CN109347565A - 双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，该终端包括望远镜、自适应光学系统、激光耦合系统和激光发射系统；从目标传播过来的接收激光，沿着主光路传播，依次经过所述望远镜、被所述自适应光学系统校正后，最终进入所述激光耦合系统；从所述激光发射系统发出的出射激光，进入主光路后经过所述自适应光学系统、被校正后从所述望远镜发出。上述终端还可以包括精跟踪系统，位于所述望远镜和所述自适应光学系统之间，对经过主光路的激光进行倾斜误差的校正。本发明把激光发射系统置于自适应光学系统之后，可以实现对收发激光的同时校正，同时采用共孔径收发，提高了设备的利用效率，系统结构更加的紧凑。
Description
技术领域
本发明属于激光通信技术领域，具体地为空间激光通信的终端设备，特别是涉及到一种双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端。
背景技术
自由空间激光通信是指采用激光束作为信息载体在自由空间进行的通信。激光通信具有通信速率高、抗干扰能力强、无需申请电磁牌照等优点，在军用和民用通信中具有广阔的前景。
在空间激光通信链路中，经过大气的激光链路会受到大气湍流的影响，如星地激光通信链路等。人们通过引入自适应光学技术来克服大气湍流的扰动。目前，对于星地链路而言，自适应光学系统主要位于地面端，主要用于接收支路的波前畸变校正，克服大气湍流影响，以提高接收激光的光束质量，最终达到提高下行通信质量的目的。对于星地双向激光通信来说，上行的出射激光在出射时激光的光学质量较好，无需自适应光学的校正，但是经过大气通道后，最终达到卫星等目标时光学质量却变得很差，而卫星等目标上没有自适应光学系统对其进行校正，导致通信质量较差。而在卫星等目标上安装自适应光学系统成本昂贵，技术复杂。因此，对于双向的大气激光通信链路，存在接收和发射激光均被大气湍流影响的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种在同一个终端同时校正接收激光和发射激光的自适应光学激光通信光学终端，可以在对接收激光进行波前校正的同时，对发射激光进行预畸变校正，最终达到同时提高双向激光通信质量的效果。
本发明提供了一种双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，包括望远镜、自适应光学系统、激光耦合系统和激光发射系统。
从目标传播过来的接收激光，沿着主光路传播，依次经过所述望远镜、所述自适应光学系统后，最终进入所述激光耦合系统；从所述激光发射系统发出的出射激光，进入主光路后依次经过所述自适应光学系统、所述望远镜后发出。
所述自适应光学系统包括波前校正器和波前探测器，所述波前校正器设置在主光路中，对经过主光路的激光进行波前校正。
优选地，还包括精跟踪系统，位于所述望远镜和所述自适应光学系统之间；所述精跟踪系统包括精跟踪倾斜镜和倾斜误差探测系统，所述精跟踪倾斜镜设置在主光路中，对经过主光路的激光进行倾斜误差的校正。
优选地，所述激光耦合系统可以是基于光纤终端或空间终端；对于光纤终端，包括耦合透镜和耦合光纤，所述耦合光纤可以是单模光纤或多模光纤；对于空间终端，包括耦合透镜和光电探测器；所述耦合光纤的光纤头或者所述光电探测器的靶面位于耦合透镜的焦点上。
优选地，所述激光发射系统可以是基于光纤的或者空间的；对基于光纤的激光发射系统，包括出射光纤和准直透镜，所述出射光纤可以是多模的或者单模的。
优选地，所述激光发射系统为信号激光发射系统或信标激光发射系统或同时包含信号激光发射系统和信标激光发射系统。
优选地，所述激光发射系统还包括一块瞄准镜，位于所述准直透镜之后，用于调整发射激光的指向。
优选地，所述的自适应光学系统还包括高精跟踪倾斜镜，所述高精跟踪倾斜镜设置在主光路中，利用所述波前探测器获得的倾斜误差来进行工作。
优选地，在所述自适应光学系统上游还有一个调试光源，用于调试自适应光学系统。
优选地，在所述波前探测器上游还有一个标定光源，用于标定波前探测器的零点位置。
优选地，所述波前校正器为反射型或者透射型，分块镜面变形镜或者连续镜面变形镜，包括压电陶瓷变形镜、双压电陶瓷变形镜、电致伸缩变形镜、音圈电机变形镜、微机械薄膜变形镜、磁致伸缩变形镜、静电驱动薄膜变形镜、液晶波前调制器之一；所述波前探测器为微棱镜阵列哈特曼波前传感器、微透镜阵列哈特曼波前传感器、四棱锥波前传感器、曲率传感器、激光远场探测器、四象限光电探测器、光电二极管之一。
与现有技术相比，本发明具有显著优点。把激光发射系统置于自适应光学之后，使得在没有额外增加软硬件的情况下，实现对收发激光的同时校正，不仅克服了大气湍流对接收激光的影响，还克服了大气湍流对发射激光的影响，免除在卫星等目标终端安置自适应光学系统的技术困难及昂贵成本。系统采用共孔径收发，提高了设备的利用效率，使得系统结构更加的紧凑，同时降低了成本。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端示意图；
图2是激光发射系统的一实施例结构示意图；
图3是根据本发明另一实施例的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端示意图；
图4是1550nm单模光纤的耦合效率在自适应光学系统校正前后随时间的变化情况；
图5是1550nm单模光纤的耦合效率在自适应光学系统校正前后的累积概率分布情况。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端的示意图，双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端包括望远镜100、精跟踪系统101、自适应光学系统102、激光耦合系统103和激光发射系统。其中，精跟踪系统101是可选的。本实施例中的激光发射系统包含信号发射系统104和信标发射系统105。
从目标传播过来的接收激光，经主光路传播，依次经过望远镜100、精跟踪系统101、自适应光学系统102后，最终进入激光耦合系统103。
从激光发射系统发出的出射激光，进入主光路后依次经过自适应光学系统102、精跟踪系统101及望远镜100后发出。
精跟踪系统101包括精跟踪倾斜镜1011和倾斜误差探测系统1012，精跟踪倾斜镜1011设置在主光路中，对经过主光路的激光进行倾斜误差的校正。
自适应光学系统102包括波前校正器1021和波前探测器1022，波前校正器1021设置在主光路中，对经过主光路的激光进行波前校正。可选地，自适应光学系统102还包括高精跟踪倾斜镜1023，设置在主光路中，利用波前探测器1022获得的倾斜误差来进行工作，以进一步提高跟踪校正的精度。本实施例中的自适应光学系统102包括了波前校正器1021，波前探测器1022和高精跟踪倾斜镜1023。
如图1所示，主光路中设置有望远镜100、精跟踪倾斜镜1011、第一分光镜2、第二分光镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、高精跟踪倾斜镜1023、波前校正器1021、第一离轴抛物面反射镜6、第二离轴抛物面反射镜7、第三分光镜8、第五分光镜10，通过这些光学元件的透射/反射作用，接收激光从望远镜100进入到激光耦合系统103，出射信号激光从信号发射系统104发出后，经过第五分光镜10反射后进入到主光路，最终从望远镜100发出；出射信标激光从信标发射系统105发出后，经过第四分光镜9的反射，透过第三分光镜8进入主光路，最后从望远镜100发出。需要指出的是，图1所示的主光路仅仅是示意性的，本领域技术人员可以想到利用平面反射镜、曲面反射镜、棱镜、透镜、分光镜、波片、滤光片、偏振片等光束控制元件来不同地设置主光路。
接收激光可以只含有接收信号激光或者只含有接收信标激光，或者接收信号激光和接收信标激光同时具备。本实施例选取两者同时具备，1550nm的接收信号激光经过望远镜100，被精跟踪倾斜镜1011、第一分光镜2、第二分光镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、高精跟踪倾斜镜1023、波前校正器1021、第一离轴抛物面反射镜6、第二离轴抛物面反射镜7、第三分光镜8反射，再经第五分光镜10透射后，进入激光耦合系统103中。808nm的接收信标激光从望远镜100进入后，沿着主光路传播，到达第一分光镜2时，10％的光功率透过分光镜2进入倾斜误差探测系统1012进行倾斜误差探测，其余90％继续沿着主光路传播，当到达第三分光镜8时，全部透过第三分光镜8，再透过第四分光镜9和透过第六分光镜11，进入波前探测器1022进行波前畸变的测量。
当接收激光中只含有接收信号激光时，第一分光镜2和第三分光镜8分别透过一部分接收信号激光，分别让倾斜误差探测系统1012和波前探测器1022进行倾斜误差和波前畸变的探测；当接收激光中只含有接收信标激光时，第一分光镜2和第三分光镜8分别透过一部分接收信标激光，分别让倾斜误差探测系统1012和波前探测器1022进行倾斜误差和波前畸变的探测；当接收激光中同时含有接收信号激光和接收信标激光时，第一分光镜2和第三分光镜8可以根据需要，或者透过一部分接收信标激光或者透过一部分接收信号激光，让倾斜误差探测系统1012和波前探测器1022分别进行倾斜误差和波前畸变的探测。
激光耦合系统103可以是基于光纤终端或空间终端；对于光纤终端，包括耦合透镜1031和耦合光纤1032，耦合光纤可以是单模光纤或多模光纤；对于空间终端，包括耦合透镜和光电探测器，如PIN探测器；耦合光纤1032的光纤头或者光电探测器的靶面位于耦合透镜1031的焦点上。
本实施例优选激光耦合系统103是基于1550nm单模光纤的，接收信号激光耦合进入1550nm单模光纤以后，进入接收光端机，进行接收信号的解调。
信号发射系统104或信标发射系统105可以是基于光纤的或者空间的；对基于光纤的信号发射系统104，包括第一出射光纤1041和第一准直透镜1042；对基于光纤的信标激光发射系统105，包括第二出射光纤1051和第二准直透镜1052；第一出射光纤1041或第二出射光纤1051可以是多模光纤或者单模光纤；对基于空间的信号发射系统104，空间激光经过第一准直透镜1042准直后，由第五分光镜10耦合进入主光路传输；对基于空间的信标发射系统105，空间激光经过第二准直透镜1052准直后，由第四分光镜9反射和第三分光镜8透射后进入主光路传输。
参阅图2，信号发射系统104还可以包括一块第一瞄准镜1043，位于第一准直透镜1042之后，用于调整信号发射激光的指向；信标发射系统105还可以包括一块第二瞄准镜1053，位于第二准直透镜1052之后，用于调整信标发射激光的指向。
本实施例选取的信号发射系统104是基于1530nm单模光纤进行发射，1530nm激光经第二准直透镜1042进行准直，然后经过第一瞄准镜1043反射后，经第五分光镜10耦合进入主光路中传播，最终从望远镜100发出。本实施例选取的信标发射系统105是基于830nm多模光纤进行发射，830nm激光经第二准直透镜1052进行准直，然后经过第二瞄准镜1053反射后，经第四分光镜9反射，再经第三分光镜8透射进入主光路中传播，最终从望远镜100发出。值得注意的是，第一出射光纤1041或第二出射光纤1051可以是单根或多根同时进行发射，以提高发射功率。
本实施例在自适应光学系统102与望远镜100之间，还有一个调试光源106，参阅图1，用于调试自适应光学系统102，本实施例的调试光源106通过第二分光镜3耦合进入主光路当中。调试光源106由第一光纤激光器1061和第三准直透镜1062组成，发射650nm的平行光，经过分光镜3后进入主光路，透过第三分光镜8最终进入波前探测器1022，用于调试自适应光学系统。
本实施例在波前探测器1022上游还有一个标定光源107，用于标定波前探测器的零点位置，本实施例的标定光源107由第二光纤激光器1071和第四准直透镜1072组成，发射808nm的平行光，经过第六分光镜11后进入波前探测器1022中。
值得指出的是，在本发明中，调试光源106和标定光源107均是可选的，可以没有，可以含有其中之一或者两者同时具备。
波前校正器1021可以为反射型或者透射型，可以为分块镜面变形镜或者连续镜面变形镜，具体地，可以是压电陶瓷变形镜，或双压电陶瓷变形镜，或电致伸缩变形镜，或音圈电机变形镜，或微机械薄膜变形镜，或磁致伸缩变形镜，或静电驱动薄膜变形镜，或液晶波前调制器。
波前探测器1022可以为微棱镜阵列哈特曼波前传感器，或微透镜阵列哈特曼波前传感器，或四棱锥波前传感器，或曲率传感器，或激光远场探测器，或四象限光电探测器，或光电二极管。当波前探测器1022采用微棱镜阵列哈特曼波前传感器，或微透镜阵列哈特曼波前传感器，或四棱锥波前传感器，或曲率传感器时，控制算法可采用模式法，直接斜率法等经典的自适应光学算法；当波前探测器1022采用激光远场探测器，或四象限光电探测器，或光电二极管时，控制算法可采用平行梯度下降算法等进行自适应光学的控制。
优选地，本实施例中的波前校正器1021选取连续面型反射式的压电陶瓷变形镜，波前探测器1022选取微透镜阵列哈特曼波前传感器。波前校正器1021具有137单元，波前探测器1022为哈特曼波前传感器，具有12行和12列的子口径阵列，自适应光学系统102的校正频率1700Hz。
望远镜100可以是反射式、折射式或者反射和折射混合式的。具体地，本实施例选择口径Φ600mm的反射式望远镜100。
精跟踪倾斜镜1011和波前校正器1021可以是压电陶瓷倾斜镜，或双压电陶瓷倾斜镜，或电致伸缩倾斜镜，或音圈电机倾斜镜，或微机械薄膜倾斜镜，或磁致伸缩倾斜镜，或静电驱动薄膜倾斜镜，或液晶空间光调制器。优选地，选择压电陶瓷倾斜镜。
倾斜误差探测系统1012由第五准直透镜10122和探测器10121组成，探测器10121可以是CCD相机，或CMOS相机，或四象限探测器或光电二极管。优选地，选择CCD相机或者CMOS相机。
值得注意的是，激光发射系统可以只含有信号发射系统104或者只含有信标发射系统105或者两者兼而有之。当激光发射系统只含有信号发射系统104或信标发射系统105时，其出射激光进入主光路的位置间于波前校正器1021与激光耦合系统103之间的主光路上。当激光发射系统同时含有信号发射系统104和信标发射系统105时，出射信号激光和出射信标激光进入主光路的位置可以分为三种情况：第一，两者均间于波前校正器1021与激光耦合系统103之间的主光路上，此时信号发射系统104和信标发射系统105的位置是可以互换的，图1便属于这种情形，信号发射激光和信标发射激光均被自适应光学系统102进行预畸变校正；第二，出射信号激光进入主光路的位置间于波前校正器1021与激光耦合系统103之间的主光路上，出射信标激光进入主光路的位置间于波前校正器1021与望远镜100之间的主光路上，图3便属于这种情形，信号发射激光会被自适应光学系统102进行预畸变校正；第三，出射信标激光进入主光路的位置间于波前校正器1021与激光耦合系统103之间的主光路上，出射信号激光进入主光路的位置间于波前校正器1021与望远镜100之间的主光路上，信标发射激光会被自适应光学系统102进行预畸变校正。
以下，将描述如图1所构成的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端的工作过程。
当建立通信链路以后，终端接收到808nm的信标激光和1550nm的信号激光。精跟踪系统101开始工作，倾斜误差探测系统1012持续探测808nm的信标光，获得大气链路的倾斜误差信息，然后驱动精跟踪倾斜镜1011持续工作。
接着，自适应光学系统102开始工作，透镜阵列哈特曼波前传感器1022不断接收到808nm的信标光，探测到此时大气链路中的波前畸变，同时驱动高精跟踪倾斜镜1023和波前校正器1021进行工作。这样接收的信号激光和信标激光的倾斜误差和波前畸变均被校正，获得良好的光学质量，经校正后的信号激光进入激光耦合系统103，耦合进入单模光纤1032后进入接收光端机，进行信号解调。图4(图4纵轴的“Coupling Efficiency”表示耦合效率，横轴的“Time(Seconds)”表示采样时间(单位：秒)，“Without AO”表示没有经过自适应光学校正，“With AO”表示经过自适应光学校正，“Sampling Efficiency＝200KHz”表示采样频率为200KHz)给出了本实施例提供的激光通信终端在大气湍流强度R0＝9cm的情况下，耦合效率随着时间的变化情况，采样频率200KHz。在没有自适应光学系统102校正的情况下，单模光纤的平均耦合效率仅为6.5％，而在自适应光学系统102的校正的情况下，平均耦合效率为35％。图5给出了耦合效率的累积概率分布(图5纵轴的“Cumulative DistributionFunction”表示耦合效率，横轴的“Coupling Efficiency”表示耦合效率)，经自适应光学系统102校正后，单模光纤耦合效率低于25％的概率只有万分之一，或者说有99.99％的概率，耦合效率都是大于25％的。
在接收激光在被接收的同时，信号发射系统104发射1530nm的激光，信标发射系统105发射830nm的激光，同时进入主光路当中，当它们被波前校正器1021反射时，信标发射激光和信号发射激光同时被施加一个波前畸变，这个波前畸变正好与此时链路中大气的波前畸变共轭；当它们再被高精跟踪倾斜镜1023和精跟踪倾斜镜1011反射以后，又在波前上叠加了一个倾斜抖动，这个倾斜抖动与此时链路中大气的倾斜抖动共轭；当带着预畸变和预倾斜抖动的信标发射激光和信号发射激光从望远镜100发出以后，与链路中的大气产生作用，当其到达目标时，获得了一个良好的光学质量，为上行捕获、跟踪以及激光通信奠定了坚实的基础。
至此，实现了共孔径收发的双向自适应光学校正的激光通信系统的功能。
需要指出，提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，包括望远镜、自适应光学系统、激光耦合系统和激光发射系统；
从目标传播过来的接收激光，沿着主光路传播，依次经过所述望远镜、所述自适应光学系统后，最终进入所述激光耦合系统；从所述激光发射系统发出的出射激光，进入主光路后依次经过所述自适应光学系统、所述望远镜后发出；
所述自适应光学系统，包括波前校正器和波前探测器，所述波前校正器设置在主光路中，对经过主光路的激光进行波前校正。
2.根据权利要求1所述的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：还包括精跟踪系统，位于所述望远镜和所述自适应光学系统之间；所述精跟踪系统包括精跟踪倾斜镜和倾斜误差探测系统，所述精跟踪倾斜镜设置在主光路中，对经过主光路的激光进行倾斜误差的校正。
3.根据权利要求1所述的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述激光耦合系统可以是基于光纤终端或空间终端；对于光纤终端，包括耦合透镜和耦合光纤，所述耦合光纤可以是单模光纤或多模光纤；对于空间终端，包括耦合透镜和光电探测器；所述耦合光纤的光纤头或者所述光电探测器的靶面位于耦合透镜的焦点上。
4.根据权利要求1所述的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述激光发射系统可以是基于光纤的或者空间的；对基于光纤的激光发射系统，包括出射光纤和准直透镜，所述出射光纤可以是多模的或者单模的。
5.根据权利要求1或4所述的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述激光发射系统为信号激光发射系统或信标激光发射系统或同时包含信号激光发射系统和信标激光发射系统。
6.根据权利要求1所述的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述激光发射系统还包括一块瞄准镜，位于所述准直透镜之后，用于调整发射激光的指向。
7.根据权利要求1所述的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述的自适应光学系统还包括高精跟踪倾斜镜，所述高精跟踪倾斜镜设置在主光路中，利用所述波前探测器获得的倾斜误差来进行工作。
8.根据权利要求1所述的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：在所述自适应光学系统上游还有一个调试光源，用于调试自适应光学系统。
9.根据权利要求1所述的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：在所述波前探测器上游还有一个标定光源，用于标定波前探测器的零点位置。
10.根据权利要求1所述的双向校正共孔径收发的自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述波前校正器为反射型或者透射型，分块镜面变形镜或者连续镜面变形镜，包括压电陶瓷变形镜、双压电陶瓷变形镜、电致伸缩变形镜、音圈电机变形镜、微机械薄膜变形镜、磁致伸缩变形镜、静电驱动薄膜变形镜、液晶波前调制器之一；所述波前探测器为微棱镜阵列哈特曼波前传感器、微透镜阵列哈特曼波前传感器、四棱锥波前传感器、曲率传感器、激光远场探测器、四象限光电探测器、光电二极管之一。
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