CN104320182A - 一种空间光通信系统收发轴一致性的校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空间光通信系统收发轴一致性的校准装置及方法,以精确测量空间光通信端机发射轴与接收轴的之间的差异,从而对空间光通信系统收发轴同轴度参数进行校准,满足空间光通信系统高精度的瞄准和跟踪要求。采用上述方案,通过设置高精度的平行参考光束,经分束镜分光后一路经高倍率的光束变换系统扩束作为测量光束,一路作为参考,可由QD探测器直接测量得到空间光通信端机发射轴与接收轴方位信息,当系统的有效焦距为20m,位置测量精度为1μm,系统的测量精度达到0.05urad。
Description
技术领域
本发明属于空间光通信系统参数测量技术领域,尤其涉及的是一种空间光通信系统收发轴一致性的校准装置及方法。
背景技术
空间光通信是以激光作为信息载体在空间进行高速数据传输的通信方式,具有容量大、速率高、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、保密性和安全性好等优点。目前,空间激光通信系统大多是采用收发共用同一天线的光学系统,由于空间激光通信光束达到或接近衍射极限,其光束发散角一般为几十个微弧度,而进行通信的两个空间激光通信端机通常处于相对运动和振动的条件下实现高精度的瞄准和跟踪,这对空间激光通信端机发射轴与接收轴的一致性提出了非常高的要求,一般要求达到通信光束束散角的1/6~1/8,为几个微弧度。因此,需要在空间激光通信端机加工装调完成后对其发射轴与接收轴的一致性进行测量校准。
目前,在光学系统的收发轴一致性的测量方法中,主要是针对空间激光通信光学天线装调过程应用的,缺少在空间激光通信装调完成后对发射轴与接收轴的一致性高精度的测量评价方法。例如,基于角锥棱镜的光束原路返回特性,把空间激光通信端机发射光束原路反射回端机的接收光路,以此作为基准对接收光路进行调整,使得发射轴与接收轴的尽量一致。但是角锥棱镜法存在着调整精度低、大孔径角锥棱镜难以加工等缺点,难以满足空间光通信系统高精度的瞄准和跟踪要求。
因此,现有技术存在缺陷,需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种空间光通信系统收发轴一致性的校准装置及方法。
本发明的技术方案如下:
一种空间光通信系统收发轴一致性的校准装置,其中,包括高倍率光束变换系统、平面反射镜、分束镜、高质量聚焦透镜、QD探测器、扫描反射镜、平行光束发射模块、五维调整机构及处理控制计算机;光电器件按照光传输方向相应排列,被测空间光通信终端位于高倍率光束变换系统之前,所述QD探测器位于高质量聚焦透镜后焦面上;所述QD探测器位于调整精度为1微米的五维调整机构上;校准过程为:
步骤1:检验平行参考光束经分束镜后的两臂光轴垂直,即QD探测器接收到两臂的光点完全重合:打开平行光束发射模块出射小口径平行光束,平行光束经扫描反射镜,1:1分束镜镜后,其中50%平行光束经分束镜反射后通过高倍率光束变换系统扩束为大口径平行光束,再由标准平面反射镜原路反射回,经高倍率光束变换系统、分束镜、高质量聚焦透镜后由QD探测器接收探测,另50%平行光束经分束镜透射后,由平面反射镜原路反射回,经分束镜反射由高质量聚焦透镜会聚后由QD探测器接收探测,调整扫描镜、平面反射镜、标准平面反射镜及五维调整机构使得平行光束平行于高倍率光束变换系统的光轴且经分束镜后的路光聚焦于QD探测器的同一点;
步骤2:被测空间光通信端机指向调整:将标准平面反射镜移走,替换为空间光通信端机,调整被测光端机系统光轴与高倍率光束变换系统光轴重合;
步骤3:空间光通信端机接收光轴测量:打开平行光束发射模块出射小口径平行光束,空间光通信端机接收探测,微调其指向,使得端机内的探测器接收到的光斑准确位于视场中心,记录此时QD探测器的光斑位置信息(x1,y1);
步骤4:空间光通信端机发射光轴测量:关闭平行光束发射模块,打开空间光通信端机激光发射系统,记录此时QD探测器的光斑位置信息(x2,y2);
步骤5:计算得出空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间的偏差:空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间偏差δ为:
δ=((x2-x1)2+(y2-y1)2)0.5/f
其中,f为光束变换系统1和聚焦透镜4的有效焦距。
所述的空间光通信系统收发轴一致性的校准装置,其中,所述高倍率光束变换系统的光轴与被测空间光通信终端的光轴平行并且有效口径大于被测空间光通信终端出射光束口径。
所述的空间光通信系统收发轴一致性的校准装置,其中,所述的平面反射镜其面形精度优于PVλ/20。
所述的空间光通信系统收发轴一致性的校准装置,其中,所述平行光束发射模块出射的标准平行光束达到衍射极限。
一种空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其中,包括以下步骤:
步骤1:检验平行参考光束经分束镜后的两臂光轴垂直,即QD探测器接收到两臂的光点完全重合:打开平行光束发射模块出射小口径平行光束,平行光束经扫描反射镜,1:1分束镜镜后,其中50%平行光束经分束镜反射后通过高倍率光束变换系统扩束为大口径平行光束,再由标准平面反射镜原路反射回,经高倍率光束变换系统、分束镜、高质量聚焦透镜后由QD探测器接收探测,另50%平行光束经分束镜透射后,由平面反射镜原路反射回,经分束镜反射由高质量聚焦透镜会聚后由QD探测器接收探测,调整扫描镜、平面反射镜、标准平面反射镜及五维调整机构使得平行光束平行于高倍率光束变换系统的光轴且经分束镜后的路光聚焦于QD探测器的同一点;
步骤2:被测空间光通信端机指向调整:将标准平面反射镜移走,替换为空间光通信端机,调整被测光端机系统光轴与高倍率光束变换系统光轴重合;
步骤3:空间光通信端机接收光轴测量:打开平行光束发射模块出射小口径平行光束,空间光通信端机接收探测,微调其指向,使得端机内的探测器接收到的光斑准确位于视场中心,记录此时QD探测器的光斑位置信息x1,y1;
步骤4:空间光通信端机发射光轴测量:关闭平行光束发射模块,打开空间光通信端机激光发射系统,记录此时QD探测器的光斑位置信息x2,y2;
步骤5:计算得出空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间的偏差:空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间偏差δ为:
δ=((x2-x1)2+(y2-y1)2)0.5/f
其中,f为光束变换系统1和聚焦透镜4的有效焦距。
所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其中,所述高倍率光学变换系统的放大倍率为25×,有效通光口径为300mm。
所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其中,所述QD探测器的波长响应范围为350nm~1050nm,测量精度为1um。
所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其中,所述QD探测器替换为大面阵CCD探测器为像元数为2048×2056,像元大小为7.4um。
所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其中,所述平行光束发射模块为4D小口径动态干涉仪Phase Cam4020,输出光束口径为7mm。
所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其中,所述标准平面反射镜的有效通光口径为390mm,面形精度为PVλ/20。
采用上述方案,通过设置高精度的平行参考光束,经分束镜分光后一路经高倍率的光束变换系统扩束作为测量光束,一路作为参考,可由QD探测器直接测量得到空间光通信端机发射轴与接收轴方位信息,当系统的有效焦距为20m,位置测量精度为1um,系统的测量精度达到0.05urad。
附图说明
图1为本发明校准装置的结构示意图;
图2为本发明实施例中步骤1结构示意图;
图3为本发明实施例中步骤3结构示意图;
图4为本发明实施例中步骤4结构示意图。
图中:1为高倍率光束变换系统、2为平面反射镜、3为分束镜、4为高质量聚焦透镜、5为QD探测器、6为扫描反射镜、7为平行光束发射模块、8为五维调整机构、9为处理控制计算机、10为标准平面反射镜、11为被测空间光通信端机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例,对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示,本发明涉及的一种空间光通信系统收发轴一致性的校准装置,它包括高倍率光束变换系统1、平面反射镜2、分束镜3、高质量聚焦透镜4、QD探测器5、扫描反射镜6、平行光束发射模块7、五维调整机构8及处理控制计算机9,所述光电器件按照光传输方向相应排列,被测空间光通信终端11位于高倍率光束变换系统1之前,所述QD探测器5位于高质量聚焦透镜4后焦面上,所述QD探测器5位于调整精度为1微米的五维调整机构上,所述高倍率光束变换系统光轴与被测光端机系统光轴平行并且有效口径大于被测光端机出射光束口径,所述的平面反射镜2其面形精度优于PVλ/20,所述平行光束发射模块7出射的标准平行光束达到衍射极限。
本发明空间光通信系统收发轴一致性的校准步骤如下:
如图2所示,步骤1:检验平行参考光束经分束镜3后的两臂光轴垂直即QD探测器5接收到两臂的光点完全重合:打开平行光束发射模块7出射小口径平行光束,平行光束经扫描反射镜6,1:1分束镜镜后,其中50%平行光束经分束镜反射后通过光束变换系统1扩束为大口径平行光束,再由标准平面反射镜10原路反射回,经光束变换系统1、分束镜3、聚焦透镜4后由QD探测器5接收探测,另50%平行光束经分束镜透射后,由平面反射镜2原路反射回,经分束镜3反射由聚焦透镜4会聚后由QD探测器5接收探测,调整扫描镜6、平面反射镜2、标准平面反射镜10及五维调整机构8使得平行光束平行于光束变换系统1光轴且经分束镜3后的路光聚焦于探测器5的同一点;
步骤2:被测空间光通信端机指向调整:将标准平面反射镜10移走,替换为空间光通信端机,调整被测光端机系统光轴与高倍率光束变换系统1光轴重合;
如图3所示,步骤3:空间光通信端机接收光轴测量:打开平行光束发射模块7出射小口径平行光束,空间光通信端机接收探测,微调其指向,使得端机内的探测器接收到的光斑准确位于视场中心,记录此时QD探测器5的光斑位置信息(x1,y1);
如图4所示,步骤4:空间光通信端机发射光轴测量:关闭平行光束发射模块7,打开空间光通信端机激光发射系统,记录此时QD探测器5的光斑位置信息(x2,y2);
步骤5:计算得出空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间的偏差:空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间偏差δ为:
δ=((x2-x1)2+(y2-y1)2)0.5/f
其中,f为光束变换系统1和聚焦透镜4的有效焦距。
实施例2
本实施方式与实施例1的不同点在于高倍率光学变换系统1的放大倍率为25×,有效通光口径为300mm。其它组成和步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施方式与实施例1不同点在于QD探测器5的波长响应范围为350nm~1050nm,测量精度为1um,选用Newport公司Model2901。其它组成和步骤与实施例1相同。
实施例4
本实施方式与实施例1不同点在于QD探测器5替换为大面阵CCD探测器5为像元数为2048×2056,像元大小为7.4um,选用Imperx公司ICL-B2020M-KC0。其它组成和步骤与实施例1相同。
实施例5
本实施方式与实施例1的不同点在平行光束发射模块7替换为4D小口径动态干涉仪Phase Cam4020,输出光束口径为7mm,步骤一中光轴调整可以通过干涉仪实现。其它组成和步骤与实施例1相同。
实施例6
本实施方式与实施例1不同点在于标准平面反射镜10的有效通光口径为390mm,面形精度为PVλ/20,为OPTICAL SURFACES定制产品,其它组成和步骤与实施例1相同。
采用上述方案,通过设置高精度的平行参考光束,经分束镜分光后一路经高倍率的光束变换系统扩束作为测量光束,一路作为参考,可由QD探测器直接测量得到空间光通信端机发射轴与接收轴方位信息,当系统的有效焦距为20m,位置测量精度为1um,系统的测量精度达到0.05urad。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种空间光通信系统收发轴一致性的校准装置,其特征在于,包括高倍率光束变换系统、平面反射镜、分束镜、高质量聚焦透镜、QD探测器、扫描反射镜、平行光束发射模块、五维调整机构及处理控制计算机;光电器件按照光传输方向相应排列,被测空间光通信终端位于高倍率光束变换系统之前,所述QD探测器位于高质量聚焦透镜后焦面上;所述QD探测器位于调整精度为1微米的五维调整机构上;校准过程为:
步骤1:检验平行参考光束经分束镜后的两臂光轴垂直,即QD探测器接收到两臂的光点完全重合:打开平行光束发射模块出射小口径平行光束,平行光束经扫描反射镜,1:1分束镜镜后,其中50%平行光束经分束镜反射后通过高倍率光束变换系统扩束为大口径平行光束,再由标准平面反射镜原路反射回,经高倍率光束变换系统、分束镜、高质量聚焦透镜后由QD探测器接收探测,另50%平行光束经分束镜透射后,由平面反射镜原路反射回,经分束镜反射由高质量聚焦透镜会聚后由QD探测器接收探测,调整扫描镜、平面反射镜、标准平面反射镜及五维调整机构使得平行光束平行于高倍率光束变换系统的光轴且经分束镜后的路光聚焦于QD探测器的同一点;
步骤2:被测空间光通信端机指向调整:将标准平面反射镜移走,替换为空间光通信端机,调整被测光端机系统光轴与高倍率光束变换系统光轴重合;
步骤3:空间光通信端机接收光轴测量:打开平行光束发射模块出射小口径平行光束,空间光通信端机接收探测,微调其指向,使得端机内的探测器接收到的光斑准确位于视场中心,记录此时QD探测器的光斑位置信息(x1,y1);
步骤4:空间光通信端机发射光轴测量:关闭平行光束发射模块,打开空间光通信端机激光发射系统,记录此时QD探测器的光斑位置信息(x2,y2);
步骤5:计算得出空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间的偏差:空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间偏差δ为:
δ=((x2-x1)2+(y2-y1)2)0.5/f
其中,f为光束变换系统1和聚焦透镜4的有效焦距。
2.如权利要求1所述的空间光通信系统收发轴一致性的校准装置,其特征在于,所述高倍率光束变换系统的光轴与被测空间光通信终端的光轴平行并且有效口径大于被测空间光通信终端出射光束口径。
3.如权利要求1所述的空间光通信系统收发轴一致性的校准装置,其特征在于,所述的平面反射镜其面形精度优于PVλ/20。
4.如权利要求1所述的空间光通信系统收发轴一致性的校准装置,其特征在于,所述平行光束发射模块出射的标准平行光束达到衍射极限。
5.一种空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:检验平行参考光束经分束镜后的两臂光轴垂直,即QD探测器接收到两臂的光点完全重合:打开平行光束发射模块出射小口径平行光束,平行光束经扫描反射镜,1:1分束镜镜后,其中50%平行光束经分束镜反射后通过高倍率光束变换系统扩束为大口径平行光束,再由标准平面反射镜原路反射回,经高倍率光束变换系统、分束镜、高质量聚焦透镜后由QD探测器接收探测,另50%平行光束经分束镜透射后,由平面反射镜原路反射回,经分束镜反射由高质量聚焦透镜会聚后由QD探测器接收探测,调整扫描镜、平面反射镜、标准平面反射镜及五维调整机构使得平行光束平行于高倍率光束变换系统的光轴且经分束镜后的路光聚焦于QD探测器的同一点;
步骤2:被测空间光通信端机指向调整:将标准平面反射镜移走,替换为空间光通信端机,调整被测光端机系统光轴与高倍率光束变换系统光轴重合;
步骤3:空间光通信端机接收光轴测量:打开平行光束发射模块出射小口径平行光束,空间光通信端机接收探测,微调其指向,使得端机内的探测器接收到的光斑准确位于视场中心,记录此时QD探测器的光斑位置信息x1,y1;
步骤4:空间光通信端机发射光轴测量:关闭平行光束发射模块,打开空间光通信端机激光发射系统,记录此时QD探测器的光斑位置信息x2,y2;
步骤5:计算得出空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间的偏差:空间光通信端机发射光轴与接收光轴之间偏差δ为:
δ=((x2-x1)2+(y2-y1)2)0.5/f
其中,f为光束变换系统1和聚焦透镜4的有效焦距。
6.如权利要求5所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其特征在于,所述高倍率光学变换系统的放大倍率为25×,有效通光口径为300mm。
7.如权利要求5所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其特征在于,所述QD探测器的波长响应范围为350nm~1050nm,测量精度为1um。
8.如权利要求5所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其特征在于,所述QD探测器替换为大面阵CCD探测器为像元数为2048×2056,像元大小为7.4um。
9.如权利要求5所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其特征在于,所述平行光束发射模块为4D小口径动态干涉仪PhaseCam4020,输出光束口径为7mm。
10.如权利要求5所示的空间光通信系统收发轴一致性的校准方法,其特征在于,所述标准平面反射镜的有效通光口径为390mm,面形精度为PVλ/20。
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