[发明专利]一种基于FPGA的高速可扩展光学相控阵控制系统

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的高速可扩展光学相控阵控制系统，包括主机、相控阵驱动从机和液晶偏振光栅驱动从机；主机从上位机接收目标角度信息，计算每个维度、每个光学相控阵所需的目标角度，并将计算后的目标角度通过串口发送到从机中，同时自身承担一个维度的光学相控阵驱动；相控阵驱动从机通过串口接收来自主机的目标角度，承担另一个维度的光学相控阵驱动；液晶偏振光栅驱动从机通过串口接收来自主机的目标角度，承担液晶偏振光栅器件的驱动。本发明采用集成的、全硬件化的控制系统，控制信息的计算全部由FPGA片上完成，运算过程全程无需PC机等外部设备的参与，也避免了传输和分发数据的延迟，能极大提升控制系统的运算速度。

技术领域

本发明属于空间激光通信、液晶光学相控阵器件领域，特别涉及一种基于FPGA的高速可扩展光学相控阵控制系统。

背景技术

空间激光通信是实现空间信息组网的一种重要手段，利用空间中的激光进行通信，具有信息容量大、光学增益大、发散角小、抗干扰能力强等优势，在卫星组网、星地通信等场景都有着广泛的应用前景。在空间激光通信中，一个核心问题是如何实现高精度的光束偏转和指向，传统的空间激光通信方案采用机械装置进行偏转指向，但机械系统具有结构复杂、精度低、响应速度慢等缺点。液晶光学相控阵是一种可以对光束进行精确控制的器件，通过液晶对光束进行相位控制，进而控制光束的精确指向和偏转，使得系统更加简洁、高效，近年来得到了越来越多的关注。使用液晶光学相控阵来实现空间激光的指向和偏转，是空间激光通信发展的重要方向。

为了实现光束的大角度扫描，一套完整的液晶相控阵光束控制系统由多级光学器件级联而成，大致可以划分为负责大角度偏转的液晶偏振光栅器件，和负责小角度、高精度指向的液晶相控阵器件两级，每一级又由x和y两个维度的控制器件组成。这些光学器件各自有着不同的驱动方式，所需要的控制电压不同，控制指令和刷新速度也不同，如何使用一套控制系统，对不同的光学器件进行统一、高速的控制，是液晶光学相控阵控制系统需要解决的主要问题。

随着空间激光通信系统的不断发展，对通信的速率有了更高的要求。对于光束控制系统来说，需要在保证高精度的同时，实现尽可能高的响应速度。因为各类器件的控制算法各异，传统的液晶光学相控阵控制系统是由PC机进行各类复杂运算，产生各器件所需要的控制电压指令，然后通过USB等接口，发送到每个器件对应的驱动电路上。这种方案最大的问题是系统过于复杂，且算法高度依赖PC机，需要先由PC机算出所有的驱动指令，然后分发到每个驱动电路上，这一分发传输的过程，成为了制约整个系统响应速度的主要瓶颈。

另一方面，许多空间激光通信应用场景并不是只有单一的通信通道，经常会出现多路通道同时进行通信的需求，这就要求控制系统能够并行独立控制多路光学相控阵系统，也就是要求系统具备一定的扩展性。但传统的PC机方案由于缺乏集成的控制系统，每块光学器件都使用自己独立的控制系统，使得系统的扩展变得非常困难，多路并行控制难以实现。

总的来说，提高控制系统的运算速度，以及增强控制系统的可扩展性，是当前液晶光学相控阵控制系统亟待解决的两大主要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用集成的、全硬件化的控制系统，控制信息的计算全部由FPGA片上完成，运算过程全程无需PC机等外部设备的参与，也避免了传输和分发数据的延迟，能极大提升控制系统的运算速度的基于FPGA的高速可扩展光学相控阵控制系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于FPGA的高速可扩展光学相控阵控制系统，包括一个主机和两个从机；主机从上位机接收目标角度信息，计算每个维度、每个光学相控阵所需的目标角度，并将计算后的目标角度通过串口发送到从机中，同时自身承担一个维度的光学相控阵驱动；从机包括一个相控阵驱动从机和一个液晶偏振光栅驱动从机；相控阵驱动从机通过串口接收来自主机的目标角度，承担另一个维度的光学相控阵驱动；液晶偏振光栅驱动从机通过串口接收来自主机的目标角度，承担液晶偏振光栅器件的驱动。