CN104730708A - 机载激光通信附面层效应光学补偿方法 - Google Patents

Abstract

机载激光通信附面层效应的光学补偿方法，属于空间激光通信技术领域，包括离焦补偿镜、空间激光通信光学天线、光学振镜、变形镜、分光片、波前矫正控制器、波前探测器、光斑位置及大小探测器以及振镜控制器，所述离焦补偿镜设置在空间激光通信光学天线的前方，且与水平面垂直设置；所述波前矫正控制器通过电路分别与变形镜和波前探测器连接；所述振镜控制器通过电路分别与光学振镜和光斑位置及大小探测器连接。本发明可缓解气动光学附面层效应引起的光束波前畸变，到达角起伏，光束偏折和附加焦距效应，并提高空间激光通信终端在机载平台的环境适应性。

Description

机载激光通信附面层效应光学补偿方法

技术领域

本发明属于空间激光通信技术领域，特别是涉及到一种机载激光通信附面层效应光学补偿方法。

背景技术

对于机载平台的激光通信终端来说，飞机在大气信道中高速飞行将引起气动光学附面层效应。附面层效应非常复杂，简化分析可以看作为层流层效应和湍流层效应。主要的体现是：层流层效应等效为一个负透镜，引起激光通信光学系统离焦以及光束偏折；湍流层效应引起光束波前畸变和到达角起伏。二者都会极大的降低空间激光通信终端的光学质量，严重影响系统的性能，甚至无法工作，因此必须采取手段缓解该影响。现有的专利和文献，采取自适应光学哈特曼传感器和变形镜的方法矫正大气湍流效应的较多，但是变形镜的矫正范围有限，难以单独完成针对附面层全部效应，特别是包含层流层效应的矫正方法。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种机载激光通信附面层效应的光学补偿方法，可缓解气动光学附面层效应引起的光束波前畸变，到达角起伏，光束偏折和附加焦距效应，并提高空间激光通信终端在机载平台的环境适应性。

机载激光通信附面层效应光学补偿方法，其特征是：包括离焦补偿镜、空间激光通信光学天线、光学振镜、变形镜、分光片、波前矫正控制器、波前探测器、光斑位置及大小探测器以及振镜控制器，所述离焦补偿镜沿光轴设置在空间激光通信光学天线的前方；所述波前矫正控制器通过电路分别与变形镜和波前探测器连接；所述振镜控制器通过电路分别与光学振镜和光斑位置及大小探测器连接；

光束经过离焦补偿镜入射到空间激光通信光学天线进行缩束，出射光束经过光学振镜反射入射到变形镜，光束经变形镜反射到分光片，分光片将一路光束入射到波前探测器上，另一路光束入射到光斑位置及大小探测器上；

所述波前探测器探测到空间激光通信光学天线接收到的波前畸变信息，将波前畸变信息传给波前矫正控制器；所述波前矫正控制器计算出补偿量，并将补偿量通过控制命令传给变形镜，变形镜接收控制命令，进行附面层波前畸变效应的自适应补偿；

所述光斑位置及大小探测器探测到空间激光通信光学天线接收到的波前到达角的实时变化信息，并计算出补偿量，将补偿量通过控制命令传给光学振镜，光学振镜接收控制命令，进行附面层光束到达角起伏变化以及附面层光束偏折的自适应补偿；

所述光斑位置及大小探测器探测到光斑弥散数值，预先计算出需要补偿负透镜效应的离焦量，根据离焦量设计离焦补偿镜，并将离焦补偿镜沿光轴放置在空间激光通信光学天线前端，完成附加焦距效应的补偿。

所述光学振镜通过摆动控制光束的角度方向。

所述变形镜为反射式变形镜或透射式变形镜。

所述分光片为能量分光片。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：机载激光通信附面层效应的光学补偿方法，可缓解气动光学附面层效应引起的光束波前畸变，到达角起伏，光束偏折和附加焦距效应，并提高空间激光通信终端在机载平台的环境适应性。采用光学振镜与变形镜组合使用，在光路中的先后位置可以根据实际应用情况更改，不影响本发明方法的实施，增加了操作的灵活性；采用波前探测器、波前矫正控制器以及变形镜配合使用，完成对附面层波前畸变效应的自适应补偿；采用光斑位置及大小探测器与光学振镜配合使用，完成对附面层光束到达角起伏变化以及层光束偏折的自适应补偿；采用离焦补偿镜可以补偿变形镜无法矫正的，附面层效应引起的大尺度离焦效应。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明机载激光通信附面层效应光学补偿方法光路示意图。

图中1-离焦补偿镜、2-空间激光通信光学天线、3-光学振镜、4-变形镜、5-分光片、6-波前矫正控制器、7-波前探测器、8-光斑位置及大小探测器、9-振镜控制器。

具体实施方式

机载激光通信附面层效应光学补偿方法，如图1所示，光束透过离焦补偿镜1后，经过空间激光通信光学天线2缩束，而后经过光学振镜3反射入射到变形镜4上，再由变形镜4反射到分光片5上，经过分光，一路光束到波前探测器7上，一路光束到光斑位置及大小探测器8上；波前矫正控制器6通过电路分别与变形镜4和波前探测器7相连，构成闭环控制；振镜控制器9通过电路分别与光学振镜3和光斑位置及大小探测器8相连，构成闭环控制。

所述的光学振镜3和变形镜4，在光路中的先后位置可以根据实际应用情况更改，不影响本方法实施。

所述的光学振镜3，为能够高频摆动，实现控制光束角度方向的器件。

所述的变形镜4，为能够对入射到镜面上的波前进行补偿和校正的器件，可是反射型的MEMS器件，也可以是透射型的液晶器件，均不影响本方法的实施。

所述的分光片5，为能量分光，能量分配比例根据波前探测器7和光斑位置及大小探测器8的探测灵敏度决定，而且还可以根据实际应用情况决定波前探测器7和光斑位置及大小探测器8分别在反射光路还是透射光路，不影响本方法实施。

本发明方法的工作原理为：

如图1所示，附面层的湍流层效应引起光束波前畸变，由波前探测器7探测到空间激光通信光学天线2接收到的波前畸变信息，并将该信息传给波前矫正控制器6，由波前矫正控制器6计算出补偿量，并将补偿控制命令传给变形镜4，并驱动变形镜4工作进行补偿，构成闭环控制，从而完成对附面层波前畸变效应的自适应补偿。

附面层的湍流层效应还引起光束到达角的随机变化，同时层流层效应还将引起光束偏折，由光斑位置及大小探测器8探测到空间激光通信光学天线2接收到的光束到达角实时变化的大小，并将该信息传给光斑位置及大小探测器8，由光斑位置及大小探测器8计算出补偿量，并将补偿控制命令传给光学振镜3，并驱动光学振镜3工作进行补偿，构成闭环控制，从而完成对附面层光束到达角起伏变化以及层光束偏折的自适应补偿。

附面层的层流层效应引起附加焦距影响，等效于一个焦距很长的负透镜，会引起光学系统离焦，由光斑位置及大小探测器8探测到由离焦引起的光斑弥散大小，由此可以根据具体光学系统设计，计算出需要补偿负透镜效应的焦距长度f′，以此作为光束透过离焦补偿镜1的焦距，并将光束透过离焦补偿镜1放置在空间激光通信光学天线2前段，从而完成附加焦距效应的补偿。

Claims (4)

1.机载激光通信附面层效应光学补偿方法，其特征是：包括离焦补偿镜(1)、空间激光通信光学天线(2)、光学振镜(3)、变形镜(4)、分光片(5)、波前矫正控制器(6)、波前探测器(7)、光斑位置及大小探测器(8)以及振镜控制器(9)，所述离焦补偿镜(1)沿光轴设置在空间激光通信光学天线(2)的前方；所述波前矫正控制器(6)通过电路分别与变形镜(4)和波前探测器(7)连接；所述振镜控制器(9)通过电路分别与光学振镜(3)和光斑位置及大小探测器(8)连接；

光束经过离焦补偿镜(1)入射到空间激光通信光学天线(2)进行缩束，出射光束经过光学振镜(3)反射入射到变形镜(4)，光束经变形镜(4)反射到分光片(5)，分光片(5)将一路光束入射到波前探测器(7)上，另一路光束入射到光斑位置及大小探测器(8)上；

所述波前探测器(7)探测到空间激光通信光学天线(2)接收到的波前畸变信息，将波前畸变信息传给波前矫正控制器(6)；所述波前矫正控制器(6)计算出补偿量，并将补偿量通过控制命令传给变形镜(4)，变形镜(4)接收控制命令，进行附面层波前畸变效应的自适应补偿；

所述光斑位置及大小探测器(8)探测到空间激光通信光学天线(2)接收到的波前到达角的实时变化信息，并计算出补偿量，将补偿量通过控制命令传给光学振镜(3)，光学振镜(3)接收控制命令，进行附面层光束到达角起伏变化以及附面层光束偏折的自适应补偿；

所述光斑位置及大小探测器(8)探测到光斑弥散数值，预先计算出需要补偿负透镜效应的离焦量，根据离焦量设计离焦补偿镜(1)，并将离焦补偿镜(1)沿光轴放置在空间激光通信光学天线(2)前端，完成附加焦距效应的补偿。

2.根据权利要求1所述的机载激光通信附面层效应光学补偿方法，其特征是：所述光学振镜(3)通过摆动控制光束的角度方向。

3.根据权利要求1所述的机载激光通信附面层效应光学补偿方法，其特征是：所述变形镜(4)为反射式变形镜或透射式变形镜。

4.根据权利要求1所述的机载激光通信附面层效应光学补偿方法，其特征是：所述分光片(5)为能量分光片。