CN106712853B - 适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置，属于激光通信技术领域，包括发射光纤头、发射天线、补偿透镜和整流罩。发射光纤头发射的激光信号首先入射至发射天线，经发射天线整形后，依次经过补偿透镜和整流罩，最后发射至远处。整流罩为内、外表面同心的半球形或球冠形整流罩，发射天线可绕万向节点转动，从而向半角不超过54°的立体角内的不同方位发射通信光束。发射天线的万向节点与整流罩内、外表面的球心不重合，但位于整流罩的中轴线上。补偿透镜为内、外表面均为球面的弯月形透镜。本发明使用一片球面补偿透镜，解决了整流罩在不同发射角时导致通信光束出现不同程度的远场发散角变大的问题，增加了通信距离。

Description

适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置

技术领域

本发明属于激光通信领域，尤其是涉及含光学整流罩的通信发射装置。

背景技术

机载激光通信是激光通信领域的一个重要发展方向。相对于地面平台，机载平台不仅对载荷有严格的尺寸重量和功耗要求，且具有移动速度快、振动大、环境恶劣、安装方式较为特殊等特点。

机载光电平台前端往往覆盖有半球或球冠形光学整流罩，在兼顾平台气动性能的同时起到保护后方设备的作用。为了与不同位置的目标进行信息互通，机载激光通信光学天线可绕其万向节点进行旋转，改变光束发射角。当该万向节点与同心球形整流罩内、外表面的球心不重合时，整流罩将给非零发射角的光束引入非对称像差，从而导致通信光束散角增大，变得更为发散，造成可通信距离减小，且通信光发射角度不同的情况下，束散角增大效应也不同。目前国内外研究多致力于对整流罩造成的整流罩后探测系统成像质量的下降进行补偿，几乎没有修正通信激光光束从整流罩内部出射所造成的远场发散角变化的方法的相关报道。

发明内容

本发明的发明目的是提供了适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置，能在±54°发射角范围内修正整流罩给通信发射光束带来的远场发散角扩大效应。

为了达到上述目的，本发明提出了一种适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置，其特征是：包括发射光纤头、发射天线、补偿透镜和整流罩，在光的传播方向上，所述发射光纤头、发射天线、补偿透镜和整流罩依次按顺序置于机载光电平台上，且补偿透镜的中轴线与整流罩的中轴线共线，其中发射天线具有万向节点，且万向节点位于整流罩的中轴线上，发射天线通过万向节点旋转；

其中整流罩为内表面、外表面同心的半球形或球冠形整流罩；

其中发射天线的万向节点与整流罩内表面、外表面的球心不重合。

进一步，所述发射天线的通光孔径大小不超过整流罩外表面曲率半径的三分之一。

进一步，所述发射天线绕万向节点转动，发射天线发射通信光束的角度与整流罩的中轴线夹角小于等于54°。

进一步，所述补偿透镜为弯月形，其内表面和外表面均为球面。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：现有技术中，当机载激光通信发射光束的转动中心不在其光电平台的同心球形光学整流罩内、外表面球心的情况下，整流罩将给不同发射角度的光束带来不同的发散角增大的影响。本发明在整流罩前方加入一片补偿透镜，对整流罩罩体引起的负光焦度进行补偿。补偿透镜在±54°发射角度范围内很好地修正了整流罩引起的通信光束发散角扩大的现象，比未加补偿透镜前大大增加了通信距离。补偿透镜结构简单，不会过多占用机舱内部的有限空间，透镜前后表面面形均为球面，加工检测难度不大，成本较低。

附图说明

图1是本发明适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置在通信光束发射角为0°时的示意图。

图2是本发明适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置在通信光束发射角为54°时的示意图。

图3是未加补偿透镜之前发射天线发出的0°光束通过整流罩的示意图。

图4是未加补偿透镜之前发射天线发出的54°光束通过整流罩的示意图。

图中：1-发射光纤头、2-发射天线、3-补偿透镜、4-整流罩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明，本发明提出了一种适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置，如图1所示，包括发射光纤头1、发射天线2、补偿透镜3和整流罩4，其中，为突出本发明重点，未示出发射光纤头1之前连接的激光器、调制器等。

所述发射光纤头1发射的激光信号入射至发射天线2，经发射天线2整形，将发射光纤头1发来的激光整形为平行光束出射，依次经过补偿透镜3和整流罩4，最后发射至远处。

所述整流罩4为内、外表面同心的球冠形整流罩，外表面曲率半径为100mm，内表面曲率半径为95mm，厚度为5mm，材料为H-K9，在1550nm处折射率为1.517。整流罩4的最大通光口径为160mm，通信光束口径为30mm，波长为1550nm。

所述发射天线2可绕万向节点转动，向半角不超过54°的立体角内的不同方位发射通信光束。附图1和附图2分别为本发明在0°通信光束发射角和54°通信光束发射角时的示意图。

所述发射天线2的万向节点与整流罩4内、外表面的球心不重合，但位于整流罩4的中轴线上，距整流罩4内表面64.5mm。

所述发射天线2的通光口径为27mm，即从发射天线2出射的通信光束宽度为27mm，未超过整流罩4外表面曲率半径的三分之一。

本实施例中，发射天线2简化为一个忽略加工误差的理想透镜，将发射光纤头1发来的激光整形为平行光束出射。此时从发射天线2出射的光束的远场发散角可认为是衍射极限角，只与衍射口径和光束波长有关。(参见姜会林，佟首峰《空间激光通信技术与系统》，国防工业出版社，p94)

此时的通信光束发散角(全角)可由如下公式计算：

δ₀＝244λ/D

＝2.44×1550nm/27mm

≈140μrad

其中λ为光束波长，D为通信发射天线口径。

所述补偿透镜3的材料选用成都光明公司生产的玻璃材料H-ZF7，在1550nm处折射率约为1.805，大于整流罩4材料的折射率(H-K9，1.517)。补偿透镜3透镜的内表面和外表面均为球面。

补偿透镜3为弯月形，其内表面、外表面曲率半径分别为-257.025和-243.740mm。其带有的正光焦度，能够抵消绝大部分整流罩4带来的负光焦度。

本发明适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置各部分具体光学参数参见表1(可利用美国Focus公司的光学软件ZEMAX进行仿真)：

表1适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置详细光学参数

参见图3和图4分别为本实施例未加补偿透镜3时发射天线2发出的0°和54°的光束通过整流罩4的示意图。

表2为本实施例不加补偿透镜3时，不同发射角下通信光束的远场发散角。由于激光通信系统一般采用单模光源，发射光束可近似认为是高斯光束，因此远场发散角的数据通过高斯光束追迹的方式得到(追迹参数设置：X、Y方向束腰半尺寸为13.5mm，束腰与第2面重合，开始表面：2，最终表面：7)。通过表2可知，由于整流罩4在不同发射角下给光束引入的非对称像差不同，光束的远场发散角也不尽相同，并随着发射角度的增大而增大。表3为本实施例加补偿透镜3时的不同发射角下通信光束的远场发散角。

表2未加补偿透镜3时，不同发射角下通信光束的远场发散角

发射角(°)	光束远场发散角(mrad)
		0	4.7427
20	4.9178
		40	5.3905
54	5.8091

表3加补偿透镜3时，在不同发射角下通信光束远场发散角

发射角(°)	光束远场发散角(mrad)
		0	0.1883
20	0.2997
		40	0.2730
54	0.3495

比较表2、表3可知，本实施例在整个发射角度范围内均很好地修正了整流罩4的光焦度所引起的通信光束发散角扩大，远场发散角范围从4.7427mrad～5.8091mrad缩小到188.3μrad～349.5μrad，从而提高了可通信距离。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明。

Claims (4)

1.适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置，其特征是：包括发射光纤头(1)、发射天线(2)、补偿透镜(3)和整流罩(4)，在光的传播方向上，所述发射光纤头(1)、发射天线(2)、补偿透镜(3)和整流罩(4)依次按顺序置于机载光电平台上，且补偿透镜(3)的中轴线与整流罩(4)的中轴线共线，其中发射天线(2)具有万向节点，且万向节点位于整流罩(4)的中轴线上，发射天线(2)通过万向节点旋转；

其中整流罩(4)为内表面、外表面同心的半球形或球冠形整流罩；

其中发射天线(2)的万向节点与整流罩(4)内表面、外表面的球心不重合。

2.根据权利要求1所述的适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置，其特征是：所述发射天线(2)的通光孔径大小不超过整流罩(4)外表面曲率半径的三分之一。

3.根据权利要求1所述的适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置，其特征是：所述发射天线(2)绕万向节点转动，发射天线(2)发射通信光束的角度与整流罩(4)的中轴线夹角小于等于54°。

4.根据权利要求1所述的适用于机载光电平台的含光学整流罩的通信发射装置，其特征是：所述补偿透镜(3)为弯月形，其内表面和外表面均为球面。

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