一種雙向四波束液晶光學(xué)相控陣天線及其多用戶通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星激光通信和激光雷達(dá)等技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙向四波束液晶 光學(xué)相控陣天線，以及利用該天線實(shí)現(xiàn)的一種液晶相控多用戶空間雙向激光通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來空間激光通信技術(shù)得到快速發(fā)展，國外成功建立了星間、星地高速激光通 信演示驗(yàn)證系統(tǒng)。隨著空間激光通信技術(shù)的發(fā)展，星間激光通信鏈路向空間激光通信網(wǎng)絡(luò) 發(fā)展，這需要實(shí)現(xiàn)一個用戶與多個用戶之間的通信。目前國內(nèi)外研宄的激光通信系統(tǒng)為點(diǎn) 對點(diǎn)單鏈路數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用機(jī)械式捕跟機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)式捕獲跟蹤技術(shù)，機(jī)械式捕跟機(jī)構(gòu) (包括天線）體積大、笨重，而且慣性大，不僅難以滿足平臺對體積和重量需求，而且難以實(shí) 現(xiàn)多用戶接入。隨著空間激光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，新型空間激光通信系統(tǒng)需要解決以下 三方面的技術(shù)難題：
[0003] ?便于實(shí)現(xiàn)多用戶接入；
[0004] ?降低激光通信終端的體積和重量；
[0005] 魯降低捕獲時間，實(shí)現(xiàn)快速捕獲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種雙向四波束液晶光學(xué)相控陣 天線，并基于該天線實(shí)現(xiàn)了一種液晶相控多用戶空間雙向激光通信方法，本發(fā)明得到液晶 光學(xué)相控陣天線與機(jī)械式捕跟機(jī)構(gòu)相比，可以實(shí)現(xiàn)多個波束的高精度、快速、靈活控制，光 電系統(tǒng)的集成度稿，制造成本低，利用本發(fā)明天線實(shí)現(xiàn)的激光通信方法可以實(shí)現(xiàn)多用戶的 雙向通信，從而實(shí)現(xiàn)多用戶接入。
[0007] 本發(fā)明的上述目的通過如下方案實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種雙向四波束液晶光學(xué)相控陣天線，用于在激光發(fā)射終端和激光接收終端E、激 光接收終端F之間建立空間激光通信鏈路，包括液晶光學(xué)相控陣子系統(tǒng)A和液晶光學(xué)相控 陣子系統(tǒng)B，且兩個子系統(tǒng)的液晶取向相互垂直，其中：液晶光學(xué)相控陣子系統(tǒng)A包括四分 之一波片A、光學(xué)相控陣天線單元A、捕獲跟蹤單元A、偏振分束器A ;液晶光學(xué)相控陣子系統(tǒng) B包括四分之一波片B、光學(xué)相控陣天線單元B、捕獲跟蹤單元B、偏振分束器B ;其中，四分 之一波片A、光學(xué)相控陣天線單元A和偏振分束器A依次垂直放置在同一光軸A上；四分之 一波片B、光學(xué)相控陣天線單元B和偏振分束器B依次垂直放置在同一光軸B上，且所述光 軸A和光軸B相互平行；
[0009] 液晶光學(xué)相控陣子系統(tǒng)A :在前向發(fā)射過程中，偏振分束器A接收激光發(fā)射終端發(fā) 射模塊發(fā)送的線偏光A并轉(zhuǎn)發(fā)給光學(xué)相控陣天線單元A，光學(xué)相控陣天線單元A按照設(shè)定的 掃描區(qū)域范圍或捕獲跟蹤單元A發(fā)送的角度偏轉(zhuǎn)信號控制線偏光A的光束偏轉(zhuǎn)方向，并經(jīng) 四分之一波片A轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏光A后，對激光接收終端E的不確定區(qū)域進(jìn)行掃描，其中，所述 線偏光A的偏振方向與液晶光學(xué)相控陣子系統(tǒng)A的液晶取向平行；在后向接收過程中，如果 激光發(fā)射終端接收到激光接收終端E發(fā)送的圓偏光C，四分之一波片A將所述圓偏光C轉(zhuǎn)變 為線偏光C，并經(jīng)光學(xué)相控陣天線單元A發(fā)送到偏振分束器A，偏振分束器A將所述接收到 的線偏光C分為兩束，一束發(fā)送到激光器發(fā)射終端的接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，另一束發(fā)送 到捕獲跟蹤單元A，捕獲跟蹤單元A對獲得線偏光C的光信號進(jìn)行跟蹤處理得到角度偏轉(zhuǎn)信 號，并發(fā)送所述角度偏轉(zhuǎn)信號到光學(xué)相控陣天線單元A ;其中，所述圓偏光C為激光接收終 端E接收到激光發(fā)射終端發(fā)送的圓偏光A后發(fā)射的掃描波束，即激光接收終端E發(fā)送圓偏 光C對激光發(fā)射終端進(jìn)行波束掃描，其中，所述圓偏光C的偏振方向與線偏光A相同，且旋 轉(zhuǎn)方向與圓偏光A相反；
[0010] 液晶光學(xué)相控陣子系統(tǒng)B :在前向發(fā)射過程中，偏振分束器B接收激光發(fā)射終端發(fā) 射模塊發(fā)送的線偏光B并轉(zhuǎn)發(fā)給光學(xué)相控陣天線單元B，光學(xué)相控陣天線單元B按照設(shè)定 的掃描區(qū)域范圍或捕獲跟蹤單元B發(fā)送的角度偏轉(zhuǎn)信號控制線偏光B的光束偏轉(zhuǎn)方向，并 經(jīng)四分之一波片B轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏光B后，對激光接收終端F的不確定區(qū)域進(jìn)行掃描；其中，所 述線偏光B與線偏光A獨(dú)立調(diào)制，且線偏光B的偏振方向與液晶光學(xué)相控陣子系統(tǒng)B的液 晶取向平行，即線偏光B與線偏光A的偏振方向垂直，并且所述圓偏光B和圓偏光A的旋轉(zhuǎn) 方向相反；在后向接收過程中，如果激光發(fā)射終端接收到激光接收終端F發(fā)送的圓偏光D， 四分之一波片B將所述圓偏光D轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏光D，并經(jīng)光學(xué)相控陣天線單元B發(fā)送到偏振 分束器B，偏振分束器B將所述接收到的線偏光D分為兩束，一束發(fā)送到激光器發(fā)射終端的 接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，另一束發(fā)送到捕獲跟蹤單元B，捕獲跟蹤單元B對獲得線偏光D的 光信號進(jìn)行跟蹤處理得到角度偏轉(zhuǎn)信號，并發(fā)送所述角度偏轉(zhuǎn)信號到光學(xué)相控陣天線單元 B ;其中，所述圓偏光D為激光接收終端F接收到激光發(fā)射終端發(fā)送的圓偏光B后發(fā)射的掃 描波束，即激光接收終端F發(fā)送圓偏光D對激光發(fā)射終端進(jìn)行波束掃描，其中，所述圓偏光 D的偏振方向與線偏光B相同，且旋轉(zhuǎn)方向與圓偏光B相反。
[0011] 上述的雙向四波束液晶光學(xué)相控陣天線，在前向發(fā)射過程中，光學(xué)相控陣天線單 元A按照設(shè)定的掃描區(qū)域范圍或捕獲跟蹤單元A發(fā)送的角度偏轉(zhuǎn)信號控制線偏光A的光束 偏轉(zhuǎn)方向，具體實(shí)現(xiàn)方法為：在初始時刻，光學(xué)相控陣天線單元A按照設(shè)定的掃描區(qū)域范圍 控制線偏光A的光束偏轉(zhuǎn)角度，對激光接收端A的不確定區(qū)域進(jìn)行掃描；當(dāng)捕獲跟蹤單元A 接收到線偏光C后，對獲得線偏光C的光信號進(jìn)行跟蹤處理得到角度偏轉(zhuǎn)信號，并發(fā)送所述 角度偏轉(zhuǎn)信號到光學(xué)相控陣天線單元A，則光學(xué)相控陣天線單元A按照所述角度偏轉(zhuǎn)信號 控制線偏光A的波束偏轉(zhuǎn)角度，對激光接收端A的不確定區(qū)域進(jìn)行掃描；
[0012] 同理，在前向發(fā)射過程中，光學(xué)相控陣天線單元B按照設(shè)定的掃描區(qū)域范圍或捕 獲跟蹤單元B發(fā)送的角度偏轉(zhuǎn)信號控制線偏光B的光束偏轉(zhuǎn)方向，具體實(shí)現(xiàn)方法為：在初始 時刻，光學(xué)相控陣天線單元B按照設(shè)定的掃描區(qū)域范圍控制線偏光B的光束偏轉(zhuǎn)角度，對激 光接收端B的不確定區(qū)域進(jìn)行掃描；當(dāng)捕獲跟蹤單元B接收到線偏光D后，對獲得線偏光D 的光信號進(jìn)行跟蹤處理得到角度偏轉(zhuǎn)信號，并發(fā)送所述角度偏轉(zhuǎn)信號到光學(xué)相控陣天線單 元B，則光學(xué)相控陣天線單元B按照所述角度偏轉(zhuǎn)信號控制線偏光B的波束偏轉(zhuǎn)角度，對激 光接收端B的不確定區(qū)域進(jìn)行掃描。
[0013] 上述的雙向四波束液晶光學(xué)相控陣天線，光學(xué)相控陣天線單元A包括液晶光學(xué)相 控陣A、液晶光楔A、液晶光楔波控器A和液晶相控陣波控器A ;捕獲跟蹤單元A包括分束器 A、粗捕獲探測模塊A和精跟蹤探測模塊A ;光學(xué)相控陣天線單元B包括液晶光學(xué)相控陣B、 液晶光楔B、液晶光楔波控器B和液晶相控陣波控器B ;捕獲跟蹤單元B包括分束器B、粗捕 獲探測t吳塊B和精跟蹤探測t吳塊B ;
[0014] 所述液晶光學(xué)相控陣A和液晶光楔A的通光口徑相同，液晶光學(xué)相控陣A和液晶 光楔A光軸重合，且四分之一波片A、液晶光學(xué)相控陣A、液晶光楔A和偏振分束器A依次垂 直放置在同一光軸A上；所述液晶光學(xué)相控陣B和液晶光楔B的通光口徑相同，液晶光學(xué)相 控陣B和液晶光楔B光軸重合，且四分之一波片B、液晶光學(xué)相控陣B、液晶光楔B和偏振分 束器B依次垂直放置在同一光軸B上；
[0015] 其中，捕獲跟蹤單元A根據(jù)偏振分束器A發(fā)送的線偏光C計算角度偏轉(zhuǎn)信號，光學(xué) 相控陣天線單元A通過該角度偏轉(zhuǎn)信號控制發(fā)射波束偏轉(zhuǎn)角度，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：
[0016] (1)、分束器A將接收到的線偏光C分為兩束，分別發(fā)送到粗捕獲探測模塊A和精 跟蹤探測模塊A ;
[0017] (2)、粗捕獲探測模塊A和精跟蹤探測模塊分別對獲得的光信號進(jìn)行捕獲、跟蹤， 計算得到液晶光學(xué)相控陣A和液晶光楔A的角度偏轉(zhuǎn)信號，具體處理過程如下：粗捕獲探測 模塊A實(shí)時探測激光接收終端發(fā)出的光信號的光斑位置、光斑尺寸和光功率，計算接收到 的線偏光C中光信號的位置誤差，并將所述位置誤差轉(zhuǎn)換為液晶光學(xué)相控陣A的角度偏轉(zhuǎn) 信號；精跟蹤探測模塊A實(shí)時探測激光接收終端發(fā)出的光信號的光斑位置、光斑尺寸和光 功率，計算接收到的線偏光C中光信號的位置誤差，并將所述位置誤差轉(zhuǎn)換為液晶光楔A角 度偏轉(zhuǎn)信號；
[0018] (3)、粗捕獲探測模塊A發(fā)送液晶光學(xué)相控陣A的角度偏轉(zhuǎn)信號到液晶光學(xué)相控陣 波控器A，液晶光學(xué)相控陣波控器A將所述角度偏轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn)化為波控電壓，所述波控電壓控 制液晶光學(xué)相控陣波控器A對發(fā)射光束的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)整；同時精跟蹤探測模塊A發(fā)送 液晶光楔的角度偏轉(zhuǎn)信號到液晶光楔波控器A，液晶光楔波控器A將所述角度偏轉(zhuǎn)信號轉(zhuǎn) 化為波控電壓，所述波控電壓控制液晶光楔波控器A對發(fā)射光束的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)整；
[0019] 其中，捕