CN106856414B - 大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统 - Google Patents

大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统 Download PDF

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Abstract

大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统，属于无线通信技术领域，为了解决现有技术所存在的链路对准视场过小、系统要求精度高、链路稳定性差的问题，通信发射端连接到第一环行器的a端口，c端口与光电探测器相连，b端口连接耦合透镜，卡塞格林望远镜与耦合透镜同轴放置；猫眼光学系统与曲面微透镜阵列同轴放置，猫眼光学系统与1×2耦合器阵列连接；1×2耦合器阵列的高输出功率端连接至N×1高速光开关，1×2耦合器阵列的低输出功率端连接至高速光电探测器阵列，高速电探测器阵列、控制器、高速光开关依次连接，高速光开关连接至第二环行器的d端，e端接入光纤放大器，光纤放大器接入高速调制器，高速调制器接入第二环行器的f端。

Description

大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统
技术领域
本发明是一种用于自由空间激光通信的装置，具体涉及到大视场接收的逆向调制无线通信装置，属于无线通信技术领域。
背景技术
激光无线通信因具有通信容量大、传输速率高、保密性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、体积小、功耗低等优点，在无线通信领域中是十分重要的通信方式，将在星地及星间高速无线通信的领域，对通信内容的安全保密性要求较高的场合(比如政府、军事部门、安全部门)，或者有强电磁干扰的场所(如战场)等诸多场合中具有潜在的应用前景。
基于调制回复反射器的非对称自由空间激光通信系统可用于对体积、功耗、重量限制较大的平台上，如无人机、微小卫星等。为此基于调制回复反射器自由空间激光通信系统是未来微小型空间激光通信发展趋势之一。
中国专利”全双工猫眼逆向调制回复自由空间激光通信系统”，申请号CN201410592675.X，该发明在接收系统中采用了双波长发射端、光纤电光调制器、光纤放大器，实现了全双工高速远距离的逆向调制回复通信功能。该发明与传统的调制回复系统相比，通信速率高、全双工、通信距离远、结构紧凑。但该系统中采用了准直镜来实现空间光耦合到单模光纤，受到单模光纤半径和数值孔径的限制，视场角范围极小(远小于0.1°)，系统工作过程中对准误差、机械振动、热膨胀等因素导致的接收系统入射角波动，耦合效率迅速降低，甚至中断通信链路，使得远距离调制回复通信的对准难度大大增加，系统稳定性变差，通信质量严重下降。
发明内容
本发明为了解决现有光纤调制放大回复自由空间激光通信系统中所存在的链路对准视场过小、系统要求精度高、链路稳定性差的问题，提出了一种大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统。
本发明采取以下技术方案：
大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统，其特征是，该系统包括主通信端机和逆向调制回复端机两部分，
主通信端机中，通信发射端连接到第一环行器的a端口，第一环行器的c端口与光电探测器相连，第一环行器的b端口连接耦合透镜，卡塞格林望远镜与耦合透镜同轴放置；
逆向调制回复端机中，猫眼光学系统与曲面微透镜阵列同轴放置，猫眼光学系统通过第一单模光纤阵列与1×2耦合器阵列连接；1×2耦合器阵列的高输出功率端通过第二单模光纤阵列连接至N×1高速光开关，1×2耦合器阵列的低输出功率端通过第三单模光纤阵列连接至高速光电探测器阵列，高速电探测器阵列连接控制器，控制器连接高速光开关，高速光开关的输出端连接至第二环行器的d端，第二环行器的e端接入光纤放大器，光纤放大器的输出端接入高速调制器，高速调制器输出端接入第二环行器的f端。
本发明的有益效果是：首先，本发明采用猫眼光学系统将光信号耦合曲面微透镜阵列，有效的增加了通信视场角范围(可大于几十度)，克服单模光纤数值孔径小导致的视场角有限的问题，降低了通信链路对准精度的要求，提高了通信链路的稳定性与效率，增强了自由空间光通信系统的实用性。其次，采用高速光开关和控制器探测和分隔不同视场角返回链路的信号，使得入射信号能够沿着原有入射方向平行出射，实现主端机对信号的接收。大视场调制回复自由空间光通信系统在天地卫星通信、星间通信、无人机通信、地面基站间通信等领域将有广泛的应用前景，尤其是商用小型卫星与地面的通信、民用小型无人机的通信等。
附图说明
图1为本发明大视场逆向调制回复自由空间激光通信装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做详细说明。
如图1所示，大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统，主通信端机中，通信发射端1连接到第一环行器2的a端口，第一环行器2的c端口与光电探测器3相连，第一环行器2的b端口连接耦合透镜4，卡塞格林望远镜5与耦合透镜4同轴放置。
逆向调制回复端机中，猫眼光学系统6与曲面微透镜阵列7同轴放置，猫眼光学系统6通过第一单模光纤阵列17与1×2耦合器阵列8连接。1×2耦合器阵列8的高输出功率端通过第二单模光纤阵列9连接至N×1高速光开关13，1×2耦合器阵列8的低输出功率端通过第三单模光纤阵列10连接至高速光电探测器阵列11，高速电探测器阵列11通过电线连接控制器12，控制器12电线连接高速光开关13，高速光开关13的输出端连接至第二环行器14的d端，第二环行器14的e端接入光纤放大器15，光纤放大器15的输出端接入高速调制器16，再将高速调制器16输出端接入第二环行器14的f端。
系统正常工作时，通信发射端1发出通信光经由光纤从a端口进入第一环行器2，由第一环行器2的b端口进入耦合透镜4，通信光再通过卡塞格林式望远镜5准直后发射进入自由空间；经过自由空间信道后，通信光由猫眼光学系统6接收，并入射至曲面微透镜阵列7；光信号通过微透镜阵列7耦合经由第一单模光纤阵列17进入1×2耦合器阵列8，经1×2耦合器阵列8的高输出功率端的光通过第二单模光纤阵列9进入N×1的高速光开关13，经1×2耦合器阵列8的低输出功率端的光通过第三单模光纤阵列10进入高速光电探测器阵列11，高速光电探测器阵列11探测到各光纤的工作状态，将信号传至控制器12，控制器12根据高速光电探测器阵列11的信息对高速光开关13进行控制，将有光信号通过的光纤通路打开；光信号通过d端进入第二环行器14，从第二环行器14的e端进入光纤放大器15，光放大后的信号传至高速调制器16，信息加载完成后进入第二环行器14的f端口，再从第二环行器14的d端口通过先前打开的高速光开关13，依次经由第二单模光纤阵列9、1×2耦合器阵列8、第一单模光纤阵列17、曲面微透镜阵列7中相应视场的微透镜出射至猫眼光学系统6，再通过猫眼光学系统6准直进入大气信道；通过卡塞格林望远镜5接收进入耦合透镜4，进而通过b端口经由第一环行器2从c端口进入高速光电探测器3，完成通信。
所述通信发射端1包括激光器、外置电光调制器和光纤放大器，可实现高功率高速率激光调制信号的产生。
所述猫眼光学系统6为三组以上双分离透镜组组成的大视场光学系统，可实现猫眼效应。
所述曲面微透镜阵列7位于猫眼光学系统6的焦平面。猫眼光学系统6可将通信光聚焦于曲面微透镜阵列7表面，选用合适的数值孔径，调制回复端机可高耦合效率接收、发射信号。猫眼光学系统6与曲面微透镜阵列7的组合，可使系统以大视场角进行通信，并且在边缘视场仍能够保持较高的耦合效率。
所述曲面微透镜阵列7中器件数值孔径，需要根据所设计的猫眼光学系统、微透镜阵列曲率大小进行计算选取，使耦合效率最大化。
所述曲面微透镜阵列7的密集程度要根据不同应用情况对视场连续性的需求，进行合理的设置。
所述第一单模光纤阵列17的光纤端面位于曲面微透镜阵列7的焦平面。
使用耦合器阵列8将各束光纤的传输状态提取，通过控制系统12控制高速光开关13的光通路选取，可使得返回光信号按原路返回，从调制回复端机的出射光沿入射光的方向返回。
本发明随着各类器件的集成化、小型化，响应时间的不断缩小，该系统的性能可进一步提升，成本更低，体积与重量以及功耗进一步降低，应用会更为广泛。

Claims (5)

1.大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统，其特征是，该系统包括主通信端机和逆向调制回复端机两部分，
主通信端机中，通信发射端(1)连接到第一环行器(2)的a端口，第一环行器(2)的c端口与光电探测器(3)相连，第一环行器(2)的b端口连接耦合透镜(4)，卡塞格林望远镜(5)与耦合透镜(4)同轴放置；
逆向调制回复端机中，猫眼光学系统(6)与曲面微透镜阵列(7)同轴放置，猫眼光学系统(6)通过第一单模光纤阵列(17)与1×2耦合器阵列(8)连接；1×2耦合器阵列(8)的高输出功率端通过第二单模光纤阵列(9)连接至N×1高速光开关(13)，1×2耦合器阵列(8)的低输出功率端通过第三单模光纤阵列(10)连接至高速光电探测器阵列(11)，高速电探测器阵列(11)连接控制器(12)，控制器(12)连接高速光开关(13)，高速光开关(13)的输出端连接至第二环行器(14)的d端，第二环行器(14)的e端接入光纤放大器(15)，光纤放大器(15)的输出端接入高速调制器(16)，高速调制器(16)输出端接入第二环行器(14)的f端；
通信发射端(1)发出通信光经由光纤从a端口进入第一环行器(2)，由第一环行器(2)的b端口进入耦合透镜(4)，通信光再通过卡塞格林式望远镜(5)准直后发射进入自由空间；经过自由空间信道后，通信光由猫眼光学系统(6)接收，并入射至曲面微透镜阵列(7)；光信号通过微透镜阵列(7)耦合经由第一单模光纤阵列(17)进入1×2耦合器阵列(8)，经1×2耦合器阵列(8)的高输出功率端的光通过第二单模光纤阵列(9)进入N×1的高速光开关(13)，经1×2耦合器阵列(8)的低输出功率端的光通过第三单模光纤阵列(10)进入高速光电探测器阵列(11)，高速光电探测器阵列(11)探测到各光纤的工作状态，将信号传至控制器(12)，控制器(12)根据高速光电探测器阵列(11)的信息对高速光开关(13)进行控制，将有光信号通过的光纤通路打开；光信号通过d端进入第二环行器(14)，从第二环行器(14)的e端进入光纤放大器(15)，光放大后的信号传至高速调制器(16)，信息加载完成后进入第二环行器(14)的f端口，再从第二环行器(14)的d端口通过先前打开的高速光开关(13)，依次经由第二单模光纤阵列(9)、1×2耦合器阵列(8)、第一单模光纤阵列(17)、曲面微透镜阵列(7)中相应视场的微透镜出射至猫眼光学系统(6)，再通过猫眼光学系统(6)准直进入大气信道；通过卡塞格林望远镜(5)接收进入耦合透镜(4)，进而通过b端口经由第一环行器(2)从c端口进入高速光电探测器(3)，完成通信。
2.根据权利要求1所述的大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统，其特征在于，所述通信发射端(1)包括激光器、外置电光调制器和光纤放大器，可实现高功率高速率激光调制信号的产生。
3.根据权利要求1所述的大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统，其特征在于，所述猫眼光学系统(6)为三组以上双分离透镜组组成的大视场光学系统。
4.根据权利要求1所述的大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统，其特征在于，所述曲面微透镜阵列(7)位于猫眼光学系统(6)的焦平面。
5.根据权利要求1所述的大视场逆向调制回复自由空间激光通信系统，其特征在于，所述第一单模光纤阵列(17)的光纤端面位于曲面微透镜阵列(7)的焦平面。
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