基于液晶相控阵的光束定向跟瞄技术研究

基于液晶相控阵的光束定向跟瞄技术研究

论文摘要

捕获、跟踪、瞄准技术被广泛应用在激光通信、激光雷达、激光定向等领域,然而传统的光束跟踪瞄准技术需要依赖复杂的机械传动装置实现,存在着结构复杂、体积庞大、能耗高等缺点,而光学相控阵(Optical Phased Array,OPA)技术能够快速、便捷、无机械的实现光束控制。近年来,随着制造工艺的成熟和发展,光学相控阵技术已经成为光束控制领域的研究热点,并应用于光束整形、光镊、光束偏转等领域。论文围绕液晶光学相控阵,对光束定向跟踪技术展开了全面、系统的理论和实验研究,主要包括如下内容:一、论文首先对光束跟踪定向技术进行了回顾,简要介绍了传统光束跟踪定向等系统中用到的几种光束控制技术,重点分析了液晶相控阵技术近几年的研究进展及其优势。二、从理论和实验上系统地研究了基于液晶相控阵的光束偏转技术。从波动光学出发,对液晶相控阵光束偏转进行了理论分析,以此为基础分析了电场边缘效应以及填充比对液晶相控阵光束偏转特性的影响。结合随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法,利用基于泽尼克(Zernike)多项式的模式法实现了光束偏转。开展了基于多孔干涉原理以及基于模式法光束偏转的实验研究,国内首次将优化式自适应光学用于光束偏转。三、以液晶光束偏转技术为基础,建立了液晶相控阵光束定向跟瞄的系统。首先设计了跟瞄系统结构,结合控制理论,确立了跟瞄系统的传递函数模型。结合实验系统对目标运动模型进行了分析。采用非相干成像理论,对目标成像以及初级相差、大气湍流对目标成像质心定位的影响进行了分析。研究发现,倾斜以及大气湍流都会对目标质心定位造成比较严重的影响,实际中需要对其进行补偿,最后对跟瞄系统中存在的误差进行了总结。四、开展了基于液晶相控阵的光束定向跟瞄实验。先介绍了实验系统中涉及的图像处理及目标定位的相关算法,在静态条件下,结合目标特性,进行了光束扫描的实验。然后,开展了光束指向系统的实验,搭建了最大指向误差为57μrad的光束定向系统。最后,利用程序控制CCD相机以及液晶相控阵连续运行,实现了对目标的跟踪瞄准,该系统能够实现±22mrad视场内、角速度2.78mrad/s的匀速运动目标的一维跟瞄发射,能够实现±12.88mrad视场内、角速度为0.69mrad/s的匀速运动目标二维跟瞄发射。国内首次利用液晶相控阵技术实现了对目标的跟踪瞄准。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题背景及意义
  • 1.2 国内外研究概况
  • 1.2.1 传统光束控制
  • 1.2.2 基于光学相控阵的光束控制
  • 1.2.3 小结
  • 1.3 本文主要研究内容及结构安排
  • 第二章 液晶相控阵光束偏转特性研究
  • 2.1 液晶相控阵基本原理
  • 2.1.1 液晶类型及结构
  • 2.1.2 液晶电光效应以及液晶相控阵的分类
  • 2.2 液晶相控阵光束偏转模型
  • 2.2.1 液晶相控阵数学原理
  • 2.2.2 液晶相控阵影响因素
  • 2.3 基于液晶相控阵光束偏转
  • 2.3.1 基于衍射光栅偏转原理研究
  • 2.3.2 基于多孔干涉原理偏转研究
  • 2.3.3 基于优化式自适应光学光束偏转
  • 2.3.4 光束偏转仿真分析
  • 2.3.5 光束偏转的系统实验
  • 2.4 本章小结
  • 第三章 液晶相控阵光束跟瞄系统
  • 3.1 跟瞄系统方案设计
  • 3.2 目标模型
  • 3.2.1 目标基本模型
  • 3.2.2 目标成像相关理论
  • 3.3 目标成像误差分析
  • 3.3.1 初级像差影响分析
  • 3.3.2 大气湍流影响分析
  • 3.4 系统跟瞄误差分析
  • 3.5 本章总结
  • 第四章 基于液晶相控阵光束定向跟瞄实验研究
  • 4.1 图像处理及目标识别定位
  • 4.2 静态条件目标定位瞄准实验研究
  • 4.2.1 目标特性
  • 4.2.2 光束扫描定位实验研究
  • 4.2.3 静态光束指向实验
  • 4.3 光束跟瞄动态实验研究
  • 4.3.1 跟瞄系统实验光路及原理
  • 4.3.2 光束跟瞄实验
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 总结与展望
  • 5.1 论文的主要研究工作
  • 5.2 论文的主要创新点
  • 5.3 后续工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果
  • 相关论文文献

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