CN108631865A - 一种空间激光通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间激光通信终端，采用多孔径光学阵列收集N路上行光束并会聚到焦平面阵列上形成N个光斑；将下行光束分成两路，将其中一路下行光束作为下行接收光束会聚至焦平面阵列上形成光斑；将另一路下行光束送至多孔径光学阵列；对光斑进行光电转换，采集每个光斑对应的各个阵列元素输出的电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，并组帧发送给光电单元，N≥1,M≥1；上行光斑进行多光斑信号联合检测，得到上行链路数据；根据上行光斑和下行光斑位置计算当前的瞄准前置向量与预设的目标瞄准前置向量之间的偏差，生成精瞄控制指令控制多孔径光学阵列指向。

Description

一种空间激光通信终端

技术领域

本发明涉及一种空间激光通信终端，应用于深空激光通信系统，属于光通信技术领域。

背景技术

随着我国各种通信需求和通信任务的不断增加，需要传输的数据量急剧增大，用户对传输带宽和高性能通信设备的要求也越来越高。光通信能够为用户提供更高带宽的通信链路，解决无线电通信(RF通信)遇到的传输带宽受限的瓶颈问题；同时，与无线电通信相比，光通信能够提供更小体积、重量和功耗的通信设备。光通信具有广泛的应用前景，将成为未来强有力的通信手段。

在深空激光通信的应用中，一方面，超长的深空传输距离及其巨大的变化范围会使空间激光通信终端的接收光斑有时非常微弱，致使接收信号的光强不足；另一方面，由于深空激光信号会受到大气湍流、机械振动和跟瞄误差等的恶劣影响，会产生接收光信号的幅度衰落和光斑飘移。这些都会影响空间激光通信终端的光信号检测能力以及瞄准、捕获和跟踪能力。

在极低的光信号接收功率和恶劣的应用背景环境下，光通信系统如何实现高性能的微弱光信号的捕获、跟踪和检测等，同时保持光通信系统较小的体积和重量，是需要解决的关键技术问题之一。

目前，现有的空间激光通信终端采用一个孔径的光学望远镜(例如反射式光学望远镜)，同时接收上行链路光信号和发射下行链路光信号；通过一套光路组件和电处理组件以及一个空间焦平面探测器阵列(例如单光子计数检测器阵列)，在捕获、跟踪和检测上行光标信号和数据信号的同时，跟踪和控制下行链路的光束并校验瞄准前置角。

上述光通信终端存在下列缺陷：

(1)、无法对抗上行链路光信号和下行链路光信号的幅度衰落。

(2)、对上行链路光斑飘移影响的抑制能力较弱，对上行链路光标和数据信号的捕获能力和检测能力都较弱，影响系统的瞄准、捕获和跟踪能力以及上行链路微弱信号的检测能力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间激光通信终端，对抗由大气湍流、机械振动和跟瞄误差等引起的上行和下行光信号的幅度衰落和光斑飘移。

本发明的技术解决方案是：一种空间激光通信终端，该终端包括光学单元、光电单元，其中：

光学单元，采用多孔径光学阵列收集N路上行光束，对N路上行光束进行滤除背景光处理，得到上行接收光束，之后，将上行接收光束会聚到焦平面阵列上形成N个光斑；从光电单元接收下行光束,对其进行准直处理，再根据光电单元发送的精瞄控制指令调整下行光束的光路方向，然后将下行光束分成两路，将其中一路下行光束作为下行接收光束会聚至焦平面阵列上形成光斑；将另一路下行光束作为下行发射光束送至多孔径光学阵列，从多孔径光学阵列的M个子孔径分别发射出去；对光斑进行光电转换，采集每个光斑对应的各个阵列元素输出的电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，并组帧发送给光电单元，N≥1,M≥1；

光电单元，接收光学单元发送的每个光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，对其中的上行光斑进行多光斑信号联合检测，得到上行链路数据；根据其中的上行光斑和下行光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，计算得到当前的瞄准前置向量，根据当前的瞄准前置向量与预设的目标瞄准前置向量之间的偏差，生成精瞄控制指令发送至光学单元；接收外部输入的下行链路数据，将下行链路数据进行交织、编码、成帧和调制处理产生下行链路电信号，将下行链路电信号调制成下行光束，再传送给光学单元。

所述光学单元包括光学收发子单元、后端光学子单元、焦平面阵列子单元、后端电子子单元，其中：

光学收发子单元，采用多孔径光学阵列收集和会聚N路上行光束，并将其传送给后端光学子单元；接收后端光学子单元发送的下行光束，并利用多孔径光学阵列的子孔径分别发射出去；

后端光学子单元，对N路上行子光束进行滤除背景光处理得到N路上行接收子光束，之后，将N路上行接收子光束会聚到焦平面阵列子单元上形成光斑；从光电单元接收下行光束,对其进行准直处理，再根据后端电子子单元发送的精瞄控制信号调整下行光束的光路方向，然后将下行光束分成两路，将其中一路下行光束作为下行接收光束会聚至焦平面阵列子单元上形成光斑；将另一路下行光束作为下行发射光束发送至光学收发子单元；

焦平面阵列子单元，由多个元素组成，阵列中的每个元素都是一个光电检测器，被上行光斑或下行光斑所覆盖的各个阵列元素实时地对各自所接收到的上行光斑或下行光斑的光信号进行光电转换处理，将其转换成相应的电信号脉冲序列输出给后端电子子单元；

后端电子子单元，对焦平面阵列子单元输出的每个光斑对应的各个电脉冲序列进行读出和检测处理，得到每个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，发送给光电单元；从光电单元接收精瞄控制指令，根据控制指令生成精瞄控制信号，并把精瞄控制信号传送给后端光学子单元。

所述后端光学子单元包括N个光学滤波器、准直器、精瞄准镜、分光器、后向反射镜，其中：

N路上行光束分别经过光学滤波器滤波，滤除背景光，之后，再分别聚焦到焦平面阵列子单元上形成N个光斑；

下行光束经过准直器进行准直处理，之后，再送到精瞄准镜，所述精瞄准镜在精瞄控制信号的控制下实时地控制下行发射光束的瞄准前置角，使下行光束反射至分光器，分光器将其分成两路，其中一路通过分光器反射至光学收发子单元，另一路透过分光器发送至后向反射镜，后向反射镜将其反射回来，在分光器另一侧，再次通过分光器反射会聚至焦平面阵列子单元上形成光斑，通过调整后向反射镜的位置，使焦平面上的N个上行光斑和M路下行光斑不重叠。

所述下行光束为M路，M≥1。

M路下行光束通过M个激光器产生。

所述下行光束通过将1个激光器发出的一路下行光束分成M路得到。

所述光电单元包括激光发射子单元、下行信号处理子单元、上行信号处理子单元、反馈控制子单元；其中：

激光发射子单元，将下行链路电信号调制成下行光束，再传送给光学单元；

下行信号处理子单元，接收外部输入的下行链路数据，将下行链路数据进行交织、编码、成帧和调制处理产生下行链路电信号，将其发送给激光发射子单元；

上行信号处理子单元，接收光学单元发送的每个光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，对其中的上行光斑进行多光斑信号联合检测，得到上行链路数据；

反馈控制子单元，接收光学单元发送的每个光斑对应的的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，根据各上行光斑和各下行光斑的各个脉冲的到达时刻和幅度、各光斑在焦平面上的空间位置信息，计算得到当前的瞄准前置向量，根据当前的瞄准前置向量与目标瞄准前置向量之间的偏差，生成精瞄控制指令发送至光学单元。

所述上行信号处理子单元对上行光斑进行多光斑信号联合检测的具体实现为：根据每个上行光斑对应的电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度，计算同步偏置变量τ(τ₁τ₂τ₃τ₄...τ_n)，然后，将各上行光斑的电脉冲序列中脉冲到达时刻按照同步偏置变量τ(τ₁τ₂τ₃τ₄...τ_n)进行时间移位，从而实现时隙同步，再将时隙同步后的各上行光斑的各个脉冲序列进行对应时隙的脉冲幅度相加，从而实现信号合并，再对相加后的脉冲序列进行检测判决，得到上行链路数据。

同步偏置变量τ(τ₁τ₂τ₃τ₄...τ_n)采用最大似然估计方法计算得到，使得同步后的各上行光斑的对应时隙的脉冲幅度相加值的似然函数最大。

所述反馈控制子单元利用上行接收光束在焦平面上的质心位置、下行接收光束在焦平面上的质心位置和下行接收光束质心轨迹的中心，计算得到当前的瞄准前置向量。

所述反馈控制子单元通过将每个上行光斑所覆盖的每个阵列元素预设的第一时间段内输出的脉冲序列中的各脉冲幅度进行加权累加平均，通过比较，得到每个上行光斑的各个阵列元素输出的脉冲幅度的加权累加平均的最大值所在的位置，作为每个上行光斑的质心位置，再结合N个上行光斑在焦平面上的空间位置信息，得到上行接收光束在焦平面上的质心位置。

当下行接收光束为多路时，所述反馈控制子单元将每个下行光斑所覆盖的每个阵列元素在预设的第二时间段内输出的脉冲序列中的各脉冲幅度进行加权累加平均，通过比较，得到每个下行光斑的各个阵列元素输出的脉冲幅度的加权累加平均的最大值所在的位置，作为每个下行光斑的质心位置，再结合M个下行光斑在焦平面上的空间位置信息，得到下行接收光束在焦平面上的质心位置。

当下行接收光束为一路时，所述反馈控制子单元通过采用升计数检测算法得到下行接收光束的质心位置。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明对上行接收光束进行多路接收和联合检测，增加了上行链路的接收光信号强度，同时增加接收视场，提高空间激光通信终端对上行光束的捕获、跟踪和检测能力，解决了由大气湍流、机械振动和跟瞄误差等引起的上行光信号的幅度衰落和光斑漂移问题；

(2)、本发明对下行光束进行多路发射，提高了空间激光通信终端对下行光束的跟踪和控制能力，解决了由大气湍流、机械振动和跟瞄误差等引起的下行光信号的幅度衰落问题；

(3)、本发明光学单元采用多孔径光学阵列的光学收发子单元和多个子光路的后端光学子单元，利用同一个焦平面阵列子单元和一个后端电子子单元，减小空间激光通信终端的体积、重量和功耗；

(4)、本发明对下行光束进行实时检测和精瞄调整，提高系统瞄准性能，提高整个系统瞄准、捕获、跟踪和通信的性能，尤其能够提高系统在恶劣通信环境下对微弱信号的检测能力并能减少系统重量；

(5)、本发明可以广泛应用在光通信应用领域，如深空激光通信、近地激光通信、空地激光通信、激光测距等，有着重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例空间激光通信终端组成图；

图2为本发明实施例空间激光通信终端信息流程图；

图3为本发明实施例的光电单元组成图；

图4为本发明实施例上行信号处理子单元的组成图；

图5为本发明实施例光束质心位置、光束质心轨迹和瞄准前置向量的关系图；

图6为本发明实施例光斑质心位置和光束质心位置的关系图；

图7为本发明实施例空间激光通信终端实施例1的原理图；

图8为本发明实施例空间激光通信终端实施例2的原理图；

图9为本发明实施例空间激光通信终端实施例3的原理图；

图10为本发明实施例空间激光通信终端实施例4的原理图。

具体实施方式

以下根据附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

下面仅以深空激光通信为例，对本发明进行详细说明，但对于其它光通信领域也适用。

如图1、图2所示，本发明提供的一种空间激光通信终端由光学单元、光电单元和低频振动隔离单元组成，其中：

光学单元，采用多孔径光学阵列收集N路上行光束，对N路上行光束进行滤除背景光处理，得到上行接收光束，之后，将上行接收光束会聚到焦平面阵列上形成N个光斑；从光电单元接收下行光束,对其进行准直处理，再根据光电单元发送的精瞄控制指令调整下行光束的光路方向，然后将下行光束分成两路，将其中一路下行光束作为下行接收光束会聚至焦平面阵列上形成光斑；将另一路下行光束作为下行接收光束送至多孔径光学阵列，从多孔径光学阵列的N个子孔径分别发射出去；对光斑进行光电转换，采集每个光斑对应的各个阵列元素输出的电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，并组帧发送给光电单元，N≥1,M≥1；

光电单元，接收光学单元发送的每个光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，对其中的上行光斑进行多光斑信号联合检测，得到上行链路数据；根据其中的上行光斑和下行光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，计算得到当前的瞄准前置向量，根据当前的瞄准前置向量与预设的目标瞄准前置向量之间的偏差，生成精瞄控制指令发送至光学单元；接收外部输入的下行链路数据，将下行链路数据进行交织、编码、成帧和调制处理产生下行链路电信号，将下行链路电信号调制成下行光束，再传送给光学单元。

低频振动隔离单元，位于光学单元与航天器之间，其空间位置如图1所示。用于隔离和抑制航天器在飞行过程中引起的振动，这样可以使空间激光通信终端与地面终端之间实现更稳定的通信。低频振动隔离单元与光电单元之间有线缆相连，接收光电单元的控制信息，例如捕获和粗瞄准控制命令，调整光学单元中多孔径光学阵列的角度和位置，下行接收光束在会聚到焦平面阵列上形成光斑，实现捕获和粗瞄准功能。

各组成部分的功能如下：

(1)、光学单元

光学单元由光学收发子单元、后端光学子单元、焦平面阵列子单元、后端电子子单元、第一稳压子单元(1)和第一温控子单元(1)组成，其中：

光学收发子单元，采用多孔径光学阵列收集和会聚N路上行光束，并将其传送给后端光学子单元；接收后端光学子单元发送的下行光束，并利用多孔径光学阵列的子孔径分别发射出去，N≥1；多孔径光学阵列可以采用望远镜组件实现，望远镜组件可以采用多个主镜和多个副镜组成的拼合镜面反射式望远镜，也可以采用多个独立孔径的折射式或反射式望远镜。构成多孔径光学阵列的N个子孔径按照一定的形状排布，比如：等间距地分布在一个圆上或者正方形上。

后端光学子单元，对N路上行子光束进行滤除背景光处理(可以采用窄带滤波器)得到N路上行接收子光束，之后，将N路上行接收子光束会聚到焦平面阵列子单元上形成光斑；从光电单元接收下行光束,对其进行准直处理，再根据后端电子子单元发送的精瞄控制信号调整下行光束的光路方向，然后将下行光束分成两路，将其中一路下行光束作为下行接收光束会聚至焦平面阵列子单元上形成光斑；将另一路下行光束作为下行发射光束发送至光学收发子单元；N个上行接收子光束形成的多个光斑构成的形状与多孔径光学阵列N个子孔径的排布相关，当多孔径光学阵列N个子孔径是等间距地分布在一个圆上时，则形成的N个光斑也是等间距地分布在一个圆上。

焦平面阵列子单元，由多个元素组成，阵列中的每个元素都是一个光电检测器，被上行光斑或下行光斑所覆盖的各个阵列元素实时地对各自所接收到的上行光斑或下行光斑的光信号进行光电转换处理，将其转换成相应的电信号脉冲序列输出给后端电子子单元；焦平面阵列可以采用光子计数检测器阵列的形式，例如单光子探测器阵列、CCD阵列或者其它光电检测器阵列等，其中一种典型应用是多个元素组成的硅材料盖革模式APD阵列。

后端电子子单元，对焦平面阵列子单元输出的每个光斑对应的各个电脉冲序列进行读出和检测处理，得到每个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，发送给光电单元；从光电单元接收精瞄控制指令，根据控制指令生成精瞄控制信号，并把精瞄控制信号传送给后端光学子单元；把焦平面阵列子单元的控制信息(例如重置控制命令)发送给焦平面阵列子单元。

第一稳压子单元，用于为光学单元提供稳定的电压源。

第一温控子单元，用于对光学单元进行温度控制，使之处于稳定的温度环境下。

后端光学子单元包括N个光学滤波器、N个上行中继镜组、准直器、下行中继镜组、精瞄准镜、分光器、后向反射镜，其中：

N路上行光束分别经过光学滤波器滤波，滤除背景光，之后，再分别聚焦到焦平面阵列子单元上形成N个光斑；

下行光束经过准直器进行准直处理，之后，再送到精瞄准镜，所述精瞄准镜在精瞄控制信号的控制下实时地控制下行发射光束的瞄准前置角，使下行光束反射至分光器，分光器将其分成两路，其中一路通过分光器反射至光学收发子单元，另一路透过分光器发送至后向反射镜，后向反射镜将其反射回来，在分光器另一侧，再次通过分光器反射会聚至焦平面阵列子单元上形成光斑，通过调整后向反射镜的位置，使焦平面上的N个上行光斑和M路下行光斑不重叠。

所述下行光束为M路，M≥1，当下行光束为多路时，可以通过两种方式实现：一种是在下行光束的源头处直接采用M个激光器发射M个下行子光束，如图10所示；另一种是通过将1个激光器发出的一路下行光束分成M路得到。

当采用第二种方法时，采用一个下行发射激光器加分束器实现，所述分束器可以位于精瞄准镜和分光器之间，将精瞄准镜发送的光信号分成M路并送至分光器，此时下行接收光束为M路；分束器也可以位于分光器和多孔径光学阵列之间，将发往多孔径光学阵列的光信号分成M路，并送至多孔径光学阵列，由多孔径光学阵列的各个孔径分别发出，此时，下行接收光束为1路。如图9和图7所示。当被反馈的下行接收光束包括多个子光束时，其形成的多个光斑构成的形状也与多个子光束的形状相关，当多个子光束等间距构成一个圆时，则形成的多个光斑是等间距地分布在一个圆上。

为了使光路更短，激光通信终端更加小型化，可以在上述任意一条光路上设置中继镜组。所述中继镜组可以用透镜实现，也可以用反射镜实现。

后端电子子单元，对焦平面阵列子单元输出的每个光斑对应的各个电脉冲序列进行读出和检测处理，得到每个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，发送给光电单元；从光电单元接收精瞄控制指令，根据控制指令生成精瞄控制信号，并把精瞄控制信号传送给后端光学子单元。

在上述光学单元中，光学收发子单元采用多孔径光学阵列收发的形式，并结合多个子光路的后端光学子单元、一个焦平面阵列子单元和一个后端电子子单元，实现对上行链路的接收和下行链路的发射。其中上行链路的接收采用多孔径光学阵列，下行链路的发射采用多孔径光学阵列或一个孔径发射的形式。一个接收的上行子光束和一个下行发射子光束共用多孔径光学阵列的同一个孔径，并共用同一套相应的后端光学子单元。所有的上行子光束和下行发射子光束共用同一个焦平面阵列子单元，都在同一个焦平面阵列上呈现出各自的多个光斑或一个光斑。这样减小了激光通信终端的体积。

(2)、光电单元

光电单元包括激光发射子单元、下行信号处理子单元、上行信号处理子单元、反馈控制子单元、第二稳压子单元(2)和第二温控子单元(2)，如图3所示，其中：

激光发射子单元，接收外部输入的控制命令，设置和调整自身参数，在参数的控制下，接收下行信号处理子单元发送的下行链路电信号，将下行链路电信号调制成下行光束，再传送给光学单元；

下行信号处理子单元，接收外部输入的下行链路数据，将下行链路数据进行交织、编码、成帧和调制处理产生下行链路电信号，将其发送给激光发射子单元；接收外部输入的控制命令，设置和调整自身参数。

上行信号处理子单元，接收光学单元发送的每个光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，对其中的上行光斑进行多光斑信号联合检测，得到上行链路数据，把上行链路数据发送至外部设备，如图4所示；接收外部输入的控制命令，设置和调整上行信号处理子单元的自身参数。

反馈控制子单元，接收光学单元发送的每个光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，根据这些输入信号和信息，计算得到当前的瞄准前置向量，根据当前的瞄准前置向量与目标瞄准前置向量之间的偏差，生成精瞄控制指令发送至光学单元；产生光学单元的焦平面阵列子单元所需要的控制信息(例如重置控制命令)发送至光学单元；产生低频振动隔离单元所需要的控制信息(例如捕获和粗瞄准控制命令)发送至低频振动隔离单元。

第二稳压子单元，用于为光电单元提供稳定的电压源。

第二温控子单元，用于对光电单元进行温度控制，使之处于稳定的温度环境下。

以下对光电单元内部各组成部分进行详细说明。

(a)上行信号处理子单元

上行信号处理子单元对上行光斑进行多光斑信号联合检测，并进行数据恢复，如图4所示。其具体实现为：

上行信号处理子单元接收光学单元输入的上行光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度。由上行链路信号分路模块将其分成N个支路，经过N个支路的信号存储模块后，各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度被分别送入N路信号联合同步偏置捕获模块和相应的信号同步跟踪模块。

信号联合同步偏置捕获模块根据每个上行光斑对应的电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度，采用最大似然估计方法，计算同步偏置变量τ(τ₁τ₂τ₃τ₄...τ_n)，使同步后的各上行支路对应时隙的幅度相加值的似然函数最大，把计算得到的同步偏置变量τ(τ₁τ₂τ₃τ₄...τ_n)分别输出给各个支路的信号同步跟踪模块。

信号同步跟踪模块将各上行光斑的电脉冲序列中脉冲到达时刻按照同步偏置变量τ(τ₁τ₂τ₃τ₄...τ_n)进行各支路的分别时间移位，从而实现时隙同步，再将时隙同步后的各上行光斑的对应时隙的脉冲幅度相加，对相加后的脉冲序列进行判决，大于等于预设门限的脉冲为“1”，否则为0，从而得到上行链路数据。这样，就得到了一个如“0101011...”的上行链路数据，再对这个上行链路数据进行PPM解调、RS解码和解交织等处理，才能得到用户发送的信息。如图4所示。脉冲到达时刻标记着每个脉冲在时间轴上的位置，以及各个脉冲之间的相隔时间。这个时刻与一个脉冲所在的时隙有关系，可用于时隙同步。在移动一个同步偏执变量τ_i,i∈[1,n]时，实际上是对应脉冲的到达时刻移位τ_i,i∈[1,n]，这样可使各个支路的时隙能对上，实现同步。

(b)反馈控制子单元

反馈控制子单元包括上行质心估计模块、下行质心估计模块、跟踪和瞄准控制模块。如图3所示。它利用上行接收光束在焦平面上的质心位置、下行接收光束在焦平面上的质心位置和下行接收光束质心轨迹的中心，计算得到当前的瞄准前置向量。如图5所示。

上行质心估计模块，接收光学单元发送的各个光斑对应的的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，主要实现上行多路质心估计。通过将每个上行光斑所覆盖的每个阵列元素在预设的第一时间段内输出的脉冲序列中的各脉冲幅度进行加权累加平均，通过比较，得到每个上行光斑的各个阵列元素输出的脉冲幅度的加权累加平均的最大值所在的位置，作为每个上行光斑的质心位置，再结合N个上行光斑在焦平面上的空间位置信息，得到上行接收光束在焦平面上的质心位置，并输出给跟踪和瞄准控制模块。例如：当多路上行光斑为等间距圆形分布时，利用多路上行光斑在一个圆上等间距分布的空间位置信息，找到与N个上行光斑等距离的点作为上行接收光束在焦平面上的质心位置。如图6所示。

下行质心估计模块，接收光学单元发送的各个光斑对应的的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，针对下行接收光束(个数M)为多路和1路的情况，分别进行下行多路质心估计和下行单路质心估计的处理，如图3所示。当M大于1时，下行质心估计模块实现下行多路质心估计，将每个下行光斑所覆盖的每个阵列元素在预设的第二时间段内输出的脉冲序列中的各脉冲幅度进行加权累加平均，通过比较，得到每个下行光斑的各个阵列元素输出的脉冲幅度的加权累加平均的最大值所在的位置，作为每个下行光斑的质心位置，再结合M个下行光斑在焦平面上的空间位置信息，得到下行接收光束在焦平面上的质心位置。如图6所示。当M等于1时，下行质心估计模块实现下行单路质心估计，采用升计数检测算法得到下行接收光束的质心位置。

跟踪和瞄准控制模块，接收上行质心估计模块发送的上行接收光束质心位置和下行质心估计模块发送的下行接收光束质心位置，根据预设的下行接收光束轨迹的中心，从而计算得到当前的瞄准前置向量，再生成精瞄控制指令，发送给光学单元的后端光学子系统。

通过设置后向反射镜的位置可以使焦平面上的上、下光斑均不重叠。上行接收光束质心位置、下行接收光束质心位置、下行接收光束质心轨迹的中心和瞄准前置向量的关系如图5所示。其中，图中的正方形为上行接收光束质心位置，图中的六边形为当前的下行接收光束质心位置，图中的五边形为预设的下行接收光束质心轨迹的中心。根据上行接收光束质心位置、下行接收光束质心位置、下行接收光束质心轨迹的中心和瞄准前置向量的位置关系，可以得到当前的瞄准前置向量。具体为：先利用上行接收光束在焦平面上的质心位置，再加上后向反射镜造成的偏置向量，可以确定轨迹中心的位置，从轨迹中心到光斑的连线确定一个向量为当前的瞄准前置向量。根据当前的瞄准前置向量与目标瞄准前置向量之间的偏差，生成精瞄控制指令发送至光学单元。

为了防止由于瞄准区域出现错误等原因而造成的激光终端长时间无法检测到光斑，在初始工作时或正在工作的任何时刻，如果跟踪和瞄准控制模块发现上行光斑的脉冲幅度的累加平均的最大值低于一个检测门限值，则上行光斑丢失，跟踪和瞄准控制模块立即生成重置控制命令发送给焦平面阵列子单元，同时生成捕获和粗瞄准控制命令发送给低频振动隔离单元，从而实现终端的捕获和粗瞄准功能。

实施例1

本发明空间激光通信终端的实施例1原理图如图7所示。本发明采用多孔径接收和发射，这里仅以4个接收孔径和4个发射孔径的空间激光通信终端为例加以说明，对于大于1个接收孔径和1个发射孔径的空间激光通信终端也同样适用。

(1)、光学单元处理

空间激光通信终端光学单元的光学收发子单元采用多孔径的光学阵列，接收上行光束，并通过后端光学子单元针对多个子光路进行窄带滤波和成像等处理(例如采用窄带滤波器等)，形成上行接收光束，使上行接收光束在焦平面阵列子单元上呈现多个光斑。

同时，光学单元接收的下行光束被传送到后端光学子单元的精瞄准镜上，精瞄准镜根据光电单元处理子单元传来的瞄准控制信息，对下行光束进行瞄准前置角的瞄准、跟踪和校验。下行光束被精瞄准镜反射到分光器上，一部分下行光束作为下行接收光束被传送到焦平面阵列上呈现出一个下行光斑；另一部分下行光束被传送到分束器上以形成多个下行发射子光束，每个下行发射子光束都通过一个光学收发子单元的子孔径发射出去。每个下行发射子光束都与一个上行接收子光束共用多孔径光学阵列的同一个子孔径。

焦平面阵列子单元把各个光斑对应的光信号转换电信号，再由与之相连的后端电子子单元进行电信号读出和检测处理(例如采用焦平面阵列读出电路等)，实时地检测各个光斑所对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，并传送给光电单元。

(2)、光电单元处理

光电单元的上行信号处理子单元接收上行接收光束的各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，进行多光斑信号联合检测，得到上行链路数据，并把恢复的用户数据传送给航天器接口。

光电单元的反馈控制子单元接收上行接收光束和下行接收光束的各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，通过上行质心估计模块进行上行多路质心估计，计算得到上行接收光束质心位置。通过下行质心估计模块的下行单路质心估计，计算得到下行接收光束质心位置。如图3所示。反馈控制子单元的跟踪和瞄准控制模块再根据上、下行接收光束质心位置，计算得到当前的瞄准前置向量，根据当前的瞄准前置向量与目标瞄准前置向量之间的偏差，生成精瞄控制指令发送至光学单元的精瞄准镜。同时，反馈控制子单元还检测上行光斑的各个脉冲幅度的累加平均的最大值，当其低于一个门限值时，则生成捕获和粗瞄准控制命令，发送给低频振动隔离单元，以实现捕获和粗瞄准。

光电单元的下行信号处理子单元接收航天器接口输入的下行链路数据，将下行链路数据进行交织、编码、成帧和调制处理产生下行链路电信号，将其发送给激光发射子单元，由激光发射子单元调制成光信号，发送给光学单元。

(3)空间激光通信终端的多孔径光学阵列可以采用子孔径各自独立的望远镜阵列或拼合镜面望远镜等，即光学阵列的各个子孔径望远镜具有各自独立的瞄准、捕获和跟踪机制；也可以采用子孔径各自不独立的望远镜阵列或拼合镜面望远镜等，即光学阵列的各个子孔径望远镜共用同一个的瞄准、捕获和跟踪机制。

实施例2

本发明空间激光通信终端的实施例2原理图如图8所示。本发明采用多孔径接收和一个孔径发射，这里仅以4个接收孔径和1个发射孔径的空间激光通信终端为例加以说明，对于大于1个接收孔径的空间激光通信终端也同样适用。

实施例2与实施例1的不同之处如下：下行链路采用1个孔径发射，因此在下行链路的分光器和多孔径光学阵列之间不使用分束器，即从分光器中分出的一部分下行发射光束，被传送到一个子孔径并发射出去。这个发射的下行发射子光束和一个上行接收子光束共用多孔径光学阵列的同一个子孔径，并共用同一套相应的后端光学子单元。

实施例3

本发明空间激光通信终端的实施例3原理图如图9所示。本发明采用多孔径接收和多个孔径发射，这里仅以4个接收孔径和4个发射孔径的空间激光通信终端为例加以说明，对于大于1个接收孔径和1个发射孔径的空间激光通信终端也同样适用。

实施例3与实施例1的不同之处如下：

(1)下行链路的分束器被移置在精瞄准镜和分光器之间。由激光发射子单元生成的下行光束被精瞄准镜反射后，被传送到分束器上，由分束器分成了4个子光束后被传送到分光器上。分光器把4个下行子光束分别分成两部分，一部分光被分别传送到焦平面阵列上，在焦平面阵列上呈现出4个下行光斑；另一部分光被分别传送给多孔径光学阵列，通过4个子孔径发射出去。其中1个发射的下行子光束和1个上行接收子光束共用多孔径光学阵列的同一个子孔径，并共用同一套相应的后端光学子单元。

(2)与实施例1的下行链路单光斑处理不同，实施例3为下行链路多光斑处理。光电单元反馈控制子单元的下行质心估计模块则采用下行多路质心估计，计算得到下行光束的质心位置。

(3)由于空间激光通信终端的上行、下行链路的时隙速率、信令格式和链路功能等都不相同，因此上行多路质心估计和下行多路质心估计的具体计算也不相同，是采取分别处理的。因此，上行多路质心估计、下行多路质心估计和下行单路质心估计都不相同。

实施例4

本发明空间激光通信终端的实施例4原理图如图10所示。本发明采用多孔径接收和多个孔径发射，这里仅以4个接收孔径和4个发射孔径的空间激光通信终端为例加以说明，对于大于1个接收孔径和1个发射孔径的空间激光通信终端也同样适用。

实施例4与实施例1的不同之处是：

(1)在实施例4的下行链路中不使用分束器，在多孔径光学阵列和分光器之间没有分束器。实施例4光电单元的激光发射子单元生成多个下行子光束，并传送给光学单元。多个下行子光束首先被精瞄准镜反射，然后分别被分光器分成两部分。一部分光被分别传送到焦平面阵列上，在焦平面阵列上呈现出4个下行光斑；另一部分光被分别传送给多孔径光学阵列，通过4个子孔径发射出去。其中1个发射的下行子光束和1个上行子光束共用多孔径光学阵列的同一个子孔径，并共用同一套相应的后端光学子单元。

(2)与实施例1的下行链路单光斑处理不同，实施例3为下行链路多光斑处理。光电单元反馈控制子单元的下行质心估计模块则采用下行多路质心估计，计算得到下行接收光束的质心位置。

(3)由于空间激光通信终端的上行、下行链路的时隙速率、信令格式和链路功能等都不相同，因此上行多路质心估计和下行多路质心估计的具体计算也不相同，是采取分别处理的。因此，上行多路质心估计、下行多路质心估计和下行单路质心估计都不相同。

本发明通过一个光学收发子单元和一个后端光学子单元，使上行和下行接收光束能够在焦平面阵列上呈现多个光斑，这样设计的有益效果是：

(1)、可以充分获得多个光斑的各个脉冲到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息等信息，同时结合独特的多光斑信号联合检测、上行多路质心估计和下行多路质心估计等算法，可以更准确地计算出地面接收机的位置，从而增加系统的瞄准、捕获和跟踪的性能，能够使下行发射光束快速和精确地指向地面接收终端。

(2)、通过采用上行链路的多个接收口径，增大了系统对上行链路的接收面积，同时可以对抗光信号的幅度衰落和光斑飘移，这样增强了系统对上行光标信号和数据信号的接收和检测能力，同时抑制了接收光信号的幅度衰落和光斑飘移，从而增加了深空激光通信终端的性能和上行链路的通信容量。另一方面，这样也可以减少整个深空光通信系统中所需的地面上行光标和数据光信号的发射功率。

(3)、通过采用下行链路的多个发射口径，可以实现空间发射分集，对抗大气信道引起的光信号衰落，增加下行链路的通信容量。

(4)、采用一个焦平面阵列子单元，一方面检测和跟踪上行光标和数据信号在焦平面阵列上成像的多个光斑；另一方面跟踪下行发射光束的成像光斑，校验瞄准前置角。从而能有效地减少空间激光通信终端的体积、重量和功耗。

综上所述，本发明采用同一个光学单元和光电单元，实现上行光标的捕获和跟踪、上行数据信号的精确检测、下行发射光束指向的精确跟踪、控制和验证等多项功能。一方面减少了设备体积、重量和功耗(SWaP)，降低了设备复杂度和成本，另一方面还减少了设备的校验误差，增加了光信号的吞吐量和信噪比，提高了系统性能。

本发明的核心思想如下：

在空间激光通信终端的光学单元中获得多个上行光斑和多个下行光斑，同时在光电单元中采用多光斑信号联合检测、上行多路质心估计和下行多路质心估计等算法，从而提高系统信号检测、捕获、跟踪和瞄准的性能。

本发明适用于光通信领域，例如深空光通信、近地光通信和地面光通信领域。本发明仅以深空激光通信的空间激光通信终端为例。近地光通信的应用可以是机载激光通信终端，低轨轨道卫星LEO或同步轨道卫星GEO的空间激光通信终端等。地面光通信领域的应用可以是终端固定在高楼楼壁或屋顶的FSO地面光通信产品，也可以是车载光通信终端。

本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (13)

1.一种空间激光通信终端，其特征在于包括光学单元、光电单元，其中：

光学单元，采用多孔径光学阵列收集N路上行光束，对N路上行光束进行滤除背景光处理，得到上行接收光束，之后，将上行接收光束会聚到焦平面阵列上形成N个光斑；从光电单元接收下行光束,对其进行准直处理，再根据光电单元发送的精瞄控制指令调整下行光束的光路方向，然后将下行光束分成两路，将其中一路下行光束作为下行接收光束会聚至焦平面阵列上形成光斑；将另一路下行光束作为下行发射光束送至多孔径光学阵列，从多孔径光学阵列的M个子孔径分别发射出去；对光斑进行光电转换，采集每个光斑对应的各个阵列元素输出的电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，并组帧发送给光电单元，N≥1,M≥1；

光电单元，接收光学单元发送的每个光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，对其中的上行光斑进行多光斑信号联合检测，得到上行链路数据；根据其中的上行光斑和下行光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，计算得到当前的瞄准前置向量，根据当前的瞄准前置向量与预设的目标瞄准前置向量之间的偏差，生成精瞄控制指令发送至光学单元；接收外部输入的下行链路数据，将下行链路数据进行交织、编码、成帧和调制处理产生下行链路电信号，将下行链路电信号调制成下行光束，再传送给光学单元。

2.根据权利要求1所述的一种空间激光通信终端，其特征在于所述光学单元包括光学收发子单元、后端光学子单元、焦平面阵列子单元、后端电子子单元，其中：

光学收发子单元，采用多孔径光学阵列收集和会聚N路上行光束，并将其传送给后端光学子单元；接收后端光学子单元发送的下行光束，并利用多孔径光学阵列的子孔径分别发射出去；

后端光学子单元，对N路上行子光束进行滤除背景光处理得到N路上行接收子光束，之后，将N路上行接收子光束会聚到焦平面阵列子单元上形成光斑；从光电单元接收下行光束,对其进行准直处理，再根据后端电子子单元发送的精瞄控制信号调整下行光束的光路方向，然后将下行光束分成两路，将其中一路下行光束作为下行接收光束会聚至焦平面阵列子单元上形成光斑；将另一路下行光束作为下行发射光束发送至光学收发子单元；

焦平面阵列子单元，由多个元素组成，阵列中的每个元素都是一个光电检测器，被上行光斑或下行光斑所覆盖的各个阵列元素实时地对各自所接收到的上行光斑或下行光斑的光信号进行光电转换处理，将其转换成相应的电信号脉冲序列输出给后端电子子单元；

后端电子子单元，对焦平面阵列子单元输出的每个光斑对应的各个电脉冲序列进行读出和检测处理，得到每个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，发送给光电单元；从光电单元接收精瞄控制指令，根据控制指令生成精瞄控制信号，并把精瞄控制信号传送给后端光学子单元。

3.根据权利要求2所述的一种空间激光通信终端，其特征在于所述后端光学子单元包括N个光学滤波器、准直器、精瞄准镜、分光器、后向反射镜，其中：

N路上行光束分别经过光学滤波器滤波，滤除背景光，之后，再分别聚焦到焦平面阵列子单元上形成N个光斑；

下行光束经过准直器进行准直处理，之后，再送到精瞄准镜，所述精瞄准镜在精瞄控制信号的控制下实时地控制下行发射光束的瞄准前置角，使下行光束反射至分光器，分光器将其分成两路，其中一路通过分光器反射至光学收发子单元，另一路透过分光器发送至后向反射镜，后向反射镜将其反射回来，在分光器另一侧，再次通过分光器反射会聚至焦平面阵列子单元上形成光斑，通过调整后向反射镜的位置，使焦平面上的N个上行光斑和M路下行光斑不重叠。

4.根据权利要求3所述的一种空间激光通信终端，其特征在于所述下行光束为M路，M≥1。

5.根据权利要求4所述的一种空间激光通信终端，其特征在于M路下行光束通过M个激光器产生。

6.根据权利要求4所述的一种空间激光通信终端，其特征在于所述下行光束通过将1个激光器发出的一路下行光束分成M路得到。

7.根据权利要求1所述的一种空间激光通信终端，其特征在于所述光电单元包括激光发射子单元、下行信号处理子单元、上行信号处理子单元、反馈控制子单元；其中：

激光发射子单元，将下行链路电信号调制成下行光束，再传送给光学单元；

下行信号处理子单元，接收外部输入的下行链路数据，将下行链路数据进行交织、编码、成帧和调制处理产生下行链路电信号，将其发送给激光发射子单元；

上行信号处理子单元，接收光学单元发送的每个光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，对其中的上行光斑进行多光斑信号联合检测，得到上行链路数据；

反馈控制子单元，接收光学单元发送的每个光斑对应的各个电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度、光斑在焦平面上的空间位置信息，根据各上行光斑和各下行光斑的各个脉冲的到达时刻和幅度、各光斑在焦平面上的空间位置信息，计算得到当前的瞄准前置向量，根据当前的瞄准前置向量与目标瞄准前置向量之间的偏差，生成精瞄控制指令发送至光学单元。

8.根据权利要求7所述的一种空间激光通信终端，其特征在于所述上行信号处理子单元对上行光斑进行多光斑信号联合检测的具体实现为：根据每个上行光斑对应的电脉冲序列中各个脉冲的到达时刻和幅度，计算同步偏置变量τ(τ₁τ₂τ₃τ₄...τ_n)，然后，将各上行光斑的电脉冲序列中脉冲到达时刻按照同步偏置变量τ(τ₁τ₂τ₃τ₄...τ_n)进行时间移位，从而实现时隙同步，再将时隙同步后的各上行光斑的各个脉冲序列进行对应时隙的脉冲幅度相加，从而实现信号合并，再对相加后的脉冲序列进行检测判决，得到上行链路数据。

9.根据权利要求7所述的一种空间激光通信终端，其特征在于同步偏置变量τ(τ₁τ₂τ₃τ₄...τ_n)采用最大似然估计方法计算得到，使得同步后的各上行光斑的对应时隙的脉冲幅度相加值的似然函数最大。

10.根据权利要求7所述的一种空间激光通信终端，其特征在于所述反馈控制子单元利用上行接收光束在焦平面上的质心位置、下行接收光束在焦平面上的质心位置和下行接收光束质心轨迹的中心，计算得到当前的瞄准前置向量。

11.根据权利要求7所述的一种空间激光通信终端，其特征在于所述反馈控制子单元通过将每个上行光斑所覆盖的每个阵列元素预设的第一时间段内输出的脉冲序列中的各脉冲幅度进行加权累加平均，通过比较，得到每个上行光斑的各个阵列元素输出的脉冲幅度的加权累加平均的最大值所在的位置，作为每个上行光斑的质心位置，再结合N个上行光斑在焦平面上的空间位置信息，得到上行接收光束在焦平面上的质心位置。

12.根据权利要求7所述的一种空间激光通信终端，其特征在于当下行接收光束为多路时，所述反馈控制子单元将每个下行光斑所覆盖的每个阵列元素在预设的第二时间段内输出的脉冲序列中的各脉冲幅度进行加权累加平均，通过比较，得到每个下行光斑的各个阵列元素输出的脉冲幅度的加权累加平均的最大值所在的位置，作为每个下行光斑的质心位置，再结合M个下行光斑在焦平面上的空间位置信息，得到下行接收光束在焦平面上的质心位置。

13.根据权利要求7所述的一种空间激光通信终端，其特征在于当下行接收光束为一路时，所述反馈控制子单元通过采用升计数检测算法得到下行接收光束的质心位置。