CN106788758B - 一种空间激光通信组网的收发终端及运行方法 - Google Patents

一种空间激光通信组网的收发终端及运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种空间激光通信组网的收发终端及运行方法：收发终端为依次相接的光学天线、消色差半波片、偏振分束棱镜、分束镜，分束镜的透射光路至接收信号探测器、反射光路至窄带探测器。接收光束为偏振方向和消色差半波片快轴方向呈67.5°的夹角的线偏振光。窄带探测器只响应2种波长之一，反馈信号接入激光发射系统。其运行方法为：经消色差半波片后接收光调制为P线偏振光，经偏振分束棱镜到达分束镜；分束至接收信号探测器和窄带探测器；激光发射系统按窄带探测器信号选择与接收光不同的波长出射。本发明自动识别接收光波长、选择与接收光不同的发射波长，实现激光通信组网中各激光终端的自由随遇接入，收发共用的光学天线信号不受影响。

Description

一种空间激光通信组网的收发终端及运行方法
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，具体为一种空间激光通信组网的收发终端及运行方法，以实现激光通信组网中各个激光终端的自由随遇接入。
背景技术
在空间激光通信收发终端中，发射/接收天线通常设计为一个望远镜系统，发射天线的作用是将中继光学系统合束后发出的光束进行准直扩束，扩大出射光束的光斑尺寸，同时压缩光束的发散角，为发射光束提供高的增益。
接收天线则接收另一个终端发射的激光束，将尺寸远大于探测器的光束合束，将光束能量收集耦合到光探测器上，大幅度提高探测器上的激光功率能量密度，提供高的光学增益。
在自由空间激光通信中，天线系统的选择和设计需要综合考虑通信平台的特性和系统的应用要求。基于减小体积的考虑，远距离传输的激光终端一般都采用收发共用天线，对收、发信号光隔离。隔离方式大多是光谱隔离，即发射波长与接收波长不一致。对于多节点中继、拓扑变化的网络应用而言，收发波长不一致将带来复杂的波长管理问题，严重影响节点的随遇接入能力，因此，必须采取必要的措施以实现激光终端自由的随遇接入。
对于信号光隔离，为了降低体积重量多是采用收发共用天线，目前最常用的隔离方式是光谱隔离，即本端与对端信号光束选择不一样的波长。但对于激光组网应用，且网络拓扑不是一成不变的，某个激光终端可能与不同的其他终端互连，因此，网络中不同平台不同节点终端的波长不能随意选择。事先对网络各链路的波长进行规划是一个常用思路，但对于要求随遇接入的空地网络应用不适用。
发明内容
本发明的目的是设计一种空间激光通信组网的收发终端及运行方法，配有双波长激光信号源和只响应一种波长光的窄带探测器，可自动识别接收光波长，自动选择与接收光波长不同的发射光波长，实现在激光通信组网中各激光终端的自由随遇接入。
本发明一种空间激光通信组网的收发终端的设计方案如下：包括激光发射系统、准直透镜、光学天线和接收信号探测器，光学天线同时用作为发射天线和接收天线，本发明还包括起偏器、偏振分束棱镜、消色差半波片、分束镜、聚焦镜和窄带探测器，光学天线接收对方发射过来的光束到达所述消色差半波片，所接收光束为偏振方向和消色差半波片快轴方向呈67.5°夹角的线偏振光，接收的线偏振光通过该消色差半波片后，透射光被调制为P偏振的线偏振光，此线偏振光到达偏振分束棱镜后被无损耗地反射到分束镜，分束镜将大部分光束透射至主聚焦镜、进入接收信号探测器，分束镜将小部分光束反射至辅聚焦镜进入窄带探测器。接收信号探测器对波长λ1和λ2的光均响应，将接收光全部转换为接收的电信号；窄带探测器只响应波长λ1和波长λ2中的一个；窄带探测器的信号接入激光发射系统。激光发射系统包括两个激光信号源及分别与2个激光信号源相配合的2个窄带滤光片，二激光信号源的波长分别为λ1和λ2。2个窄带滤光片的输出光路对应同一放大器，放大后的信号光束进入准直透镜。激光发射系统根据窄带探测器的信号选择与接收信号波长不同的激光信号源工作，激光信号源发出的信号光束经过其滤光片、再经放大器后进入准直透镜。经准直透镜准直后的激光束经过起偏器成为S偏振光，S偏振光无损耗地透射过偏振分束棱镜，消色差半波片的快轴方向和S偏振光的夹角为22.5°，S偏振光经过消色差半波片后透射出来的调制光为线偏振光，且偏振方向和接收的入射线偏振光的偏振方向呈45°角，激光发射系统发出的激光束转换的偏振光进入光学天线发射。
所述分束镜的分束比为透射光:反射光＝(9:1)～(7:3)。
所述波长λ1和λ2满足20nm＜|λ1-λ2|＜400nm，因为一般窄带滤光片的带宽为10nm，二波长至少相差2倍带宽，二波长才互不影响；同时消色差半波片的波长范围在400nm内，故二波长差不超过此值。
所述光学天线为透射式光学天线、反射式光学天线和折反式光学天线中的任一种。
本发明一种空间激光通信组网的收发终端的运行方法，包括如下步骤：
步骤1、接收光信号
本端光学天线接收对端发射来的光信号。光学天线接收的光信号透过消色差半波片后被调制为P偏振的线偏振光，经偏振分束棱镜反射到达分束镜；
步骤2、接收光的分束
分束镜将到达的接收光信号的小部分反射至辅聚焦镜、聚焦到窄带探测器，窄带探测器只响应波长λ1和波长λ2中的一个，用于波长识别；其反馈信号送入激光发射系统；
接收光信号的大部分透射至主聚焦镜、聚焦到接收信号探测器，接收信号探测器对波长λ1和λ2的光均响应，用于探测接收信号；
分束镜将透射接收光信号的70～90％，反射其余的接收光信号；
步骤3、接收光波长识别
激光发射系统根据步骤2窄带探测器的反馈信号对接收光的波长进行识别，在接收到窄带探测器有响应的反馈信号时，则判定本端接收光波长与窄带探测器对应的波长相同，在接收到窄带探测器的无响应的反馈信号时，则判定本端接收光波长为与窄带探测器对应的波长不同的另一种波长。
窄带探测器设置有响应时其发送的反馈信号为“1”，无响应时反馈信号为“0”，激光发射系统接收到反馈信号为“1”时，即窄带探测器对接收光有响应，反馈信号为“0”时，窄带探测器对接收光无响应。
步骤4、发射光信号波长选择与出射
根据步骤3识别的接收光信号的波长，本端激光发射系统选择与接收光波长不同的激光信号源工作，该激光信号源发出的光信号经过滤波片、放大器后到达准直透镜，准直后经过起偏器成为S偏振光，S偏振光无损耗地透射过偏振分束棱镜，再进入消色差半波片，透射出来的调制光为线偏振光，且偏振方向和接收的入射线偏振光的偏振方向呈45°角，然后经过光学天线出射。
与现有技术相比，本发明一种空间激光通信组网的收发终端及运行方法的优点为：1、在激光通信组网中，网络拓扑结构多种多样，某个激光终端可能与不同的其他终端互连，本收发终端配有双波长激光信号源，可自动识别接收光波长，自动选择与接收波长不同的发射波长，实现在激光通信组网中各激光终端的自由随遇接入；2、由于收、发信号光波长不同的隔离，本系统收发共用的光学天线信号接收不受影响；且因所用激光束带宽是极窄，不会干扰影响到相邻激光链路；3、本终端所用器件均为低功耗轻质量的元件，对终端的体积功耗重量带来的影响较为有限，结构简单，成本低，体积小，易于推广使用。
附图说明
图1为本空间激光通信组网的收发终端实施例结构示意图；
图2为本空间激光通信组网的收发终端的运行方法实施例具体应用示意图。
图中标号为：
1、光学天线，2、消色差半波片，3、偏振分束棱镜，4、起偏器，5、准直透镜，6、激光发射系统，7、分束镜，8、主聚焦镜，9、接收信号探测器，10、辅聚焦镜，11、窄带探测器。
具体实施方式
空间激光通信组网的收发终端实施例
本空间激光通信组网的收发终端实施例如图1所示，包括激光发射系统6、准直透镜5、光学天线1、起偏器4、偏振分束棱镜3、消色差半波片2、分束镜7、主聚焦镜8、辅聚焦镜10、窄带探测器11和接收信号探测器9，光学天线1同时用作为发射天线和接收天线，本例光学天线1为透射式光学天线。本例光学天线1接收对方发射过来的光束到达消色差半波片2，所接收光束为偏振方向和消色差半波片2快轴方向呈67.5°的夹角的线偏振光，接收的线偏振光通过该消色差半波片2后，透射光被调制为P偏振的线偏振光，此线偏振光到达偏振分束棱镜3后被无损耗地反射到分束镜7，90％的接收光经分束镜7透射至主聚焦镜8、进入接收信号探测器9，10％的光经分束镜7反射至辅聚焦镜10进入窄带探测器11。接收信号探测器9对波长λ1和λ2的光均响应，将接收光全部转换为接收的电信号；本例窄带探测器11只响应波长λ1；窄带探测器11的反馈信号接入激光发射系统6。激光发射系统6包括两个激光信号源及分别与2个激光信号源相配合的2个窄带滤光片，二激光信号源的波长分别为λ1和λ2。激光发射系统9根据窄带探测器11的信号选择与接收信号波长不同的激光信号源工作，激光信号源发出的信号光束经过其滤光片、再经放大器后进入准直透镜5。经准直透镜5准直后的激光束经过起偏器4成为S偏振光，S偏振光无损耗地透射过偏振分束棱镜3，消色差半波片2的快轴方向和S偏振光的夹角为22.5°，S偏振光经过消色差半波片2后透射出来的调制光为线偏振光，且偏振方向和接收的入射线偏振光的偏振方向呈45°角，激光发射系统6发出的激光束转换的偏振光进入光学天线1发射。
本例波长λ1为1540nm，λ2为1560nm。
空间激光通信组网的收发终端的运行方法实施例
本空间激光通信组网的收发终端的运行方法实施例，即为上述空间激光通信组网的收发终端实施例的运行方法，其流程包括如下步骤：
步骤1、接收光信号
本端光学天线1接收对端发射来的光信号。光学天线1接收的光信号透过消色差半波片2后接收光信号被调制为P偏振的线偏振光，经偏振分束棱镜3反射到达分束镜7；
步骤2、接收光的分束
分束镜7将到达的接收光信号的10％反射至辅聚焦镜10、聚焦到窄带探测器11，窄带探测器11只响应波长λ1，用于波长识别；其反馈信号送入激光发射系统6；
接收光信号的90％透射至主聚焦镜8、聚焦到接收信号探测器9，接收信号探测器9对波长λ1和λ2的光均响应，用于探测接收信号；
分束镜7将透射接收光信号的90％，反射其余的接收光信号；
步骤3、接收光波长识别
根据步骤2窄带探测器11的反馈信号对接收光的波长进行识别，在接收到窄带探测器11有响应的反馈信号时，则本端接收光波长与窄带探测器11对应的波长相同，在接收到窄带探测器11的无响应的反馈信号时，则判定本端接收光波长为与窄带探测器11对应的波长不同的另一种波长。
窄带探测器11设置有响应时其发送的反馈信号为“1”，无响应时反馈信号为“0”，激光发射系统6接收到反馈信号为“1”时，即窄带探测器11对接收光有响应，激光发射系统6判定接收光波长为λ1；激光发射系统6接收到反馈信号为“0”时，即窄带探测器11对接收光无响应，激光发射系统6判定接收光波长为λ2。
步骤4、发射光信号波长选择与出射
根据步骤3识别的接收光信号的波长，本端激光发射系统6选择与接收光波长不同的激光信号源工作，该激光信号源发出的光信号经过滤波片、放大器后到达准直透镜5，准直后经过起偏器4成为S偏振光，S偏振光无损耗地透射过偏振分束棱镜3，再进入消色差半波片2，透射出来的调制光为线偏振光，且偏振方向和接收的入射线偏振光的偏振方向呈45°角，然后经过光学天线1出射。
本方法的具体应用如图2所示，空间激光通信组网的收发终端实施例安装于飞机和基地，第一基地用波长λ1向飞机A发射光信号，飞机A接收波长λ1的光信号，选择波长λ2向第一基地和飞机B发射光信号；飞机B接收飞机A发射的波长λ2的光信号，选用波长λ1向飞机A、C和第二基地发射光信号，飞机C和小基地接收波长为λ1的光信号，选用发射波长λ2。各终端之间可灵活地进行链路搭建，各基地之间，基地与飞机的通信平台之间均实现随遇接入。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空间激光通信组网的收发终端，包括激光发射系统(6)、准直透镜(5)、光学天线(1)和接收信号探测器(9)，光学天线(1)同时用作为发射天线和接收天线，其特征在于：
还包括起偏器(4)、偏振分束棱镜(3)、消色差半波片(2)、分束镜(7)、聚焦镜和窄带探测器(11)，光学天线(1)接收对方发射过来的光束到达所述消色差半波片(2)，所接收光束为偏振方向和消色差半波片(2)快轴方向呈67.5°夹角的线偏振光，接收的线偏振光通过该消色差半波片(2)后，透射光被调制为P偏振的线偏振光，此线偏振光到达偏振分束棱镜(3)后被无损耗地反射到分束镜(7)，分束镜(7)将大部分光束透射至主聚焦镜(8)、进入接收信号探测器(9)，分束镜(7)将小部分光束反射至辅聚焦镜(10)进入窄带探测器(11)；接收信号探测器(9)对波长λ1和λ2的光均响应，将接收光全部转换为接收的电信号；窄带探测器(11)只响应波长λ1和波长λ2中的一个；窄带探测器(11)的信号接入激光发射系统(6)；激光发射系统(6)包括两个激光信号源及分别与2个激光信号源相配合的2个窄带滤光片，二激光信号源的波长分别为λ1和λ2；激光发射系统(6)根据窄带探测器(11)的信号选择与接收信号波长不同的激光信号源工作，激光信号源发出的信号光束经过其滤光片、再经放大器后进入准直透镜(5)，准直后的激光束经过起偏器(4)成为S偏振光，S偏振光无损耗地透射过偏振分束棱镜(3)，消色差半波片(2)的快轴方向和S偏振光的夹角为22.5°，S偏振光经过消色差半波片(2)后透射出来的调制光为线偏振光，且偏振方向和接收的入射线偏振光的偏振方向呈45°角，激光发射系统(6)发出的激光束转换的偏振光进入光学天线(1)发射。
2.根据权利要求1所述的空间激光通信组网的收发终端，其特征在于：
所述分束镜(7)的分束比为透射光:反射光＝(9:1)～(7:3)。
3.根据权利要求1所述的空间激光通信组网的收发终端，其特征在于：
所述波长λ1和λ2满足20nm＜|λ1-λ2|＜400nm。
4.根据权利要求1所述的空间激光通信组网的收发终端，其特征在于：
所述光学天线(1)为透射式光学天线、反射式光学天线和折反式光学天线中的任一种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的空间激光通信组网的收发终端的运行方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、接收光信号
本端光学天线(1)接收对端发射来的光信号；光学天线(1)接收的光信号透过消色差半波片(2)后接收光被调制为P偏振的线偏振光，经偏振分束棱镜(3)反射到达分束镜(7)；
步骤2、接收光的分束
分束镜(7)将到达的接收光束的小部分光束反射至辅聚焦镜(10)、聚焦到窄带探测器(11)，窄带探测器(11)只响应波长λ1和波长λ2中的一个，用于波长识别；其反馈信号送入激光发射系统(6)；
接收光束的大部分光束经分束镜(7)透射至主聚焦镜(8)、聚焦到接收信号探测器(9)，接收信号探测器(9)对波长λ1和λ2的光均响应，用于探测接收信号；
所述分束镜(7)透射接收光信号的70～90％，反射其余的接收光信号；
步骤3、接收光波长识别
激光发射系统(6)根据步骤2窄带探测器(11)的反馈信号对接收光的波长进行识别，在接收到窄带探测器(11)有响应的反馈信号时，则判定本端接收光波长与窄带探测器(11)对应的波长相同，在接收到窄带探测器(11)的无响应的反馈信号时，则判定本端接收光波长为与窄带探测器(11)对应的波长不同的另一种波长；
步骤4、发射光信号波长选择与出射
根据步骤3识别的接收光信号的波长，本端激光发射系统(6)选择与接收光波长不同的激光信号源工作，该激光信号源发出的光信号经过滤波片、放大器后到达准直透镜(5)，准直后经过起偏器(4)成为S偏振光，S偏振光无损耗地透射过偏振分束棱镜(3)，再进入消色差半波片(2)，透射出来的调制光为线偏振光，且偏振方向和接收的入射线偏振光的偏振方向呈45°角，然后经过光学天线(1)出射。
6.根据权利要求5所述的空间激光通信组网的收发终端的运行方法，其特征在于：
所述窄带探测器(11)设置有响应时其发送的反馈信号为“1”，无响应时反馈信号为“0”，激光发射系统(6)接收到反馈信号为“1”时，即窄带探测器(11)对接收光有响应，反馈信号为“0”时，窄带探测器(11)对接收光无响应。
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