CN106712846A - 一种适应不同工作距离的激光通信光学装置 - Google Patents

Abstract

一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，为了满足不同口径的激光终端在不同工作距离下对接试验要求，本发明可适应不同工作距离。本发明采用发射通道与接收通道分离的光学形式，避免收发共光路引入的隔离度问题，其中信标和信号发射共用1个发射组件，2个发射组件相互切换可满足不同工作距离下对接试验要求，另外接收通道主要包括精扫描组件、捕跟接收组件和通信接收组件，结构简单、空间排列紧凑，便于携带。本发明满足口径大于100mm的激光通信终端主从式捕跟链路建立和通信链路建立的光学结构要求。

Description

一种适应不同工作距离的激光通信光学装置

技术领域

本发明的一种激光通信光学装置，可满足不同工作距离下激光终端的对接试验要求，特别是近距离对接试验，属于激光通信领域。

背景技术

激光通信系统以激光作为信号的载波，通过对激光载波的调制来传输信息，实现信息交换。激光用于通信的波束发散角很小，具有很好的抗干扰和抗截获性能，可以极大地提高通信系统的安全性；同时，在传输同样高码率条件下，它还具有体积小、重量轻、功耗低的优势。通常激光通信系统都具有信标、信号发射和信标、信号接收的功能，要求光学装置同样具备相同的功能，而实验室的光学集成测试平台，它通常由大型的平行光管、大口径平面反射镜、分光镜、折转镜、不同波段激光器、不同波段探测器、伺服机构等设备组成，设备之间相互分立、占用空间较大，不能满足室外激光对接要求。为了满足激光通信系统的室外对接要求，在保证光学装置的技术指标前提下，需要优化光学装置的结构形式，减重其重量，便于光学装置的携带。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，具备信标收发和信号收发功能的光学装置；在对接工作距离为5m-10km条件下，快速实现有效口径大于100mm激光终端的通信对接试验要求，且结构紧凑、便于携带，增加了本发明的实用性。

本发明的技术解决方案是：一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，包括：接收望远镜、精扫描组件、分光镜、捕跟接收组件、折转镜、通信接收组件、第一信号/信标发射组件、第二信号/信标发射组件、瞄准器、壳体；接收望远镜、第一信号/信标发射组件、第二信号/信标发射组件、瞄准组件安装壳体的同一侧板上；接收望远镜的光轴、第一信号/信标发射组件的光轴、第二信号/信标发射组件的光轴、瞄准器的光轴相互平行；接收望远镜的光轴分别与捕跟接收组件的光轴、通信接收组件的光轴垂直；精扫描组件、分光镜、折转镜分别与接收望远镜的光轴呈45°夹角；瞄准器发射激光束；接收望远镜接收信号光与信标光，经过精扫描组件反射，信标光透过分光镜进入捕跟接收组件，信号光经分光镜反射到折转镜上，并通过折转镜反射到通信接收组件；第一信号/信标发射组件、第二信号/信标发射组件发射信号光和信标光。

所述第一信号/信标发射组件的有效口径为10mm，焦距为40mm，信号发散角为500urad。

所述第二信号/信标发射组件的有效口径为10mm，焦距为40mm，信号发散角为5mrad。

所述精扫描组件的反射镜镜面处于接收望远镜的出瞳位置处，精扫描组件的机械扫描范围为-10mrad～10mrad，反射镜口径为1英寸。

所述捕跟接收组件的有效口径为50mm，视场角为100mrad，焦距为56mm。

所述通信接收组件的有效口径为15mm，视场角为300urad，焦距为53mm。

所述折轴镜或分光镜的口径为39mm。

所述瞄准器发射的激光束的波长为532nm。

所述第一信号/信标发射组件或第二信号/信标发射组件与光纤的接口采用标准的FC/APC形式。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用接收通道、发射通道分离式设计，且具备信标收发和信号收发功能，与收发通道共光路的结构形式相比，避免收发通道共光路引入的隔离度问题，降低了本发明的装调难度。

(2)本发明的光学透射式接收望远镜、发射组件等有效口径小，且所有光学元件可作为独立模块，集成在一个壳体内，相比于各光学设备分离式的光学系统测试平台，结构紧凑、重量轻、便于携带。

(3)本发明满足有效口径大于100mm激光终端主从式的通信对接试验要求，作为被动方，采用2个发射组件切换方式和绿光瞄准器，可满足对接距离为5m-10km，且5m-5km和5km-10km两档的要求，减少激光对接试验的难度，增加了本发明的应用性。

附图说明

图1为本发明的光路示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明瞄准机构与二维转台粗对准结构示意图；

图4为本发明的基准面示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的激光通信光学装置光路图。一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，包括接收望远镜1、精扫描组件2、分光镜3、捕跟接收组件4、折轴镜5、通信接收组件6、第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8和瞄准器9。如图2所示，接收望远镜1、第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8和瞄准器9的光轴平行，接收望远镜1与捕跟接收组件4、通信接收组件6的光轴垂直，通过45°放置的分光镜3、精扫描组件2和折轴镜5对接收光束分光或改变光轴方向，保证了本发明的发射光束、接收光束光轴平行。精扫描组件2由反射镜和二维转动机构组成；瞄准器9由准直器实现，激光器通过光纤连接准直器，第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8由准直器实现，信号、信标激光光束耦合进同一根光纤，并通过准直器发射；捕跟接收组件4由倒置准直器和捕跟探测器实现，接收、会聚信标光到捕跟探测器的探测面上；通信接收组件6也由倒置准直器实现，接收、会聚信号光并耦合进入光纤。

在激光对接试验过程中，本发明适用于主从扫描式的捕跟策略且作为被动方。图3所示，首先控制二维转台10转动，带动瞄准器9的方位、俯仰角变化，使发射的绿色(532nm波长)激光束覆盖对接终端，直到瞄准器9的光轴与对接终端的光轴尽可能重合进行对准，完成粗对准，然后保持本发明的姿态不变；根据对接试验的距离，选择第一信号/信标发射组件7或第二信号/信标发射组件8出射光束，同时接收对接终端的发射光束，并控制具有大扫描机械范围(-10mrad～10mrad)精扫描组件2的反射镜姿态，使信标光束经过接收望远镜1、精扫描组件2、分光镜3，成像在捕跟接收组件4的捕跟探测器的中心位置处，捕跟链路建立，最后接收的信号光，经过接收望远镜1、精扫描组件2、分光镜3、折转镜5和通信接收组件6耦合进入光纤与通信接收机的光混平器相互作用，实现激光通信。在捕跟链路建立过程中，通过控制精扫描组件2弥补粗对准引入的发射、接收光轴偏差，可以方便、快速地完成激光链路的建立。

如图4所示，本发明采用宽光谱透射式接收望远镜1、瞄准器9和第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8安装在壳体10的一个基准面，其中第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8与接收通道分离，保证发射组件的激光不被捕跟接收组件4或通信接收组件6探测到，避免因收发共光路引入的隔离度问题。通常卫星激光终端的有效口径通常大于100mm，本发明采用接收望远镜1的有效口径为50mm，放大倍率为5，其口径大于卡塞-格伦光学天线的中心遮挡，第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8有效口径约为10mm，第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8、瞄准器9与接收望远镜1近相切式紧密排布，结合光学透镜和机械结构尺寸，外包络小于100mm。采用透射式接收望远镜1的形式，对入射光进行压缩光束，降低了望远镜的加工难度。

如图4所示，本发明的信标发射和信号发射共用一个光学组件，采用波分复用器将2根光纤的调制信号光、捕跟信标光束耦合到同1根光纤中，通过发射组件进行发射。第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8都与光纤的接口采用标准的FC/APC形式连接，可以插拔光缆，便于携带。本发明在满足捕跟、通信链路建立的情况下，减少了1个发射组件，优化了光学装置的结构，减轻了光学装置的重量。

第一信号/信标发射组件7和第二信号/信标发射组件8，有效口径D约为10mm，若通信波长λ为1550nm，理论发散角约为378urad，发散较小，可满足5m-10km距离的通信试验激光链路建立要求。小于10km的对接距离，光束按照菲涅尔衍射原理传播，激光光束有一定的发散角。根据几何光学成像原理，控制激光光纤头与信号/信标发射组件焦点位置关系，当两者的相对位置不重合，即产生了一定的离焦量，可增大信号/信标发射组件出射激光束的发散角。若离焦量为d光学支路焦距为f，数值孔径为NA，则发射角变化量为Δθ，满足根据不同通信试验距离的要求，可确定发射组件发射角大小，结合发射组件视场角和像质，采用高精度、不同厚度垫圈可以得到特定的离焦量，可得到需要的发散角。为避免在对接过程中调节发射组件，同时降低远距离激光对接试验的难度，保证光斑大小为米量级，便于激光捕跟链路的快速建立，根据发散角与离焦量变化公式，本发明采用2个光学参数相同的发射组件，焦距为40mm，发散角不同，其中第一信号/信标发射组件7的信号发散角为500urad、第二信号/信标发射组件8的信号发散角为5mrad，通过信号/信标发射组件的切换，可分别满足5m～5km、5km～10km的对接距离。

如图2所示，本发明涉及的光学接收通道主要包含精扫描组件2、分光镜3、折轴镜5、捕跟接收组件4和通信接收组件6。精扫描组件2的反射镜镜面处于接收望远镜1的出瞳位置处，本发明采用的精扫描组件2的机械扫描范围为-10mrad～10mrad，反射镜口径为1英寸。本发明采用的捕跟接收组件4的倒置准直器在接收望远镜1出瞳位置的较近的距离处，它有效口径小但可捕获大发射角的激光光束，通常视场角为百毫弧度量级，倒置准直器的有效口径为50mm，视场角100mrad，焦距56mm。通信接收支路6的视场小，通常为百微弧度量级，本发明采用的通信接收组件6有效口径为15mm，视场角300urad，焦距53mm，经过折轴镜5反射的激光光束，对通信接收组件6的有效口径影响较小，本发明采用折轴镜5和分光镜3的口径为39mm。第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8、瞄准器9与接收望远镜1近相切式紧密排布，精扫描组件2的电接口以及各光学组件的光接口都采用可插拔的方式。

采用接收通道、发射通道分离式设计，光学接收通道主要包含精扫描组件2、捕跟接收组件4和通信接收组件6，发射通道由第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8和瞄准器9组成，具备信标收发和信号收发功能。光学接收望远镜1、信号/信标发射组件口径小，因此本发明结构形式清楚、空间排列紧凑，相比于各分离式光学设备组合的光学系统测试平台，更利于实现小型化、模块化、轻量化、易便携。

信号和信标发射共用一个光学组件，且采用标准的FC/APC形式与光纤连接，2个不同发散角的发射组件相互切换，进行工作距离的选择，满足有效口径大于100mm激光终端的通信对接试验要求，对接距离为5m～5km、5m～10km，极大地减少激光对接试验的难度，增加了光学装置的应用性

本发明的原理：激光通信对接过程，接收的信号光与信标光通过接收望远镜1进入接收通道，经过精扫描组件2反射，信标光透过分光镜3进入捕跟接收组件4，信号光经分光镜3反射到折转镜5上，并反射到通信接收组件6；第一信号/信标发射组件7或第二信号/信标发射组件8发射信号光和信标光，其中出射信号光束、信标光束、接收信号光束、信标光束和瞄准激光束光轴平行。

本发明说明书未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，其特征在于，包括：接收望远镜(1)、精扫描组件(2)、分光镜(3)、捕跟接收组件(4)、折转镜(5)、通信接收组件(6)、第一信号/信标发射组件(7)、第二信号/信标发射组件(8)、瞄准器(9)、壳体(10)；接收望远镜(1)、第一信号/信标发射组件(7)、第二信号/信标发射组件(8)、瞄准组件(9)安装壳体(10)的同一侧板上；接收望远镜(1)的光轴、第一信号/信标发射组件(7)的光轴、第二信号/信标发射组件(8)的光轴、瞄准器(9)的光轴相互平行；接收望远镜(1)的光轴分别与捕跟接收组件(4)的光轴、通信接收组件(6)的光轴垂直；精扫描组件(2)、分光镜(3)、折转镜(5)分别与接收望远镜(1)的光轴呈45°夹角；瞄准器(9)发射激光束；接收望远镜(1)接收信号光与信标光，经过精扫描组件(2)反射，信标光透过分光镜(3)进入捕跟接收组件(4)，信号光经分光镜(3)反射到折转镜(5)上，并通过折转镜(5)反射到通信接收组件(6)；第一信号/信标发射组件(7)、第二信号/信标发射组件(8)发射信号光和信标光。

2.根据权利要求1所述的一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，其特征在于：所述第一信号/信标发射组件(7)的有效口径为10mm，焦距为40mm，信号发散角为500urad。

3.根据权利要求1或2所述的一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，其特征在于：所述第二信号/信标发射组件(8)的有效口径为10mm，焦距为40mm，信号发散角为5mrad。

4.根据权利要求3所述的一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，其特征在于：所述精扫描组件(2)的反射镜镜面处于接收望远镜(1)的出瞳位置处，精扫描组件(2)的机械扫描范围为-10mrad～10mrad，反射镜口径为1英寸。

5.根据权利要求4所述的一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，其特征在于：所述捕跟接收组件(4)的有效口径为50mm，视场角为100mrad，焦距为56mm。

6.根据权利要求4或5所述的一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，其特征在于：所述通信接收组件(6)的有效口径为15mm，视场角为300urad，焦距为53mm。

7.根据权利要求1或2所述的一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，其特征在于：所述折轴镜(5)或分光镜(3)的口径为39mm。

8.根据权利要求1或2所述的一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，其特征在于：所述瞄准器(9)发射的激光束的波长为532nm。

9.根据权利要求1或2所述的一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，其特征在于：所述第一信号/信标发射组件(7)或第二信号/信标发射组件(8)与光纤的接口采用标准的FC/APC形式。