一种基于相控阵控制的激光推进方法与流程

本发明涉及激光推进领域，具体涉及一种基于相控阵控制的激光推进方法。

背景技术：

激光推进是利用激光光压或者能量转换推动航天器的技术。目前采用的化学燃料推进中，携带的化学燃料重量占比非常大，推进过程中大部分能量消耗在推动携带的燃料上，效率非常低。激光推进是通过光压或者激光转换能量推进航天器，相对于化学推进载荷比更高，可以突破化学推进飞行器的最大速度限制，能够根据需要，实现比冲和冲量耦合系数的更大范围的调节。相控阵是利用阵列单元控制光束方向，各个发射单元发出的光是相干的，通过控制各个单元发出光波的强度和相位关系可以实现光束的整形和不同方向的发射。相控阵波束控制相对于传统的机械转动具有转动速度快、转动分辨率高等优点。

申请公布号为cn101737201a(申请号为200810225519.4)的中国发明专利申请公开了一种激光推进装置，包括激光器、推进剂供给装置、激光聚焦设备以及燃烧室，其中，所述激光器用于产生激光，所述激光聚焦设备用于聚焦所述激光到所述推进剂上，所述推进剂供给装置用于提供所述推进剂，并且在激光辐照区域内的所述推进剂基本上转换成为等离子体，所述燃烧室用于将所述等离子体的能量传递给光船。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于相控阵控制的激光推进方法，可以通过相控阵对光束精准的控制实现角度扫描。该方法相对于传统的机械转动激光推进来说，具有转动灵活、转动灵敏度高、转动速度快等优点。此外，本方法可以实现多光波叠加进一步增加出光功率，可以实现多光波的灵活控制，将相控阵技术应用于激光推进尚属首次。

一种基于相控阵控制的激光推进方法，包括以下步骤：

1)控制单元对相控阵进行控制，激光器光束通过相控阵作用精准投射到与被推进物连接的换能器上；

2)换能器将激光器光束的光能转换为动能推动被推进物，被推进物在被推动的过程中不断将自身的信息反馈给接收单元并传达给控制单元，控制单元根据反馈信号(反馈的被推进物自身的信息)调整控制信号对相控阵进行控制使光束始终能够精准投射到换能器上。

步骤1)中，所述的相控阵包括分束器、与所述分束器的出光面连接的多个移相器以及与各个移相器连接的各个发射单元，所述的分束器的进光面与所述激光器光束连接。

控制单元对相控阵进行控制，具体包括：

控制单元发出的控制信号作用于分束器和移相器，分束器将激光器发出光束分成多份，移相器为每一份光束加上一个附加相移，各光束之间具有相干特性，再通过各个发射单元形成的发射单元阵列发射出去之后在空间相互干涉形成相干增强，通过控制每部分的强度和附加相位实现精准的空间发射。

控制单元发出的控制信号作用于分束器和移相器，分束器将激光器发出光束分成多份，移相器为每一份光束加上一个附加相移，各光束之间具有相干特性，激光器发出的光束经过分束器被分成n份，每份的电场强度为e1，e2，e3…ei…en，附加在每一份的相移分别为φ1，φ2，φ3…φi…φn，同时，具有n个发射单元，各光束之间具有相干特性，再通过各个发射单元形成的发射单元阵列发射出去之后在空间相互干涉形成相干增强，干涉公式如下：

其中，j表示虚数单位，λ表示激光波长，ri表示换能器到第i个发射单元的光程，表示换能器到第i个发射单元的空间矢量，θ表示俯仰角，为发射单元的空间传播函数。通过控制ei和φi可以实现特定方向的相干增强，从而实现实时精准的推进，即通过控制每部分的强度和附加相位实现精准的空间发射。

步骤2)中，被推进物在被推动的过程中自身的信息包括被推进物的位置和速度，即被推进物在被推动的过程中不断将自身的位置和速度信息反馈给接收单元并传达给控制单元。

激光器光束通过相控阵作用精准投射到与被推进物连接的换能器上，换能器将光能转换为动能推动被推进物，投射到换能器后，一部分光反射回接收单元，通过返回光携带的信息可以解析出被推进物的瞬时位置、速度等信息，位置和速度信息通过光信号的反馈，通过反馈信号中提取的相位、频率、方向等信息可以解析出被推进物的方位、速度等信息。

所述的接收单元采用相干接收和非相干接收两种。

所述的激光器是一个或者多个，多个激光器之间产生的光束不具有相干关系。

所述的激光器的光束发射呈线分布的、面分布或者共形分布。

所述的换能器，可选的：

(a)光帆，反弹光子，将光子的动量转换成自身动量；

(b)利用激光的高能特性直接烧蚀固态或液态推进剂，利用反作用力推进；

(c)将光能转换为电能加热推进剂，取代化学供能方式。

本发明方法中，控制单元对相控阵进行控制，激光器光束通过相控阵作用精准投射到与被推进物连接的换能器上，换能器将光能转换为动能推动被推进物，投射到换能器后，一部分光反射回接收单元，通过返回光携带的信息可以解析出被推进物的瞬时位置、速度等信息，被推进物在被推动的过程中不断将自身的位置和速度反馈给接收单元并传达给控制单元，控制单元分析这些反馈信息并对相控阵进行控制，实现光束偏转，控制单元通过反馈信号调整控制信号使光束始终能够精准投射到换能器上，做到连续实时推进；相对于机械式转动，相控阵对波束的转动精度更高，速度更快。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.采用相控阵控制推进方向相对于机械转动来说转动更加灵活，转动速度更快，转动灵敏度更高。

2.推进过程中被推进物的速度和位置信息会实时反馈给控制器，控制器可以精准控制持续推进。

3.通过相控阵设计，可以实现多束激光的叠加，增大激光功率。

附图说明

图1是本发明基于相控阵控制的激光推进方法(非相干接收)的原理示意图；

图2是本发明基于相控阵控制的激光推进方法(相干接收)的原理示意图；

图3是本发明中相控阵工作原理示意图；

图4是本发明方法的推进实例示意图；

其中，1是激光接收端，2是被推进物，3是发射单元。

具体实施方式

实施方式利用图示和文字进行说明，本发明使用的图示均为示意图，为了便于清楚明了的说明本发明的内容，图中部分结构在相对尺寸上有改变，非精准比例。

本发明的核心思想在于，利用相控阵对激光光束进行整形，可以快速精准调整光束输出方向，激光打到与被推进物连接的换能器上不仅产生推力，一部分光反射进入控制单元，可以获取被推进物的方位、速度等信息从而更加精准地调整光束方向，实现高效激光推进。具体实施步骤如下：

如图1所示，控制单元对相控阵进行控制，激光器发出的光束通过相控阵作用精准投射到与被推进物连接的换能器上，换能器将光能转换为动能推动被推进物，被推进物在被推动的过程中不断将自身的位置和速度反馈给接收单元并传达给控制单元，控制单元根据反馈信号调整控制信号对相控阵进行控制使光束始终能够精准投射到换能器上。

1、利用相控阵产生任意方向输出光。如图2所示，控制单元发出的控制信号作用于相控阵的分束器和移相器上，激光器发出的光束经过分束器被分成n份，每份的电场强度为e1，e2，e3…ei…en，附加在每一份的相移分别为φ1，φ2，φ3…φi…φn，各光束之间具有相干特性，再通过发射单元阵列发射出去之后在空间相互干涉，干涉公式如下：

其中，j表示虚数单位，λ表示激光波长，ri表示换能器到第i个发射天线单元的光程，表示换能器到第i个发射天线单元的空间矢量，θ表示俯仰角，为发射单元的空间传播函数。通过控制ei和φi可以实现特定方向的相干增强，从而实现实时精准的推进。

如图2所示，当我们希望得到θ方向的精准投射时，可以控制ei＝const，const表示常量，其中di是各发射单元到基准单元的距离。

2、反馈信号的分析。相控阵向空间发射信息隐含的有方位角信息。通过对发射信号和返回信号的时差分析，可以计算得到距离信息，距离计算公式是：

其中，c是光速，δt是发射返回时间差，l表示距离。通过对光谱的分析还可以得到被推进物的速度信息，当物体存在速度时，返回光会产生多普勒频移，频移量δf；

其中f是光波频率，v是被推进物移动速度，c是光速，α是移动方向与光束方向夹角。

3、接收单元可以是相干的或者非相干的。如图1所示，非相干情况下，只有对接收光做出光谱分析才能够得到速度信息；如图2所示，相干情况下，激光器发射的光束分出一小部分光和反射光信号进行拍频，即可得到差频信号，从而得到速度信息。

4、激光推进。激光接收端接收激光并将激光的能量转化为动能推进物体。能量转化的方式可以是光帆，将光子的动量转化为自身的动量；也可以是直接转化为热能，对推进剂进行烧蚀，产生反冲作用形成推进；也可以是将光能转化为电能储存，代替化学能，需要的时候转化为所需的能量供能。

5、图4是一个应用实例，1是换能器的激光接收端，在此实例中是一个光电转换板和化学燃料，2是被推进物，3是发射单元(即相控阵发射端)。首先锁定被推进物2的初始位置并调整发射单元3使其产生的激光束照射到换能器的激光接收端1的光电转换板，换能器的激光接收端1将接收到的激光的能量首先转化为电能，再利用电能引燃化学燃料转化为自身推进所需要的动能，推动被推进物2移动。除去转化为电能的那部分，有一小部分激光被反射回到接收单元并依据前述的方法解析出被推进物的位置、速度等信息，从而调整相控阵发射端，实现实时的推进。