CN108873554B - 一种基于液晶光学相控阵的多用户捕获跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶光学相控阵的多用户捕获跟踪方法，在单口径下同时接入多个用户，利用波束通过液晶相控阵后栅瓣的指向特性来区分每个用户波束，并利用轨迹预测法检测光斑，对每个波束进行实时控制。本发明利用波束通过液晶光学相控阵后产生的栅瓣指向角特性可有效实现在单个光电探测器上区分四个波束，并减小了***复杂度。采用的轨迹预测法在CCD上探测偏转方向光斑，将波束偏转方向光斑质心坐标锁定到小范围内，可大大减小探测器检测光斑过程所消耗的时间，并提高了探测偏转方向光斑的准确度。

Description

一种基于液晶光学相控阵的多用户捕获跟踪方法

技术领域

本发明属于卫星激光通信、激光雷达技术领域，特别涉及一种基于液晶光学相控阵的多用户捕获跟踪方法。

背景技术

空间信息网，在全球范围内均被视为先进国家的重要基础设施。目前，它正在向着通信信息容量越来越大、组成越来越复杂、覆盖范围越来越广等的方向迅速发展。激光通信是空间信息网络高速传输的重要手段，其具有信息容量大、光学增益大、发散角小、抗干扰和抗截获能力强等优势。此外激光通信***拥有体积小、质量轻、功耗低等特点，在空间应用中也具有巨大优势。传统的激光通信终端光束偏转技术依靠机械装置改变光轴方向，实现光束偏转，但是其具有结构复杂、精度低、质量大、能耗高等缺点。液晶光学相控阵是一种实时可编程光束器件，它的诸多优点使它不但解决了激光束指向的快速、灵活控制和空间扫描问题，而且使光电***的集成度更高，制作成本更低。因此近年来液晶相控阵技术得到了更为深入的研究，用液晶相控阵实现波束控制已经成为激光雷达和自由空间光通信技术发展的重要趋势之一。

随着空间激光通信***性能的不断提高，空间激光通信由当前的点对点单一模式，向中继转发和构建空间激光通信网络方向快速发展。它还需要面对一对多通信、多对多用户通信、降低捕获时间、提高捕获概率等一系列问题。因此，探索空间激光通信所适用的多波束、大范围、高精度、快速响应的光学相控阵天线原理，实现对多个用户的快速捕获、高精度跟踪和动态多址访问，成为了空间信息网中激光通信与组网研究的当务之急。

在现有的一种单波束的捕获跟踪方法利用遍历CCD上所有光斑，取最大光斑为目标光斑来获取偏转方向光斑位置信息。其缺点表现为：当器件效率过低或者偏转角度较大时会出现栅瓣能量高于主瓣的情况，此时会出现误判，降低了准确率；每次检测目标光斑都遍历CCD上所有的所有光斑，计算量大，导致***响应时间增加；当多个用户接入时，由于各自产生的栅瓣能量未知，利用此方法无法区分多个用户。现今的几种激光通信组网的几种***原理及***方案主要有基于多反射镜拼接天线形式的***结构的ATP控制方法和光学空分时分多址接入技术(STDMA)等。在这些方案中，前者具有ATP***设备体积、重量大以及光束在反射镜拼接缝处易出现分散现象等缺点，后者具有***数据容量低、容易发生数据丢失和不稳定现象等缺点。此外的一种多波束的生成方法是基于主副支路的多终端接入模型，其核心方法是利用液晶光学相控阵的多波束生成与控制能力实现对多个终端的接入。在该模型中，副支路中的液晶光学相控阵处理新接入的终端，将获取到的位置信息数据共享到主支路，由主支路对于这些信息进行校正处理。但是这种方法存在***天线增益低、难以识别多个波束等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用的轨迹预测法在CCD上探测偏转方向光斑，将波束偏转方向光斑质心坐标锁定到小范围内，可大大减小探测器检测光斑过程所消耗的时间，提高了探测偏转方向光斑的准确度的基于液晶光学相控阵的多用户捕获跟踪方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于液晶光学相控阵的多用户捕获跟踪方法，在单口径下同时接入多个用户，利用波束通过液晶相控阵后栅瓣的指向特性来区分每个用户波束，并利用轨迹预测法检测光斑，对每个波束进行实时控制。

进一步地，所述多用户捕获跟踪方法具体包括以下步骤：

S1、接入一个用户，控制液晶相控阵对用户发射的波束进行扫描，将得到的波束已偏转角度记为θ_s，其主瓣和栅瓣显示在CCD上，接收到的光斑图像信息经过算法处理后得到CCD上所有光斑的质心坐标，再确定原点位置栅瓣质心坐标；具体实现方法为：控制液晶相控阵偏转一个角度θ_s+Δθ，由栅瓣指向角关系特性，即主瓣和栅瓣呈周期分布排列，得知主瓣和栅瓣改变的角度为Δθ的整数倍，记为mΔθ，m＝0，±1，±2…，其值与光斑在CCD上的位置坐标与原点处光斑的距离的该变量成正比，比例系数为常数，由公式(1)决定：

其中η为CCD单位像素长度和波束偏转单位角弧度比值，pix为CCD单位像素长度，θ为波束偏转单位角弧度；

根据CCD上检测到光斑质心坐标的改变量，得出mΔθ，进而得出m值；根据m值判断光斑类型：由于在远处用户不移动的情况下，液晶相控阵控制光束偏转过程中原点位置不变，又知所有主瓣和栅瓣为周期排列，相邻角度间距都变为θ_s+Δθ，所以若m＝0，该光斑为原点光斑；假设波束向右偏转，若m＝-1，则该光斑为原点位置左侧栅瓣；若m＝1，则为主瓣；若m＝2，则为主瓣右侧栅瓣；同样其它位置的栅瓣都可由周期分布规律推出；

S2、确定主瓣光斑位置，由于液晶相控阵控制波束偏转的过程为捷变过程，所以可根据预偏转角度来判断光斑大致出现的位置，即其轨迹可预测。利用轨迹预测法在光斑在CCD上可能出现的范围内进行搜索，搜索范围中心为预偏转角度对应CCD上的坐标，搜索范围形状为矩形，大小由液晶相控阵、驱动电路等***误差决定。对此范围内的图像进行中值滤波等处理后，遍历所有光斑，将最接近搜索范围中心的光斑视为主瓣光斑，然后将得到的实际偏转角度发送到BP神经网络PID***进行调整，根据PID***输出的偏转角度控制液晶光学相控阵***，使主瓣光斑逐步偏转到CCD中心；

S3、接入下一个用户，确定该波束原点位置栅瓣质心坐标；具体实现方法为：遍历所有光斑，将位于前面接入波束的主瓣或栅瓣位置的光斑忽略；对剩余的光斑重复步骤S1的操作，得到该用户的原点位置栅瓣质心坐标；利用轨迹预测法在光斑可能出现的范围内进行搜索，取最接近PID***输出预偏转角度的光斑为该波束的主瓣，得到主瓣质心位置坐标并发送到控制第该波束的PID***进行调整，根据PID***输出的偏转角度控制另一个独立的液晶光学相控阵***，使主瓣光斑逐步稳定到CCD中心；

S4、对每一个新接入的用户重复步骤S3的操作，直至所有用户完成接入。

本发明的有益效果是：利用波束通过液晶光学相控阵后产生的栅瓣指向角特性可有效实现在单个光电探测器上区分四个波束，并减小了***复杂度。采用的轨迹预测法在CCD上探测偏转方向光斑，将波束偏转方向光斑质心坐标锁定到小范围内，可大大减小探测器检测光斑过程所消耗的时间，并提高了探测偏转方向光斑的准确度。

附图说明

图1为基于液晶光学相控阵的捕获跟踪方法整体方案图；

图2为本发明的多用户捕获跟踪方法的流程图；

图3为本发明的双波束一维方向光斑区分方法示意图；

图4为PID控制***示意图；

图5为轨迹预测法检测主瓣方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

本发明的一种基于液晶光学相控阵***的多用户捕获跟踪方法，在单口径下同时接入多个用户，利用波束通过液晶相控阵后栅瓣的指向特性来区分每个用户波束，并利用轨迹预测法检测光斑，对每个波束进行实时控制。

本发明是一种基于液晶光学相控阵***的方法，如图1所示的双用户接入捕跟整体方案，其中终端A发射的波束首先经过衰减器调整光束能量，然后经过偏振分光棱镜(PBS)，由于相控阵只对固定方向偏振光起作用，所以利用PBS生成偏振光。液晶光学相控阵主要用于实现连续的、小角度的光束指向。后面放置的傅里叶透镜可将波束经过相控阵后生成的近场分布转换为远场光斑分布，并由CCD探测器接收。终端B发射的另一个波长的波束以同样的原理接入。

所述的波束通过液晶相控阵后栅瓣的指向特性指波束在通过液晶光学相控阵偏转后有以下物理性质：

产生的位于原点(波束入射方向位置)的栅瓣在液晶相控阵使光束偏转任意角度时空间位置不变。

产生的所有主瓣和栅瓣在偏转角度较小(+/-4°)时的一维空间方向上的角度位置呈周期排列，即相邻的光斑之间的角度差相等。

所述的轨迹预测法是指在于CCD上查找偏转方向光斑前根据PID***输出的调整角度信息在其可能出现的小范围内进行光斑搜索，减小了查找偏转方向光斑的计算量和出错率。

进一步地，如图2所示，所述方法具体包括以下步骤：

S1、接入一个用户，如图3所示，以一维空间为例，第一个用户接入后经过液晶光学相控阵控制偏转产生的主瓣和栅瓣指向角在空间上呈周期排列，控制液晶相控阵对用户发射的波束进行扫描，将得到的波束已偏转角度记为θ_s，其主瓣和栅瓣显示在CCD上，接收到的光斑图像信息经过算法处理后得到CCD上所有光斑的质心坐标，再确定原点位置栅瓣质心坐标；具体实现方法为：控制液晶相控阵偏转一个角度θ_s+Δθ，由栅瓣指向角关系特性，即主瓣和栅瓣呈周期分布排列，得知主瓣和栅瓣改变的角度为Δθ的整数倍，记为mΔθ，m＝0，±1，±2…，其值与光斑在CCD上的位置坐标与原点处光斑的距离的该变量成正比，比例系数为常数，由公式(1)决定：

其中η为CCD单位像素长度和波束偏转单位角弧度比值，pix为CCD单位像素长度，θ为波束偏转单位角弧度；

根据CCD上检测到光斑质心坐标的改变量，得出mΔθ，进而得出m值；根据m值判断光斑类型：由于在远处用户不移动的情况下，液晶相控阵控制光束偏转过程中原点位置不变，又知所有主瓣和栅瓣为周期排列，相邻角度间距都变为θ_s+Δθ，所以若m＝0，该光斑为原点光斑；假设波束向右偏转，若m＝-1，则该光斑为原点位置左侧栅瓣；若m＝1，则为主瓣；若m＝2，则为主瓣右侧栅瓣；同样其它位置的栅瓣都可由周期分布规律推出；

S2、确定主瓣光斑位置，由于液晶相控阵控制波束偏转的过程为捷变过程，所以可根据预偏转角度来判断光斑大致出现的位置，即其轨迹可预测。利用轨迹预测法在光斑在CCD上可能出现的范围内进行搜索，搜索范围中心为预偏转角度对应CCD上的坐标，搜索范围形状为矩形，大小由液晶相控阵、驱动电路等***误差决定。对此范围内的图像进行中值滤波等处理后，遍历所有光斑，将最接近搜索范围中心的光斑视为主瓣光斑，然后将得到的实际偏转角度发送到BP神经网络PID***进行调整，PID***的控制示意图如图4所示，根据PID***输出的偏转角度控制液晶光学相控阵***，使主瓣光斑逐步偏转到CCD中心；

如图5所示，为确定主瓣光斑位置，在通过神经网络PID***计算出光束预调整角度θ_s1'，在还未将之发送到液晶相控阵前，根据θ_s1'预测到光斑主瓣将要出现的位置在[θ_s1'-(θ_errMax+R_max),θ_s1'+(θ_errMax+R_max)]范围内，其中θ_errMax为PID***输出预偏转角度θ_s'和CCD采集到的实际偏转角度θ_s的最大误差(如图4所示)，R_max为主瓣半径最大值。对此范围内的图像进行处理后，遍历其中所有光斑。在此范围检测到的最接近搜索范围中心的光斑就可以被认为是主瓣。根据在CCD上检测到主瓣像素坐标信息可根据公式(1)转换为角度信息。由此得到的实际偏转角度θ_s1进入BP神经网络PID***调整。

其中η为CCD单位像素长度和波束偏转单位角弧度比值，pix为CCD单位像素长度，θ为波束偏转单位角弧度。

S3、接入下一个用户，确定该波束原点位置栅瓣质心坐标；具体实现方法为：遍历所有光斑，将位于前面接入波束的主瓣或栅瓣位置的光斑忽略，剩余光斑呈周期排列；对剩余的光斑重复步骤S1的操作，得到该用户的原点位置栅瓣质心坐标；利用轨迹预测法在光斑可能出现的范围内进行搜索，取最接近PID***输出预偏转角度的光斑为该波束的主瓣，得到主瓣质心位置坐标并发送到控制第该波束的PID***进行调整，根据PID***输出的偏转角度控制另一个独立的液晶光学相控阵***，使主瓣光斑逐步稳定到CCD中心；当第一个波束成功接入后，即稳定在CCD中心，液晶相控阵第二个区域扫描第二个波束。扫描过程和第一个光束类似，唯一的不同是，CCD采集到的光斑是两个波束的主瓣和栅瓣的交错叠加的图像，无法准确区分两个波束。如图5所示，为确定第二个波束原点位置栅瓣质心坐标，可根据光束经过液晶相控阵后产生的栅瓣的指向角关系，在已知第一束波束的原点和主瓣位置的前提下，在遍历光斑的时候若检测到的光斑在第一个波束的主瓣和栅瓣位置，就忽略不计算。

S4、对每一个新接入的用户重复步骤S3的操作，直至所有用户完成接入。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于液晶光学相控阵的多用户捕获跟踪方法，其特征在于，在单口径下同时接入多个用户，利用用户发射来的波束通过液晶相控阵后栅瓣的指向特性来区分远处每个用户，并利用轨迹预测法检测光斑，对每个波束进行实时控制；包括以下步骤：

S1、接入一个用户，控制液晶相控阵对用户发射的波束进行扫描，将得到的波束已偏转角度记为θ_s，其主瓣和栅瓣显示在CCD上，接收到的光斑图像信息经过算法处理后得到CCD上所有光斑的质心坐标，再确定原点位置栅瓣质心坐标；具体实现方法为：控制液晶相控阵偏转一个角度θ_s+Δθ，由栅瓣指向角关系特性，即主瓣和栅瓣呈周期分布排列，得知主瓣和栅瓣改变的角度为Δθ的整数倍，记为mΔθ，m＝0，±1，±2…，其值与光斑在CCD上的位置坐标与原点处光斑的距离成正比，比例系数为常数，由公式(1)决定：

其中η为CCD单位像素长度和波束偏转单位角弧度比值，pix为CCD单位像素长度，θ为波束偏转单位角弧度；

根据CCD上检测到光斑质心坐标的改变量，得出mΔθ，进而得出m值；根据m值判断光斑类型：若m＝0，该光斑为原点光斑；假设波束向右偏转，若m＝-1，则该光斑为原点位置左侧栅瓣；若m＝1，则为主瓣；若m＝2，则为主瓣右侧栅瓣；其它位置的栅瓣由周期分布规律推出；

S2、确定主瓣光斑位置，利用轨迹预测法在光斑在CCD上出现的范围内进行搜索，对此范围内的图像进行中值滤波处理后，遍历所有光斑，将最接近搜索范围中心的光斑视为主瓣光斑，然后将得到的实际偏转角度发送到BP神经网络PID***进行调整，根据PID***输出的偏转角度控制液晶光学相控阵***，使主瓣光斑逐步偏转到CCD中心；

S3、接入下一个用户，确定该波束原点位置栅瓣质心坐标；具体实现方法为：遍历所有光斑，将位于前面接入波束的主瓣或栅瓣位置的光斑忽略；对剩余的光斑重复步骤S1的操作，得到该用户的原点位置栅瓣质心坐标；利用轨迹预测法在光斑在CCD上出现的范围内进行搜索，取最接近PID***输出预偏转角度的光斑为该波束的主瓣，得到主瓣质心位置坐标并发送到控制该波束的PID***进行调整，根据PID***输出的偏转角度控制另一个独立的液晶光学相控阵***，使主瓣光斑逐步稳定到CCD中心；

S4、对每一个新接入的用户重复步骤S3的操作，直至所有用户完成接入。

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