能力對于激光相控陣的應用具有重要的意義。多波束的形成使得相控陣在空域實現(xiàn)多目標的同時掃描和跟蹤，能夠提高相控陣雷達的搜索與跟蹤數(shù)據(jù)率以及波束自適應能力等。將其應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多用戶同時接入與通信，從而實現(xiàn)空間多用戶動態(tài)組網(wǎng)。

液晶光學相控陣(LCOPA)是采用液晶作為相位調制的電光材料，其具備指向精度高、驅動電壓低、有效像素多等優(yōu)勢，成為激光相控技術的重要研究方向。通過對相控單元的合理控制，將相控陣的孔徑面進行劃分，并對每個子孔徑單獨的相位控制，從而形成多個子孔徑光束。該方法稱為子孔徑法，但孔徑的減小將直接導致子波束寬度的增大，從而降低子波束的效率和掃描精度。本發(fā)明提出一種激光相控陣多波束形成方法和系統(tǒng)，該方法僅采用兩個液晶光學相控陣級聯(lián)，前者作為振幅調制器，后者作為相位調制器，實現(xiàn)任意波束數(shù)目的形成和隨機指向。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在上述背景技術基礎上，提出一種激光相控陣多波束形成系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術方案為：一種激光相控陣多波束形成系統(tǒng)，具體包括：激光器、偏振分光棱鏡、擴束鏡、第一液晶光學相控陣、4f光學系統(tǒng)以及第二液晶光學相控陣，所述激光器的出射激光束依次經(jīng)過偏振分光棱鏡、擴束鏡、第一液晶光學相控陣、4f光學系統(tǒng)和第二液晶光學相控陣；光束偏振方向與液晶光學相控陣光軸方向一致，所述第一液晶光學相控陣和第二液晶光學相控陣平行放置，且第一液晶光學相控陣位于4f系統(tǒng)的輸入焦平面上，第二液晶光學相控陣位于4f系統(tǒng)的輸出焦平面上。

進一步的，所述第一液晶光學相控陣作為振幅調制器，所述第二液晶光學相控陣作為 相位調制器。

基于上述激光相控陣多波束形成系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種多波束形成方法，具體步驟如下：

步驟1：系統(tǒng)校準，

激光器輸出高斯光經(jīng)過偏振分光棱鏡后為水平方向的線偏振光，再經(jīng)過擴束鏡后形成均勻平面波，所述平面波經(jīng)過第一液晶光學相控陣和4f光學系統(tǒng)后，將在4f光學系統(tǒng)的輸出面，即第二液晶光學相控陣所在平面上產(chǎn)生第一液晶光學相控陣的光柵電極的像，利用所成的像進行調校，使第一液晶光學相控陣的光柵電極的像對準第二液晶光學相控陣口徑上的光柵電極；

步驟2：設置目標波束，

設置波束個數(shù)n及各子波束偏轉方向θ₁,θ₂,...,θ_n，θ_m(m從1到n)為液晶光學相控陣視場范圍內(nèi)任意的偏轉角度；

步驟3：計算每個偏轉角度對應的相位調制量，

根據(jù)相控陣原理，相鄰移相單元之間的相位差Δφ_m與偏轉角θ_m滿足公式Δφ_m＝k₀d sinθ_m，其中，k₀＝2π/λ,λ為激光器工作波長，d為電極之間的間距(光柵周期)；

將目標偏轉角度θ₁,θ₂,...,θ_n代入，計算得到每個偏轉角度對應的Δφ₁,Δφ₂,...,Δφ_n，以初始電極的相位為0作為參考，計算N根電極上的相位值并進行2π取余操作，使得相位調制的范圍在[0,2π]之間，最終得到每個偏轉角度對應的相位調制量φ₁,φ₂,...,φ_n。因此，每一個移相單元i上對應的相位調制量φ_m(i)可從φ₁,φ₂,...,φ_n中查表得到，即φ_m(i)＝i·k₀d sinθ_m，i(從0到N)為電極所在位置，其中，N為液晶光學相控陣的電極數(shù)量；

步驟4：計算第一液晶光學相控陣的幅度調制量和第二液晶光學相控陣的相位調制量；

根據(jù)遠場與近場滿足傅里葉變換關系，假設遠場E_far的n個光束θ_m(m從1到n)為對應角度位置上的δ函數(shù)，可表示為E_far＝δ(θ-θ₁)+δ(θ-θ₂)+...+δ(θ-θ_n)，δ(·)為離散沖激函數(shù)，且 θ為遠場的空間位置；

近場為遠場的傅里葉反變換，即E_near＝exp(jk₀sinθ₁·x)+exp(jk₀sinθ₂·x)+...+exp(jk₀sinθ_n·x)，其中，x＝i·d，將E_near轉化為E_near＝A_x·exp(jφ_x)的形式，其中，A_x為第一液晶光學相控陣A所 需的幅度調制量，φ_x為第二液晶光學相控陣所需的相位調制量；進而可以得到每個移相單元上的幅度調制量為ξ:1→n-1,η:2→n,且ξ≠η，η,ξ均表示目標偏轉角度索引(ξ:1→n-1表示下標ξ從1到n-1；η:2→n表示下標η從2到n)；每個移相單元上的相位調制量為m:1→n；

步驟5：信號加載并實現(xiàn)多波束偏轉；

通過波控器將信號加載到各對應的液晶光學相控陣，使得第一液晶光學相控陣產(chǎn)生的幅度調制量滿足步驟4中A_x所計算的值，第二液晶光學相控陣產(chǎn)生的相位調制量滿足步驟4中φ_x所計算的值；查找第一液晶光學相控陣與第二液晶光學相控陣的電壓-相位特性曲線，得到相應的電壓代碼，加載驅動信號并對入射光束進行調制，最終實現(xiàn)多波束的形成和偏轉。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的激光相控陣多波束形成系統(tǒng)及方法采用兩個液晶光學相控陣級聯(lián)，前者作為振幅調制器，后者作為相位調制器，在近場對入射光束實現(xiàn)幅度加相位的調制，達到在遠場形成多個波束的任意角度的偏轉的目的。本發(fā)明的激光相控陣多波束形成系統(tǒng)中采用4f光學系統(tǒng)，將兩個相控陣器件的移相單元進行精確對準，保證了在每個單元上實現(xiàn)精確的幅度和相位控制，實現(xiàn)了激光相控陣多波束形成和偏轉。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法可以應用在激光雷達、空間激光通信等激光相控等領域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例所采用的液晶光學相控陣的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例的激光相控陣多波束形成系統(tǒng)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例的流程圖。

圖4中(a)為本發(fā)明實施例偏轉角θ₁＝0.1°時液晶光學相控陣的相位調分布示意圖，

(b)為偏轉角θ₁＝0.2°時液晶光學相控陣的相位分布示意圖，

(c)為偏轉角θ₁＝0.3°時液晶光學相控陣的相位分布示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例液晶光學相控陣A的幅度調制量A_x示意圖。

圖6為本發(fā)明實施例液晶光學相控陣B的相位調制量φ_x示意圖。

圖7為本發(fā)明實施例多波束的歸一化遠場光強分布示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

如圖1所示為本發(fā)明所采用的液晶光學相控陣的結構示意圖，該液晶光學相控陣包括：相對平行放置的上玻璃基板11和下玻璃基板17。上基板內(nèi)部包含有取向層13和透明導電的ITO電極層，所述上基板上的電極層作為陣列光柵電極12，所述光柵電極數(shù)目為N，相鄰電極之間的間距為d，所述光柵電極形成的有效口徑大小為D。下基板內(nèi)部包含有取向層15和透明導電的ITO電極層，所述下基板上的電極層作為公共電極16。所述兩基板之間填充有液晶材料14，所述液晶光學相控陣外部配置有波控器電路18，波控器電路18可以實現(xiàn)波控算法和波控數(shù)據(jù)的加載。

如圖2所示為本發(fā)明提出的一種基于液晶光學相控陣的多波束形成系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：激光器21、偏振分光棱鏡22、擴束鏡23、液晶光學相控陣A24、透鏡25和透鏡26構成的4f光學系統(tǒng)、液晶光學相控陣B27。根據(jù)光路圖，所述激光器的出射激光束依次經(jīng)過所述偏振分光棱鏡、擴束鏡、液晶光學相控陣A、4f光學系統(tǒng)和液晶光學相控陣B。要求光束的偏振方向為水平方向，即與液晶光學相控陣光軸方向一致。液晶光學相控陣A和液晶光學相控陣B平行放置，且液晶光學相控陣A位于4f系統(tǒng)的輸入焦平面上，液晶光學相控陣B位于4f系統(tǒng)的輸出焦平面(像平面)上。當所述液晶光學相控陣為水平放置時，器件能實現(xiàn)水平方向上的一維光束偏轉，因此，該系統(tǒng)也將實現(xiàn)水平方向上的一維多波束偏轉。

采用4f光學系統(tǒng)，利用液晶光學相控陣A的光柵電極所成的像進行調校，使得液晶光學相控陣A的光柵電極與液晶光學相控陣B的光柵電極精確對位。

本發(fā)明實施例提供的一種多波束形成方法的流程圖如圖3所示，為實施本方法之前，首先進行初始化系統(tǒng)參數(shù)，需要設置的系統(tǒng)參數(shù)包括：激光器工作波長λ＝1.064μm，液晶光學相控陣移相單元數(shù)量N＝1920,相鄰移相單元之間的間距d＝5μm，液晶光學相控陣有效口徑D＝10×10mm，偏振分光棱鏡為水平偏振方向，擴束鏡工作波長為1.064μm。

具體包括以下步驟：

步驟1：系統(tǒng)建立及校準。

根據(jù)圖2提供的基于液晶光學相控陣的多波束形成系統(tǒng)，建立光路，激光器輸出高斯光經(jīng)過偏振分光棱鏡后為水平方向的線偏振光，再經(jīng)過擴束鏡后形成均勻平面波，所述平面波經(jīng)過液晶光學相控陣A和4f系統(tǒng)后，將在4f系統(tǒng)的輸出面(即液晶光學相控陣B所在平面)上產(chǎn)生液晶光學相控陣A的光柵電極的像，利用所成的像進行調校，使得液晶光學相控陣A的光柵電極與液晶光學相控陣B的光柵電極一一對準。

步驟3：設置目標波束。

設置波束個數(shù)n＝3，各子波束偏轉方向分別為θ₁＝0.1°,θ₂＝0.2°,θ₃＝0.3°，均為液晶光學相控陣視場范圍內(nèi)可實現(xiàn)的偏轉角度。

步驟3：計算每個偏轉角度對應的相位調制量。

根據(jù)相控陣原理，相鄰移相單元之間的相位差Δφ_m與偏轉角θ_m滿足公式Δφ_m＝k₀d sinθ_m。將θ₁,θ₂,θ₃代入計算得到每個偏轉角度對應的相位調制量φ₁,φ₂,φ₃。采用臺階的方式實現(xiàn)，當相位調制大于2π時進行相位置位，給出的1-400根電極上的相位調制量如圖4中(a)、(b)、(c)所示。于是，每一個移相單元i上對應的相位調制量φ_m(i)可從φ₁,φ₂,φ₃中查表得到，即滿足φ_m(i)＝i·k₀d sinθ_m，i(從0到1920)為電極位置。

步驟4：計算液晶光學相控陣A的幅度調制量A_x和液晶光學相控陣B的相位調制量φ_x。

理想情況下，遠場E_far的3個光束可表示為對應角度位置上的δ函數(shù)，即遠場可以由E_far＝δ(θ-θ₁)+δ(θ-θ₂)+δ(θ-θ₃)給出。

由近場與遠場的傅里葉變換關系可得E_near＝exp(jk₀sinθ₁·x)+exp(jk₀sinθ₂·x)+exp(jk₀sinθ₃·x)，其中，k₀＝2π/λ,x＝i·d。再將E_near轉化為E_near＝A_x·exp(jφ_x)的形式，其中A_x為液晶光學相控陣A所需的幅度調制量，φ_x為液晶光學相控陣B所需的相位調制量。根據(jù)上述公式可得，每個移相單元上的幅度調制量為給出1-400根電極上的幅度調制量如圖5所示。每個移相單元上的相位調制量為 給出1-400根電極上的相位調制量如圖6所示。

步驟5：信號加載并實現(xiàn)多波束偏轉。

通過波控器將信號加載到各對應的液晶光學相控陣，使得液晶光學相控陣A產(chǎn)生的幅度調制量滿足步驟4中A_x所計算的值，液晶光學相控陣B產(chǎn)生的相位調制量滿足步驟4中φ_x所計算的值。查找液晶光學相控陣A與液晶光學相控陣B的電壓-相位特性曲線，得到相應的電壓代碼，加載驅動信號并對入射光束進行調制，最終在遠場實現(xiàn)3個等光強的波束的形成和偏轉，歸一化遠場光強分布如圖7所示。

綜上所述，本發(fā)明提供的方法可以實現(xiàn)液晶光學相控陣的多波束形成和波束偏轉?？梢酝卣沟氖?，該方法也適用于其他的激光相控陣的多波束形成。實施例中所取的3個波束和角度，僅僅是本案例中的一個特例，本方法可以實現(xiàn)的是液晶相控陣全部視場范圍[-6°,6°]內(nèi)任意波束個數(shù)的形成和偏轉。

可以理解，以上實施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理，然而本發(fā)明并不局限于此，對于本領域內(nèi)的技術人員，可以做出各種改進和變型，這些改進和變型也視為本發(fā)明的保護范圍。