CN110365409B - 一种车载紧凑型激光通信一体化光学基台 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光通信机械工程技术领域，具体涉及一种车载紧凑型激光通信一体化光学基台；是一种采用道威棱镜将光路折转，并集通信接收光学系统、通信发射光学系统、信标发射光学系统、信标观察光学系统、信标跟踪光学系统于一体的紧凑型激光通信一体化光学基台，减轻了激光通信终端的体积与重量。

Description

一种车载紧凑型激光通信一体化光学基台
技术领域
本发明属于激光通信机械工程技术领域，具体涉及一种车载紧凑型激光通信一体化光学基台。
背景技术
近几十年来，空间激光通信技术作为一种新型的通信技术，其应用领域已经从航天领域拓展到航空和海上及地面，为了进行复杂环境下的高速通信，例如受地震、泥石流等自然灾害而通信被阻断的山区，或是可方便移动进行现场直播的新闻车等。
其中车载无线激光通信系统的需求日益增加，由于激光通信系统通信速率高、抗电磁干扰能力强、十分适合进行中短距离的高速保密通信。激光通信对通信的空间是有要求的，其不可以被遮挡，光一旦遮挡就无法传输，由于实际通信环境中可能出现复杂的植被分布以及地形地貌，较难保证激光通信链路的通视条件，所以通常将激光通信端机与车载桅杆系统配合使用。在车上竖起来一根很高的桅杆，将光端机拉高，存在的问题就是光端机在高处会受到风扰，加上把它抬得越高，桅杆还会出现不稳，微微的晃动等，所以激光通信端机体积越小，重量越小，越会减少这些不良的影响。
因此为了提高激光通信光端机的通信质量、降低桅杆系统与激光通信终端总的迎风面积、减少桅杆与激光通信终端的侧向风压、提高桅杆系统整体的稳定性，需要降低激光通信终端的体积与重量。而保证整体光学系统热稳定性的光学基台作为激光通信终端的核心组件，其承载着整个光学系统，并且承担着光学系统与转台的连接与支撑，其一体化设计对减小激光通信终端的体积与重量，起到了决定意义的作用。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种车载紧凑型激光通信一体化光学基台，是一种采用道威棱镜将光路折转，并集通信接收光学系统、通信发射光学系统、信标发射光学系统、信标观察光学系统、信标跟踪光学系统于一体的紧凑型激光通信一体化光学基台，减轻了激光通信终端的体积与重量。
本发明采用的方案为：
一种车载紧凑型激光通信一体化光学基台，包括通信接收光学系统1、信标跟踪光学系统2、信标发射光学系统4、信标观察光学系统5、信标观察模拟相机9、CCD相机10、APD探测器12和通信发射光学系统14，还包括道威棱镜组13；
其中所述的通信接收光学系统1包括通信接收镜筒11、透镜一1104、透镜二1105、透镜三1106、透镜四1107、透镜五1108、透镜六1109、窄带滤光片1110、螺纹压圈一1111、螺纹压圈二1112、隔圈一1113、隔圈四1114、隔圈二1115和隔圈三1116；其中通信接收镜筒11为一体件，分为柱状筒体1101、方形筒体1102和桶底1103，其中柱状筒体1101和方形筒体1102均位于桶底1103上方，且方形筒体1102位于柱状筒体1101后方，方形筒体1102的一个外侧面为探测器连接面111，方形筒体1102的顶端设有第一侧板，第一侧板的顶面为相机连接面112，方形筒体1102上探测器连接面111的对面设有第二侧板，第二侧板的顶面为观察模拟相机连接面114，方形筒体1102后端的端面为道威棱镜组连接面117，道威棱镜组连接面117上设有孔1171，桶底1103的底面为通信发射连接面118，方形筒体1102前方的柱状筒体1101上沿着柱状筒体1101的周向延伸出信标跟踪连接面113、信标发射连接面115、信标观察连接面116和用于与伺服转台内框架螺栓连接的伺服转台内框架连接面119，信标跟踪连接面113、信标发射连接面115和信标观察连接面116上分别设有通孔；透镜一1104、透镜二1105、透镜三1106依次布置在通信接收镜筒11的柱状筒体1101前方内部，且均与通信接收镜筒11的柱状筒体1101孔轴配合连接，透镜三1106与透镜二1105之间、透镜二1105与透镜一1104之间均设有隔圈，隔圈与通信接收镜筒11的柱状筒体1101孔轴配合连接，螺纹压圈螺纹连接在透镜三1106外侧的通信接收镜筒11的柱状筒体1101上；
调整APD探测器12螺栓连接在通信接收光学系统1的探测器连接面111上，CCD相机10螺栓连接在通信接收光学系统1的相机连接面112上，且在CCD相机10与相机连接面112之间设有CCD相机垫片15，信标跟踪光学系统2穿过信标跟踪连接面113上的通孔与CCD相机10上的镜筒孔轴配合连接，并螺栓连接在信标跟踪连接面113上，且在信标跟踪光学系统2与信标跟踪连接面113之间设有信标跟踪系统垫片3；
信标观察模拟相机9螺栓连接在通信接收光学系统1的观察模拟相机连接面114上，且在信标观察模拟相机9与观察模拟相机连接面114之间设有信标观察模拟相机垫片8，
信标观察光学系统5穿过信标观察连接面116上的通孔与信标观察模拟相机9的镜筒孔轴配合连接，并螺栓连接在信标观察连接面116上，且在信标观察光学系统5与信标观察连接面116之间设有信标观察系统垫片6；
信标发射光学系统4穿过信标发射连接面115上的通孔并螺栓连接在信标发射连接面115上，且在信标发射光学系统4与信标发射连接面115之间设有信标发射系统垫片7；
道威棱镜组13螺栓连接在通信接收光学系统1的道威棱镜组连接面117上，通信发射光学系统14螺栓连接在通信接收光学系统1的通信发射连接面118上。
所述的道威棱镜组13包括镜座131、保护罩132和道威棱镜133，其中镜座131包括长方形本体1301、粗定位连接板134和后连接板1302，其中粗定位连接板134和后连接板1302分别设置在长方形本体1301相对的两个面上，长方形本体1301的上下两端均设有一通孔1303，后连接板1302上设有圆柱凸台135，圆柱凸台135上设有一通孔，该通孔与长方形本体1301上端的通孔1303相连通，保护罩132位于粗定位连接板134外侧并固定在长方形本体1301上，道威棱镜133固定在粗定位连接板134上，同时也位于保护罩132内，且道威棱镜133与长方形本体1301上的道威棱镜连接面1311贴合；
长方形本体1301上端的通孔1303内依次设置有窄带滤光片1110、隔圈四1114、透镜四1107和隔圈一1113，螺纹压圈二1112一端穿过圆柱凸台135上的通孔与隔圈一1113接触，将其压紧，并螺纹连接在圆柱凸台135的通孔内，螺纹压圈二1112的另一端位于通信接收镜筒11的方形筒体1102内部；
长方形本体1301下端的通孔1303内依次设置有隔圈二1115、透镜五1108、隔圈三1116、透镜六1109和螺纹压圈一1111，其中螺纹压圈一1111螺纹连接在长方形本体1301下端的通孔1303内；
道威棱镜组13通过圆柱凸台135孔轴配合连接在孔1171内，且道威棱镜组13还通过后连接板1302螺栓连接在道威棱镜组连接面117上。
所述的粗定位连接板134上设有注胶孔1312，通过向注胶孔1312内注胶，将道威棱镜133粘贴在粗定位连接板134上。
本发明的有益效果：
通信接收光学系统因为其光学传播路径过长导致整体结构轴向长度过长，会使整体光学基台过大，本发明选取道威棱镜将光路折转，减小光学基台的体积，进而就能减小光端机的体积与重量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的通信接收镜筒结构示意图。
图3为本发明的通信接收镜筒结构示意图。
图4为本发明的结构示意图。
图5为本发明道威棱镜组的镜座结构示意图。
图6为本发明道威棱镜组的镜座结构示意图。
图7为本发明道的威棱镜组结构示意图。
其中：1通信接收光学系统、11通信接收镜筒、1101柱状筒体、1102方形筒体、1103桶底、1104透镜一、1105透镜二、1106透镜三、1107透镜四、1108透镜五、1109透镜六、1110窄带滤光片、1111螺纹压圈一、1112螺纹压圈二、1113隔圈一、1114隔圈四、1115隔圈二、1116隔圈三、111探测器连接面、112相机连接面、113信标跟踪连接面、114观察模拟相机连接面、115信标发射连接面、116信标观察连接面、117道威棱镜组连接面、1171孔、118通信发射连接面、119伺服转台内框架连接面、2信标跟踪光学系统、3信标跟踪系统垫片、4信标发射光学系统、5信标观察光学系统、6信标观察系统垫片、7信标发射系统垫片、8信标观察模拟相机垫片、9信标观察模拟相机、10CCD相机、12APD探测器、13道威棱镜组、131镜座、1301长方形本体、1302后连接板、1303通孔、1311道威棱镜连接面、1312注胶孔、132保护罩、133道威棱镜、134粗定位连接板、135圆柱凸台、14通信发射光学系统，15CCD相机垫片、A入口、B出口。
具体实施方式
如图1所示，一种车载紧凑型激光通信一体化光学基台，包括通信接收光学系统1、信标跟踪光学系统2、信标发射光学系统4、信标观察光学系统5、信标观察模拟相机9、CCD相机10、APD探测器12和通信发射光学系统14，还包括道威棱镜组13；
其中所述的通信接收光学系统1包括通信接收镜筒11、透镜一1104、透镜二1105、透镜三1106、透镜四1107、透镜五1108、透镜六1109、窄带滤光片1110、螺纹压圈一1111、螺纹压圈二1112、隔圈一1113、隔圈四1114、隔圈二1115和隔圈三1116；
如图2和图3所示，其中通信接收镜筒11为一体件，分为柱状筒体1101、方形筒体1102和桶底1103，其中柱状筒体1101和方形筒体1102均位于桶底1103上方，且方形筒体1102位于柱状筒体1101后方，方形筒体1102的一个外侧面为探测器连接面111，方形筒体1102的顶端设有第一侧板，第一侧板的顶面为相机连接面112，方形筒体1102上探测器连接面111的对面设有第二侧板，第二侧板的顶面为观察模拟相机连接面114，方形筒体1102后端的端面为道威棱镜组连接面117，道威棱镜组连接面117上设有孔1171，桶底1103的底面为通信发射连接面118，方形筒体1102前方的柱状筒体1101上沿着柱状筒体1101的周向向外侧延伸出信标跟踪连接面113、信标发射连接面115、信标观察连接面116和用于与伺服转台内框架螺栓连接的伺服转台内框架连接面119，信标跟踪连接面113、信标发射连接面115和信标观察连接面116上分别设有通孔；如图4所示，透镜一1104、透镜二1105、透镜三1106从里至外依次布置在通信接收镜筒11的柱状筒体1101前方内部，且均与通信接收镜筒11的柱状筒体1101孔轴配合连接，透镜三1106与透镜二1105之间、透镜二1105与透镜一1104之间均设有隔圈，隔圈与通信接收镜筒11的柱状筒体1101孔轴配合连接，螺纹压圈螺纹连接在透镜三1106外侧的通信接收镜筒11的柱状筒体1101上，将镜片压紧.
调整APD探测器12螺栓连接在通信接收光学系统1的探测器连接面111上，CCD相机10螺栓连接在通信接收光学系统1的相机连接面112上，且在CCD相机10与相机连接面112之间设有CCD相机垫片15，信标跟踪光学系统2穿过信标跟踪连接面113上的通孔并螺栓连接在通信接收光学系统1的信标跟踪连接面113上，且信标跟踪光学系统2与CCD相机10上的镜筒孔轴配合连接，在信标跟踪光学系统2与信标跟踪连接面113之间设有信标跟踪系统垫片3，
信标观察模拟相机9螺栓连接在通信接收光学系统1的观察模拟相机连接面114上，且在信标观察模拟相机9与观察模拟相机连接面114之间设有信标观察模拟相机垫片8，信标观察光学系统5穿过信标观察连接面116上的通孔并螺栓连接在通信接收光学系统1的信标观察连接面116上，且信标观察光学系统5与信标观察模拟相机9的镜筒孔轴配合连接，在信标观察光学系统5与信标观察连接面116之间设有信标观察系统垫片6；
信标发射光学系统4穿过信标发射连接面115上的通孔并螺栓连接在通信接收光学系统1的信标发射连接面115上，且在信标发射光学系统4与信标发射连接面115之间设有信标发射系统垫片7；
通过研磨信标发射系统垫片7调节信标发射光学系统4，使其光轴与通信接收光学系统1光轴平行，信标发射光学系统4发射大疏散角的信标光，为激光通信终端提供位置信标。
道威棱镜组13螺栓连接在通信接收光学系统1的道威棱镜组连接面117上，通信发射光学系统14螺栓连接在通信接收光学系统1的通信发射连接面118上。
如图5、图6和图7所示，所述的道威棱镜组13包括镜座131、保护罩132和道威棱镜133，其中镜座131包括长方形本体1301、两个粗定位连接板134和后连接板1302，
其中两个粗定位连接板134和后连接板1302分别设置在长方形本体1301相对的两个面上，长方形本体1301的上下两端均设有一通孔1303，后连接板1302上设有圆柱凸台135，圆柱凸台135上设有一通孔，其与长方形本体1301上端的通孔1303相连通，
保护罩132位于两个粗定位连接板134外侧并固定在长方形本体1301上，道威棱镜133的两侧面分别固定连接在两个粗定位连接板134上，道威棱镜133与长方形本体1301上的道威棱镜连接面1311贴合，同时也位于保护罩132内；
长方形本体1301上端的通孔1303内从右往左依次设置有窄带滤光片1110、隔圈四1114、透镜四1107和隔圈一1113，窄带滤光片1110、隔圈四1114、透镜四1107和隔圈一1113分别与镜座131的长方形本体1301孔轴配合连接，螺纹压圈二1112一端螺纹连接在圆柱凸台135的通孔内，并穿过圆柱凸台135上的通孔与隔圈一1113接触，将其压紧，螺纹压圈二1112的另一端位于通信接收镜筒11的方形筒体1102内部；
长方形本体1301下端的通孔1303内从右往左依次设置有隔圈二1115、透镜五1108、隔圈三1116、透镜六1109和螺纹压圈一1111，隔圈二1115和隔圈三1116分别与镜座131的长方形本体1301孔轴配合连接，透镜五1108位于隔圈二1115和隔圈三1116之间，透镜六1109位于螺纹压圈一1111和隔圈三1116之间，螺纹压圈一1111螺纹连接在长方形本体1301下端的通孔内，将镜片压紧；
道威棱镜组13通过圆柱凸台135孔轴配合连接在道威棱镜组连接面117上的孔1171内，且道威棱镜组13还通过后连接板1302螺栓连接在道威棱镜组连接面117上。
所述的粗定位连接板134上设有注胶孔1312，通过向注胶孔1312内注胶，将道威棱镜133粘贴在粗定位连接板134上。
道威棱镜组13与道威棱镜组连接面117上的孔1171孔轴配合连接，道威棱镜粗定位连接板134对道威棱镜有一个粗定位，调整好道威棱镜133的位置后，通过对道威棱镜粗定位连接板134上的注胶孔注胶，将道威棱镜133固定在两个道威棱镜粗定位连接板134之间，之后整个道威棱镜组13通过后连接板1302螺栓连接在道威棱镜组连接面117上，即固定在通信接收镜筒11上。
使用时：
第一步：以通信接收光学系统1的机械结构通信接收镜筒11作为光学基台主要支撑零件，将道威棱镜组13以孔轴配合的形式与通信接收镜筒11连接，并用4个螺钉固定，调整APD探测器12，并用4个螺钉将其固定在通信接收镜筒11的探测器连接面111上。
第二步：将信标发射光学系统4连接在信标发射连接面115上，通过研磨信标发射系统垫片7调节信标发射光学系统4，使其光轴与通信接收光学系统1光轴平行，并用螺钉将信标发射光学系统4,信标发射系统垫片7与通信接收镜筒11固定，信标发射光学系统4发射信标光，为激光通信终端提供位置信标。
第三步：将信标观察光学系统5连接在信标观察连接面116上，通过研磨信标观察系统垫片6调节信标观察光学系统5，使其光轴与通信接收光学系统1光轴平行，并用螺钉将信标观察光学系统5、信标观察系统垫片6和通信接收镜筒11固定，信标观察光学分系统5通过信标观察模拟相机9以2°的视场角快速扫描对方通信终端可能出现的区域，进行对方光端机信标光的捕获。
第四步：将信标跟踪光学系统2穿过信标跟踪连接面113上的通孔，并连接在信标跟踪连接面113上，通过研磨信标跟踪系统垫片3的厚度，可以调整信标跟踪光学系统2相对于通信接收镜筒11的位置关系，即调整信标跟踪光学系统2的光轴与通信接收光学系统1光轴平行，并用螺钉将信标跟踪光学系统2、信标跟踪系统垫片3和通信接收镜筒11固定，在成功捕获对方信标光后，信标光进入信标跟踪光学系统2的视场范围内，为转台提供用于光闭环跟踪的光斑位置信息。
第五步：将通信发射光学系统14连接在通信发射连接面118上，用螺钉固定，在系统进入稳定跟踪后通信接收光学系统1与信标发射光学系统4开始进行通信工作。
信标观察光学系统5与信标跟踪光学系统2都连接相机，即信标观察模拟相机9与CCD相机10，为了避免系统安装时出现过约束，将CCD相机10与信标观察模拟相机9直接安装在通信接收镜筒11主支撑结构上预留的相机连接面112与观察模拟相机连接面114上，相机与镜筒采用间隙轴孔配合，没有连接关系只有遮光作用，通过研磨CCD相机10与信标观察模拟相机9下的垫片：CCD相机垫片15与信标观察模拟相机垫片8，可调整相机与各自光学系统光轴同轴。
光从道威棱镜组13的入口A进入，经过两次反射，从出口B出来。这样可以使通信接收光学系统1中光学路径进行折转，减小通信接收光学系统的轴向体积，进而减少整个光学基台的轴向体积。
所述的信标跟踪光学系统2、信标发射光学系统4、信标观察光学系统5、信标观察模拟相机9和通信发射光学系统14均为现有技术，具体结构详见作者是姜会林、佟首峰的《空间激光通信技术与系统》一书，具体内容在第3章，空间激光通信系统总体设计，3.1空间激光通信光端机系统构成。
APD探测器12选自波威科技出品的12.5GH光电探测器。
CCD相机10为PHOTON FOCUS品牌、型号为MV1-D1024E-160-CL的CCD相机。

Claims (2)

1.一种车载紧凑型激光通信一体化光学基台，包括信标跟踪光学系统(2)、信标发射光学系统(4)、信标观察光学系统(5)、信标观察模拟相机(9)、CCD相机(10)、APD探测器(12)和通信发射光学系统(14)，其特征在于还包括通信接收光学系统(1)和道威棱镜组(13)；
其中所述的通信接收光学系统(1)包括通信接收镜筒(11)、透镜一(1104)、透镜二(1105)、透镜三(1106)、透镜四(1107)、透镜五(1108)、透镜六(1109)、窄带滤光片(1110)、螺纹压圈一(1111)、螺纹压圈二(1112)、隔圈一(1113)、螺纹压圈三(1114)、隔圈二(1115)和隔圈三(1116)；其中通信接收镜筒(11)为一体件，分为柱状筒体(1101)、方形筒体(1102)和桶底(1103)，其中柱状筒体(1101)和方形筒体(1102)均位于桶底(1103)上方，且方形筒体(1102)位于柱状筒体(1101)后方，方形筒体(1102)的一个外侧面为探测器连接面(111)，方形筒体(1102)的顶端设有第一侧板，第一侧板的顶面为相机连接面(112)，方形筒体(1102)上探测器连接面(111)的对面设有第二侧板，第二侧板的顶面为观察模拟相机连接面(114)，方形筒体(1102)后端的端面为道威棱镜组连接面(117)，道威棱镜组连接面(117)上设有孔(1171)，桶底(1103)的底面为通信发射连接面(118)，方形筒体(1102)前方的柱状筒体(1101)上沿着柱状筒体(1101)的周向延伸出信标跟踪连接面(113)、信标发射连接面(115)、信标观察连接面(116)和用于与伺服转台内框架螺栓连接的伺服转台内框架连接面(119)，信标跟踪连接面(113)、信标发射连接面(115)和信标观察连接面(116)上分别设有通孔；透镜一(1104)、透镜二(1105)、透镜三(1106)依次布置在通信接收镜筒(11)的柱状筒体(1101)前方内部，且均与通信接收镜筒(11)的柱状筒体(1101)孔轴配合连接，透镜三(1106)与透镜二(1105)之间、透镜二(1105)与透镜一(1104)之间均设有隔圈，隔圈与通信接收镜筒(11)的柱状筒体(1101)孔轴配合连接，螺纹压圈螺纹连接在透镜三(1106)外侧的通信接收镜筒(11)的柱状筒体(1101)上；
调整APD探测器(12)螺栓连接在通信接收光学系统(1)的探测器连接面(111)上，CCD相机(10)螺栓连接在通信接收光学系统(1)的相机连接面(112)上，且在CCD相机(10)与相机连接面(112)之间设有CCD相机垫片(15)，信标跟踪光学系统(2)穿过信标跟踪连接面(113)上的通孔与CCD相机(10)上的镜筒孔轴配合连接，并螺栓连接在信标跟踪连接面(113)上，且在信标跟踪光学系统(2)与信标跟踪连接面(113)之间设有信标跟踪系统垫片(3)；
信标观察模拟相机(9)螺栓连接在通信接收光学系统(1)的观察模拟相机连接面(114)上，且在信标观察模拟相机(9)与观察模拟相机连接面(114)之间设有信标观察模拟相机垫片(8)；
信标观察光学系统(5)穿过信标观察连接面(116)上的通孔与信标观察模拟相机(9)的镜筒孔轴配合连接，并螺栓连接在信标观察连接面(116)上，在信标观察光学系统(5)与信标观察连接面(116)之间设有信标观察系统垫片(6)；
信标发射光学系统(4)穿过信标发射连接面(115)上的通孔并螺栓连接在信标发射连接面(115)上，且在信标发射光学系统(4)与信标发射连接面(115)之间设有信标发射系统垫片(7)；
通信发射光学系统(14)螺栓连接在通信接收光学系统(1)的通信发射连接面(118)上；
所述的道威棱镜组(13)包括镜座(131)和道威棱镜(133)，其中镜座(131)包括长方形本体(1301)、粗定位连接板(134)和后连接板(1302)，其中粗定位连接板(134)和后连接板(1302)分别设置在长方形本体(1301)相对的两个面上，长方形本体(1301)的上下两端均设有一通孔(1303)，后连接板(1302)上设有圆柱凸台(135)，圆柱凸台(135)上设有一通孔，该通孔与长方形本体(1301)上端的通孔(1303)相连通，道威棱镜(133)固定在粗定位连接板(134)上，且道威棱镜(133)与长方形本体(1301)上的道威棱镜连接面(1311)贴合；
长方形本体(1301)上端的通孔(1303)内依次设置有窄带滤光片(1110)、螺纹压圈三(1114)、透镜四(1107)和隔圈一(1113)，螺纹压圈二(1112)一端穿过圆柱凸台(135)上的通孔与隔圈一(1113)接触，将其压紧，并螺纹连接在圆柱凸台(135)的通孔内，螺纹压圈二(1112)的另一端位于通信接收镜筒(11)的方形筒体(1102)内部；
长方形本体(1301)下端的通孔(1303)内依次设置有隔圈二(1115)、透镜五(1108)、隔圈三(1116)、透镜六(1109)和螺纹压圈一(1111)，其中螺纹压圈一(1111)螺纹连接在长方形本体(1301)下端的通孔(1303)内；
道威棱镜组(13)通过圆柱凸台(135)孔轴配合连接在孔(1171)内，且道威棱镜组(13)还通过后连接板(1302)螺栓连接在道威棱镜组连接面(117)上。
2.根据权利要求1所述的一种车载紧凑型激光通信一体化光学基台，其特征在于所述的粗定位连接板(134)上设有注胶孔(1312)，通过向注胶孔(1312)内注胶，将道威棱镜(133)粘贴在粗定位连接板(134)上。
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