一种激光通信捕获跟踪系统及其捕跟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液晶光学、衍射光学和空间激光通信等交叉技术领域，特别涉及一种 激光通信捕获跟踪系统，以及基于该系统实现的液晶光学相控阵光束发散角自适应控制的 捕跟方法。
【背景技术】
[0002] 近年来空间激光通信技术得到快速发展。随着空间激光通信技术的发展，数据传 输速率越来越高，高速数传中继链路数据传输速率需要实现高达20Gbps的实时数据传输。 中继卫星和中低轨卫星之间以及中低轨卫星之间卫星激光通信链路的建立，需要进行捕 获、跟踪和对准（ATP)过程。其中ATP时间、特别是捕获时间直接影响高速实时数传链路的 数据传输能力。2000年左右，法国地球观测卫星SP0T-4卫星（低轨卫星）与ESA通信卫星 ARTEMIS卫星（高轨卫星）之间建立光学链路，捕获时间约为3分钟。2008年，德国建立了 星间高速激光相干激光通信链路，将捕获时间降低到60秒。但是60秒的捕获时间对卫星 高速激光通信系统而言仍然过长，如何进一步降低捕跟时间成为卫星激光通信系统需要突 破的关键技术。目前建立的空间激光通信系统采用传统光学天线设计方法，光学天线一旦 做好后，光束发散角就固定不变，不能充分利用捕获和跟踪探测器的灵敏度差，对光束发散 角进行自适应控制。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种激光通信捕获跟踪系统，该系 统将可变焦液晶透镜与液晶光学相控阵和液晶光楔相结合，在空间激光通信的捕获跟踪过 程中实时检测粗捕获探测模块和精跟踪探测模块的接收功率，根据接收光功率的变化，由 可变焦透镜动态控制激光通信系统的光束发散角，在捕获和跟踪过程对光束发散角进行自 适应控制，在确保跟踪精度的同时，有效提尚捕获时间。
[0004] 基于本发明的激光通信捕获跟踪系统，本发明还提供了一种液晶光学相控阵光束 发散角自适应控制的捕跟方法，通过通信双方各自的激光通信捕获跟踪系统建立激光通信 链路。
[0005] 本发明的上述目的通过如下方案实现：
[0006] -种激光通信捕获跟踪系统包括数据发射模块、偏振分束器、第一分束器、第二分 束器、捕获探测模块、跟踪探测模块、液晶光学相控阵天线和自适应控制器；其中：
[0007] 数据发射模块：生成光束发散角为ΘM1的光信号并发送到偏振分束器；偏振分束 器：对发射光束和接收光束进行分离，将从自适应液晶光学相控阵天线接收到的接收光束 发送到第一分束器，并将从数据发射模块接收的发射光束发送到自适应液晶光学相控阵天 线；第一分束器：接收偏振分束器发送的接收光束，并分为两份，其中一份发送到外部数据 接收模块，另一份发送到第二分束器；第二分束器：将第一分束器发送的接收光束分为两 份，其中一份发送到捕获探测模块，另一份发送到跟踪探测模块；捕获探测模块：对接收光 束进行探测，得到视轴误差信号e。(t)和接收光功率Prc，并发送到自适应控制器；跟踪探测 模块：对接收光束进行探测，得到视轴误差信号ef (t)和接收光功率Prf，并发送到自适应控 制器；
[0008] 液晶光学相控阵天线：包括液晶光学相控阵单元、液晶光楔单元和可变焦液晶透 镜单元，所述三个单元依次分布同一直线上，光轴重合且口径相同；在光束发射过程中：可 变焦液晶透镜单元接收偏振分束器发送的发射光束，并接收自适应控制器发送的光束发散 角控制指令，按照所述控制指令调整发射光束的发散角，调整后的发射光束依次通过液晶 光楔单元和液晶光学相控阵单元发送到通信端；在光束接收过程中：液晶光学相控阵单元 接收通信端发送的光束，所述接收光束依次通过液晶光楔单元和可变焦液晶透镜单元，发 送到偏振分束器；其中，在光捕获过程中，液晶光学相控阵单元还接收自适应控制器发送的 光束偏转控制指令，并按照所述指令进行视轴调整；在光跟踪过程中，液晶光楔单元还接收 自适应控制发送的光束偏转控制指令，并按照所述指令进行视轴调整；
[0009]自适应控制器：在光捕获过程中，接收捕获探测模块发送的接收光功率和视轴 误差信号％(t);根据接收光功率匕。计算光束发散角θM2，并根据光束发散角ΘΜ2生成光束 发散角控制指令，发送到可变焦液晶透镜单元；根据视轴误差信号％(t)生成光束偏转控制 指令，发送到液晶光学相控阵单元；在光跟踪过程中，接收跟踪探测模块发送的接收光功率 hJP视轴误差信号ef(t);根据接收光功率匕,计算光束发散角θM2，并根据光束发散角ΘΜ2 生成光束发散角控制指令，发送到可变焦液晶透镜单元；根据视轴误差信号ef(t)生成光束 偏转控制指令，发送到液晶光楔单元。
[0010] 在上述的激光通信捕获跟踪系统中，如果捕获探测模块计算得到的接收光功率 满足如下条件Pd。，则确定所述激光通信捕获跟踪系统进入光捕获过程；如果跟踪探 测模块计算得到的接收光功率满足如下条件：PPdf，则确定所述激光通信捕获跟踪 系统进入光跟踪过程；其中，Pd。和Pdf分别为设定的捕获灵敏度和跟踪灵敏度。
[0011] 在上述的激光通信捕获跟踪系统中，在捕获或跟踪过程中，数据发射模块生成 且发送的光信号为未调制信标的非调制信号；当跟踪探测模块计算得到的视轴误差信号 ef(t)满足如下条件时：|ef(t)I<Eth，贝丨J自适应控制器发送控制指令到数据发射模块，所述 数据发射模块生成并发送调制光信号，且自适应控制器不再向可变焦液晶透镜单元发送光 束发散角控制指令，即液晶光学相控阵天线发射发散角为ΘM1的调制光信号到通信端进行 激光通信，且外部数据接收模块根据第一分束器输出的接收光束进行通信数据处理；其中， Eth为设定的建立激光通信链路的视轴误差门限。
[0012] 在上述的激光通信捕获跟踪系统中，液晶光学相控阵单元包括液晶光学相控阵和 液晶相控阵波控器，其中液晶相控阵波控器接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令， 将所述指令转换为液晶光学相控阵的波控电压Uc(t)，液晶光学相控阵在所述波控电压 Uc(t)的控制下调整视轴。
[0013] 在上述的激光通信捕获跟踪系统中，液晶光楔单元包括液晶光楔和液晶光楔波控 器，其中液晶光楔波控器接收自适应控制器发送的光束偏转控制指令，将所述指令转换为 液晶光楔的波控电压Uf (t)，液晶光楔在所述波控电压Uf⑴的控制下调整视轴。
[0014] 在上述的激光通信捕获跟踪系统中，可变焦液晶透镜单元包括可变焦液晶透镜和 可变焦透镜波控器，其中可变焦透镜波控器接收自适应控制器发送的发散角控制指令，将 所述指令转换为波控电压un (t)，可变焦液晶透镜在所述波控电压un (t)的控制下将发射光 束的发散角调整为ΘΜ2。
[0015] 在上述的激光通信捕获跟踪系统中，在光捕获过程中，自适应控制器根据接收光 功率计算光束发散角θΜ2，具体计算公式如下：
[0017] 其中：Pt为设定的发射光功率；nt为设定的发射天线效率；ru为设定的接收天线 效率；Lwf为设