CN108923859B - 一种基于电光偏转的相干跟踪装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电光偏转的相干跟踪装置及方法，该装置包括信号光激光器、准直器、第一快反镜、分束器、聚焦透镜、焦平面探测器、第二快反镜、空间光混频器、本振光激光器、电光扫描器、平衡探测器和信号处理单元；其中，信号光激光器发出的信号光依次通过准直器、第一快反镜和分束器后分为两路出射，一路光垂直入射至聚焦透镜会聚进入焦平面探测器，另一路光经第二快反镜反射后进入空间光混频器；本振光激光器发出的光垂直入射至电光扫描器，进入空间光混频器；光与信号光激光器发出的光发生干涉；信号处理单元将干涉信号和章动信号处理得到位置误差信号，使得信号光与本振光激光器发出的光重合。本发明提高了跟踪探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于卫星激光通信跟踪领域，尤其涉及一种基于电光偏转的相干跟踪装置及方法。
背景技术
星载空间激光通信终端处于高速运动及宽谱振动的状态，为实现终端间稳定的双工通信，需要将双方终端的通信光轴严格对准，跟踪技术就是为了补偿终端高速运动及宽谱振动引入的对准偏差，实现通信光轴稳定对准的技术。激光的发散角相较于微波要小3到5个数量级，只有几十微弧度量级，稳定高效的跟踪技术是实现空间激光通信的关键技术之一。传统跟踪的位置误差信号为强度检测方式，主要由互补金属氧化物半导体(CMOS)器件和四象限探测器(QD)等位置探测器实现。CMOS探测器和QD探测器都是通过在探测器靶面上成像的光斑在各像元上灰度值或电流值(强度信号)的加权平均来提取位置误差信号。在有关空间激光通信的项目研制过程中，发现这种强度检测方式存在一些难以克服的缺点。例如：1)对于单频段、异频点通信体制，采用偏振隔离技术，由于偏振器件消光比水平限制，且发射偏振光能量极强，收发通道内部杂光环境异常复杂，加之跟踪探测器灵敏度较高，极易接收到发射信号的回波，淹没跟踪信号。2)对于外部背景杂光，传统的跟踪技术对外部杂光无免疫力，需要加窄带滤波片其他如抑制分光造成的链路紧张问题目前分院激光通信终端捕、跟、通采用能量分光方案，造成链路损失。3)跟踪精度问题，目前采用光斑位置进行跟踪的技术，跟踪精度只能达到μrad量级。想要提升跟踪精度，必须需求新的技术路线。
发明内容
相干跟踪是指通过光纤章动实现信号光耦合效率的变化，耦合后的信号光与本振光相干放大。当接收信号光焦点与光纤章动轨迹中心有偏差时，输出电压信号起伏不定，以该变化量作为相干跟踪的误差信号输入，实现高精度跟踪。相干跟踪的优势为：1)跟踪支路和通信接收支路合并，跟踪支路与通信支路之间无同轴度问题；2)本振光对接收到的信号光为零差放大，对信号发射回波为外差放大，可通过信号处理将回波的影响消除，提高隔离度；3)对太阳背景光免疫；4)跟、通支路合并，减少分光器件，减小链路损失。因此攻克相干跟踪技术是亟需解决的问题。
本发明解决的技术问题是：克服先有技术的不足，提供了一种基于电光偏转的相干跟踪装置及方法，针对位置误差信号提取的问题，采用相干解调位置误差信号的方法，提高灵敏度。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种基于电光偏转的相干跟踪装置，包括：信号光激光器、准直器、第一快反镜、分束器、聚焦透镜、焦平面探测器、第二快反镜、空间光混频器、本振光激光器、电光扫描器、平衡探测器和信号处理单元；其中，信号光激光器发出的信号光垂直入射至准直器端面，经准直器输出至快反镜，经第一快反镜反射后入射至分束器后分为两路出射，一路光垂直入射至聚焦透镜会聚进入焦平面探测器，另一路光经第二快反镜后反射，经反射后进入空间光混频器；本振光激光器发出的光垂直入射至电光扫描器，然后进入空间光混频器；本振光激光器发出的光与信号光激光器发出的光进入空间混频器后发生干涉，其干涉信号由平衡探测器接收，然后将干涉信号发送给信号处理单元；所述电光扫描器产生的章动信号依次通过空间光混频器和平衡探测器后传输至信号处理单元；信号处理单元将干涉信号和章动信号处理得到位置误差信号，反馈给第二快反镜，使之发生偏转，使得信号光与本振光激光器发出的光重合。
上述基于电光偏转的相干跟踪装置中，第一快反镜、第二快反镜、电光扫描器均与信号处理单元相连接；其中，所述信号处理单元分别给第一快反镜、第二快反镜、电光扫描器发送控制指令；第一快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；第二快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；电光扫描器接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元。
上述基于电光偏转的相干跟踪装置中，第一快反镜的法线方向与信号光的传播方向成45度角，第一快反镜镜面与信号光的偏振方向平行。
上述基于电光偏转的相干跟踪装置中，分束器镜面与第一快反镜镜面垂直放置。
上述基于电光偏转的相干跟踪装置中，第二快反镜镜面与第一快反镜镜面互相垂直放置。
上述基于电光偏转的相干跟踪装置中，平衡探测器探测面与相干光的传播方向相互垂直。
上述基于电光偏转的相干跟踪装置中，所述空间光混频器为90°光混频器。
根据本发明的另一方面，还提供了一种基于电光偏转的相干跟踪方法，所述方法包括如下步骤：信号光激光器发出的信号光垂直入射至准直器端面，经准直器输出至快反镜，经第一快反镜反射后入射至分束器后分为两路出射，一路光垂直入射至聚焦透镜会聚进入焦平面探测器，另一路光经第二快反镜后反射，经反射后进入空间光混频器；本振光激光器发出的光垂直入射至电光扫描器，然后进入空间光混频器；本振光激光器发出的光与信号光激光器发出的光进入空间混频器后发生干涉，其干涉信号由平衡探测器接收，然后将干涉信号发送给信号处理单元；电光扫描器产生的章动信号依次通过空间光混频器和平衡探测器后传输至信号处理单元；信号处理单元将干涉信号和章动信号处理得到位置误差信号，反馈给第二快反镜，使之发生偏转，使得信号光与本振光激光器发出的光重合。
上述基于电光偏转的相干跟踪方法中，还包括如下步骤：信号处理单元分别给第一快反镜、第二快反镜、电光扫描器发送控制指令；第一快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；第二快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；电光扫描器接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过电光扫描器作为章动器件来提取位置误差信号，相对于快反镜带宽更要高出两个数量级，使得整个跟踪环路更为灵敏；
(2)本发明的跟踪支路和通信接收支路合并，不存在信标光捕跟时跟踪支路与通信支路之间的同轴度问题；
(3)本发明通过相干提取位置误差信号，提高隔离度；对太阳背景光免疫；
(4)本发明的跟踪支路和通信接收支路合并，减少分光器件，减小链路损失。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的基于电光偏转的相干跟踪装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的夫朗禾费衍射模拟信号光场示意图；
图3是本发明实施例提供的相干跟踪技术原理演示示意图；
图4是本发明实施例提供的章动扫描控制环路设计系统示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的基于电光偏转的相干跟踪装置的结构示意图。如图1所示，该基于电光偏转的相干跟踪装置包括：信号光激光器、准直器、第一快反镜、分束器、聚焦透镜、焦平面探测器、第二快反镜、空间光混频器、本振光激光器、电光扫描器、平衡探测器和信号处理单元；相干跟踪的实现过程如下：
信号光激光器发出的信号光垂直入射至准直器端面，经准直器输出至快反镜，经第一快反镜反射后入射至分束器后分为两路出射，一路光垂直入射至聚焦透镜会聚进入焦平面探测器，另一路光经第二快反镜后反射，经反射后进入空间光混频器；
本振光激光器发出的光垂直入射至电光扫描器，然后进入空间光混频器；
本振光激光器发出的光与信号光激光器发出的光进入空间混频器后发生干涉，其干涉信号由平衡探测器接收，然后将干涉信号发送给信号处理单元；
信号处理单元将干涉信号和电光扫描镜的章动信号处理得到的位置误差信号，反馈给第二快反镜，使之发生偏转，直到信号光光束与本振光的相干效率最大。
相干跟踪方案是在通信探测器上通过本振光章动实现与信号光相干。当本振光焦点中心的偏移信号光中心时会造成相干效率的下降，通过前放放大之后反应为输出信号电压幅度变小。本振光焦点在探测器光敏面上面快速的进行圆周运动，只有当接收信号光焦点与本振焦点中心运动轨迹的中心的时候，前放输出电压信号才是稳定的，否则输出电压是起伏的。通过同步相干效率起伏和本振焦点的运动信息(本振焦点位置是由终端控制器产生和控制的)，信号视轴误差被提取出来。
本实施例的相干信号探测是由平衡探测器实现的光频外差探测的方法，外差探测的极限灵敏度远高于直接探测(外差探测的噪声下限远小于直接探测)，提高了系统灵敏度。另外相干信号需要与信号光相干的光束同方向、同频率、同偏振、同模式等苛刻的条件，因此太阳光及终端内杂光无法与之干涉，因此这种方法也提高了系统隔离度，对太阳背景光免疫。
入射信号光经过反射镜入射到分束器上，一部分光通过分束器反射经透镜会聚进入焦平面探测器，作为捕获支路。另一部分光经分束器入射到章动快反镜，再通过信号控制光混频器，本振激光器经准直后经由电光偏转器入射至光混频器与信号光相干。章动在混频器提供一个很小的圆形抖动，如果信号光焦点与本振光焦点不再重合，由于章动信号的引入，探测器接收信号必然出现光强的抖动，通过两个正交方向上误差信号的提取对位置信息进行解调。快反镜通过方位和俯仰控制信号对系统进行平台模拟振动。
用于跟踪的光斑位置误差信号则是通过通信探测器上的能量信息和本振章动扫描镜控制器的角度信息综合提取。当信号光焦点中心偏移本振光中心时会造成相干效率的下降，通过前放放大之后反应为输出信号电压幅度变小。信号光焦点在探测器光敏面上面快速的进行圆周运动，只有当接收本振光焦点与信号焦点中心运动轨迹重合的时候，前放输出电压信号才是稳定的，否则输出电压是起伏的。
通过同步相干效率起伏和信号焦点的运动信息(信号焦点位置是由终端控制器产生和控制的)，信号视轴误差被提取出来。
本发明的原理如下：
根据从发射终端到接收终端激光传播的衍射特性，如图2所示，可以得到接收光信号用极坐标表示为
式中U(r0)表示光场分布，λ为信号波长，k为波数(2π/λ)，z为从坐标为(x1,y1)的发射点到坐标为(x0,y0)的接收点之间的距离。经过Fourier-Bessel转换，可以得到传输信号可写为
式中，J1为一阶贝塞尔函数，Ps为探测到的信号光强，信号的场强分布为
令θ＝r0/z经简单运算后，信号光强可以写为
这可以看做是个艾里斑图样。
艾里斑半径为
一般来讲，对于高轨卫星对接低轨卫星时，接收端的天线口径远小于艾里斑半径，因此可以认为接收到的信号光场为平面波。
若有小角度倾斜，如图3所示，探测器的接收光场为
式中，Psig表示接收器接收到的总光强，A代表倾斜方位角，E代表倾斜俯仰角。此时，光波被电场章动，表达式变为
式中，ψ为章动深度(角度)，ωn为章动频率，t为时间。
本振光信号为高斯波，两者发生干涉时，相干光场可以表示为
运算后得
式中，σ为信号光的中心幅值下降到1/e时对应的光斑宽度，利用小角度跟踪近似及泰勒展开，简化后的表达式为
利用方位项和俯仰项的对称性，上式可表示为
式中，m(ψ)代表章动信号引入的光强损失，K(ψ)代表的是鉴频增益，均为可测量。
章动扫描控制环路设计系统采用数字控制方式，图4为系统传递函数的基本框图。章动角度误差提取环节中章动的频率相当于采样频率，但是由于章动提取角度误差方式的特殊性，某一时刻(例如章动圆在零相角)的位置误差信号实际上是章动圆在上一个周期的圆运动中相干效率的矢量和。校正环节的输入为相干效率，输出为章动扫描镜驱动电压。
本实施例还提供了一种基于电光偏转的相干跟踪方法，该方法包括如下步骤：
信号光激光器发出的信号光垂直入射至准直器端面，经准直器输出至快反镜，经第一快反镜反射后入射至分束器后分为两路出射，一路光垂直入射至聚焦透镜会聚进入焦平面探测器，另一路光经第二快反镜后反射，经反射后进入空间光混频器；
本振光激光器发出的光垂直入射至电光扫描器，然后进入空间光混频器；
本振光激光器发出的光与信号光激光器发出的光进入空间混频器后发生干涉，其干涉信号由平衡探测器接收，然后将干涉信号发送给信号处理单元；
电光扫描器产生的章动信号依次通过空间光混频器和平衡探测器后传输至信号处理单元；
信号处理单元将干涉信号和章动信号处理得到位置误差信号，反馈给第二快反镜，使之发生偏转，使得信号光与本振光激光器发出的光重合。
上述实施例中，还包括如下步骤：信号处理单元分别给第一快反镜、第二快反镜、电光扫描器发送控制指令；
第一快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；
第二快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；
电光扫描器接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于电光偏转的相干跟踪装置，其特征在于包括：信号光激光器、准直器、第一快反镜、分束器、聚焦透镜、焦平面探测器、第二快反镜、空间光混频器、本振光激光器、电光扫描器、平衡探测器和信号处理单元；其中，
信号光激光器发出的信号光垂直入射至准直器端面，经准直器输出至第一快反镜，经第一快反镜反射后入射至分束器后分为两路出射，一路光垂直入射至聚焦透镜会聚进入焦平面探测器，另一路光经第二快反镜反射后进入空间光混频器；
本振光激光器发出的光垂直入射至电光扫描器，然后进入空间光混频器；
本振光激光器发出的光与信号光激光器发出的光进入空间混频器后发生干涉，其干涉信号由平衡探测器接收，然后将干涉信号发送给信号处理单元；
所述电光扫描器产生的章动信号依次通过空间光混频器和平衡探测器后传输至信号处理单元；
信号处理单元将干涉信号和章动信号处理得到位置误差信号，反馈给第二快反镜，使之发生偏转，使得信号光与本振光激光器发出的光相重合；其中，信号光激光器发出的光焦点在平衡探测器光敏面上面快速的进行圆周运动，只有当接收本振光激光器发出的光焦点与信号光激光器发出的光焦点中心运动轨迹重合的时候，输出电压信号才是稳定的，否则输出电压即同步相干效率是起伏的，通过同步相干效率起伏和信号光激光器发出的光焦点的运动信息，位置误差信号被提取出来。
2.根据权利要求1所述的基于电光偏转的相干跟踪装置，其特征在于：第一快反镜、第二快反镜、电光扫描器均与信号处理单元相连接；其中，
所述信号处理单元分别给第一快反镜、第二快反镜、电光扫描器发送控制指令；
第一快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；
第二快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；
电光扫描器接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元。
3.根据权利要求1所述的基于电光偏转的相干跟踪装置，其特征在于：第一快反镜的法线方向与信号光的传播方向成45度角，第一快反镜镜面与信号光的偏振方向平行。
4.根据权利要求1所述的基于电光偏转的相干跟踪装置，其特征在于：分束器镜面与第一快反镜镜面垂直放置。
5.根据权利要求1所述的基于电光偏转的相干跟踪装置，其特征在于：第二快反镜镜面与第一快反镜镜面互相垂直放置。
6.根据权利要求1所述的基于电光偏转的相干跟踪装置，其特征在于：平衡探测器探测面与相干光的传播方向相互垂直。
7.根据权利要求1所述的基于电光偏转的相干跟踪装置，其特征在于：所述空间光混频器为90°光混频器。
8.一种基于电光偏转的相干跟踪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
信号光激光器发出的信号光垂直入射至准直器端面，经准直器输出至第一快反镜，经第一快反镜反射后入射至分束器后分为两路出射，一路光垂直入射至聚焦透镜会聚进入焦平面探测器，另一路光经第二快反镜后反射，经反射后进入空间光混频器；
本振光激光器发出的光垂直入射至电光扫描器，然后进入空间光混频器；
本振光激光器发出的光与信号光激光器发出的光进入空间混频器后发生干涉，其干涉信号由平衡探测器接收，然后将干涉信号发送给信号处理单元；
电光扫描器产生的章动信号依次通过空间光混频器和平衡探测器后传输至信号处理单元；
信号处理单元将干涉信号和章动信号处理得到位置误差信号，反馈给第二快反镜，使之发生偏转，使得信号光与本振光激光器发出的光相重合；其中，信号光激光器发出的光焦点在平衡探测器光敏面上面快速的进行圆周运动，只有当接收本振光激光器发出的光焦点与信号光激光器发出的光焦点中心运动轨迹重合的时候，输出电压信号才是稳定的，否则输出电压即同步相干效率是起伏的，通过同步相干效率起伏和信号光激光器发出的光焦点的运动信息，位置误差信号被提取出来。
9.根据权利要求8所述的基于电光偏转的相干跟踪方法，其特征在于还包括如下步骤：信号处理单元分别给第一快反镜、第二快反镜、电光扫描器发送控制指令；
第一快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；
第二快反镜接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元；
电光扫描器接收信号处理单元的控制指令，并根据控制指令运动到指定位置，并将位置信息发送给所述信号处理单元。
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