CN102185654A - 一种激光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光通信系统，该系统的全向光收发天线接收外部的携带信号的激光，调整携带信号的激光的光路，并通过第一分光子系统反射一部分激光至跟踪子系统，透射一部分激光至第一聚焦子系统；将接收到的第一分光子系统透射的待发送的携带信号的激光变为平行光出射；跟踪子系统采集第一分光子系统反射的携带信号的激光的位置图像，根据位置图像和图像采集的中心点计算一偏移量，并根据偏移量控制第一聚焦子系统的位置，以使得第一聚焦子系统透射的激光经第二分光子系统入射至光电探测器。采用本发明的系统，能够实现快速捕获，建立可连续通信的通信链路，降低大幅度振动对通信链路的影响，提高通信链路的稳定性。

Description

一种激光通信系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，特别涉及一种激光通信系统。

背景技术

由于激光具有波长极短、频率极高的优点，加之激光的相干性、单色性和方向性好等特点，因此，激光通信系统与其他通信系统相比，具有以下优点：(1)通信容量大，激光通信系统可利用的带宽是无线电射频波段的105倍，激光通信的调制带宽可达到40Gbit/s；(2)系统尺寸、质量和功耗明显降低，由于激光波长很短，系统所用的器件尺寸明显减小，质量和功耗也随之降低，比如：一个15.24cm的光学发射天线的有效增益为122dB，而一个64m的射频天线的有效增益仅为60dB左右；(3)各通信链路间的电磁干扰小，由于激光通信系统使用激光作为光源，其发散角很小，能量集中在很窄的光束中，这就意味着和邻近的通信链路干扰将会减小；(4)保密性强，由于激光光束的发散角很小，较难对通信信息进行侦听和干扰。

图1为现有的激光通信系统的结构示意图。现结合图1，对现有的激光通信系统的结构进行说明，具体如下：

现有的激光通信系统包含相同的两个子系统，每一个子系统都包含：光信号生成装置、分束镜13、光收发天线14、瞄准、捕获及跟踪(Acquisition、Pointing and Tracking，APT)系统15、滤波器16、光电探测器17及信号处理装置18；其中，光信号生成装置包含激光器10、信号源11和调制器12；光收发天线14可采用现有的反射式望远镜。如图1所示，若现有的激光通信系统包含的一个子系统用于信号发送，则现有的激光通信系统包含的另一个子系统用于信号接收，比如：用于信号发送的子系统中，激光器10出射用以作为载波的激光；调制器12将信号源11产生的信号调制到作为载波的激光上，并出射至分束镜13；分束镜13透射调制器12输出的携带信号的激光至光收发天线14；光收发天线14将携带信号的激光，经光信道传输至用于信号接收的子系统。用于信号接收的子系统中，光收发天线14接收携带信号的激光，输出携带信号的激光至分束镜13；分束镜13反射携带信号的激光至滤波器16；滤波器16对接收到的携带信号的激光进行滤波，取出噪声，并输出处理后的携带信号的激光至光电探测器17；光电探测器17将接收到的处理后的携带信号的激光转换成电信号，并输出至信号处理装置18；信号处理装置18对接收到的电信号进行解调、滤波和放大，获得信号并输出。现有的激光通信系统中的APT系统15用于对光收发天线14的位置进行调整，建立用于信号发送的子系统包含的光收发天线14、与用于信号接收的子系统包含的光收发天线14之间的对准，以便保证发射和接收之间传输的携带信号的激光的能量最强。

由于激光通信为了实现远距离高速率通信，必须保证发射激光束有较小的束散角，甚至要达到微弧度量级，这就对通信双方光学天线的对准提出了较高的要求。而现有的激光通信系统包含的APT系统是通过APT系统内部的电机及机械转台来实现光收发天线14转动的，由于光收发天线14及机械转台的转动惯量较大，较难实现更快速度、更高频率的转动，这就造成了通信双方的通信链路较难实现连续通信；同时，APT系统包含的用于进行瞄准和跟踪的系统虽然能够实现快速跟踪，但由于视场和变动范围较小，对于较大幅度的振动难以调整，因此，现有的激光通信系统还有待进一步改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光通信系统，该系统能够实现快速捕获，建立可连续通信的通信链路，降低大幅度振动对通信链路的影响，提高通信链路的稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种激光通信系统，该系统包含光信号生成装置、光电探测器和与光电探测器连接的信号处理装置，该系统还包含：

全向光收发天线，用于接收外部的携带信号的激光，调整携带信号的激光的光路；用于接收第一分光子系统透射的待发送的携带信号的激光，调整待发送的携带信号的激光的光路，将待发送的携带信号的激光变为平行光出射；

第一分光子系统，用于将全向光收发天线出射的携带信号的激光的一部分反射至跟踪子系统，另一部分透射至第一聚焦子系统；用于将第一聚焦子系统出射的待发送的携带信号的激光透射至全向光收发天线；

第一聚焦子系统，用于对第一分光子系统透射的携带信号的激光进行聚焦和透射；用于接收第二分光子系统反射的待发送的携带信号的激光，将待发送的携带信号的激光透射至第一分光子系统；

跟踪子系统，用于采集第一分光子系统反射的携带信号的激光的位置图像，根据位置图像和图像采集的中心点计算一偏移量，并根据偏移量控制第一聚焦子系统的位置；

第二分光子系统，用于将第一聚焦子系统透射的聚焦后的携带信号的激光的一部分透射至光电探测器；用于将光信号生成装置出射的待发送的携带信号的激光反射至第一聚焦子系统。

上述系统中，所述全向光收发天线包含：呈圆柱状的外壳、正多棱锥反射镜和N个第一会聚透镜；所述N为大于2的整数；

所述N个第一会聚透镜环绕镶嵌于所述外壳的柱形侧面，相邻两个第一会聚透镜间的距离相同，且所述N个第一会聚透镜的光心所在平面与所述外壳的底面平行；

所述N个第一会聚透镜中的任一第一会聚透镜用于接收外部的携带信号的激光，将携带信号的激光会聚后，透射至正多棱锥反射镜；所述N个第一会聚透镜中的任一第一会聚透镜用于将所述正多棱锥反射镜反射的待发送的携带信号的激光变为平行光出射；

所述正多棱锥反射镜装设于所述外壳中，其底面平行且靠近所述外壳的顶面，其顶点靠近所述外壳的底面，其锥面个数为N，每一个锥面与一个第一会聚透镜相对，且每一个锥面与相对的第一会聚透镜间的距离相同；

所述正多棱锥反射镜包含的任一锥面用于将该锥面相对的第一会聚透镜出射的携带信号的激光反射至所述第一分光子系统；所述正多棱锥反射镜包含的任一锥面用于将所述第一分光子系统透射的待发送的携带信号的激光反射至与该锥面相对的第一会聚透镜。

上述系统中，所述第一分光子系统为一个第一分束镜；

所述第一分束镜与所述正多棱锥反射镜的底面间的夹角为θ；所述θ大于0且小于90°；

所述第一分束镜用于将所述正多棱锥反射镜反射的携带信号的激光的一部分反射至跟踪子系统，另一部分透射至第一聚焦子系统；用于将第一聚焦子系统出射的待发送的携带信号的激光透射至所述正多棱锥反射镜的锥面上。

上述系统中，所述第一分光子系统包含N个第二分束镜；

所述N个第二分束镜中每一个第二分束镜与所述正多棱锥反射镜的一个锥面相对，且与相对的锥面间的夹角为α；所述α大于0且小于90°；

所述N个第二分束镜中的任一第二分束镜用于将其相对的所述正多棱锥反射镜的锥面反射的携带信号的激光的一部分反射至跟踪子系统，另一部分头透射至第一聚焦子系统；用于将第一聚焦子系统出射的待发送的携带信号的激光透射至与其相对的所述正多棱锥反射镜的锥面。

上述系统中，所述跟踪子系统包含：

第二会聚透镜，与所述第一分束镜的夹角为90°-θ；用于对所述第一分束镜反射的携带信号的激光进行聚焦和透射；

第一探测器，用于采集第二会聚透镜透射的聚焦后的携带信号的激光的位置图像，输出位置图像至第一误差提取模块；

第一误差提取模块，对位置图像进行分析，并计算聚焦后的携带信号的激光所在位置相对于所述第一探测器的图像采集的中心点的偏移量，输出偏移量至第一驱动模块；

第一驱动模块，根据偏移量调整所述第一聚焦子系统的位置，以使得所述第一聚焦子系统聚焦后的携带信号的激光经所述第二分光子系统透射后，入射至所述光电探测器的中心区域。

上述系统中，所述跟踪子系统包含N个跟踪控制装置，所述N个跟踪控制装置中的每一个跟踪控制装置与一个第二分束镜相对；

所述N个跟踪控制装置中的每一个跟踪控制装置采集与其相对的第二分束镜反射的携带信号的激光的位置图像，根据位置图像和图像采集的中心点计算一偏移量，根据偏移量控制第一聚焦子系统的位置。

上述系统中，所述跟踪控制装置包含：

第三会聚透镜，与相对的第二分束镜的夹角为90°-α；用于对其相对的第二分束镜反射的携带信号的激光进行聚焦和透射；

第二探测器，用于采集与其相对的第三会聚透镜透射的聚焦后的携带信号的激光的位置图像，输出位置图像至第二误差提取模块；

第二误差提取模块，对位置图像进行分析，并计算聚焦后的携带信号的激光所在位置相对于所述第二探测器的图像采集的中心点的偏移量，输出偏移量至第二驱动模块；

第二驱动模块，根据偏移量调整所述第一聚焦子系统的位置，以使得所述第一聚焦子系统聚焦后的携带信号的激光经所述第二分光子系统透射后，入射至所述光电探测器的中心区域。

上述系统中，所述第二分光子系统为一个第三分束镜，

所述第三分束镜与所述正多棱锥反射镜的底面间的夹角为θ；所述θ大于0且小于90°；

所述第三分束镜用于将携带信号的激光透射至光电探测器；用于将待发送的携带信号的激光反射至第一聚焦子系统。

上述系统中，所述第二分光子系统包含N个第四分束镜，

所述N个第四分束镜中每一个第四分束镜与所述正多棱锥反射镜的一个锥面相对，且与相对的锥面间的夹角为α；所述α大于0且小于90°；

所述N个第四分束镜中的任一第四分束镜，用于将其相对的所述正多棱锥反射镜的锥面反射的携带信号的激光经第一分光子系统和第一聚焦子系统透射的部分激光，透射至所述光电探测器；用于将所述光信号生成装置出射的待发送的携带信号的激光反射至所述第一聚焦子系统。

上述系统中，所述第一聚焦子系统为一个第一空间光调制器；

所述第一空间光调制器包含的光线入射平面与所述正多棱锥的底面平行；所述第一空间光调制器的光线入射平面包含N个聚焦子区域，所述N个聚焦子区域中的一个聚焦子区域与所述正多棱锥反射镜的一个锥面相对；

所述N个聚焦子区域中的任一聚焦子区域用于对相对的锥面反射的携带信号的激光经第一分光子系统透射的部分激光进行聚焦和透射；用于接收第二分光子系统反射的待发送的携带信号的激光，将待发送的携带信号的激光透射至第一分光子系统。

较佳地，所述第二分光子系统与所述光信号生成装置之间，还装设有一个第二聚焦子系统；

所述第二聚焦子系统用于将光信号生成装置出射的待发送的携带信号的激光进行聚焦，将聚焦后的待发送的携带信号的激光透射至第二分光子系统。

上述系统中，所述第二分光子系统为一个第二空间光调制器。

由上述的技术方案可见，本发明提供了一种激光通信系统，该系统的全向光收发天线接收外部的携带信号的激光，调整携带信号的激光的光路，并通过第一分光子系统反射一部分激光至跟踪子系统，透射一部分激光至第一聚焦子系统；将接收到的第一分光子系统透射的待发送的携带信号的激光变为平行光出射；跟踪子系统采集第一分光子系统反射的携带信号的激光的位置图像，根据位置图像和图像采集的中心点计算一偏移量，并根据偏移量控制第一聚焦子系统的位置，以使得第一聚焦子系统透射的激光经第二分光子系统入射至光电探测器。本发明的跟踪子系统不再采用现有的APT系统，而是根据计算的偏移量快速地调整第一聚焦子系统的位置，以实现快速地捕获，同时，全向光收发天线能够对任意方向的携带信号的激光进行接收，全向光收发天线与跟踪子系统的结合，实现了建立可连续通信的通信链路；同时，利用空间光调制器作为第一聚焦子系统，实现了大视场和高速率的目标跟踪，克服了移动目标间通信过程中颠簸和振动的影响，提高了通信链路的稳定性。

附图说明

图1为现有的激光通信系统的结构示意图。

图2为本发明激光通信系统实施例一的结构示意图。

图3为本发明激光通信系统实施例二的结构示意图。

图4(a)为本发明激光通信系统的光学天线的立体图。

图4(b)为本发明激光通信系统的光学天线的俯视图。

图4(c)为本发明全向光收发天线包含的正多棱锥反射镜的结构示意图。

图5为本发明激光通信系统的空间光调制器的分区示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图2为本发明激光通信系统实施例一的结构示意图。图4(a)为本发明激光通信系统的光学天线的立体图。图4(b)为本发明激光通信系统的光学天线的俯视图。图4(c)为本发明全向光收发天线包含的正多棱锥反射镜的结构示意图。图5为本发明激光通信系统的空间光调制器的分区示意图。现结合图2、图4(a)、图4(b)、图4(c)和图5，对本发明激光通信系统的实施例一进行说明，具体如下：

本发明的激光通信系统包含：全向光收发天线20、第一分光子系统21、跟踪子系统22、第一聚焦子系统23、第二分光子系统24、光信号生成装置25、光电探测器17及信号处理器装置18。

其中，光信号生成装置25用于产生待发送的携带信号的激光，其结构与现有的光信号生成装置(图1中未示出)相同，即包含激光器10、信号源11和调制器12，在下述实施例中，不再对光信号生成装置的结构进行赘述；光电探测器17及信号处理器装置18与现有的激光通信系统相同，在下述实施例中，不再对光电探测器17及信号处理装置18的结构进行赘述。

全向光收发天线20用于接收外部的携带信号的激光，调整携带信号的激光的光路，以使得携带信号的激光入射至第一分光子系统21；用于接收第一分光子系统21透射的待发送的携带信号的激光，调整待发送的携带信号的激光的光路，将待发送的携带信号的激光变为平行光出射。

第一分光子系统21用于将全向光收发天线20出射的携带信号的激光的一部分反射至跟踪子系统22，另一部分透射至第一聚焦子系统23；用于将第一聚焦子系统23出射的待发送的携带信号的激光透射至全向光收发天线20。

第一聚焦子系统23用于对第一分光子系统21透射的携带信号的激光进行聚焦和透射，以使得聚焦后的携带信号的激光经第二分光子系统24透射后，入射至光电探测器17；用于接收第二分光子系统24反射的待发送的携带信号的激光，将待发送的携带信号的激光透射至第一分光子系统21。

跟踪子系统22用于采集第一分光子系统21反射的携带信号的激光的位置图像，根据位置图像和图像采集的中心点计算一偏移量，并根据偏移量控制第一聚焦子系统23的位置。

第二分光子系统24用于将第一聚焦子系统透射的聚焦后的携带信号的激光的一部分透射至光电探测器17；用于将光信号生成装置25出射的待发送的携带信号的激光反射至第一聚焦子系统23。

本实施例中的激光通信系统还可进一步包含一个第二聚焦子系统26，该第二聚焦子系统26装设于光信号生成装置25与第二分光子系统24之间，用于将光信号生成装置25出射的待发送的携带信号的激光进行聚焦和透射，以使得第二分光子系统24将待发送的携带信号的激光反射至第一聚焦子系统23。具体地，本实施例的第二聚焦子系统26可采用一个第二空间光调制器，该第二空间光调制器所包含的光线入射平面与信号生成装置25包含的光线出射平面平行。

其中，本实施例的全向光收发天线20包含：正多棱锥反射镜200、N个第一会聚透镜201和外壳202；其中，N为大于2的整数，且与正多棱锥反射镜200包含的锥面个数相等。

外壳202成圆柱状，将其靠近第一分光子系统21的端面设为底面，则另一端面为顶面；外壳202的底面具有一开口，以使得激光通过。

N个第一会聚透镜201镶嵌于外壳202的柱形侧面上，且相邻两个第一会聚透镜201间的距离相同，且N个第一会聚透镜201的光心所在平面与外壳202的两端面平行。具体地，N个第一会聚透镜201环绕镶嵌于外壳202的柱形侧面上，任意相邻两个第一会聚透镜201的光心间的距离相通，N个第一会聚透镜201的光心共圆，且该圆所在平面与外壳202的两端面平行；每一个第一会聚透镜201可作为全向光收发天线20的一个光学窗口，该光学窗口的视场为360°/N，比如：图4(a)和图4(b)所示的全向光收发天线包含8个第一会聚透镜201，若每一个第一会聚透镜201作为全向光收发天线20的光学窗口，则每一个光学窗口的视场为45°。

正多棱锥反射镜200装设于外壳202中，正多棱锥反射镜200的底面平行且靠近于外壳202的顶面，其顶点靠近外壳202的底面，其包含的N个锥面中每一个锥面与一个第一会聚透镜201相对，且每一个锥面与相对的第一会聚透镜201间的距离相同。具体地，正多棱锥反射镜200的底面可镶嵌于外壳202的顶面上，其每一个锥面面积不小于第一会聚透镜201出射的携带信号的激光的光斑的面积；比如：图4(b)和图4(c)所示的全向光收发天线的正多棱锥反射镜200为正八棱锥反射镜，其锥面和底面的夹角为45°。

全向光收发天线20包含的任一第一会聚透镜201用于接收外部的携带信号的激光，将携带信号的激光会聚后，透射至正多棱锥反射镜200中与该第一会聚透镜201相对的锥面上；任一第一会聚透镜201用于将与其相对的正多棱锥反射镜200的锥面反射的待发送的携带信号的激光变为平行光出射。

正多棱锥反射镜200包含的任一锥面用于将任一第一会聚透镜201出射的携带信号的激光反射至第一分光子系统21；任一锥面用于将第一分光子系统21透射的待发送的携带信号的激光反射至与该锥面相对的第一会聚透镜201。

其中，本实施例的第一分光子系统21为一个第一分束镜210，其装设于全向光收发天线20与第一会聚子系统23之间，与全向光收发天线20包含的正多棱锥反射镜201的底面间的夹角为θ；θ为大于0且小于90°。

第一分束镜210用于将全向光收发天线20的正多棱锥反射镜200反射的携带信号的激光的一部分反射至跟踪子系统22，另一部分透射至第一聚焦子系统23；用于将第一聚焦子系统23出射的待发送的携带信号的激光透射至全向光收发天线20的正多棱锥反射镜200所包含的锥面上。第一分束镜210的透光与反光之比可根据需要进行选择，在此不再赘述。

其中，本实施例的跟踪子系统22包含：第二会聚透镜221、第一探测器222、第一误差提取模块223和第一驱动模块224。

第二会聚透镜221与第一分束镜210的夹角为90°-θ，换句话说，第二会聚透镜221的主光轴与第一会聚透镜201的主光轴平行；第二会聚透镜221用于对第一分束镜210反射的携带信号的激光进行聚焦和透射，以使得聚焦后的携带信号的激光入射至第一探测器222。其中，经第二会聚透镜221聚焦后的携带信号的激光在第一探测器222的图像采集平面形成一光斑。

第一探测器222用于采集第二会聚透镜透射的聚焦后的携带信号的激光的位置图像，输出位置图像至第一误差提取模块223。第一探测器222可以是由现有的电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)组成的用于进行图像采集的阵列，或是由现有的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)组成的用于进行图像采集的阵列，在此不再对第一探测器222的具体结构进行赘述。

第一误差提取模块223对获取的位置图像进行分析，计算聚焦后的携带信号的激光所形成的光斑相对于第一探测器222的图像采集的中心点的偏移量，输出偏移量至第一驱动模块224。具体地，入射至本发明激光通信系统的携带信号的激光所在的入射轴为目标视轴，光电探测器17接收激光的入射轴为天线视轴，携带信号的激光所在的入射轴为该激光通信系统与进行通信的另一系统间连线；目标视轴偏离天线视轴时，位置图像中包含的聚焦后的携带信号的激光所形成的光斑偏离第一探测器222的图像采集的中线点，换句话说，携带信号的激光无法通过第一聚焦子系统23和第二分光子系统24，进入光电探测器17中，因此，需要对第一聚焦子系统23的位置进行调整，已使得目标视轴与天线视轴重合，进而使携带信号的激光以尽可能大的能量入射至光电探测器17中。

第一驱动模块224根据偏移量调整第一聚焦子系统23的位置，以使得第一聚焦子系统23聚焦后的携带信号的激光经第二分光子系统24后，入射至光电探测器17。具体地，第一驱动模块224根据偏移量反向调整第一聚焦子系统23的位置，以使得目标视轴与天线视轴重合。

其中，本发明的第一聚焦子系统23为一个第一空间光调制器；该第一空间光调制器包含的光线入射平面与正多棱锥反射镜200的底面平行，且光线入射平面包含N个聚焦子区域，N个聚焦子区域与正多棱锥反射镜200的一个锥面相对，以使得正多棱锥反射镜200的锥面反射的携带信号的激光通过相对的聚焦子区域改变光路，进而经第二分光子系统24透射至光电探测器17中。比如：图5所示的第一空间光调制器包含的光线入射平面被划分为8个聚焦子区域，每个聚焦子区域根据其所对的锥面和相对于光电探测器17的位置，被设置了不同的光路调整参数，具体设置光路调整参数的内容属于现有技术，在此不再赘述。

第一空间光调制器包含的N个聚焦子区域中的任一聚焦子区域用于对相对的锥面反射的携带信号的激光经第一分光子系统21透射的部分激光进行聚焦和透射，调整携带信号的激光的光路，以使得经该聚焦子区域透射的激光经第二分光子系统24透射后，入射至光电探测器17；用于接收第二分光子系统24反射的待发送的携带信号的激光，将待发送的携带信号的激光透射至第一分光子系统21，以使得通过第一分光子系统21透射的待发送的携带信号的激光入射至该聚焦子区域相对的锥面。

其中，本实施例的第二分光子系统24为一个第三分束镜240；第三分束镜240与正多棱锥反射镜200的底面间的夹角为θ，换句话说，第三分束镜240与第一分束镜210平行；所述θ为大于0且小于90°。第三分束镜240用于将第一聚焦子系统23透射的携带信号的激光透射至光电探测器17，用于将光信号生成装置25出射的待发送的携带信号的激光反射至第一聚焦子系统23。第一分束镜210的透光与反光之比可根据需要进行选择，在此不再赘述。

图3为本发明激光通信系统实施例二的结构示意图。本实施的激光通信系统与实施例一的系统相比，仅是第一分光子系统21、跟踪子系统和第二分光子系统24的内部结构不同，并且该实施例包含的光信号生成装置25的个数为N。现结合图3，仅对实施例二与实施例一不同的结构进行说明，具体如下：

其中，本实施例的第一分光子系统21包含N个第二分束镜310，每一个第二分束镜310与正多棱锥反射镜200的一个锥面相对，且与相对的锥面间的夹角为α；所述α为大于0且小于90°。

N个第二分束镜310中的任一第二分束镜310用于将其相对的正多棱锥反射镜200的锥面反射的携带信号的激光的一部分反射至跟踪子系统，另一部分头透射至第一聚焦子系统23；用于将第一聚焦子系统23出射的待发送的携带信号的激光透射至与其相对的正多棱锥反射镜200的锥面。比如：若该系统采用的是正八棱锥反射镜，则第一分光子系统21包含8个第二分束镜310，且每一个第二分束镜310的位置由其相对的锥面反射的光斑所在位置确定，以锥面反射的光斑位于第二分束镜310的中心为最佳。

其中，本实施例的系统所包含的跟踪子系统包含N个跟踪控制装置32；每一个跟踪控制装置32与一个第二分束镜310相对。N个跟踪控制装置32中的每一个跟踪控制装置32采集与其相对的第二分束镜310反射的携带信号的激光的位置图像，根据位置图像和图像采集的中心点计算一偏移量，根据偏移量控制第一聚焦子系统23的位置。

其中，跟踪控制装置32包含：第三会聚透镜321、第二探测器322、第二误差提取模块323和第二驱动模块324。

第三会聚透镜321与相对的第二分束镜310的夹角为90°-θ，换句话说，第三会聚透镜321的主光轴与第一会聚透镜201的主光轴平行；第三会聚透镜321用于对其相对的第二分束镜310反射的携带信号的激光进行聚焦和透射，以使得聚焦后的携带信号的激光入射至第二探测器322。其中，经第三会聚透镜321聚焦后的携带信号的激光在第二探测器322的图像采集平面形成一光斑。

第二探测器322用于采集与其相对的第三会聚透镜321透射的聚焦后的携带信号的激光的位置图像，输出位置图像至第二误差提取模块323。第二探测器322可以是由现有的电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)组成的用于进行图像采集的阵列，或是由现有的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)组成的用于进行图像采集的阵列，在此不再对其具体结构进行赘述。

第二误差提取模块323对获取的位置图像进行分析，计算聚焦后的携带信号的激光所形成的光斑相对于第二探测器322的图像采集的中心点的偏移量，输出偏移量至第二驱动模块324。具体地，入射至本发明激光通信系统的携带信号的激光所在的入射轴为目标视轴，光电探测器17接收激光的入射轴为天线视轴，携带信号的激光所在的入射轴为该激光通信系统与进行通信的另一系统间连线；目标视轴偏离天线视轴时，位置图像中包含的聚焦后的携带信号的激光所形成的光斑偏离第二探测器322的图像采集的中线点，换句话说，携带信号的激光无法通过第一聚焦子系统23和第二分光子系统24，进入光电探测器17中，因此，需要对第一聚焦子系统23的位置进行调整，已使得目标视轴与天线视轴重合，进而使携带信号的激光以尽可能大的能量入射至光电探测器17中。

第二驱动模块324根据偏移量调整第一聚焦子系统23的位置，以使得第一聚焦子系统23聚焦后的携带信号的激光经第二分光子系统24后，入射至光电探测器17。具体地，第二驱动模块324根据偏移量反向调整第一聚焦子系统23的位置，以使得目标视轴与天线视轴重合。

其中，本实施例的第二分光子系统24包含N个第四分束镜340。

N个第四分束镜340中每一个第四分束镜340与正多棱锥反射镜200的一个锥面相对，且与相对的锥面间的夹角为α；所述α为大于0且小于90°；

N个第四分束镜340中的任一第四分束镜340用于将其相对的正多棱锥反射镜200的锥面反射的携带信号的激光，经第一分光子系统21和第一聚焦子系统23透射的部分激光，透射至光电探测器17；用于将光信号生成装置25出射的待发送的携带信号的激光反射至第一聚焦子系统23，以使得待发送的携带信号的激光经第一聚焦子系统23和第一分光子系统21，透射至与该第四分束镜340相对的正多棱锥反射镜200的锥面。

以上仅为本发明的两个较佳实施例，用实施例二中的N个第二分束镜310替换实施例一的第一分束镜210，相应地，用实施例二的N个跟踪控制装置32替换实施例一的跟踪子系统22，则形成本发明的实施例三。同理，用实施例二中的N个第四分束镜340替换实施例一中的第三分束镜240，相应地，用实施例二的N个光信号生成装置25替换实施例一中的一个光信号生成装置25和第二聚焦子系统226，则形成本发明的实施例四。根据上述实施例一和实施例二的说明，可得到实施例三和实施例四的具体结构，在此不再进行赘述。

本发明的上述较佳实施例中，利用全向光收发天线实现了360°收发信号，利用第一聚焦子系统和跟踪子系统实现了快速的捕获和跟踪；由于本系统无需采用现有的APT系统中的复杂的机械转台来进行对准和捕获，降低了建立通信链路所耗费的时间；由于利用空间光调制器作为第一聚焦子系统，实现了大视场和高速率的目标跟踪，克服了移动目标间通信过程中颠簸和振动的影响，提高了通信链路的稳定性。

综上所述，以上为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种激光通信系统，该系统包含光信号生成装置、光电探测器和与光电探测器连接的信号处理装置，其特征在于，该系统还包含：

全向光收发天线，用于接收外部的携带信号的激光，调整携带信号的激光的光路；用于接收第一分光子系统透射的待发送的携带信号的激光，调整待发送的携带信号的激光的光路，将待发送的携带信号的激光变为平行光出射；

第一分光子系统，用于将全向光收发天线出射的携带信号的激光的一部分反射至跟踪子系统，另一部分透射至第一聚焦子系统；用于将第一聚焦子系统出射的待发送的携带信号的激光透射至全向光收发天线；

第一聚焦子系统，用于对第一分光子系统透射的携带信号的激光进行聚焦和透射；用于接收第二分光子系统反射的待发送的携带信号的激光，将待发送的携带信号的激光透射至第一分光子系统；

跟踪子系统，用于采集第一分光子系统反射的携带信号的激光的位置图像，根据位置图像和图像采集的中心点计算一偏移量，并根据偏移量控制第一聚焦子系统的位置；

第二分光子系统，用于将第一聚焦子系统透射的聚焦后的携带信号的激光的一部分透射至光电探测器；用于将光信号生成装置出射的待发送的携带信号的激光反射至第一聚焦子系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述全向光收发天线包含：呈圆柱状的外壳、正多棱锥反射镜和N个第一会聚透镜；所述N为大于2的整数；

所述N个第一会聚透镜环绕镶嵌于所述外壳的柱形侧面，相邻两个第一会聚透镜间的距离相同，且所述N个第一会聚透镜的光心所在平面与所述外壳的底面平行；

所述N个第一会聚透镜中的任一第一会聚透镜用于接收外部的携带信号的激光，将携带信号的激光会聚后，透射至正多棱锥反射镜；所述N个第一会聚透镜中的任一第一会聚透镜用于将所述正多棱锥反射镜反射的待发送的携带信号的激光变为平行光出射；

所述正多棱锥反射镜装设于所述外壳中，其底面平行且靠近所述外壳的顶面，其顶点靠近所述外壳的底面，其锥面个数为N，每一个锥面与一个第一会聚透镜相对，且每一个锥面与相对的第一会聚透镜间的距离相同；

所述正多棱锥反射镜包含的任一锥面用于将该锥面相对的第一会聚透镜出射的携带信号的激光反射至所述第一分光子系统；所述正多棱锥反射镜包含的任一锥面用于将所述第一分光子系统透射的待发送的携带信号的激光反射至与该锥面相对的第一会聚透镜。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一分光子系统为一个第一分束镜；

所述第一分束镜与所述正多棱锥反射镜的底面间的夹角为θ；所述θ大于0且小于90°；

所述第一分束镜用于将所述正多棱锥反射镜反射的携带信号的激光的一部分反射至跟踪子系统，另一部分透射至第一聚焦子系统；用于将第一聚焦子系统出射的待发送的携带信号的激光透射至所述正多棱锥反射镜的锥面上。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一分光子系统包含N个第二分束镜；

所述N个第二分束镜中每一个第二分束镜与所述正多棱锥反射镜的一个锥面相对，且与相对的锥面间的夹角为α；所述α大于0且小于90°；

所述N个第二分束镜中的任一第二分束镜用于将其相对的所述正多棱锥反射镜的锥面反射的携带信号的激光的一部分反射至跟踪子系统，另一部分头透射至第一聚焦子系统；用于将第一聚焦子系统出射的待发送的携带信号的激光透射至与其相对的所述正多棱锥反射镜的锥面。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述跟踪子系统包含：

第二会聚透镜，与所述第一分束镜的夹角为90°-θ；用于对所述第一分束镜反射的携带信号的激光进行聚焦和透射；

第一探测器，用于采集第二会聚透镜透射的聚焦后的携带信号的激光的位置图像，输出位置图像至第一误差提取模块；

第一误差提取模块，对位置图像进行分析，并计算聚焦后的携带信号的激光所在位置相对于所述第一探测器的图像采集的中心点的偏移量，输出偏移量至第一驱动模块；

第一驱动模块，根据偏移量调整所述第一聚焦子系统的位置，以使得所述第一聚焦子系统聚焦后的携带信号的激光经所述第二分光子系统透射后，入射至所述光电探测器的中心区域。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述跟踪子系统包含N个跟踪控制装置，所述N个跟踪控制装置中的每一个跟踪控制装置与一个第二分束镜相对；

所述N个跟踪控制装置中的每一个跟踪控制装置采集与其相对的第二分束镜反射的携带信号的激光的位置图像，根据位置图像和图像采集的中心点计算一偏移量，根据偏移量控制第一聚焦子系统的位置。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述跟踪控制装置包含：

第三会聚透镜，与相对的第二分束镜的夹角为90°-α；用于对其相对的第二分束镜反射的携带信号的激光进行聚焦和透射；

第二探测器，用于采集与其相对的第三会聚透镜透射的聚焦后的携带信号的激光的位置图像，输出位置图像至第二误差提取模块；

第二误差提取模块，对位置图像进行分析，并计算聚焦后的携带信号的激光所在位置相对于所述第二探测器的图像采集的中心点的偏移量，输出偏移量至第二驱动模块；

第二驱动模块，根据偏移量调整所述第一聚焦子系统的位置，以使得所述第一聚焦子系统聚焦后的携带信号的激光经所述第二分光子系统透射后，入射至所述光电探测器的中心区域。

8.根据权利要求2至7任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二分光子系统为一个第三分束镜，

所述第三分束镜与所述正多棱锥反射镜的底面间的夹角为θ；所述θ大于0且小于90°；

所述第三分束镜用于将携带信号的激光透射至光电探测器；用于将待发送的携带信号的激光反射至第一聚焦子系统。

9.根据权利要求2至7任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二分光子系统包含N个第四分束镜，

所述N个第四分束镜中每一个第四分束镜与所述正多棱锥反射镜的一个锥面相对，且与相对的锥面间的夹角为α；所述α大于0且小于90°；

所述N个第四分束镜中的任一第四分束镜，用于将其相对的所述正多棱锥反射镜的锥面反射的携带信号的激光经第一分光子系统和第一聚焦子系统透射的部分激光，透射至所述光电探测器；用于将所述光信号生成装置出射的待发送的携带信号的激光反射至所述第一聚焦子系统。

10.根据权利要求1至7任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第一聚焦子系统为一个第一空间光调制器；

所述第一空间光调制器包含的光线入射平面与所述正多棱锥的底面平行；所述第一空间光调制器的光线入射平面包含N个聚焦子区域，所述N个聚焦子区域中的一个聚焦子区域与所述正多棱锥反射镜的一个锥面相对；

所述N个聚焦子区域中的任一聚焦子区域用于对相对的锥面反射的携带信号的激光经第一分光子系统透射的部分激光进行聚焦和透射；用于接收第二分光子系统反射的待发送的携带信号的激光，将待发送的携带信号的激光透射至第一分光子系统。

11.根据权利要求1至7任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二分光子系统与所述光信号生成装置之间，还装设有一个第二聚焦子系统；

所述第二聚焦子系统用于将光信号生成装置出射的待发送的携带信号的激光进行聚焦，将聚焦后的待发送的携带信号的激光透射至第二分光子系统。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第二分光子系统为一个第二空间光调制器。

Images