应用于空间光通信的液晶光束偏转技术研究

发布时间：2018-06-29 20:09

本文选题：空间激光通信 + ATP　；参考：《中国科学院光电技术研究所》2017年博士论文

【摘要】：空间光通信具有高带宽,高保密性,高抗电磁干扰性等诸多优势,在国民经济、国防科技等领域有举足重轻的地位,欧洲、日本和美国等发达国家早已经开始研究空间光通信的关键技术,并已经取得了相应的成果。捕获、跟踪、瞄准是空间激光通信中的关键技术之一,传统的万向架和快反镜等机械式光束偏转技术不能满足空间激光通信中对捕获跟瞄分系统重量、体积和功耗的要求,所以研究新型体积小、重量轻、功耗低的非机械式光束偏转技术具有非常重要的战略意义。在目前所研究的非机械式光束偏转技术中,液晶光学相控阵光束偏转技术又是最有前途和发展优势的技术。空间光通信需要捕获跟踪瞄准子系统能够精确、快速的调整出射激光光束,所以本文对液晶光学相控阵的研究工作主要基于以上两点展开,为液晶光学相控阵在空间激光通信的工程化使用打下研究基础。本文首先研究了液晶对入射光光束相位调制的物理基础。通过液晶连续体弹性形变理论,研究了纯相位调制向列型液晶在电场力作用下液晶分子指向矢形变随位置变化关系,通过数值仿真求解出在一定电压条件下液晶指向矢分布,并继而仿真出液晶相位调制随所加电压大小的调制特性曲线。相位调制特性关系到液晶光学相控阵的偏转角度精度和衍射效率等重要指标,为得到准确的相位调制特性曲线,在分析液晶光栅的夫琅禾费衍射模型基础之上,本文提出了一种基于相位光栅的调制特性测量方法。该方法建立起相位调制量和远场衍射光斑第0级衍射主极大光强之间关系,具有动态范围大,分辨率高,测量精度高的优点。为满足空间光通信中光束高精度偏转需求,分析目前使用的闪耀光栅相控阵模型光束偏转角离散、不连续,大部分可实现的光束偏转角分布在小角度区域,无法实现高精度光束偏转等缺点,提出了一种基于微波雷达相控阵的光束偏转模型,该模型将整个液晶面看作一个整体,利用相位展开使液晶电极间相位差固定,偏转角度由液晶电极间相位差决定,可实现液晶光学相控阵光束连续、高精度偏转,并通过实验验证了该模型。为满足空间光通信中光束快速、高带宽调整的需求,分析了液晶的驰豫特性,抓住转向驰豫对液晶响应时间影响最大的主要矛盾,提出一种基于FPGA查找表的液晶过驱动方法,提高驱动电压和寻找合适的相位调制区间,缩短了液晶响应时间,提高液晶响应速度,将液晶器件上升时间从600ms缩短到25ms,下降时间从350ms缩短到25ms。为验证液晶光学相控阵的光束偏转精度和闭环带宽,本文搭建了液晶闭环控制系统,测试了在过驱动条件下,基于相控阵雷达模型的液晶光学相控阵闭环控制精度和闭环带宽,证明液晶光学相控阵可以实现类似传统机架式光电跟踪系统的功能,实现对运动目标的跟踪,快反镜模拟目标扰动下,实现小于一个像素的跟踪精度,使用过驱动方法后闭环带宽从0.8Hz提升到2Hz。虽然目前闭环带宽还不能满足空间光通信需求,但随着液晶器件进一步发展,液晶材料响应速度加快,使用液晶过驱动方法,液晶光学相控阵的性能必将适用于空间激光通信系统。
[Abstract]:In order to meet the requirement of high - precision beam deflection in space laser communication , the research work of liquid crystal optical phased array is one of the key technologies in space laser communication . A closed - loop control system for liquid crystal optical phased array is designed . The closed - loop control accuracy and closed - loop bandwidth of liquid crystal optical phased array are shortened from 350ms to 25ms . In order to verify the beam deflection accuracy and closed - loop bandwidth of the liquid crystal optical phased array , the closed - loop bandwidth of the liquid crystal optical phased array is improved from 0.8Hz to 2Hz .
【学位授予单位】：中国科学院光电技术研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.1

【参考文献】