CN104811244A - 基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合系统，包括1.5μm激光器、和发射准直镜、振动快反镜、补偿快反镜、章动快反镜、接收准直镜、1.5μm单模光纤分束器、线性探测器、地面接收系统、数据采集单元、数字信号处理单元和实时存储和显示单元。本发明系统结构轻便，跟踪算法简单，能够实现空间光到单模光纤的高效率耦合。该系统通过控制二维章动快反镜完成激光在单模光纤端面上的章动扫描，利用章动快反镜实时跟踪法跟踪激光章动位置，通过观察单模光纤输出的光功率的变化规律求出跟踪误差，可以实现高速跟踪。
Description
技术领域
本发明主要应用于激光通信，特别对于激光通信中的地面接收系统部分至关重要。
背景技术
在星间激光通信中，由于单模光纤的端面很微小，且易受到卫星平台振动，大气湍流，热效应等因素的影响，使得空间光到单模光纤的高效率耦合问题变成解决地面接收光纤DPSK系统的关键性问题。随着国内激光通信发展，国内已经有人研究出一些耦合方案，即基于五点跟踪法的耦合方案和基于精跟踪方法的耦合方案，以上第一种方案以牺牲跟踪带宽为代价，第二种方案光斑成像器件可能会受到平台振动的影响引入新的误差。采用激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统的优势在于克服了以上两种传统方法的缺点，并且跟踪算法简单，使空间光到单模光纤的耦合效率的提高成为可能。
发明内容
本发明专利要解决的问题在于克服传统空间光到单模光纤耦合方案的不足，提出一种基于1.5μm波段的振动平台用的基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合系统。该系统结构轻便，跟踪算法简单，能够实现空间光到单模光纤的高效率耦合。方案中通过控制二维快速反射镜完成激光在单模光纤端面上的章动扫描，利用章动镜实时跟踪法跟踪激光章动位置，通过观察单模光纤输出的光功率的变化规律求出跟踪误差，可以实现高速跟踪。
本发明的基本原理是根据模场匹配原理，当位于接收准直镜交点处的艾里斑与1.5μm单模光纤端面的模场吻合度最高时，耦合效率最大，方案中首先控制FSM做丽萨如圆形曲线完成激光章动扫描。当没有跟踪误差存在，根据模场理论单模光纤输出的光功率将是一个不变的值；若存在跟踪误差，利用章动镜实时跟踪激光在光纤端面的扫描位置，根据输出功率的变化规律，得到误差信号，作为反馈控制另外一个快速反射镜FSM做小角度摆动从而完成光斑跟踪。
本发明的技术解决方案如下：
基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，包括1.5μm激光器和发射准直镜，其特征是1.5μm激光器的输出端口与所述的发射准直镜的输入端口相连，该发射准直镜的输出端口与快速反射镜FSM1的输入端口相连，所述的快速反射镜FSM1的输出端口与快速反射镜FSM2的第一输入端口相连，所述的快速反射镜FSM2的输出端口与快速反射镜FSM3的输入端口相连，所述的快速反射镜FSM3的输出端口与接收准直镜的输入端口相连，所述的接收准直镜的输出端口与1.5μm单模光纤分束器的输入端口相连，所述的1.5μm单模光纤分束器的第一输出端口与地面接收系统的输入单口相连，该1.5μm单模光纤分束器的第二输出端口与线性探测器的输入端口相连，所述的线性探测器的输出端口与数据采集单元的输入端口相连，所述的数据采集单元的输出端口与数字信号处理单元的第一输入端口相连，所述的数字信号处理单元的第二输入端口与实时存储和显示单元的输出端口相连，该数字信号处理单元的输出端口与快速反射镜FSM2的第二输入端口相连。
所述的发射准直镜(2)的作用是产生一个10mm孔径的平行光束。
所述的快速反射镜FSM1(3)为模拟震动源，通过加载相应的震动模型，使光束发生微角度偏转，角度偏转范围是0～10urad。
所述的快速反射镜FSM2(4)为二维震动补偿镜，补偿频率约1KHz，分辨率为0.05urad。
所述的快速反射镜FSM3(5)为二维微角度旋转镜，振动频率为10KHz，分辨率为0.02urad。
所述的1.5μm单模光纤分束器(7)为保偏光纤，根据实际需要定分数比。
所述的线性探测器(8)为1.5μm波段线性探测器，灵敏度为-90dBm。
所述的数据采集单元(10)主要由信号采集芯片A/D组成，芯片的分辨率为16位。
所述的数字信号处理单元(11)主要由现场可编程门阵列FPGA和数模转换芯片D/A组成，显示和存储单元(12)是基于电脑(PC)。
所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统使用的控制方法，其特征包括下列步骤：
①所述的快速反射镜FSM3的控制器两轴输入频率相同，相位差为π/2的正弦曲线，实现激光章动，光纤端面上的章动幅度1um。
②将振动模型加载到所述的快速反射镜FSM1产生振动干扰，振动频率可调。
③所述的快速反射镜FSM1产生的振动干扰改变激光的传输路径，使1.5μm单模光纤分束器的光纤接收端面上的激光章动圆发生平移，模场失配，输出的光功率呈现周期性变化，进而线性探测器输出的电压值也呈周期性变化。
④所述的数据采集单元中的AD对所述的线性探测器输出的电信号进行数字信号采集，经过数字信号处理单元处理，最后由DA将补偿量反馈给所述的快速反射镜FSM2。
⑤所述的快速反射镜FSM3作为章动镜是所述的补偿快速反射镜FSM2的振动频率的10～20倍，以保证在一个振动周期内，看到激光扫描一周的输出光功率的变化规律。
⑥所述的数字信号处理单元计算的脱靶量最终利用查找表和乘除法运算得到。
⑦所述的实时存储和显示单元可以实时显示所述的数据采集单元采集到的模拟信号的变化，并且与所述的数字信号处理单元实时交互。
本发明的优点在于：
1、首次尝试使用实时跟踪光斑在光纤端面上的位置以及观察输出功率在一个章动圆内的变化规律的方法求脱靶量，将单模光纤端面分为四个象限，光斑偏移到不同象限的不同位置，对应不同的输出功率变化，跟踪方法简单，且不会浪费多余的带宽。
2、采用低带宽高灵敏度线性探测器，可以有效探测出微弱光信号的变化规律，可以提交系统的控制精度。
3、系统中章动快反镜的振动频率是补偿快反镜频率的10～20倍，可以保证在一个振动周期内，看到激光扫描一周的输出光功率的变化规律。
4、利用FPGA信号处理速度上的优势和低功耗的特点，可以提高整个系统的控制速度和精度。
5、本次试验中采用16位分辨率的A/D和D/A，这样可以保证在振动很微弱即光斑在单模光纤端面上微小移动时，系统也能够分辨出来。
附图说明
图1为本发明基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合系统结构框图
图中：1—1.5μm激光器、2—发射准直镜、3—振动快反镜FSM1、4—补偿快反镜FSM2、5—章动快反镜FSM3、6—接收准直镜、7—1.5μm单模光纤分束器、8—线性探测器、9—地面接收系统、10—数据采集单元、11—数字信号处理单元、12—显示和存储单元
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
首先请参照图1，图1为本发明基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合系统整体结构框图。由图1可见，本发明基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合系统由1.5μm激光器1，发射准直镜2，振动快反镜(FSM1)3，补偿快反镜(FSM2)4，章动快反镜(FSM3)5，接收准直镜6，1.5μm单模光纤分束器7，线性探测器8，地面接收系统9，数据采集单元10，数字信号处理单元11，显示和存储单元12组成。
所述的1.5μm激光器1发出的激光经过发射准直镜2变成一束直径约10mm的平行光发射出去，光束经过振动快反镜3的振动干扰，传播方向发生改变，随后依次经过补尝快反镜(FSM2)4和章动快反镜(FSM3)5的反射后再次经过接收准直镜6聚焦到位于准直镜焦点上的1.5μm单模光纤分束器7的光纤端面上，此时由于振动的干扰，章动圆已经偏移到光纤端面的某一位置，但是激光还是会做圆形扫描。所述的1.5μm单模光纤分束器7将接收到的光分成两部分，其中大部分光进入地面接收系统9，小部分的光作为信号光被送入线性探测器8，所述的线性探测器8将光敏面接收到的光转化成电压信号，并经过信号放大电路变成信号采集单元10可接收的信号。所述的数据采集单元10将含有误差信号的模拟信号转变成数字信号送入数字信号处理单元11，利用查找表和简单的乘除法的方法求出脱靶量和反馈量并由D/A转换成模拟信号送入补偿快反镜(FSM2)4的控制器，完成系统的闭环控制。所述的实时显示和存储单元12是基于电脑PC，利用PC与所述的数字信号处理单元11的实时交互，可以实时观察所述的线性探测器8输出的信号变化规律，并且可以随时修改verilog程序，得到更好的跟踪算法。
本实例采用的具体器件为：所述的发射准直镜2和接收准直镜6的入瞳直径均为10mm，焦距30mm；所述的补偿快反镜(FSM2)4带宽300Hz，所述的章动快反镜(FSM3)5带宽3.7KHz；所述的1.5μm单模光纤分束器7的分光比99:1；所述的线性探测器8的灵敏度-100dBm；所述的A/D和D/A均为高信噪比器件，分辨率16位。
本发明实施的基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合系统具体流程是：
①所述的快速反射镜FSM3的控制器两轴输入频率相同，相位差为π/2的正弦曲线，实现激光章动，光纤端面上的章动幅度1um。
②将振动模型加载到所述的快速反射镜FSM1产生振动干扰，振动频率可调。
③所述的快速反射镜FSM1产生的振动干扰改变激光的传输路径，使1.5μm单模光纤分束器的光纤接收端面上的激光章动圆发生平移，模场失配，输出的光功率呈现周期性变化，进而线性探测器输出的电压值也呈周期性变化。
④所述的数据采集单元中的AD对所述的线性探测器输出的电信号进行数字信号采集，经过数字信号处理单元处理，最后由DA将补偿量反馈给所述的快速反射镜FSM2。
⑤所述的快速反射镜FSM3作为章动镜是所述的补偿快速反射镜FSM2的振动频率的10～20倍，以保证在一个振动周期内，看到激光扫描一周的输出光功率的变化规律。
⑥所述的数字信号处理单元计算的脱靶量最终利用查找表和乘除法运算得到。
⑦所述的实时存储和显示单元可以实时显示所述的数据采集单元采集到的模拟信号的变化，并且与所述的数字信号处理单元实时交互。
Claims (10)
1.基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，包括1.5μm激光器(1)和发射准直镜(2)，其特征在于所述的1.5μm激光器(1)的输出端口与所述的发射准直镜(2)的输入端口相连，该发射准直镜的输出端口与振动快反镜(3)的输入端口相连，所述的振动快反镜(3)的输出端口与补偿快反镜(4)的第一输入端口相连，所述的补偿快反镜(4)的输出端口与章动快反镜(5)的输入端口相连，所述的章动快反镜(5)的输出端口与接收准直镜(6)的输入端口相连，所述的接收准直镜(6)的输出端口与1.5μm单模光纤分束器(7)的输入端口相连，所述的1.5μm单模光纤分束器(7)的第一输出端口与地面接收系统(9)的输入单口相连，该1.5μm单模光纤分束器的第二输出端口与线性探测器(8)的输入端口相连，所述的线性探测器(8)的输出端口与数据采集单元(10)的输入端口相连，所述的数据采集单元(10)的输出端口与数字信号处理单元(11)的第一输入端口相连，所述的数字信号处理单元的第二输入端口与实时存储和显示单元(12)的输出端口相连，该数字信号处理单元的输出端口与补偿快反镜(4)的第二输入端口相连。
2.根据权利要求1所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，其特征在于所述的发射准直镜(2)的作用是产生一个10mm孔径的平行光束。
3.根据权利要求1所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，其特征在于所述的振动快反镜(3)为模拟震动源，通过加载相应的震动模型，使光束发生微角度偏转，角度偏转范围是0～10urad。
4.根据权利要求1所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，其特征在于所述的补偿快反镜(4)为二维震动补偿镜，补偿频率约1KHz，分辨率为0.05urad。
5.根据权利要求1所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，其特征在于所述的章动快反镜(5)为二维微角度旋转镜，振动频率为10KHz，分辨率为0.02urad。
6.根据权利要求1所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，其特征在于所述的1.5μm单模光纤分束器(7)为保偏光纤，根据实际需要定分数比。
7.根据权利要求1所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，其特征在于所述的线性探测器(8)为1.5μm波段线性探测器，灵敏度为-90dBm。
8.根据权利要求1所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，其特征在于所述的数据采集单元(10)主要由信号采集芯片A/D组成，芯片的分辨率为16位。
9.根据权利要求1所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统，其特征在于所述的数字信号处理单元(11)主要由现场可编程门阵列FPGA和数模转换芯片D/A组成，显示和存储单元(12)是基于电脑。
10.利用权利要求1所述的基于激光章动的空间光到单模光纤的耦合系统的使用方法，其特征包括下列步骤：
①所述的章动快反镜(5)的控制器两轴输入的频率相同，相位差为π/2的正弦曲线，实现激光章动，光纤端面上的章动幅度为1um；
②将振动模型加载到所述的振动快反镜(3)产生振动干扰，振动频率可调；
③所述的振动快反镜(3)产生的振动干扰改变激光的传输路径，使1.5μm单模光纤分束器(9)的光纤接收端面上的激光章动圆发生平移，模场失配，输出的光功率呈现周期性变化，进而线性探测器(8)输出的电压值也呈周期性变化；
④所述的数据采集单元(10)中的AD对所述的线性探测器(8)输出的电信号进行数字信号采集，经过数字信号处理单元(11)处理，最后由DA将补偿量反馈给所述的补偿快反镜(4)；
⑤所述的章动快反镜(5)作为章动镜是所述的补偿快反镜(4)的振动频率的10～20倍，以保证在一个振动周期内，看到激光扫描一周的输出光功率的变化规律；
⑥所述的数字信号处理单元(11)计算的脱靶量，利用查找表和乘除法运算得到；
⑦所述的实时存储和显示单元(12)实时显示所述的数据采集单元(10)采集到的模拟信号的变化，并且与所述的数字信号处理单元(11)实时交互。
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| CN104811244B (zh) | 2017-12-12 |
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