一种双向四波束液晶光学相控阵天线及其多用户通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星激光通信和激光雷达等技术领域，特别涉及一种双向四波束液晶 光学相控阵天线，以及利用该天线实现的一种液晶相控多用户空间双向激光通信方法。
【背景技术】
[0002] 近年来空间激光通信技术得到快速发展，国外成功建立了星间、星地高速激光通 信演示验证系统。随着空间激光通信技术的发展，星间激光通信链路向空间激光通信网络 发展，这需要实现一个用户与多个用户之间的通信。目前国内外研宄的激光通信系统为点 对点单链路数据传输系统，采用机械式捕跟机构和传统式捕获跟踪技术，机械式捕跟机构 (包括天线）体积大、笨重，而且惯性大，不仅难以满足平台对体积和重量需求，而且难以实 现多用户接入。随着空间激光通信网络技术的发展，新型空间激光通信系统需要解决以下 三方面的技术难题：
[0003] ?便于实现多用户接入；
[0004] ?降低激光通信终端的体积和重量；
[0005] 鲁降低捕获时间，实现快速捕获。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种双向四波束液晶光学相控阵 天线，并基于该天线实现了一种液晶相控多用户空间双向激光通信方法，本发明得到液晶 光学相控阵天线与机械式捕跟机构相比，可以实现多个波束的高精度、快速、灵活控制，光 电系统的集成度稿，制造成本低，利用本发明天线实现的激光通信方法可以实现多用户的 双向通信，从而实现多用户接入。
[0007] 本发明的上述目的通过如下方案实现：
[0008] -种双向四波束液晶光学相控阵天线，用于在激光发射终端和激光接收终端E、激 光接收终端F之间建立空间激光通信链路，包括液晶光学相控阵子系统A和液晶光学相控 阵子系统B，且两个子系统的液晶取向相互垂直，其中：液晶光学相控阵子系统A包括四分 之一波片A、光学相控阵天线单元A、捕获跟踪单元A、偏振分束器A ;液晶光学相控阵子系统 B包括四分之一波片B、光学相控阵天线单元B、捕获跟踪单元B、偏振分束器B ;其中，四分 之一波片A、光学相控阵天线单元A和偏振分束器A依次垂直放置在同一光轴A上；四分之 一波片B、光学相控阵天线单元B和偏振分束器B依次垂直放置在同一光轴B上，且所述光 轴A和光轴B相互平行；
[0009] 液晶光学相控阵子系统A :在前向发射过程中，偏振分束器A接收激光发射终端发 射模块发送的线偏光A并转发给光学相控阵天线单元A，光学相控阵天线单元A按照设定的 扫描区域范围或捕获跟踪单元A发送的角度偏转信号控制线偏光A的光束偏转方向，并经 四分之一波片A转变为圆偏光A后，对激光接收终端E的不确定区域进行扫描，其中，所述 线偏光A的偏振方向与液晶光学相控阵子系统A的液晶取向平行；在后向接收过程中，如果 激光发射终端接收到激光接收终端E发送的圆偏光C，四分之一波片A将所述圆偏光C转变 为线偏光C，并经光学相控阵天线单元A发送到偏振分束器A，偏振分束器A将所述接收到 的线偏光C分为两束，一束发送到激光器发射终端的接收模块进行数据处理，另一束发送 到捕获跟踪单元A，捕获跟踪单元A对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信 号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元A ;其中，所述圆偏光C为激光接收终 端E接收到激光发射终端发送的圆偏光A后发射的扫描波束，即激光接收终端E发送圆偏 光C对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光C的偏振方向与线偏光A相同，且旋 转方向与圆偏光A相反；
[0010] 液晶光学相控阵子系统B :在前向发射过程中，偏振分束器B接收激光发射终端发 射模块发送的线偏光B并转发给光学相控阵天线单元B，光学相控阵天线单元B按照设定 的扫描区域范围或捕获跟踪单元B发送的角度偏转信号控制线偏光B的光束偏转方向，并 经四分之一波片B转变为圆偏光B后，对激光接收终端F的不确定区域进行扫描；其中，所 述线偏光B与线偏光A独立调制，且线偏光B的偏振方向与液晶光学相控阵子系统B的液 晶取向平行，即线偏光B与线偏光A的偏振方向垂直，并且所述圆偏光B和圆偏光A的旋转 方向相反；在后向接收过程中，如果激光发射终端接收到激光接收终端F发送的圆偏光D， 四分之一波片B将所述圆偏光D转变为线偏光D，并经光学相控阵天线单元B发送到偏振 分束器B，偏振分束器B将所述接收到的线偏光D分为两束，一束发送到激光器发射终端的 接收模块进行数据处理，另一束发送到捕获跟踪单元B，捕获跟踪单元B对获得线偏光D的 光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单元 B ;其中，所述圆偏光D为激光接收终端F接收到激光发射终端发送的圆偏光B后发射的扫 描波束，即激光接收终端F发送圆偏光D对激光发射终端进行波束扫描，其中，所述圆偏光 D的偏振方向与线偏光B相同，且旋转方向与圆偏光B相反。
[0011] 上述的双向四波束液晶光学相控阵天线，在前向发射过程中，光学相控阵天线单 元A按照设定的扫描区域范围或捕获跟踪单元A发送的角度偏转信号控制线偏光A的光束 偏转方向，具体实现方法为：在初始时刻，光学相控阵天线单元A按照设定的扫描区域范围 控制线偏光A的光束偏转角度，对激光接收端A的不确定区域进行扫描；当捕获跟踪单元A 接收到线偏光C后，对获得线偏光C的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述 角度偏转信号到光学相控阵天线单元A，则光学相控阵天线单元A按照所述角度偏转信号 控制线偏光A的波束偏转角度，对激光接收端A的不确定区域进行扫描；
[0012] 同理，在前向发射过程中，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围或捕 获跟踪单元B发送的角度偏转信号控制线偏光B的光束偏转方向，具体实现方法为：在初始 时刻，光学相控阵天线单元B按照设定的扫描区域范围控制线偏光B的光束偏转角度，对激 光接收端B的不确定区域进行扫描；当捕获跟踪单元B接收到线偏光D后，对获得线偏光D 的光信号进行跟踪处理得到角度偏转信号，并发送所述角度偏转信号到光学相控阵天线单 元B，则光学相控阵天线单元B按照所述角度偏转信号控制线偏光B的波束偏转角度，对激 光接收端B的不确定区域进行扫描。
[0013] 上述的双向四波束液晶光学相控阵天线，光学相控阵天线单元A包括液晶光学相 控阵A、液晶光楔A、液晶光楔波控器A和液晶相控阵波控器A ;捕获跟踪单元A包括分束器 A、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块A ;光学相控阵天线单元B包括液晶光学相控阵B、 液晶光楔B、液晶光楔波控器B和液晶相控阵波控器B ;捕获跟踪单元B包括分束器B、粗捕 获探测t吴块B和精跟踪探测t吴块B ;
[0014] 所述液晶光学相控阵A和液晶光楔A的通光口径相同，液晶光学相控阵A和液晶 光楔A光轴重合，且四分之一波片A、液晶光学相控阵A、液晶光楔A和偏振分束器A依次垂 直放置在同一光轴A上；所述液晶光学相控阵B和液晶光楔B的通光口径相同，液晶光学相 控阵B和液晶光楔B光轴重合，且四分之一波片B、液晶光学相控阵B、液晶光楔B和偏振分 束器B依次垂直放置在同一光轴B上；
[0015] 其中，捕获跟踪单元A根据偏振分束器A发送的线偏光C计算角度偏转信号，光学 相控阵天线单元A通过该角度偏转信号控制发射波束偏转角度，具体实现过程如下：
[0016] (1)、分束器A将接收到的线偏光C分为两束，分别发送到粗捕获探测模块A和精 跟踪探测模块A ;
[0017] (2)、粗捕获探测模块A和精跟踪探测模块分别对获得的光信号进行捕获、跟踪， 计算得到液晶光学相控阵A和液晶光楔A的角度偏转信号，具体处理过程如下：粗捕获探测 模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光功率，计算接收到 的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶光学相控阵A的角度偏转 信号；精跟踪探测模块A实时探测激光接收终端发出的光信号的光斑位置、光斑尺寸和光 功率，计算接收到的线偏光C中光信号的位置误差，并将所述位置误差转换为液晶光楔A角 度偏转信号；
[0018] (3)、粗捕获探测模块A发送液晶光学相控阵A的角度偏转信号到液晶光学相控阵 波控器A，液晶光学相控阵波控器A将所述角度偏转信号转化为波控电压，所述波控电压控 制液晶光学相控阵波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；同时精跟踪探测模块A发送 液晶光楔的角度偏转信号到液晶光楔波控器A，液晶光楔波控器A将所述角度偏转信号转 化为波控电压，所述波控电压控制液晶光楔波控器A对发射光束的偏转角度进行调整；
[0019] 其中，捕