1.基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统,其特征在于,包括:液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)、电机一(3)、电机二(4)、主镜(5)、次镜(6)、快速反射镜一(7)、波长分光片(8)、快速反射镜二(9)、1/4波片(10)、1/2波片(11)、激光器(12)、能量分光片(13)、窄带滤光片一(14)、透镜组一(15)、CCD成像传感器(16)、窄带滤光片二(17)、透镜组二(18)、通信接收模块(19)和控制器(20);所述液晶偏振光栅一(1)与电机一(3)电连接,液晶偏振光栅二(2)与电机二(4)电连接;所述控制器(20)与液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)、电机一(3)、电机二(4)、快速反射镜一(7)、快速反射镜二(9)和CCD成像传感器(16)均为电连接;所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)共光轴平行放置;所述主镜(5)和次镜(6)平行放置;所述窄带滤光片一(14)、透镜组一(15)和CCD成像传感器(16)同光轴;所述窄带滤光片二(17)、透镜组二(18)和通信接收模块(19)同光轴;所述1/4波片(10)、1/2波片(11)和激光器(12)同光轴;
外界光束依次经液晶偏振光栅一(1)衍射、液晶偏振光栅二(2)衍射、主镜(5)反射、次镜(6)反射、快速反射镜一(7)反射、波长分光片(8)透射后进入通信接收支路;
在通信接收支路中,一部分光束依次经能量分光片(13)反射、窄带滤光片一(14)滤光、透镜组一(15)会聚后进入CCD成像传感器(16);另一部分光束依次经能量分光片(13)透射、窄带滤光片二(17)滤光、透镜组二(18)会聚后进入通信接收模块(19);
在通信发射支路中,激光器(12)的激光依次经1/2波片(11)转换、1/4波片(10)转换、快速反射镜二(9)反射、波长分光片(8)反射、快速反射镜一(7)反射、次镜(6)反射、主镜(5)反射、液晶偏振光栅二(2)衍射、液晶偏振光栅一(1)衍射后射出。
2.根据权利要求1所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统,其特征在于,所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)均为通过正交圆偏光干涉刻写的偏振光栅;所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)衍射的最大偏折角为30°;所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)的周期均为6.12μm。
3.根据权利要求1所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统,其特征在于,所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)共光轴平行放置,以光轴反方向为z轴正方向、光栅线为x轴正方向建立右手坐标系,则出射光由(Φ,Θ)唯一确定表示,Φ是通信光的偏折角,Θ是通信光的方位角;所述液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)共光轴独立旋转,以绕z轴逆时针旋转为正方向,θ1是液晶偏振光栅一(1)绕z轴的旋转角度,θ2是液晶偏振光栅二(2)绕z轴的旋转角度。
4.根据权利要求1所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统,其特征在于,所述快速反射镜一(7)工作角度均为45°,用于通信光精跟踪;所述波长分光片(8)工作角度为45°,用于反射1530nm波长的激光和透射1550nm波长的激光;所述快速反射镜二(9)工作角度均为45°,用于消色差调节激光发射端和激光接收端同轴。
5.根据权利要求1所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统,其特征在于,所述能量分光片(13)的分光比为95:5,工作角度为45°;所述能量分光片(13)用于反射5%的通信接收光至CCD图像传感器16;所述能量分光片(13)用于透射95%的通信接收光至通信接收模块(19)。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信系统实现的基于双液晶偏振光栅伺服跟踪的空间激光通信方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、通过控制器(20)控制电机一(3)和电机二(4)运行,分别带动液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)独立旋转,在获取的通信光目标位置,通过液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)引导通信光在光束指向范围内扫描进行通信光捕获;
步骤二、捕获到的通信光传播到由主镜(5)和次镜(6)组成的扩束/缩束天线系统进行缩束,通信光被主镜(5)反射到次镜(6),缩束后的通信光被次镜(6)反射至快速反射镜一(7);
步骤三、调节快速反射镜一(7)使通信光反射到波长分光片(8),再由波长分光片(8)透射至能量分光片(13);
步骤四、能量分光片(13)反射5%的通信接收光至窄带滤光片一(14),经透镜组一(15)会聚后在CCD成像传感器(16)上形成光斑并将该光斑位置转化成脱靶量信息传输至控制器(20);
步骤五、能量分光片(13)透射95%的通信接收光至窄带滤光片二(17),得到所需的通信光波段经透镜组二(18)会聚后传输至通信接收模块(19)并由通信接收模块(19)进行光电转换后输出光信号;
步骤六、控制器(20)根据通信光引导数据、液晶偏振光栅一(1)的旋转角度θ1和液晶偏振光栅二(2)的旋转角度θ2计算出液晶偏振光栅一(1)的旋转变化角度Δθ1和液晶偏振光栅二(2)的旋转变化角度Δθ2;
步骤七、控制器(20)根据液晶偏振光栅一(1)的旋转变化角度Δθ1和液晶偏振光栅二(2)的旋转变化角度Δθ2计算出电机一(3)的控制量d1和电机二(4)的控制量d2,使液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)分别转动Δθ1和Δθ2,将光斑位置调整到CCD成像传感器(16)视场中心区域,完成通信光的粗跟踪;
步骤八、通过控制器(20)计算出光斑的脱靶量Δx和Δy,以此再计算出快速反射镜一(7)的控制量Zx和Zy;
步骤九、根据控制量Zx和Zy调整快速反射镜一(7)将光斑稳定闭环到CCD成像传感器(16)视场中心,完成通信光的精跟踪;
步骤十、激光器(12)发射波长为1530nm的通信发射光,此时波长为1530nm的通信光为外界通信接收端的通信接收光,波长为1530nm的通信发射光经1/2波片(11)和1/4波片(10)转换成圆偏振光后传播至快速反射镜二(9);
步骤十一、通信发射支路通信光波长为1530nm,通信接收支路的通信光波长为1550nm,故通信光之间存在色差从而导致通信发射支路和通信接收支路光路不同轴,由控制器(20)根据公式(1)计算出不同轴的偏折量大小;
式中,Φ是通信光的偏折角,λ是通信光波长,Λ是液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)的光栅周期,θ1是液晶偏振光栅一(1)的旋转角度,θ2是液晶偏振光栅二(2)的旋转角度;
通信发射端和通信接收端不同轴的偏折量随液晶偏振光栅一(1)和液晶偏振光栅二(2)的旋转角度实时变化,控制器(20)根据液晶偏振光栅一(1)、液晶偏振光栅二(2)的旋转角度解算出不同轴的偏折量,解算出的不同轴的偏折量发送到通信发射支路的快速反射镜二(9)进行实时补偿,使得最终的通信发射支路与通信接收支路同光轴,消除通信发射端和通信接收端的色差问题;
步骤十二、波长为1530nm的通信发射光经波长分光片(8)反射至快速反射镜一(7),经快速反射镜一(7)反射传播到由主镜(5)和次镜(6)组成的扩束/缩束天线系统进行扩束;
步骤十三、通信发射光被次镜(6)反射到主镜(5),再被主镜(5)反射至液晶偏振光栅二(2)和液晶偏振光栅一(1),依次经液晶偏振光栅二(2)和液晶偏振光栅一(1)衍射后进行通信光指向,该通信发射光能被外界的通信接收端捕获并跟踪。