CN104539372B - 一种快速对准的远距离激光大气通信接收装置及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种快速对准的远距离激光大气通信接收装置及通信方法，装置包括激光光学接收组件、激光通信光电探测器、激光通信接收组件、激光对准光电探测器组件、光斑对准信号处理组件、电机控制系统、伺服系统。本发明运用一个中心有小孔的四棱镜，优点在于实现了对准与激光通信接收共光路，提高了对准的精度；而且只运用了一套光学系统实现了对准和通信接收两个功能，将原来两个分立的系统融合成了一个系统，既增加了系统的灵活性，也减小了系统的体积和重量。此外补偿透镜能够前后移动，使像面位置发生移动，改变了入射光的像面尺寸大小，像面尺寸大时实现对准功能；像面尺寸小时进行大气激光通信，有效地实现了对准与激光信息接收之间不同光束的切换。

Description

一种快速对准的远距离激光大气通信接收装置及通信方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，主要涉及一种激光通信接收系统，尤其涉及一种快速对准的远距离激光大气通信接收装置及通信方法。

背景技术

大气激光通信是以激光为载波光信号，利用大气作为传输介质，进行语音、数据、图像等信息的点对点的双向传输，它主要包括发射和接收两部分。大气激光通信设备具有适用环境机动性好、抗电磁干扰能力强、通信可靠性高、隐蔽性好、安装便捷、使用方便等特点，己成为当今通信网不可或缺的技术，而且具有较大的发展空间。激光通信机在工程技术领域的应用具有很大的潜力，尤其在微波通信被干扰、光纤通信出现故障的环境下的应急抢通及复杂地形下的紧急保密通信。在无线电静默期间的短距离通信或保密通信，在海岸与海岸之间、岛屿之间建立固定通信；在现场与指挥中心之间临时建立通信；在移动物之间实现激光通信，如卫星、民用飞机、船舰之间的信息交流，可在一定的视距范围内有效地实现全天候的通信。

在建立通信过程中，对准、捕获和跟踪是大气激光通信中建立通信和维持通信的关键技术。现有的大气激光通信接收装置，在实际应用过程中存在一个接收对准的问题。为提高功率密度，其发射和接收视场角都很小，激光狭窄的光束对准确的接收有很高的要求。通常采用瞄准镜进行瞄准，既花费了大量的时间，也无法做到精确对准，降低了工作效率。另外，采用光斑跟踪器进行瞄准的方式虽然可行，但无法和大气激光通信接收机共光轴，仍无法实现精确对准问题，而且双系统的运用增加了成本、体积和重量，并不是一个最佳方案。

发明内容

为突破大气激光通信接收对准问题，本发明提供了一种能够快速对准的大气激光通信接收装置及通信方法。

本发明的技术方案为：

所述一种能够快速对准的大气激光通信接收装置，其特征在于：包括激光接收光学组件、激光通信光电探测器、激光通信接收组件、激光对准光电探测器组件、光斑对准信号处理组件、电机控制系统、伺服系统；激光接收光学组件由接收光学天线和四棱镜组成，接收光学天线包括聚焦物镜和补偿透镜，补偿透镜处于聚焦物镜的离焦位置；四棱镜为具有锥台结构的四个侧面对称的同步转向分光棱镜，四棱镜的四个侧面上镀有反射膜，四棱镜中心开有垂直于底面的中心通孔；接收光学天线、四棱镜中心通孔与激光通信光电探测器共光轴，电机控制系统能够带动补偿透镜沿光轴方向运动，激光通信光电探测器输出信号至激光通信接收组件；激光对准光电探测器组件包括四个完全相同的激光对准光电探测器；四个激光对准光电探测器分别处于四棱镜四个侧面的分光光路上，激光对准光电探测器组件输出信号至光斑对准信号处理组件，伺服系统根据光斑对准信号处理组件的控制信号带动整个大气激光通信接收装置进行方位调整。

所述一种能够快速对准的大气激光通信接收装置，其特征在于：激光通信光电探测器采用APD探测器，激光对准光电探测器采用PIN探测器。

所述一种使用上述能够快速对准的大气激光通信接收装置进行大气激光通信接收的方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：对准阶段：

当有通信激光信号进入大气激光通信接收装置的接收视场时，进行对准操作：通信激光信号经过接收光学天线，接收光学天线输出的光斑落在四棱镜的四个侧面或三个侧面上，并经过反射分别进入对应的激光对准光电探测器中，根据激光对准光电探测器接收的光强度信号进行位置解算，并根据解算结果控制伺服系统调整大气激光通信接收装置，使通信激光信号以平行于接收光学天线光轴的方向进入接收光学天线；

步骤2：通信阶段：

通过电机控制系统调整补偿透镜位置，使接收光学天线输出的光斑尺寸变小，光斑全部进入四棱镜的中心通孔，并从四棱镜的中心通孔直接进入激光通信光电探测器，激光通信光电探测器输出信号经过激光通信接收组件放大及信号解调，实现激光通信功能。

有益效果

本发明的整体技术效果体现在以下几个方面。

(一)在本发明的接收光学组件中，运用一个中心有小孔的四棱镜实现了对准和激光通信接收的两个功能，该方案的优点是：(1)实现了对准与激光通信接收共光路，提高了对准的精度；(2)通过四棱镜的分光原理，产生了四组光束，经探测接收后可进行光斑位置解算及对准功能；中心的小孔可作为激光通信接收的光路，因此，只运用了一套光学系统实现了对准和通信接收两个功能；(3)对准与接收共光路的实现，将原来两个分立的系统融合成了一个系统，既增加了系统的灵活性，也减小了系统的体积和重量。

(二)本发明利用电机带动激光接收天线的补偿透镜前后移动，使像面位置发生移动，改变了入射光的像面尺寸大小，像面尺寸大时进行光斑跟踪捕获，实现对准功能；像面尺寸小时进行大气激光通信，有效地实现了对准与激光信息接收之间不同光束的切换。

(三)本发明将对准与激光通信接收装置共用一组光学组件，通过伺服系统来实现目标的实时对准、捕获和跟踪功能，使操作更加灵活方便。

附图说明

图1是本发明快速对准大气激光通信接收装置结构组成示意图。

图2是图1中激光传输接收光路示意图。

图3是图2中四棱镜结构用于激光对准光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

如图1所示，本实施例中的快速对准大气激光通信接收装主要包括激光接收光学组件1、APD探测器4、激光通信接收组件5、PIN探测器组件6、光斑对准信号处理组件7、电机控制系统8、伺服系统9。激光接收光学组件1由接收光学天线2和四棱镜3组成，接收光学天线2包括聚焦物镜10和补偿透镜11，补偿透镜处于聚焦物镜的离焦位置。四棱镜3为具有锥台结构的四个侧面对称的同步转向分光棱镜，四棱镜的四个侧面上镀有反射膜，四棱镜中心开有垂直于底面的中心通孔。接收光学天线2、四棱镜3中心通孔与APD探测器4共光轴，电机控制系统8能够带动补偿透镜11沿光轴方向运动，APD探测器4输出信号至激光通信接收组件5。PIN探测器组件6包括四个完全相同的PIN探测器，四个PIN探测器分别处于四棱镜四个侧面的分光光路上，PIN探测器组件输出信号至光斑对准信号处理组件，伺服系统根据光斑对准信号处理组件的控制信号带动整个大气激光通信接收装置进行方位调整。

根据图2所示，激光传输接收光路示意图中，高重频激光20进入激光接收天线2的视场，聚焦物镜10将光束聚焦后进入补偿透镜11，补偿透镜11在伺服电机9的驱动下，沿光轴的方向移动到一个位置，使入射光的像面增大，入射光落在四棱镜3的四个面上，经四棱镜3的四个面反射后，分别沿四个相互垂直的光路方向进入到PIN探测器组件中，PIN探测器组件6经过光电转换后将电信号送光斑对准信号处理组件7进行光斑捕获。图2只显示了两个方向的光路图，一组是对准聚焦物镜12和PIN探测器13，另一组是对准聚焦物镜14和PIN探测器15。伺服电机也能够带动补偿透镜11移动，使入射光的像面变小，可通过四棱镜3的空心，进入APD探测器4中，APD探测器4经过光电转换后将电信号送入激光通信接收组件5解码后进行通信。

根据图3所示，激光对准光路示意图包括四个完全相同的透镜：透镜12、透镜14、透镜16、透镜18和四个完全相同的PIN探测器：探测器13、探测器15、探测器17、探测器19。入射光经四棱镜3分光后，产生四个方向的光路，这四个方向的光轴相互垂直分别进入图3所示的四组对准接收光路中。

利用上述装置实现快速对准大气激光通信接收功能的方法分为以下步骤：

步骤1：对准阶段：

当有通信激光信号进入大气激光通信接收装置的接收视场时，进行对准操作：通信激光信号经过接收光学天线，接收光学天线输出的光斑落在四棱镜的四个侧面或三个侧面上，并经过反射分别进入对应的PIN光电探测器中，根据PIN光电探测器接收的光强度信号进行位置解算，并根据解算结果控制伺服系统调整大气激光通信接收装置，使通信激光信号以平行于接收光学天线光轴的方向进入接收光学天线，即实现了对准目标的功能。

步骤2：通信阶段：

通过电机控制系统调整补偿透镜位置，使接收光学天线输出的光斑尺寸变小，光斑全部进入四棱镜的中心通孔，并从四棱镜的中心通孔直接进入APD探测器，APD探测器输出信号经过激光通信接收组件放大及信号解调，实现激光通信功能。

Claims (3)

1.一种能够快速对准的大气激光通信接收装置，其特征在于：包括激光接收光学组件、激光通信光电探测器、激光通信接收组件、激光对准光电探测器组件、光斑对准信号处理组件、电机控制系统、伺服系统；激光接收光学组件由接收光学天线和四棱镜组成，接收光学天线包括聚焦物镜和补偿透镜，补偿透镜处于聚焦物镜的离焦位置；四棱镜为具有锥台结构的四个侧面对称的同步转向分光棱镜，四棱镜的四个侧面上镀有反射膜，四棱镜中心开有垂直于底面的中心通孔；接收光学天线、四棱镜中心通孔与激光通信光电探测器共光轴，电机控制系统能够带动补偿透镜沿光轴方向运动，激光通信光电探测器输出信号至激光通信接收组件；激光对准光电探测器组件包括四个完全相同的激光对准光电探测器；四个激光对准光电探测器分别处于四棱镜四个侧面的分光光路上，激光对准光电探测器组件输出信号至光斑对准信号处理组件，伺服系统根据光斑对准信号处理组件的控制信号带动整个大气激光通信接收装置进行方位调整。

2.根据权利要求1所述一种能够快速对准的大气激光通信接收装置，其特征在于：激光通信光电探测器采用APD探测器，激光对准光电探测器采用PIN探测器。

3.一种使用权利要求1或2所述能够快速对准的大气激光通信接收装置进行大气激光通信接收的方法，其特征在于：采用以下步骤：

步骤1：对准阶段：

当有通信激光信号进入大气激光通信接收装置的接收视场时，进行对准操作：通信激光信号经过接收光学天线，接收光学天线输出的光斑落在四棱镜的四个侧面或三个侧面上，并经过反射分别进入对应的激光对准光电探测器中，根据激光对准光电探测器接收的光强度信号进行位置解算，并根据解算结果控制伺服系统调整大气激光通信接收装置，使通信激光信号以平行于接收光学天线光轴的方向进入接收光学天线；

步骤2：通信阶段：

通过电机控制系统调整补偿透镜位置，使接收光学天线输出的光斑尺寸变小，光斑全部进入四棱镜的中心通孔，并从四棱镜的中心通孔直接进入激光通信光电探测器，激光通信光电探测器输出信号经过激光通信接收组件放大及信号解调，实现激光通信功能。