CN109150302B - 一种光通信系统的光轴自校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光通信系统的光轴自校准装置及方法，该发明利用阵列光纤产生方向存在固定差异的两束光，分别为自校准光与通信激光，通过角锥棱镜将自校准光引入至精跟踪相机内，由于角锥棱镜的自准直功能，该光轴的变化会导致精跟踪相机内光斑质心变化，利用对该光束的光轴监测来实现对通信激光光轴的校正。仪器工作之前利用自校准光在精跟踪相机中的光斑质心，重新标定精跟踪相机的跟踪点，从而建立光通信链路。本发明结构简单，通过阵列光纤排布将通信激光、自校准光进行视场分离，利用自校准激光实现对通信激光的光轴校正，该发明还具备利用可见光相机实现红外激光光轴自校准的能力。

Description

一种光通信系统的光轴自校准装置及方法

技术领域

本发明涉及自由空间光通信及量子通信领域，具体是指一种光通信系统的光轴自校准装置及方法。

背景技术

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。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。

在自由空间光通信中，由于通信距离远、光束窄以及存在外界干扰(如大气影响、卫星振动等)，必须采用捕获(Acquisition)，跟踪(Tracking)和瞄准(Pointing)系统来建立光通信链路，在此基础上进行光通信，光通信系统采用的通信激光的发散角非常小(20μrad左右)，对光通信的ATP系统提出了很高的要求(一般要小于20μrad)。因此，量子通信捕获系统的光学校准精度必须非常高(一般需要小于1μrad)。ATP系统装配完成之后，会通过高精度地面检测系统来标定精跟踪相机跟踪点，该跟踪点与激光发射光轴高度一致。但是由于设备运输、发射振动、在轨失重、热梯度等因素会造成系统光路的细微变化，激光发散角要求越来越窄，细微的光轴变化将会导致光通信链路无法建立。中国专利CN201110071279.9中也有类似的光轴自校准方法的描述，但是该专利存在以下弊端：1、一般光通信波长为1550nm波段，而精跟踪相机为Si基阵列探测器，该种类探测器对1550nm不响应导致无法利用进行自校正；2、自校准光与通信激光的波长相隔较远，如通信激光为1550nm、自校准光为650nm，由于两种波长单模光纤的芯径不同，将两种光合束至同一根光纤，会导致650nm自校准光在光纤中处于少模输出，其出射光束模式不稳定；3、自校准光与通信激光的波长相隔较近，如通信激光为850nm、自校准光为650nm，将两种光合束至同一根光纤，由于在光纤合束时需要分光，势必会导致能量衰减。

本发明针对自由空间光通信的应用需求，同时充分考虑到中国专利CN201110071279.9所遇到的困难，利用阵列光纤产生两束方向存在固定差异的自校准光与通信激光，通过对自校准激光光轴的监测来实现对通信激光光轴的校正，从而实现最终的激光光轴自校准。

发明内容：

本发明的目的是提供一种光通信系统的光轴自校准装置及方法，为了更好的满足自由空间激光通信的应用需求。该发明利用阵列光纤产生两束方向存在固定差异的光束，分别为自校准光与通信激光，通过角锥棱镜将自校准光沿原方向引入至精跟踪相机内，由于角锥棱镜的自准直功能，自校准光轴的变化会导致精跟踪相机内光斑质心变化，同时自校准光相对于通信激光之间的角度差异固定，可以利用对自校准光的光轴监测来实现对通信激光的光轴校正。仪器工作之前利用自校准光在精跟踪相机中的光斑质心，重新标定精跟踪相机的跟踪点，从而建立光通信链路。本方法适用于各种类型光通信跟踪系统的光轴现场自动校准。

本发明的一种光通信系统的光轴自校准装置如附图1所示，

所述的阵列光纤1将自校准光单模光纤1-1与通信激光单模光纤1-2密集排布于光纤端面处，并放置于消色差准直镜2的焦面处，所述的消色差准直镜2可以同时对自校准光与通信激光进行准直；所述的分色片3用于实现跟踪光束和通信光束的分离，所述的滤光片5允许自校准光与信标光通过：所述的精跟踪镜头6、精跟踪探测器7用于信标光与自校准光的探测，同时与精跟踪快反镜8形成精跟踪闭环控制；所述的主望远镜9为无焦扩束系统，用于实现自校准光与通信激光光束发散角压缩的功能。

阵列光纤1将自校准光单模光纤1-1与通信激光单模光纤1-2密集排布于光纤端面处，阵列光纤1的光纤端面固定于消色差准直镜2的焦面处，自校准光与通信激光分别经过自校准光单模光纤1-1与通信激光单模光纤1-2引入，经过消色差准直镜2准直后输出；两束准直光经过分色片3时，通信激光经过分色片3、精跟踪快反镜8反射后，最后经过主望远镜9压缩发散角后发射，自校准光经过分色片3透射、角锥棱镜4原路返回、分色片3反射后，经过滤光片5、精跟踪镜头6后被精跟踪探测器7探测，同时另一个通信终端的信标光经过主望远镜9、精跟踪快反镜8及分色片3后，也进入滤光片5、精跟踪镜头6后被精跟踪探测器7探测；在实验室内需要准确标定通信激光光轴、信标光轴与自校准光在精跟踪探测器7上成像点质心的关系，仪器工作之前，重新采集自校准光在精跟踪探测器7中的光斑质心，该质心与实验室标定质心不同说明发射光轴发生变化，需要重新标定信标光在精跟踪探测器7的跟踪点，从而建立光通信链路。

本发明的具体工作过程描述如下:

1)在实验室环境下,通过自校准光单模光纤1-1与通信激光单模光纤1-2将自校准光与通信激光引入至阵列光纤1内，两束光再经过消色差准直镜2准直后输出，利用平行光管准确标定通信激光与自校准光的相对光轴关系，记录两束光之间的固定光轴关系；

2)精确标定通信激光光轴对应的精跟踪探测器7上跟踪点位置(X1，Y1)，开启自校准光，自校准光经消色差准直镜2准直、分色片3透射、角锥棱镜4原路返回、分色片3反射后，最后进入滤光片5、精跟踪镜头6后被精跟踪探测器7探测,根据成像光斑情况将光强调节至光斑接近饱和状态，记录此时自校准光在精跟踪探测器7上成像光斑质心位置(X2，Y2)；

3)设备搬至外场或者在轨试验之前，按照实验室标定光强开启自校准光，自校准光经消色差准直镜2准直、分色片3透射、角锥棱镜4原路返回、分色片3反射后，最后进入滤光片5、精跟踪镜头6后被精跟踪探测器7探测，记录此时自校准光在精跟踪探测器7上成像光斑质心位置(X2′，Y2′)；此时将精跟踪探测器7上跟踪点位置更改为(X1+X2′-X2，Y1+Y2′-Y2)；

4)关闭自校准光，开启光通信模式，调整主望远镜9的指向，将目标端的信标光引入ATP系统，驱动精跟踪快反镜(8)将接收到的信标光引入至精跟踪探测器7上，根据新跟踪点位置(X1+X2′-X2，Y1+Y2′-Y2)进行跟踪，建立通信链路；

5)开启通信激光,通信激光经消色差准直镜2准直、分色片3及精跟踪快反镜8反射后，最后经过主望远镜9压缩发散角后发射，发射光最终传输至接收端，通过接收端闭环后开启激光通信数据传输。

本发明结构简单，通过阵列光纤排布将通信激光、自校准光进行视场分离，利用自校准激光实现对通信激光的光轴校正，该发明还具备利用可见光相机实现红外激光光轴自校准的能力。

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、本发明具备利用可见光探测器实现对红外激光光轴自校准的能力。

3、本发明自校准光与通信激光之间输出光纤不匹配的问题，提高自检光稳

定性；同时在光纤合束时不需要进行分光处理，效率更高。

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)阵列光纤1：采用定制的光纤阵列，其中自校准光单模光纤(1-1)发射端光纤芯径采用5.6um,外涂层采用125um，同光波长为650nm；通信激光单模光纤1-2的芯径采用9um,外涂层采用125um，通光波长为1550nm，两光纤中心间隔为125um；

2)消色差准直镜2：采用定制的准直镜，口径为25mm，焦距为50mm，消色差光谱范围为650nm-1550nm；

3)分色片3：分色片3透射650nm信标光、反射1550nm通信光，650nm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；

4)角锥棱镜4：采用Thorlabs公司型号为PS971的角锥棱镜，其主要性能参数：透光面表面面型优于λ/10@632.8nm；回转精度小于3″，通光口径为25.4mm；

5)滤光片5：采用定制的滤光片，通光口径为25mm，透光面表面面型优于λ/10@632.8nm，仅通过650nm信标光兼自校准光；

6)精跟踪镜头6、精跟踪探测器7：精跟踪镜头6的口径为25mm，系统组合焦距为1000mm,单像素分辨率为5.5urad，精跟踪探测器7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；

7)精跟踪快反镜8：精跟踪快反镜8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°；

8)主望远镜9：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。

本发明的一种光通信系统的光轴自校准装置如附图1所示，具体情况描述如下：

所述的阵列光纤1将5.6um的自校准光单模光纤1-1与9um的通信激光单模光纤1-2密集排布于光纤端面处，并放置于消色差准直镜2的焦面处，所述的消色差准直镜2可以同时对650nm自校准光与1550nm通信激光进行准直；所述的分色片3用于实现跟踪光束和通信光束的分离，所述的滤光片5允许自650nm的自校准光与信标光通过：所述的精跟踪镜头6、精跟踪探测器7用于650nm信标光与自校准光的探测，同时与精跟踪快反镜8形成精跟踪闭环控制；所述的主望远镜9为10倍无焦扩束系统，用于实现自校准光与通信激光光束发散角压缩的功能。

阵列光纤1将自校准光单模光纤1-1与通信激光单模光纤1-2密集排布于光纤端面处，其中自校准光单模光纤1-1发射端光纤芯径采用5.6um,外涂层采用125um，同光波长为650nm；通信激光单模光纤1-2的芯径采用9um,外涂层采用125um，通光波长为1550nm，两光纤中心间隔为125um；阵列光纤1的光纤端面固定于消色差准直镜2的焦面处，消色差准直镜2的消色差光谱范围为650nm-1550nm，650nm自校准光与1550nm通信激光分别经过5.6um自校准光单模光纤1-1与9um通信激光单模光纤1-2引入，经过消色差准直镜2准直后输出；两束准直光经过650nm透射/1550nm反射的分色片3时，1550nm通信激光经过分色片3、精跟踪快反镜8反射后，最后经过10倍扩束主望远镜9压缩发散角后发射；650nm自校准光经过650nm透射/1550nm反射分色片3透射、角锥棱镜4原路返回、分色片3反射后，经过滤光片5、精跟踪镜头6后被精跟踪探测器7探测，同时另一个通信终端的信标光经过10倍扩束的主望远镜9、精跟踪快反镜8及分色片3后，也进入滤光片5、精跟踪镜头6后被精跟踪探测器7探测；外场试验前，在实验室内需要准确标定通信激光光轴、信标光轴与自校准光在精跟踪探测器7上成像点质心的关系，仪器工作之前，重新采集自校准光在精跟踪探测器7中的光斑质心，该质心与实验室标定质心不同说明发射光轴发生变化，需要重新标定信标光在精跟踪探测器7的跟踪点，从而建立光通信链路。

本发明的具体工作过程描述如下:

1)在实验室环境下,650nm自校准光与1550nm通信激光分别经过5.6um自校准光单模光纤1-1与9um通信激光单模光纤1-2引入，经过消色差准直镜2准直后输出，其中自校准光单模光纤1-1发射端光纤芯径采用5.6um,外涂层采用125um，同光波长为650nm；通信激光单模光纤1-2的芯径采用9um,外涂层采用125um，通光波长为1550nm，两光纤中心间隔为125um；两束光再经过消色差准直镜2准直后输出，利用平行光管准确标定1550nm通信激光与650nm自校准光的相对光轴关系，记录两束光之间的固定光轴关系；

2)精确标定通信激光光轴对应的精跟踪探测器7上跟踪点位置(X1，Y1)，开启650nm自校准光，650nm自校准光经消色差准直镜2准直、650nm透/1550nm反的分色片3透射、角锥棱镜4原路返回、分色片3反射后，最后进入滤光片5、精跟踪镜头6后被精跟踪探测器7探测,根据成像光斑情况将光强调节至光斑接近饱和状态，记录此时自校准光在精跟踪探测器7上成像光斑质心位置(X2，Y2)；

3)设备搬至外场或者在轨试验之前，按照实验室标定光强开启650nm自校准光，650nm自校准光经消色差准直镜2准直、650nm透/1550nm反的分色片3透射、角锥棱镜4原路返回、分色片3反射后，最后进入滤光片5、精跟踪镜头6后被精跟踪探测器7探测，记录此时650nm自校准光在精跟踪探测器7上成像光斑质心位置(X2′，Y2′)；此时将精跟踪探测器7上跟踪点位置更改为(X1+X2′-X2，Y1+Y2′-Y2)；

4)关闭650nm自校准光，开启光通信模式，调整10倍扩束主望远镜9的指向，将目标端的信标光引入跟踪系统，驱动精跟踪快反镜(8)将接收到的信标光引入至精跟踪探测器7上，根据新跟踪点位置(X1+X2′-X2，Y1+Y2′-Y2)进行跟踪，建立通信链路；

5)开启1550nm通信激光，1550nm通信激光经消色差准直镜2准直、650nm透/1550nm反的分色片3及精跟踪快反镜8反射后，最后经过10倍扩束主望远镜9压缩发散角后发射，发射光最终传输至接收端，通过接收端闭环后开启激光通信数据传输。

本发明结构简单，通过阵列光纤排布将通信激光、自校准光进行视场分离，利用自校准激光实现对通信激光的光轴校正，该发明还具备利用可见光相机实现红外激光光轴自校准的能力。

Claims (4)

1.一种光通信系统的光轴自校准装置，由阵列光纤(1)、消色差准直镜(2)、分色片(3)、角锥棱镜(4)、滤光片(5)、精跟踪镜头(6)、精跟踪探测器(7)、精跟踪快反镜(8)及主望远镜(9)组成，其特征在于：

所述的阵列光纤(1)将自校准光单模光纤(1-1)与通信激光单模光纤(1-2)密集排布于光纤端面处，光纤中心间隔固定，并放置于消色差准直镜(2)的焦面处，所述的消色差准直镜(2)可以同时对自校准光与通信激光进行准直；所述的分色片(3)用于实现跟踪光束和通信光束的分离，所述的滤光片(5)允许自校准光与信标光通过：所述的精跟踪镜头(6)、精跟踪探测器(7)用于信标光与自校准光的探测，同时与精跟踪快反镜(8)形成精跟踪闭环控制；所述的主望远镜(9)为扩束系统，用于实现自校准光与通信激光光束发散角压缩的功能；

阵列光纤(1)的光纤端面固定于消色差准直镜(2)的焦面处，自校准光与通信激光分别经过自校准光单模光纤(1-1)与通信激光单模光纤(1-2)引入，经过消色差准直镜(2)准直后输出；两束准直光经过分色片(3)时，通信激光分别经过分色片(3)、精跟踪快反镜(8)反射后，最后经过主望远镜(9)压缩发散角后发射，自校准光经过分色片(3)透射、角锥棱镜(4)原路返回、分色片(3)反射后，经过滤光片(5)、精跟踪镜头(6)后被精跟踪探测器(7)探测，同时另一个通信终端的信标光经过主望远镜(9)、精跟踪快反镜(8)及分色片(3)后，也进入滤光片(5)、精跟踪镜头(6)后被精跟踪探测器(7)探测；在实验室内需要准确标定通信激光光轴、信标光轴与自校准光在精跟踪探测器(7)上成像点质心的关系，仪器工作之前，重新采集自校准光在精跟踪探测器(7)中的光斑质心，该质心与实验室标定质心不同说明发射光轴发生变化，需要重新标定信标光在精跟踪探测器(7)的跟踪点，从而建立光通信链路。

2.根据权利要求1所述的一种光通信系统的光轴自校准装置，其特征在于：所述的阵列光纤(1)将自校准光单模光纤(1-1)与通信激光单模光纤(1-2)密集排布于光纤端面处，光纤中心间隔固定，所述的消色差准直镜(2)可以同时对自校准光与通信激光进行准直；阵列光纤(1)的光纤端面固定于消色差准直镜(2)的焦面处，从而实现自校准光单模光纤(1-1)与通信激光单模光纤(1-2)发射光的准直。

3.根据权利要求1所述的一种光通信系统的光轴自校准装置，其特征在于：所述的角锥棱镜(4)的回转精度小于3″。

4.一种基于权利要求1所述的一种光通信系统的光轴自校准装置的光轴自校准方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在实验室环境下,通过自校准光单模光纤(1-1)与通信激光单模光纤(1-2)将自校准光与通信激光引入至阵列光纤(1)内，两束光再经过消色差准直镜(2)准直后输出，利用平行光管准确标定通信激光与自校准光的相对光轴关系，记录两束光之间的固定光轴关系；

2)精确标定通信激光光轴对应的精跟踪探测器(7)上跟踪点位置(X1，Y1)，开启自校准光，自校准光经消色差准直镜(2)准直、分色片(3)透射、角锥棱镜(4)原路返回、分色片(3)反射后，最后进入滤光片(5)、精跟踪镜头(6)后被精跟踪探测器(7)探测,根据成像光斑情况将光强调节至光斑接近饱和状态，记录此时自校准光在精跟踪探测器(7)上成像光斑质心位置(X2，Y2)；

3)设备搬至外场或者在轨试验之前，按照实验室标定光强开启自校准光，自校准光经消色差准直镜(2)准直、分色片(3)透射、角锥棱镜(4)原路返回、分色片(3)反射后，最后进入滤光片(5)、精跟踪镜头(6)后被精跟踪探测器(7)探测，记录此时自校准光在精跟踪探测器(7)上成像光斑质心位置(X2′，Y2′)；此时将精跟踪探测器(7)上跟踪点位置更改为(X1+X2′-X2，Y1+Y2′-Y2)；

4)关闭校准光，开启光通信模式，调整主望远镜(9)的指向，将目标端的信标光引入ATP系统，驱动精跟踪快反镜(8)将接收到的信标光引入至精跟踪探测器(7)上，根据新跟踪点位置(X1+X2′-X2，Y1+Y2′-Y2)进行跟踪，建立通信链路；

5)开启通信激光,通信激光经消色差准直镜(2)准直、分色片(3)及精跟踪快反镜(8)反射后，最后经过主望远镜(9)压缩发散角后发射，发射光最终传输至接收端，通过接收端闭环后开启激光通信数据传输。

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