CN109728855B - 双向同频段自适应光学激光通信光学终端 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双向同频段自适应光学激光通信光学终端，该终端包括接收望远镜系统(100)，负责对通信目标发射的信号光进行接收和缩束；自适应光学系统(102)，负责对接收主光路中的信号光进行波前畸变的校正；信号光接收系统(103)，负责收集接收主光路中的信号光；通信发射系统(104)，负责接收发射光端机信号，形成空间信号光并向通信目标进行发射。相对于现有技术，本发明可实现双向同频段激光通信，能够很好地隔离大气回波造成的干扰，并具有主动克服大气湍流影响的能力，使通信质量大幅提升，增进了其在使用中的有效性。
Description
技术领域
本发明属于激光通信技术领域，具体地是一种空间激光通信的终端系统，特别是涉及一种双向同频段自适应光学激光通信光学终端。
背景技术
信息获取正向高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和多传感器复合侦察等方向发展，各类节点之间信息交互的数据量将越来越大。另一方面，随着态势感知能力和人工智能水平的不断发展，信息的获取和传输已经发展为陆、海、空、天的立体空间模式，形成了远、中、近程，监视、侦察、探测等多层面、多梯次搭配的空间通信网络体系。激光通信具有通信速率高，抗电磁干扰，保密性强，终端体积、重量和功耗低等优点，有望突破现有射频通信速率低的瓶颈，满足宽带、高速、安全、灵活的空天一体化网络构建的需求。
当前激光通信终端的设计大都针对点对点通信，采用频分双工技术，即进行通信的两个终端选用不同波长的激光器和探测器，然而这种设计无法满足多点组网中两两节点间的互操作性需求，在构建空间激光通信立体网络时存在物理障碍。相关工作可以参见论文“航空激光通信系统的特性分析及机载激光通信实验.中国激光,2016(12):p.215-226.”和“Design of an inertially stabilized telescope for the LLCD.In Conference onFree-Space Laser Communication Technologies XXIII,2011:p.79230-79238.”。因此，同频收发的激光通信终端技术研究越来越受到关注。然而，目前提出的同频收发激光通信终端大都基于收发共孔径的偏振分双工体制，相关工作可以参见中国专利公开号“CN107919912A”以及Tesat-Spaceeom,Backnang(德国)公司LCT系列激光通信终端。该结构可以实现接收光和发射光的高隔离度，但对同频发射信号光大气漫反射回光很难实现有效隔离。此外，对于灵活的空天一体化网络，激光通信终端需具备高精度的跟瞄以及实时的大气湍流补偿作为通信稳定性和有效性的保障。
存在的问题：目前的同频系统不能回避大气漫反射回光的问题，同时不具备克服大气湍流扰动的能力。
发明内容
本发明的目的在于基于视场隔离技术提供一种双向同频段自适应光学激光通信光学终端，解决现有技术存在的接收信号光受同频发射信号光大气回光影响问题，结合自适应光学系统进一步降低大气信道对通信系统的影响，从而提高通信质量。
本发明解决技术问题采用的技术方案是：
双向同频段自适应光学激光通信光学终端，该终端包括接收望远镜系统，负责对通信目标发射的信号光进行接收和缩束；自适应光学系统，包括波前校正器和波前探测器，负责对接收主光路中的信号光进行波前畸变的校正；信号光接收系统，负责收集接收主光路中的信号光；通信发射系统，负责接收发射光端机信号，形成空间信号光并向通信目标进行发射；
通信光接收过程为：
接收信号光通过接收望远镜系统缩束后，再经过自适应光学系统后进入信号光接收系统，最终，信号光接收系统将接收信号传递给接收光端机完成信号接收过程；
通信光发射过程为：
通信发射系统接收发射光端机信号并形成空间信号光向通信目标发射，其中，发射信号光频段与信号光接收系统中接收信号光频段相同。
优选地，所述接收望远镜系统和通信发射系统的发射望远镜系统同机架，或者不同机架，接收望远镜系统和发射望远镜系统出瞳中心距离相隔为D，且D≥Φ接收/2+Φ发射/2+H×(θ1+θ2)，其中，Φ接收和Φ发射分别为接收望远镜系统和发射望远镜系统的等效口径，H为大气覆盖的链路长度，θ1和θ2分别为发射光束发散角半角和接收望远镜视场角半角。
优选地，所述通信发射系统还包括一块瞄准镜，设置在发射主光路中，用于调整发射信号光的指向。
优选地，所述通信发射系统还包括指向探测系统，用于探测发射信号光的指向。
优选地，所述信号光发射系统可以是基于光纤的或者空间的。
优选地，所述基于光纤的信号光发射系统，可以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，所述信号光发射系统出射的光可以是准直光和非准直光。
优选地，所述双向同频段自适应光学激光通信光学终端还可包括跟踪系统，设置在接收主光路中，位置位于接收望远镜系统和自适应光学系统之间，负责对接收主光路中的激光进行倾斜误差的校正；所述跟踪系统由精跟踪倾斜镜与倾斜误差探测系统组成。
优选地，所述波前校正器用于校正信号光波前畸变，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，或液晶波前校正器之一。
优选地，所述波前探测器用于探测信号光波前相位信息，可以是微棱镜阵列哈特曼波前探测器，或微透镜阵列哈特曼波前探测器，或四棱锥波前探测器，或曲率传感器等波前探测器之一，也可以是激光远场探测器，或四象限光电探测器，或光电二极管等探测器之一。
优选地，所述自适应光学系统还可包括高精跟踪倾斜镜，设置在接收主光路中，对接收主光路中的激光进行倾斜误差的校正。
优选地，所述信号光接收系统可以是基于空间终端或者光纤终端。
优选地，所述基于光纤终端的信号光接收系统中的耦合光纤的光纤头位置可以主动实现微位移，以适应光斑中心的微抖动。
与现有技术相比，本发明具有显著优点。本发明采用将接收望远镜系统和发射望远镜系统相隔一定距离实现发射光与接收光视场隔离，避免了发射信号光的大气回光对接收信号光的影响，从而解决了地面站的双向同频段激光通信面临的回光干扰。本发明提出的双向同频段自适应光学激光通信光学终端还具有主动克服大气湍流影响的能力，使通信质量大幅提升，增进了其在使用中的有效性，为构建宽带、高速、安全、灵活的空天一体化激光通信网络提供物理支撑，本发明技术在科研、国防和民用等领域都具有重要意义。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的一种双向同频段自适应光学激光通信光学终端的示意图；
图2是一种具有瞄准镜1042的通信发射系统104实施例结构示意图；
图3是一种具有指向探测系统1044的通信发射系统104实施例结构示意图；
图4是根据本发明实施例中接收望远镜系统100和发射望远镜系统1043采用视场隔离避免大气回光对通信干扰的方案示意图。
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。
下面结合附图及实施方式详细介绍发明。
根据发明说明书提供的一种双向同频段自适应光学激光通信光学终端包括接收望远镜系统100、自适应光学系统102、信号光接收系统103以及通信发射系统104，可选地，双向同频段自适应光学激光通信光学终端还包括跟踪系统101，设置在接收主光路中，放置在接收望远镜系统100和自适应光学系统102之间。如图1所示，本实施例中的双向同频段自适应光学激光通信光学终端包括接收望远镜系统100、跟踪系统101、自适应光学系统102、信号光接收系统103以及通信发射系统104，由图中虚线框所示，通信目标为地球同步轨道卫星。
从通信目标传播过来的信号光经接收主光路传播，依次经过接收望远镜系统100、跟踪系统101、自适应光学系统102后，进入信号光接收系统103，最终，信号光接收系统103将接收信号传递给接收光端机完成信号接收过程。
本实施例中，通信发射系统104中，信号光发射系统1041接收发射光端机信号形成空间信号光通过发射望远镜系统1043向通信目标发射完成信号发射过程；其中，发射信号光的频段与信号光接收系统103中接收信号光频段相同。可选地，所述通信发射系统104还包括一块瞄准镜1042，设置在发射主光路中，如图2所示，用于调整发射信号光的指向。可选地，所述通信发射系统104还包括指向探测系统1044，用于探测发射信号光的指向，如图3所示，指向探测系统1044包括反射光学元件10441、分光镜10442、聚焦透镜10443和相机10444；由于接收信号光发散效应，发射望远镜系统1043也可以接收到通信目标发射的信号光，接收信号光被分光镜10442反射，经过聚焦透镜10443聚焦后被相机10444探测，根据探测光斑位置进行接收信号光的光轴方向计算，从而实现准确探测接收信号光的方向；另一方面，发射信号光被分光镜10442反射的部分光能量将被反射光学元件10441沿原路返回，再被分光镜10442透射，经过聚焦透镜10443聚焦后被相机10444探测，根据探测光斑位置进行发射信号光的光轴方向计算，从而实现准确探测发射信号光的指向；可选地，反射光学元件10441和分光镜10442之间还可以放置一块衰减片，来降低相机10444探测的发射信号光斑能量；为避免发射信号光的大气回光对接收信号光生成光斑的影响，进行接收信号光的方向探测时不发射信号光，接收信号光的方向探测完成后再发射信号光，并进行发射信号光的指向测量。
如果通信目标是地球同步轨道卫星，则接收信号光的方向就是发射信号光的指向，即发射信号光与接收信号光同轴；如果通信目标不是地球同步轨道卫星，则发射信号光的光轴在通信目标运动轨道上较接收信号光的光轴多一个提前角2v/c，其中v是通信目标的移动速度，c为光在真空中传输的速度。本实施例中的双向同频段自适应光学激光通信光学终端通信目标为地球同步轨道卫星，所以发射信号光与接收信号光同轴。
接收望远镜系统100负责对通信目标发射的信号光进行接收和缩束，望远镜类型包括透射式望远镜、反射式望远镜、透射反射混合式望远镜之一，本实施例中采用的是反射式望远镜。
跟踪系统101设置在接收主光路中，位置位于接收望远镜系统100和自适应光学系统102之间，负责对接收主光路中的激光进行倾斜误差的校正；所述跟踪系统101由精跟踪倾斜镜1011与倾斜误差探测系统1012组成，倾斜误差探测系统1012负责探测倾斜误差，精跟踪倾斜镜1011设置在接收主光路中，负责对经过接收主光路的激光进行倾斜误差的校正。
自适应光学系统102负责对信号光进行信号光波前畸变校正，包括波前校正器1022和波前探测器1023，波前探测器1023负责探测接收信号光的波前信号，波前校正器1022设置在接收主光路中，负责对经过接收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1021，设置在接收主光路中，负责对经过接收主光路的激光进行倾斜误差的校正。本实施例中的自适应光学系统102包括了高精跟踪倾斜镜1021，波前校正器1022和波前探测器1023。
如图1所示，接收主光路中设置有接收望远镜系统100、精跟踪倾斜镜1011、分光镜1、高精跟踪倾斜镜1021、波前校正器1022、离轴抛物面反射镜2、离轴抛物面反射镜3、分光镜4，通过这些光学元件的透射/反射作用，接收信号光从接收望远镜系统100进入到信号光接收系统103；发射主光路中设置有信号光发射系统1041和发射望远镜系统1043。需要指出的是，图1所示的接收主光路和发射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、玻片、滤光片、偏振片等光束控制元件来不同地设置接收主光路和发射主光路。
本实施例选取1550nm作为通信波长，接收信号光依次经过接收望远镜系统100、精跟踪倾斜镜1011、分光镜1、高精跟踪倾斜镜1021、波前校正器1022、离轴抛物面反射镜2、离轴抛物面反射镜3、分光镜4，通过这些光学元件的透射/反射作用，接收信号光从接收望远镜系统100进入到信号光接收系统103中。接收望远镜系统100口径为Φ600mm，接收全视场50μrad，缩束16.67倍。分光镜1的透反比为2:98，透过的2％光功率用于倾斜误差探测系统1012进行倾斜误差探测，反射的98％光功率继续沿接收主光路传输。离轴抛物面反射镜2和离轴抛物面反射镜3构成缩束系统，缩束10倍。分光镜4的透反比为10:90，透过的10％光功率用于波前探测器1023对信号光波前进行探测，反射的90％光功率进入信号光接收系统103。
信号光接收系统103负责收集接收主光路中的信号光，可以是基于空间终端或者光纤终端；对于基于光纤终端的信号光接收系统103，包括耦合透镜1031和耦合光纤1032，耦合光纤1032可以是1550nm单模光纤或1550nm多模光纤，优选地，所述耦合光纤1032光纤头的位置是可以主动实现微位移，以适应光斑中心的微抖动；对于基于空间终端的信号光接收系统103，包括耦合透镜1031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。
本实施例优选信号光接收系统103是基于1550nm单模光纤的空间耦合光纤接收，接收信号激光耦合进入1550nm单模光纤1032以后，进入接收光端机，进行接收信号的解调。可选地，所述1550nm单模光纤的光纤头由两个相互垂直的压电陶瓷驱动器连接，通过对耦合进入单模光纤的光功率进行检测，驱动驱动器实现光纤头的移动，以适应光斑中心的微小高频抖动。
通信发射系统104负责接收发射光端机信号，形成空间信号光并向通信目标进行发射，包括信号光发射系统1041和发射望远镜系统1043；信号光发射系统1041可以是基于光纤的或者空间的，所述基于光纤的信号光发射系统1041，可以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，所述信号光发射系统1041出射的光可以是准直光和非准直光。
优选地，所述发射望远镜系统1043的望远镜类型包括透射式望远镜、反射式望远镜、透射反射混合式望远镜之一。
本实施例选取的信号光发射系统1041是基于1550nm单模光纤进行发射，功率5W的发射信号光通过1550nm单模出射光纤和准直透镜后形成直径Φ20mm的准直激光。发射望远镜系统1043为口径Φ100mm，扩束5倍的折射式望远镜。发射信号光经发射望远镜系统1043扩束为直径100mm、发散角20μrad的光束向通信目标发射。值得注意的是，出射光纤可以是单根，也可以是多根同时进行发射，以提高发射功率。
精跟踪倾斜镜1011和高精跟踪倾斜镜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，本实施例选择压电陶瓷倾斜镜。
倾斜误差探测系统1012由准直透镜10121和探测器10122组成，探测器10122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，本实施例选择CCD相机。
波前校正器1022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，或液晶波前校正器。
波前探测器1023可以为微棱镜阵列哈特曼波前探测器，或微透镜阵列哈特曼波前探测器，或四棱锥波前探测器，或曲率传感器等波前探测器之一，也可以是激光远场探测器，或四象限光电探测器，或光电二极管等探测器之一。当波前探测器1023采用微棱镜阵列哈特曼波前探测器，或微透镜阵列哈特曼波前探测器，或四棱锥波前探测器，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1023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1022选取连续面型反射式的压电陶瓷变形镜，波前探测器1023选取微透镜阵列哈特曼波前探测器，直接斜率法作为控制算法。压电陶瓷变形镜具有137单元，哈特曼波前探测器具有12行和12列的子口径阵列，自适应光学系统102的校正频率为1700Hz。
接收望远镜系统100与发射望远镜系统1043可以同一个机架或者不同机架。优选地，本实施例中的接收望远镜系统100与发射望远镜系统1043被安装在同一个机架上，通过公式D≥Φ接收/2+Φ发射/2+H×(θ1+θ2)计算出实施例中接收望远镜系统100与发射望远镜系统1043出瞳中心距离相隔D≥0.945，如图4所示，优选地，本实施例中接收望远镜系统100与发射望远镜系统1043出瞳中心距离相隔D＝0.95m。
以下，将描述如上构成的双向同频段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，接收望远镜系统100接收到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1550nm的信号光的倾斜误差，精跟踪倾斜镜1011持续对经过接收主光路的激光进行倾斜误差的校正。
接着，自适应光学系统102开始工作，透镜阵列哈特曼波前探测器1023不断接收到1550nm的信号光，探测到此时大气链路中的波前畸变，高精跟踪倾斜镜1021和波前校正器1022分别持续对经过接收主光路的激光进行倾斜误差校正和波前校正。这样接收的信号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信号光接收系统103，耦合进入单模光纤1032后进入接收光端机，进行信号解调。
在接收信号光在被接收的同时，信号光发射系统1041发射1550nm的激光，沿发射主光路传播，通过发射望远镜系统1043向通信目标发射。通过视场隔离，系统避免了同波段发射信号光的大气回光对接收系统的影响。
另一个实施例，该实施例与前一实施例各部分均相同，除了通信发射系统104还包括瞄准镜1042，可选地，通信发射系统104还包括指向探测系统1044。瞄准镜1042为压电陶瓷倾斜镜，设置在发射主光路中，如图2所示，用于调整发射信号光的指向，以实现发射激光的提前角功能。指向探测系统1044间于瞄准镜1042与发射望远镜系统1043之间，用于探测发射信号光的指向，如图3所示。指向探测系统1044包括一个反射光学元件10441，分光镜10442和聚焦透镜10443以及相机10444。这里选择反射光学元件10441为角反射镜。发射激光的小部分功率，经过分光镜10442和反射光学元件10441的反射后，透过分光镜10442进入相机10444。指向探测系统1044探测的信息可以用于控制瞄准镜1042。
至此，实现了双向同频段自适应光学激光通信光学终端的功能。
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 (9)
1.双向同频段自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：该终端包括：
接收望远镜系统（100），负责对通信目标发射的信号光进行接收和缩束；
自适应光学系统（102），包括波前校正器（1022）和波前探测器（1023），负责对接收主光路中的信号光进行波前畸变的校正；
信号光接收系统（103），负责收集接收主光路中的信号光；
通信发射系统（104），负责接收发射光端机信号，形成空间信号光并向通信目标进行发射；
通信光接收过程为：
接收信号光通过接收望远镜系统（100）缩束后，再经过自适应光学系统（102）后进入信号光接收系统（103），最终，信号光接收系统（103）将接收信号传递给接收光端机完成信号接收过程；
通信光发射过程为：
通信发射系统（104）接收发射光端机信号并形成空间信号光向通信目标发射，其中，发射信号光频段与信号光接收系统（103）中接收信号光频段相同；
所述接收望远镜系统（100）和通信发射系统（104）的发射望远镜系统（1043）同机架，或者不同机架，接收望远镜系统（100）和发射望远镜系统（1043）出瞳中心距离相隔为D，且D≥Φ接收/2+Φ发射/2+H×(θ 1+θ 2)，其中，Φ接收和Φ发射分别为接收望远镜系统（100）和发射望远镜系统（1043）的等效口径，H为大气覆盖的链路长度，θ 1和θ 2分别为发射光束发散角半角和接收望远镜系统（100）视场角半角。
2.根据权利要求1所述的双向同频段自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述通信发射系统（104）还包括一块瞄准镜（1042），设置在发射主光路中，用于调整发射信号光的指向。
3.根据权利要求1所述的双向同频段自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述通信发射系统（104）还包括指向探测系统（1044），用于探测发射信号光的指向。
4.根据权利要求1所述的双向同频段自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述双向同频段自适应光学激光通信光学终端还可包括跟踪系统（101），设置在接收主光路中，位置位于接收望远镜系统（100）和自适应光学系统（102）之间，负责对接收主光路中的激光进行倾斜误差的校正；所述跟踪系统（101）由精跟踪倾斜镜（1011）与倾斜误差探测系统（1012）组成。
5.根据权利要求1所述的双向同频段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（1022）用于校正信号光波前畸变，为反射型或者透射型，为分块镜面变形镜或者连续镜面变形镜，具体地，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，或液晶波前校正器之一。
6.根据权利要求1所述的双向同频段自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述波前探测器（1023）用于探测信号光波前相位信息，可以是微棱镜阵列哈特曼波前探测器，或微透镜阵列哈特曼波前探测器，或四棱锥波前探测器，或曲率传感器等波前探测器之一，也可以是激光远场探测器，或四象限光电探测器，或光电二极管等探测器之一。
7.根据权利要求1所述的双向同频段自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述自适应光学系统（102）还可包括高精跟踪倾斜镜（1021），设置在接收主光路中，对接收主光路中的激光进行倾斜误差的校正。
8.根据权利要求1所述的双向同频段自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述信号光接收系统（103）可以是基于空间终端或者光纤终端。
9.根据权利要求8所述的双向同频段自适应光学激光通信光学终端，其特征在于：所述基于光纤终端的信号光接收系统（103）中的耦合光纤（1032）的光纤头位置可以主动实现微位移，以适应光斑中心的微抖动。
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