CN108988952A - 一种视场分离式的激光收发光通信终端 - Google Patents

一种视场分离式的激光收发光通信终端 Download PDF

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吴金才
王天洪
何志平
张亮
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Abstract

本发明公开了一种视场分离式的激光收发光通信终端，该发明基于面阵探测器的跟踪点可调的功能，通过将发射光纤与接收光纤排布于同一个光纤端面处，利用准直镜将发射光进行准直，同时将接收光会聚于光纤端面，当通信终端作为接收端时，通过精跟踪快反镜将跟踪点调节至经过标定的激光接收跟踪点；当通信终端作为发射端时，通过精跟踪快反镜将跟踪点调节至经过标定的激光发射跟踪点；从而实现分时双向传输的自由空间激光通信功能。本发明结构简单，通过视场分离的方式实现了兼容激光收发的功能，该发明还具备在不进行分光的情况下实现的激光收发的功能。

Description

一种视场分离式的激光收发光通信终端
技术领域
本发明涉及自由空间光通信及量子通信领域，具体是指一种视场分离式的激光收发光通信终端。
背景技术
随着卫星在气象预报，灾害预防，环境保护，海洋观测，深空探索等多方面的广泛应用，以及通信用户对互联网接入、视频电话、多媒体传输等服务的需求不断增长，当今社会对星地通信的信息容量和传输速率提出更高的要求，所以光通信就更能体现其优势地位。光通信相比于传统的微波通信而言，具有带宽高、容量大、传输速率高、抗干扰能力强、功耗低、安全性好等优点，而且激光通信终端具备更小的体积和更轻的质量，因此以激光通信作为信息载体的通信方式是星地通信的重要发展方向，也是未来星间高速通信最具潜力的重要发展方向。在星地激光通信的激光束有较长的一段距离是在大气层内进行传播的，其能量会受到大气吸收、散射以及湍流的影响。吸收和散射主要造成能量的衰减，而且大气湍流导致的大气折射率起伏，带来光束漂移、光束扩展等现象，对通信产生不可忽视的影响。
国际上空间激光通信的基础研究开始于上个世纪70年代，最早涉足该领域的是前苏联和美国，然后是日本和欧洲各国。直至20世纪80年代末期，随着各国对太空战略的日益重视和全球通信市场竞争日趋激烈，星地激光通信进一步受到重视，并很快在实验系统装置的研发和测试上取得突破性的重大成果。国内星地激光通信的研究从20世纪90年代开始，主要研究研究机构有哈尔滨工业大学、电子科技大学、长春理工大学等，由于我国在卫星光通信领域的起步比较晚，之前的研究基本上还停留在理论和地面实验阶段，直至近几年空间光通信的实验验证得到了快速发展，如上海技术物理研究所与科大共同研制的TG-2、“墨子号”的量子通信载荷均实现了星地之间的光通信及量子通信；其中上光所研制的“激光相干通信”系统成功实现星地之间的相干激光通信。考虑到未来空间激光通信的前景，必将会向星间、星地的双向光通信的方式延伸
本发明充分考虑自由空间光通信的应用需求，基于简单的视场分离原理，达到了对同一波长同时实现进行双向通信的目的，实现了分时双向传输的自由空间激光通信的设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种视场分离式的激光收发光通信终端，为了更好的满足自由空间激光通信的应用需求。该发明基于面阵探测器的跟踪点可调的功能，通过将发射光纤与接收光纤排布于同一个光纤端面处，利用准直镜将发射光进行准直，同时将接收光会聚于光纤端面，当通信终端作为接收端时，通过精跟踪快反镜将跟踪点调节至经过标定的激光接收跟踪点；当通信终端作为发射端时，通过精跟踪快反镜将跟踪点调节至经过标定的激光发射跟踪点；从而实现分时双向传输的自由空间激光通信功能。该发明适用于双向传输、单向工作的自由空间激光通信领域。本发明结构简单、价格低廉、激光收发无需分光的特点，巧妙的利用光纤排布进行收发激光的视场分离，从而实现了兼容激光收发的功能。
本发明的一种视场分离式的激光收发光通信终端如附图1所示，当系统作为接收端时，通信光与信标光经过另一通信端发射后覆盖该通信终端，通过粗跟踪相机1将各功能光束(通信光和信标光)引入至主望远镜2后进入后光路，缩束后的光束通过精跟踪快反镜3、分色片4后，各自进入到激光接收通道及信标光通道，信标光被成像于精跟踪相机5中，通信光经过准直透镜6后会聚到阵列光纤7中的多模光纤7-1中，被探测器接收；当系统作为发射端时，通信光从阵列光纤7中单模发射光纤7-2出射，经过准直透镜2、分色片4、精跟踪快反镜3进入主望远镜2后准直发射，发射光通过信标光成像点控制发射至接收端，从而实现分时双向激光通信的功能。
所述的粗跟踪相机1、精跟踪相机5是用于通信终端的复合轴跟踪，粗跟踪相机1用于实现载荷初步跟踪及捕获的功能，精跟踪相机5用于实现高精度光轴对准的闭环调节；所述的主望远镜2为无焦扩束系统，用于实现激光接收光束的压缩及激光发射光束发散角压缩的功能；所述的精跟踪快反镜3为精跟踪的执行机构，用于实现光束方向的快速、微小调节，从而实现高精度跟踪指向功能；所述的分色片4用于实现跟踪光束和通信光束的分离，利用跟踪光束方向来调节通信光束的方向；所述的阵列光纤7将多模光纤7-1与单模光纤7-2密集排布于光纤端面处，光纤中心间隔固定，阵列光纤7的光纤端面固定于准直透镜6的焦面处，从而实现将平行光会聚于多模光纤7-1处，同时实现单模光纤7-2发射光的准直。
本发明的具体工作过程描述如下:
1、当该激光通信终端作为接收端时，通过粗跟踪相机1跟踪发射端信标光，使发射端的通信光和信标光经过主望远镜2收集后进入后光路，缩束后的光束被精跟踪快反镜3反射后，再通过分色片4分光之后，各自进入到激光接收通道及信标光通道，信标光被成像于精跟踪相机5中，通信光经过准直透镜6把缩束后的光会聚到阵列光纤7中的多模光纤7-1处。激光接收与信标光接收都经过精跟踪快反镜3，则激光接收轴与信标光接收相机的成像光斑某一个位置对应，在跟踪过程中光斑位置变动时，经过相应的处理电路来控制精跟踪反射镜3来保证光斑位置保持不变，确保发射端激光能精确的进入阵列光纤7中的多模光纤7-1后被探测器探测，最终实现激光通信接收功能；
2、当该激光通信终端作为为发射端时，通过粗跟踪相机1跟踪发射端信标光，使发射端的信标光经过主望远镜2收集后进入后光路，缩束后的光束被精跟踪快反镜3反射后，再通过分色片4分光进入精跟踪相机5中，通信光则从阵列光纤7中单模光纤7-2引入，经准直透镜6准直后分别通过分色片4、精跟踪快反镜3、主望远镜2准直发射，最后传输至接收端。激光发射与信标光接收都经过了精跟踪快反镜3，则激光发射轴与精跟踪相机5的成像光斑某一个位置对应，在跟踪过程中光斑位置变动时，经过相应的处理电路来控制跟踪反射镜3来保证光斑位置保持不变，确保发射光能精确的传输至接收端。
激光通信终端分别作为发射端及接收端时，精跟踪相机的精跟踪点存在一个固定差异，利用该固定差异进行视场分离，实现了分时双向传输的自由空间激光通信的功能。
本发明的优点在于：
1)本发明的结构简单、成本低廉、易于实现、实用性较强。
2)本发明中激光发射与激光接收无需分光，通过视场分离的方法，在一个通信终端上实现了分时双向传输的自由空间激光通信的功能。
附图说明
图1为本发明的通信终端光路示意图。
图2为阵列光纤端面示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。
本发明中所采用的主要器件描述如下：
1)粗跟踪相机1：由大视场粗镜头及其探测器组成，镜头口径为40mm，系统焦距为137.5mm,单像素分辨率为40urad，探测器选用COMSIS公司型号为CMV4000的CMOS型探测器,单像元大小为5.5μm×5.5μm，面阵大小为2048pix×2048pix，开窗大小可变；
2)主望远镜2：定制的无焦扩束系统，放大倍数为10倍，望远镜口径为200mm，缩束后光斑大小为20mm，系统的面型精度要求为1/10λ@632.8nm；
3)跟踪快反镜3：跟踪镜购买NEWPORT公司的两轴音圈电机，型号为FSM-320Fast；其主要性能参数：工作波段为650-1700nm时，平均反射率大于96％，角度分辨率RMS值≤1μrad,角度变化范围：±1.5°；
4)分色片(3)：分色片透射532nm信标光、反射1550nm通信光，532nm透射光效率优于98％，1550nm反射光效率优于97％,通光口径为25mm，通光面面形偏差RMS值优于1/20λ@632.8nm；
5)精跟踪相机5：由精跟踪镜头和探测器组成，精跟踪镜头口径为25mm，系统组合焦距为1000mm,单像素分辨率为5.5urad，探测器选用COMSIS公司型号为CMV4000的CMOS型探测器,单像元大小为5.5μm×5.5μm，开窗大小为128pix×128pix；
6)准直透镜6：采用Thorlabs公司型号为AL2550-C的非球面镜，透镜口径为25mm，焦距为50mm，光谱范围为1050nm-1620nm；
7)阵列光纤7：采用定制的光纤，发射端光纤芯径采用9um,外涂层采用125um。接收端光纤芯径采用105um,外涂层采用125um。
本发明的一种视场分离式的激光收发光通信终端如附图1所示，具体情况描述如下：
所述的粗跟踪相机1、精跟踪相机5是用于通信终端的复合轴跟踪，粗跟踪相机1用于实现载荷初步跟踪及捕获的功能，精跟踪相机5用于实现高精度光轴对准的闭环调节；所述的主望远镜2为10倍无焦扩束系统，用于实现激光接收光束的压缩及激光发射光束发散角压缩的功能；所述的精跟踪快反镜3为精跟踪的执行机构，用于实现光束方向的快速、微小调节，从而实现高精度跟踪指向功能；所述的分色片4用于实现跟踪光束和通信光束的分离，利用跟踪光束方向来调节通信光束的方向；所述的阵列光纤7将105um的多模光纤7-1与9um的单模光纤7-2密集排布于光纤端面处，光纤中心间隔固定，阵列光纤7的光纤端面固定于准直透镜6的焦面处，从而实现将平行光会聚于多模光纤7-1处，同时实现单模光纤7-2发射光的准直。
当系统作为接收端时，1550nm通信光与532nm信标光经过另一通信端发射后覆盖该通信终端，532nm信标光分别进入口径40mm的粗跟踪相机1及口径200mm的主望远镜2，粗跟踪相机1首先探测到光斑，通过粗跟踪将各功能光束(1550nm通信光和532nm信标光)引入至主望远镜2后进入后光路，光束经过口径200mm、缩束比为10倍的主望远镜2缩束成20mm，该光束通过精跟踪快反镜3、532nm透射/1550nm反射的分色片4后，各自进入到1550nm激光接收通道及532nm信标光通道，532nm信标光被成像于分辨率为5.5urad的精跟踪相机5中，1550nm通信光经过准直透镜6后会聚到阵列光纤7中的多模光纤7-1中，被探测器接收；当系统作为发射端时，1550nm通信光从阵列光纤7中单模发射光纤7-2出射，经过准直透镜6、532nm透射/1550nm反射的分色片4、精跟踪快反镜3、主望远镜2后准直发射，通过532nm信标光在精跟踪相机5中的成像点控制1550nm准直光发射至接收端，从而实现分时双向激光通信的功能。
本发明的具体工作过程描述如下:
1、当该激光通信终端作为接收端时，通过粗跟踪相机1跟踪发射端的532nm信标光，使发射端的1550nm通信光和532nm信标光经过主望远镜2收集后进入后光路，光束经过口径200mm、缩束比为10倍的主望远镜2缩束成20mm，缩束后的光束被精跟踪快反镜3反射后，再通过532nm透射/1550nm反射的分色片4分光之后，各自进入到1550nm激光接收通道及532nm信标光接收通道，532nm信标光被成像于精跟踪相机5中，1550nm通信光经过准直透镜6将缩束后的1550nm通信光会聚到阵列光纤7中的多模光纤7-1处。1550nm激光接收与532nm信标光接收都经过精跟踪快反镜3，则1550nm通信光接收轴与532nm信标光接收相机的成像光斑某一个位置对应，在跟踪过程中光斑位置变动时，经过相应的处理电路来控制精跟踪反射镜3来保证光斑位置保持不变，确保发射端1550nm通信光能精确的进入阵列光纤7中的多模光纤7-1后被探测器探测，最终实现激光通信接收功能；
2、当该激光通信终端作为为发射端时，通过粗跟踪相机1跟踪发射端532nm信标光，使发射端的532nm信标光经过主望远镜2收集后进入后光路，光束经过口径200mm、缩束比为10倍的主望远镜2缩束成20mm，缩束后的光束被精跟踪快反镜3反射后，再通过532nm透射/1550nm反射的分色片4透射后进入精跟踪相机5中，1550nm通信光则从阵列光纤7中单模光纤7-2引入，经准直透镜6准直后分别通过532nm透射/1550nm反射的分色片4、精跟踪快反镜3、主望远镜2准直发射，最后传输至接收端。1550nm通信光发射与532nm信标光接收都经过了精跟踪快反镜3，则1550nm通信光发射轴与精跟踪相机5的成像光斑某一个位置对应，在跟踪过程中光斑位置变动时，经过相应的处理电路来控制跟踪反射镜3来保证光斑位置保持不变，确保发射光能精确的传输至接收端。
激光通信终端分别作为发射端及接收端时，精跟踪相机的精跟踪点存在一个固定差异，利用该固定差异进行视场分离，实现了分时双向传输的自由空间激光通信的功能。

Claims (2)

1.一种视场分离式的激光收发光通信终端，由粗跟踪相机(1)、主望远镜(2)、精跟踪快反镜(3)、分色片(4)、精跟踪相机(5)、准直透镜(6)、阵列光纤(7)组成，其特征在于：
所述的粗跟踪相机(1)、精跟踪相机(5)是用于通信终端的复合轴跟踪，粗跟踪相机(1)用于实现载荷初步跟踪及捕获的功能，精跟踪相机(5)用于实现高精度光轴对准的闭环调节；所述的主望远镜(2)为无焦扩束系统，用于实现激光接收光束的压缩及激光发射光束发散角压缩的功能；所述的精跟踪快反镜(3)为精跟踪的执行机构，用于实现光束方向的快速、微小调节，从而实现高精度跟踪指向功能；所述的分色片(4)用于实现跟踪光束和通信光束的分离，利用跟踪光束方向来调节通信光束的方向；
当该激光通信终端作为接收端时，通过粗跟踪相机(1)跟踪发射端信标光，使发射端的通信光和信标光经过主望远镜(2)收集后进入后光路，缩束后的光束被精跟踪快反镜(3)反射后，再通过分色片(4)分光之后，各自进入到激光接收通道及信标光通道，信标光被成像于精跟踪相机(5)中，通信光经过准直透镜(6)把缩束后的光会聚到阵列光纤(7)中的多模光纤(7-1)处。激光接收与信标光接收都经过精跟踪快反镜(3)，则激光接收轴与信标光接收相机的成像光斑某一个位置对应，在跟踪过程中光斑位置变动时，经过相应的处理电路来控制精跟踪反射镜(3)来保证光斑位置保持不变，确保发射端激光能精确的进入阵列光纤(7)中的多模光纤(7-1)后被探测器探测，最终实现激光通信接收功能；
当该激光通信终端作为为发射端时，通过粗跟踪相机(1)跟踪发射端信标光，使发射端的信标光经过主望远镜(2)收集后进入后光路，缩束后的光束被精跟踪快反镜(3)反射后，再通过分色片(4)分光进入精跟踪相机(5)中，通信光则从阵列光纤(7)中单模光纤(7-2)引入，经准直透镜(6)准直后分别通过分色片(4)、精跟踪快反镜(3)、主望远镜(2)准直发射，最后传输至接收端；激光发射与信标光接收都经过了精跟踪快反镜(3)，则激光发射轴与精跟踪相机(5)的成像光斑某一个位置对应，在跟踪过程中光斑位置变动时，经过相应的处理电路来控制精跟踪反射镜(3)来保证光斑位置保持不变，确保发射光能精确的传输至接收端。
激光通信终端分别作为发射端及接收端时，精跟踪相机(5)的精跟踪点存在一个固定差异，利用该固定差异进行视场分离，实现了分时双向传输的自由空间激光通信的功能。
2.根据权利要求1所述的一种视场分离式的激光收发光通信终端，其特征在于：所述的阵列光纤(7)将多模光纤(7-1)与单模光纤(7-2)密集排布于光纤端面处，光纤中心间隔固定，阵列光纤(7)的光纤端面固定于准直透镜(6)的焦面处，从而实现将平行光会聚于多模光纤(7-1)处，同时实现单模光纤(7-2)发射光的准直。
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