[發明專利]一種基于FPGA的高速可擴展光學相控陣控制系統

有效

• 申請號: 202111179649.0
• 申請日: 2021-10-11
• 公開（公告）號: CN113885590B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 汪相如;黃彥威;梁知清;賀曉嫻;譚慶貴
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G05D3/20
• 分類號: G05D3/20
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

本發明公開了一種基于FPGA的高速可擴展光學相控陣控制系統，包括主機、相控陣驅動從機和液晶偏振光柵驅動從機；主機從上位機接收目標角度信息，計算每個維度、每個光學相控陣所需的目標角度，并將計算后的目標角度通過串口發送到從機中，同時自身承擔一個維度的光學相控陣驅動；相控陣驅動從機通過串口接收來自主機的目標角度，承擔另一個維度的光學相控陣驅動；液晶偏振光柵驅動從機通過串口接收來自主機的目標角度，承擔液晶偏振光柵器件的驅動。本發明采用集成的、全硬件化的控制系統，控制信息的計算全部由FPGA片上完成，運算過程全程無需PC機等外部設備的參與，也避免了傳輸和分發數據的延遲，能極大提升控制系統的運算速度。

技術領域

本發明屬于空間激光通信、液晶光學相控陣器件領域，特別涉及一種基于FPGA的高速可擴展光學相控陣控制系統。

背景技術

空間激光通信是實現空間信息組網的一種重要手段，利用空間中的激光進行通信，具有信息容量大、光學增益大、發散角小、抗干擾能力強等優勢，在衛星組網、星地通信等場景都有著廣泛的應用前景。在空間激光通信中，一個核心問題是如何實現高精度的光束偏轉和指向，傳統的空間激光通信方案采用機械裝置進行偏轉指向，但機械系統具有結構復雜、精度低、響應速度慢等缺點。液晶光學相控陣是一種可以對光束進行精確控制的器件，通過液晶對光束進行相位控制，進而控制光束的精確指向和偏轉，使得系統更加簡潔、高效，近年來得到了越來越多的關注。使用液晶光學相控陣來實現空間激光的指向和偏轉，是空間激光通信發展的重要方向。

為了實現光束的大角度掃描，一套完整的液晶相控陣光束控制系統由多級光學器件級聯而成，大致可以劃分為負責大角度偏轉的液晶偏振光柵器件，和負責小角度、高精度指向的液晶相控陣器件兩級，每一級又由x和y兩個維度的控制器件組成。這些光學器件各自有著不同的驅動方式，所需要的控制電壓不同，控制指令和刷新速度也不同，如何使用一套控制系統，對不同的光學器件進行統一、高速的控制，是液晶光學相控陣控制系統需要解決的主要問題。

隨著空間激光通信系統的不斷發展，對通信的速率有了更高的要求。對于光束控制系統來說，需要在保證高精度的同時，實現盡可能高的響應速度。因為各類器件的控制算法各異，傳統的液晶光學相控陣控制系統是由PC機進行各類復雜運算，產生各器件所需要的控制電壓指令，然后通過USB等接口，發送到每個器件對應的驅動電路上。這種方案最大的問題是系統過于復雜，且算法高度依賴PC機，需要先由PC機算出所有的驅動指令，然后分發到每個驅動電路上，這一分發傳輸的過程，成為了制約整個系統響應速度的主要瓶頸。

另一方面，許多空間激光通信應用場景并不是只有單一的通信通道，經常會出現多路通道同時進行通信的需求，這就要求控制系統能夠并行獨立控制多路光學相控陣系統，也就是要求系統具備一定的擴展性。但傳統的PC機方案由于缺乏集成的控制系統，每塊光學器件都使用自己獨立的控制系統，使得系統的擴展變得非常困難，多路并行控制難以實現。

總的來說，提高控制系統的運算速度，以及增強控制系統的可擴展性，是當前液晶光學相控陣控制系統亟待解決的兩大主要問題。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種采用集成的、全硬件化的控制系統，控制信息的計算全部由FPGA片上完成，運算過程全程無需PC機等外部設備的參與，也避免了傳輸和分發數據的延遲，能極大提升控制系統的運算速度的基于FPGA的高速可擴展光學相控陣控制系統。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于FPGA的高速可擴展光學相控陣控制系統，包括一個主機和兩個從機；主機從上位機接收目標角度信息，計算每個維度、每個光學相控陣所需的目標角度，并將計算后的目標角度通過串口發送到從機中，同時自身承擔一個維度的光學相控陣驅動；從機包括一個相控陣驅動從機和一個液晶偏振光柵驅動從機；相控陣驅動從機通過串口接收來自主機的目標角度，承擔另一個維度的光學相控陣驅動；液晶偏振光柵驅動從機通過串口接收來自主機的目標角度，承擔液晶偏振光柵器件的驅動。