CN101873167A - 一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置，属于空间激光通信技术领域。该装置采用特殊构造的反射体，实现对激光光束的反射，利用高截止滤波片作为分光镜，同时抑制背景光干扰和通信光束间的相互干扰，提高信噪比，降低通信误码率。此装置不需要APT系统，结构简单，成本低。该装置能够实现在水平方向全周、俯仰方向在设计视场角内的一点对多点的激光通信。
Description
技术领域
本发明提出一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置，属于空间激光通信技术领域。
背景技术
空间激光通信和其他无线通信相比，具有不需要频率许可证、频率宽、成本低廉、保密性好，低误码率、安装快速、抗电磁干扰，组网方便灵活等优点。通过构建空间激光通信网络系统可以有效提高通信信道的带宽，从根本上解决通道狭窄的问题。正是由于这些特点，空间激光通信技术正受到电信运营商越来越多的关注与青睐。国内外诸多机构、学者对此也展开了深入的研究。
传统的激光通信系统是由激光器、扩束器、缩束器、成像系统和光电探测器组成。激光器发出激光、激光光束经过扩束器进行准直扩束发射出去，经过大气传输后的激光光束通过缩束器接收，最后由成像系统会聚在光电探测器的光敏元件上，实现大气激光通信。(参看文献：1、王海先.大气中激光通信技术：红外与激光，2001，302：123～127。2、熊金涛胡渝 皮德忠.卫星激光通信系统设计分析：应用光学，Vol.23，No.1(2002)，21-26.。3、李宏生湍流对大气中传输激光束的影响：长春理工大学，30～31.。4、AGRAWAL G P.Fiber-OpticCommunication systems[M].New York：John Wiley，1992。5、WILSON K.OpticalCommunications for Deep Space missions [J].IEEE Commun Mag，2000，38(8)：134-139。)
信息化时代的来临，使通信信息量与日俱增，据统计：截止 2009年2月底，我国手机用户已达到6.5978亿户，而互联网上的信息流量则以每100天翻一倍的速度飞速增长。通信信息量的海量激增，使通信网络愈发显得拥挤。传统的激光通信系统是点对点拓扑结构通信，如何实现多点通信，以满足扩充通信流量，增加网络带宽资源已成为当今科技工作者广泛关注的问题。
2001年4月23日，美国德州仪器(TI)公司公布了新的无线传输技术，该技术以激光通信组件、新型DSP芯片和引导激光信息传输的、可360°旋转的微型激光反射镜为核心器件，通过光通信的方式组建成局域网。这项技术首先被应用在台式PC机间及使用802.3网络传输协议的局域网中，利用镜面反射激光原理，取代传统以太网及使用IEEE802.11网络传输协议的无线网络设备来连接所有的PC机。
日本提出激光与微波通信结合的双层低轨道全球通信组网方案，具体论证了在地球700公里和2000公里的低空中部署两套卫星系统的可行性；卫星之间采用激光互联技术进行信息传递，与地面的关口站的通信链路由上层卫星负责，采用激光链路；下层卫星负责与小型地面站和移动用户的通信，采用微波链路。(参考文献：1、对发展卫星移动通信的几点思考.张乃通、刘会杰、初海彬.电气电子教学学报.2002，第24卷第1期.2、深空测控通信技术发展趋势分析.林墨.2005，第24卷第3期.3、星地光通信多点地面接收方案的初步研究.张诚，顾闻博等.光子学报.2008，第37卷第2期。)
传统的激光通信系统是点对点拓扑结构通信，如何实现多点间激光通信已成为重要的研究课题，所以迫切需要研制一种多点间激光通信装置。
发明内容
为了实现一点对多点的激光通信，本发明提出了一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置。
一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置，如图1所示，其特征在于，该装置是由反射体(1)、激光发射接收单元(2)组成；反射体(1)、激光发射接收单元(2)自上而下依次排列；激光发射接收单元(2)由N-1个分光镜、N个光学系统、N个探测器和N个激光发射器组成，其中N为正整数；激光发射接收单元(2)中的第一个分光镜放置在反射体(1)的反射光路上，激光发射接收单元(2)中的其余分光镜依次放置在前一个分光镜的反射光路上；在每个分光镜的透射光路上依次放置与此分光镜的透射光波长相应的一个光学系统和一个探测器；在第N-1个分光镜的反射光路上放置剩下的一个光学系统和一个探测器。
与本装置进行激光通信的是N个激光发射接收装置，这N个激光发射接收装置所发射激光光束的中心波长依次为λ1，λ2，…，λN，每条光束的波长带宽不大于±3nm，不同中心波长的间隔大于6nm；所述的N个激光发射接收装置所接收激光光束的中心波长依次为λ2，…，λN，λ1。
反射体(1)是通过对旋转抛物面的面型结构进行改进来构造的，其构造原理是基于当入射光线射向旋转抛物面的焦点时，反射光线为沿旋转抛物面的旋转轴平行的光线这一特性；设N个激光发射接收装置分布在预先设定的M个轨道范围内，所述的M为正整数；将旋转抛物面的焦点与每条轨道范围的中心线上的一点相连，过每条连线与旋转抛物面的交点做旋转抛物面的切平面，将每个切平面绕旋转抛物面的旋转轴旋转360度，构造出由M个锥面形成的反射体(1)。
对i从1到N-1，激光发射接收单元(2)中的第i个分光镜为高截止滤波片，设计为对中心波长为λi的激光光束高透射，其透射率大于95％，波长带宽范围不大于±3nm，对其余波长的激光光束高反射，其反射率大于99.8％。
对i从1到N-1，激光发射接收单元(2)中的第i个光学系统将第i个分光镜透射的光束会聚到第i个探测器实现激光信号接收；激光发射接收单元(2)中的第N个光学系统将第N-1个分光镜反射的光束会聚到第i个探测器实现激光信号接收。
对i从1到N，激光发射接收单元(2)中的第i个激光发射器发射中心波长为λi的激光光束，实现激光信号发射。
所述的与本装置通信的N个激光发射装置所发射的激光光束都指向旋转抛物面的焦点，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，在设计视场角内的反射光束入射到激光发射接收单元(2)。
对i从1到N-1，当中心波长为λi的激光光束入射到激光发射接收单元(2)后，经激光发射接收单元(2)中的第1到第i-1个分光镜依次反射，被第i个分光镜透射；经透射光路上的第i个光学系统会聚后，被第i个探测器接收。
当中心波长为λN的激光光束入射到激光发射接收单元(2)后，经激光发射接收单元(2)中的第1到第N-1个分光镜依次反射，经第N-1个分光镜的反射光路上的第N个光学系统会聚后，被第N个探测器接收。
这样就实现了一点对多点的激光通信接收。
如图2所示，对i从1到N-2，当第i个探测器接收到中心波长为λi的激光光束时，通过此光束在第i个分光镜上的入射点计算出此光束经第i个分光镜反射后入射第i+1个分光镜的入射光路，在此入射光路经第i+1个分光镜的透射光路上放置发射激光的中心波长为λi+1、波长带宽不大于±3nm的第i+1个激光发射器，此激光发射器发射激光光束，经第i+1个分光镜透射，再依次经第i到第1个分光镜反射后，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，沿中心波长为λi的入射光束的光路逆向入射到与本装置通信的第i个激光发射接收装置。
当i＝N-1时，根据第N-1个探测器接收到的中心波长为λN-1的激光光束在第N-1个分光镜上的入射点计算出此光束经第N-1个分光镜反射后的反射光路，在此反射光路上放置发射激光的中心波长为λN、波长带宽不大于±3nm的第N个激光发射器，此激光发射器发射激光光束，依次经第N-1到第1个分光镜反射后，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，沿中心波长为λN-1的入射光束的光路逆向入射到与本装置通信的第N-1个激光发射接收装置。
当i＝N时，根据第N个探测器接收到的中心波长为λN的激光光束计算出此光束入射第1个分光镜的入射光路，在此入射光路经第1个分光镜的透射光路上放置发射激光的中心波长为λ1、波长带宽不大于±3nm的第1个激光发射器，此激光发射器发射激光光束，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，沿中心波长为λN的入射光束的光路逆向入射到与本装置通信的第N个激光发射接收装置。
这样就实现了一点对多点的激光通信发射。
有益效果
该装置不需要APT系统，装置的结构简单，成本低；该装置采用特殊构造的反射体1来实现对激光光束的反射，利用高截止滤波片作为分光镜，同时抑制背景光干扰和通信光束间的相互干扰，提高信噪比，降低通信误码率；该装置能够实现在水平方向全周、俯仰方向在设计视场角内的一点对多点的激光通信。
附图说明
图1为当M＝3且N＝4时，一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置结构和激光接收过程示意图。此图也是说明书摘要附图。其中，1为反射体，2为激光整形单元，3为激光发射接收单元。
图2为当M＝3且N＝4时，一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置激光发射过程示意图。其中，1为反射体，2为激光整形单元，3为激光发射接收单元。
具体实施方式
一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置，如图1所示，其特征在于，该装置是由反射体(1)、激光发射接收单元(2)组成；反射体(1)、激光发射接收单元(2)自上而下依次排列；激光发射接收单元(2)由N-1个分光镜、N个光学系统、N个探测器和N个激光发射器组成，其中N为正整数；激光发射接收单元(2)中的第一个分光镜放置在反射体(1)的反射光路上，激光发射接收单元(2)中的其余分光镜依次放置在前一个分光镜的反射光路上；在每个分光镜的透射光路上依次放置与此分光镜的透射光波长相应的一个光学系统和一个探测器；在第N-1个分光镜的反射光路上放置剩下的一个光学系统和一个探测器。
与本装置进行激光通信的是N个激光发射接收装置，这N个激光发射接收装置所发射激光光束的中心波长依次为λ1，λ2，…，λN，每条光束的波长带宽不大于±3nm，不同中心波长的间隔大于6nm；所述的N个激光发射接收装置所接收激光光束的中心波长依次为λ2，…，λN，λ1。
反射体(1)是通过对旋转抛物面的面型结构进行改进来构造的，其构造原理是基于当入射光线射向旋转抛物面的焦点时，反射光线为沿旋转抛物面的旋转轴平行的光线这一特性；设N个激光发射接收装置分布在预先设定的M个轨道范围内，所述的M为正整数；将旋转抛物面的焦点与每条轨道范围的中心线上的一点相连，过每条连线与旋转抛物面的交点做旋转抛物面的切平面，将每个切平面绕旋转抛物面的旋转轴旋转360度，构造出由M个锥面形成的反射体(1)。
对i从1到N-1，激光发射接收单元(2)中的第i个分光镜为高截止滤波片，设计为对中心波长为λi的激光光束高透射，其透射率大于95％，波长带宽范围不大于±3nm，对其余波长的激光光束高反射，其反射率大于99.8％。
对i从1到N-1，激光发射接收单元(2)中的第i个光学系统将第i个分光镜透射的光束会聚到第i个探测器实现激光信号接收；激光发射接收单元(2)中的第N个光学系统将第N-1个分光镜反射的光束会聚到第i个探测器实现激光信号接收。
对i从1到N，激光发射接收单元(2)中的第i个激光发射器发射中心波长为λi的激光光束，实现激光信号发射。
所述的与本装置通信的N个激光发射装置所发射的激光光束都指向旋转抛物面的焦点，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，在设计视场角内的反射光束入射到激光发射接收单元(2)。
对i从1到N-1，当中心波长为λi的激光光束入射到激光发射接收单元(2)后，经激光发射接收单元(2)中的第1到第i-1个分光镜依次反射，被第i个分光镜透射；经透射光路上的第i个光学系统会聚后，被第i个探测器接收。
当中心波长为λN的激光光束入射到激光发射接收单元(2)后，经激光发射接收单元(2)中的第1到第N-1个分光镜依次反射，经第N-1个分光镜的反射光路上的第N个光学系统会聚后，被第N个探测器接收。
这样就实现了一点对多点的激光通信接收。
如图2所示，对i从1到N-2，当第i个探测器接收到中心波长为λi的激光光束时，通过此光束在第i个分光镜上的入射点计算出此光束经第i个分光镜反射后入射第i+1个分光镜的入射光路，在此入射光路经第i+1个分光镜的透射光路上放置发射激光的中心波长为λi+1、波长带宽不大于±3nm的第i+1个激光发射器，此激光发射器发射激光光束，经第i+1个分光镜透射，再依次经第i到第1个分光镜反射后，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，沿中心波长为λi的入射光束的光路逆向入射到与本装置通信的第i个激光发射接收装置。
当i＝N-1时，根据第N-1个探测器接收到的中心波长为λN-1的激光光束在第N-1个分光镜上的入射点计算出此光束经第N-1个分光镜反射后的反射光路，在此反射光路上放置发射激光的中心波长为λN、波长带宽不大于±3nm的第N个激光发射器，此激光发射器发射激光光束，依次经第N-1到第1个分光镜反射后，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，沿中心波长为λN-1的入射光束的光路逆向入射到与本装置通信的第N-1个激光发射接收装置。
当i＝N时，根据第N个探测器接收到的中心波长为λN的激光光束计算出此光束入射第1个分光镜的入射光路，在此入射光路经第1个分光镜的透射光路上放置发射激光的中心波长为λ1、波长带宽不大于±3nm的第1个激光发射器，此激光发射器发射激光光束，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，沿中心波长为λN的入射光束的光路逆向入射到与本装置通信的第N个激光发射接收装置。
这样就实现了一点对多点的激光通信发射。
Claims (2)
1.一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置，其特征在于，该装置是由反射体(1)、激光发射接收单元(2)组成；反射体(1)、激光发射接收单元(2)自上而下依次排列；激光发射接收单元(2)由N-1个分光镜、N个光学系统、N个探测器和N个激光发射器组成，其中N为正整数；激光发射接收单元(2)中的第一个分光镜放置在反射体(1)的反射光路上，激光发射接收单元(2)中的其余分光镜依次放置在前一个分光镜的反射光路上；在每个分光镜的透射光路上依次放置与此分光镜的透射光波长相应的一个光学系统和一个探测器；在第N-1个分光镜的反射光路上放置剩下的一个光学系统和一个探测器；
与本装置进行激光通信的是N个激光发射接收装置，这N个激光发射接收装置所发射激光光束的中心波长依次为λ1，λ2，…，λN，每条光束的波长带宽不大于±3nm，不同中心波长的间隔大于6nm；所述的N个激光发射接收装置所接收激光光束的中心波长依次为λ2，…，λN，λ1；
反射体(1)是通过对旋转抛物面的面型结构进行改进来构造的，其构造原理是基于当入射光线射向旋转抛物面的焦点时，反射光线为沿旋转抛物面的旋转轴平行的光线这一特性；设N个激光发射接收装置分布在预先设定的M个轨道范围内，所述的M为正整数；将旋转抛物面的焦点与每条轨道范围的中心线上的一点相连，过每条连线与旋转抛物面的交点做旋转抛物面的切平面，将每个切平面绕旋转抛物面的旋转轴旋转360度，构造出由M个锥面形成的反射体(1)；
对i从1到N-1，激光发射接收单元(2)中的第i个分光镜为高截止滤波片，设计为对中心波长为λi的激光光束高透射，其透射率大于95％，波长带宽范围不大于±3nm，对其余波长的激光光束高反射，其反射率大于 99.8％；
对i从1到N-1，激光发射接收单元(2)中的第i个光学系统将第i个分光镜透射的光束会聚到第i个探测器实现激光信号接收；激光发射接收单元(2)中的第N个光学系统将第N-1个分光镜反射的光束会聚到第i个探测器实现激光信号接收；
对i从1到N，激光发射接收单元(2)中的第i个激光发射器发射中心波长为λi的激光光束，实现激光信号发射；
所述的与本装置通信的N个激光发射装置所发射的激光光束都指向旋转抛物面的焦点，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，在设计视场角内的反射光束入射到激光发射接收单元(2)；
对i从1到N-1，当中心波长为λi的激光光束入射到激光发射接收单元(2)后，经激光发射接收单元(2)中的第1到第i-1个分光镜依次反射，被第i个分光镜透射；经透射光路上的第i个光学系统会聚后，被第i个探测器接收；
当中心波长为λN的激光光束入射到激光发射接收单元(2)后，经激光发射接收单元(2)中的第1到第N-1个分光镜依次反射，经第N-1个分光镜的反射光路上的第N个光学系统会聚后，被第N个探测器接收；
这样就实现了一点对多点的激光通信接收；
对i从1到N-2，当第i个探测器接收到中心波长为λi的激光光束时，通过此光束在第i个分光镜上的入射点计算出此光束经第i个分光镜反射后入射第i+1个分光镜的入射光路，在此入射光路经第i+1个分光镜的透射光路上放置发射激光的中心波长为λi+1、波长带宽不大于±3nm的第i+1个激光发射器，此激光发射器发射激光光束，经第i+1个分光镜透射，再依次经第i到第1个分光镜反射后，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，沿中心波长为λi的入射光束的光路逆向入射到与本装置通信的第i个激光发射接收装置；
当i＝N-1时，根据第N-1个探测器接收到的中心波长为λN-1的激光光束在第N-1个分光镜上的入射点计算出此光束经第N-1个分光镜反射后的反射光路，在此反射光路上放置发射激光的中心波长为λN波长带宽不大于±3nm的第N个激光发射器，此激光发射器发射激光光束，依次经第N-1到第1个分光镜反射后，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，沿中心波长为λN-1的入射光束的光路逆向入射到与本装置通信的第N-1个激光发射接收装置；
当i＝N时，根据第N个探测器接收到的中心波长为λN的激光光束计算出此光束入射第1个分光镜的入射光路，在此入射光路经第1个分光镜的透射光路上放置发射激光的中心波长为λ1、波长带宽不大于±3nm的第1个激光发射器，此激光发射器发射激光光束，入射到反射体(1)，经反射体(1)反射后，沿中心波长为λN的入射光束的光路逆向入射到与本装置通信的第N个激光发射接收装置；
这样就实现了一点对多点的激光通信发射。
2.如权利要求1所述的一种基于多元组合旋转抛物面面型结构的一点对多点激光通信装置，其特征在于：
(1)该装置不需要APT系统，结构简单，成本低；
(2)该装置采用特殊构造的基于多元组合旋转抛物面面型结构的反射体(1)，实现对激光光束的反射，同时利用高截止滤波片作为分光镜，同时抑制背景光干扰和通信光束间的相互干扰，提高信噪比，降低通信误码率；
(3)该装置能够实现在水平方向全周、俯仰方向在设计视场角内的一点对多点的激光通信。
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