CN112543059B - 一种共接收光路无线激光通信组网天线 - Google Patents

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Abstract

本发明一种共接收光路无线激光通信组网天线，用于自由空间激光通信组网，涉及激光通信技术领域。该天线包括跟踪瞄准单元、激光发射单元、共用接收光学单元和通信与探测单元；跟踪瞄准单元包括粗跟踪机构、缩束镜、振镜、分光片、发射整形镜和聚光镜；激光发射单元包括激光器、光开关、调制器和光纤；共用接收光学单元包括旋转抛物面镜和主接收镜，所述通信与探测单元包括分光片、窄带滤光片、能量分光片、接收镜、通信探测器、接收镜和位置探测器。本发明通过共用光学单元将多个跟踪瞄准单元和通信与探测单元连接，根据通信目标的空间位置和通信波长，灵活匹配跟踪瞄准单元和通信与探测单元，实现同多个目标同时通信。

Description

一种共接收光路无线激光通信组网天线
技术领域
本发明是一种共接收光路无线激光通信组网天线，用于自由空间激光通信组网，涉及激光通信技术领域。
背景技术
无线激光通信经过近几十年的理论研究、仿真模拟、关键技术攻关、原理样机研制、地面演示和多个链路的在轨试验研究，其速率由初期演示验证的Kbps 量级发展到目前的Gbps量级，日益体现出无线激光通信在高速信息传输中的优势。但是从实用的角度来看，无线激光通信组网更具有应用前景，研究意义更大。
针对无线激光通信组网技术，已经有很多机构开展了相关研究，也提出来一些组网用光学天线方案，例如采用折反光学系统的多点接收方案、光纤阵列耦合与焦面扩大接收视场方案、多反射镜拼接光学天线方案和多个光端机复合方案等。上述方案在一定程度上具备一点对多点同时激光通信的能力，但是也都存在缺点，其中基于折反光学系统的多点接收方案存在视场较小、杂散光严重、系统收发器件排布难等缺点；光纤阵列耦合与焦面扩大接收视场方案存在视场小、APT跟踪难实现等缺点；多反射镜拼接天线机构具有体积紧凑、调节方便等优点，但是存在主光学单元尺寸大、单片反射镜能量利用率低、扩展性差等缺点；多个光端机复合方案结构简单，但是系统分散，集成度低，跟瞄单元与通信与探测单元必须一一对应。因此现有技术中亟需一种新的方案来解决上述问题。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种共接收光路无线激光通信组网天线,包括：跟踪瞄准单元、激光发射单元、共用接收光学单元和通信与探测单元；
所述跟踪瞄准单元，包括粗跟踪机构、缩束镜、振镜、分光片、发射整形镜和聚光镜；
所述粗跟踪机构包括方位轴系、俯仰轴系和反射镜，所述俯仰轴系正交安装在所述方位轴系上，所述反射镜安装在所述俯仰轴系上，所述反射镜的法线与所述俯仰轴系轴线垂直，所述粗跟踪机构通过所述方位轴系及所述俯仰轴系的旋转运动带动所述反射镜实现光束粗指向；
所述缩束镜安装在所述粗跟踪机构下方，所述缩束镜的光轴与所述方位轴系的轴线重合，所述缩束镜通过对光束的缩放实现所述反射镜与所述振镜镜面尺寸匹配；
所述振镜安装在所述缩束镜后，且与所述缩束镜的光轴在同一平面内成 45°角，所述振镜用于实现光轴精密指向；
所述分光片安装在所述振镜后，所述分光片的法线与所述缩束镜光轴共面且与所述振镜轴线垂直；
所述发射整形镜的光轴与所述聚光镜的光轴垂直且焦点位于所述分光片中心，所述发射整形镜、所述聚光镜的光轴与所述缩束镜的光轴在同一平面内，所述发射整形镜的光轴平行于所述缩束镜的光轴，所述聚光镜安装在所述分光片后；所述跟踪瞄准单元用于跟踪通信目标的发射光；
所述激光发射单元，包括激光器、光开关、调制器和光纤；
所述激光器通过光纤与所述光开关的输入端连接，所述光开关的输出端通过光纤与所述调制器连接，所述调制器通过光纤与所述发射整形镜连接；
所述光纤的端面位于所述发射整形镜的焦点；所述光开关用于控制光通断；
所述共用接收光学单元包括旋转抛物面镜和主接收镜，
所述主接收镜与所述旋转抛物面镜同轴，且位于所述旋转抛物面镜开口的反方向；
所述旋转抛物面镜用于将指向其焦点的光反射后平行于所述旋转抛物面镜的旋转轴进入所述主接收镜；
所述通信与探测单元包括分光片、窄带滤光片、能量分光片、接收镜、通信探测器、接收镜和位置探测器；
所述分光片安装在所述主接收镜的轴线上且其法线与所述主接收镜成45°角；
所述窄带滤光片安装在所述分光片的法线与所述主接收镜的轴线确定的平面内，且所述分光片的法线为所述窄带滤光片的轴线与主接收镜的轴线夹角的角平分线；
所述能量分光片的中心位于所述窄带滤光片的轴线上，且与窄带滤光片的轴线成45°角；所述通信探测器安装在所述接收镜的焦点位置，所述接收镜与所述窄带滤光片同轴，分别位于所述能量分光片的两侧；所述位置探测器安装在所述接收镜的焦点位置，所述接收镜的轴线在所述能量分光片的法线与所述窄带滤光片的轴线构成的平面内，且垂直通过所述能量分光片的中心；
所述分光片用于对特定波长光的选择，所述通信探测器用于调节通信目标发射光的信号，所述位置探测器用于测量通信目标位置，其所述与振镜构成精跟踪回路，所述位置探测器与所述粗跟踪机构构成粗跟踪回路；
所述跟踪瞄准单元及所述通信与探测单元的数量均与通信目标数量相同。
所述跟踪瞄准单元中的聚光镜的焦点均与共用接收光学单元中旋转抛物面镜的焦点重合。
本发明的有益效果：本发明为了解决空间激光通信组网中多目标同时通信问题，通过共用光学单元将多个跟踪瞄准单元和通信与探测单元连接，根据通信目标的空间位置和通信波长，灵活匹配跟踪瞄准单元和通信与探测单元，实现同多个目标同时通信，本发明的天线具有结构简单、可扩展性强、实用性高等优点。
附图说明
图1为本发明一种共接收光路无线激光通信组网天线结构示意图。
其中：1为跟踪瞄准单元；2为激光发射单元、3为共用接收光学单元3、4 为通信与探测单元、1-1为粗跟踪机构、1-2为缩束镜、1-3为振镜、1-4为分光片、1-5为发射整形镜、1-6为聚光镜、1-1-1为方位轴系、1-1-2为俯仰轴系、1-1-3为反射镜、2-1为激光器、2-2为光开关、2-3为调制器、2-4为光纤、 3-1为旋转抛物面镜、3-2为主接收镜、4-1为分光片、4-2为窄带滤光片、4-3 为能量分光片、4-4为接收镜、4-5为通信探测器、4-6为接收镜、4-7为位置探测器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种共接收光路无线激光通信组网天线，包括：跟踪瞄准单元1、激光发射单元2、共用接收光学单元3和通信与探测单元4；
所述跟踪瞄准单元1，其包括粗跟踪机构1-1、缩束镜1-2、振镜1-3、分光片1-4、发射整形镜1-5和聚光镜1-6；
所述粗跟踪机构1-1包括方位轴系1-1-1、俯仰轴系1-1-2和反射镜1-1-3，所述俯仰轴系1-1-2正交安装在所述方位轴系1-1-1上，所述反射镜1-1-3安装在所述俯仰轴系1-1-2上，所述反射镜1-1-3的法线与所述俯仰轴系1-1-2 轴线垂直，所述粗跟踪机构1-1通过所述方位轴系1-1-1及所述俯仰轴系1-1-2 的旋转运动带动所述反射镜1-1-3实现光束粗指向；
所述缩束镜1-2安装在所述粗跟踪机构1-1下方，所述缩束镜1-2的光轴与所述方位轴系1-1-1的轴线重合，所述缩束镜1-2通过对光束的缩放实现所述反射镜1-1-3与所述振镜1-3镜面尺寸匹配；
所述振镜1-3安装在所述缩束镜1-2后，且与所述缩束镜1-2的光轴在同一平面内成45°角，所述振镜1-3用于实现光轴精密指向；
所述分光片1-4安装在所述振镜1-3后，所述分光片1-4的法线与所述缩束镜1-2光轴共面且与所述振镜1-3轴线垂直；
所述发射整形镜1-5的光轴与所述聚光镜1-6的光轴垂直且焦点位于所述分光片1-4中心，所述发射整形镜1-5、所述聚光镜1-6的光轴与所述缩束镜 1-2的光轴在同一平面内，所述发射整形镜1-5的光轴平行于所述缩束镜1-2的光轴，所述聚光镜1-6安装在所述分光片1-4后；所述跟踪瞄准单元1用于跟踪通信目标的发射光；
所述激光发射单元2，包括激光器2-1、光开关2-2、调制器2-3和光纤2-4；
所述激光器2-1通过光纤2-4与所述光开关2-2的输入端连接，所述光开关2-2的输出端通过光纤2-4与所述调制器2-3连接，所述调制器2-3通过光纤2-4与所述发射整形镜1-5连接；
所述光纤2-4的端面位于所述发射整形镜1-5的焦点；所述光开关2-2用于控制光通断；
所述共用接收光学单元3包括旋转抛物面镜3-1和主接收镜3-2，
所述主接收镜3-2与所述旋转抛物面镜3-1同轴，且位于所述旋转抛物面镜3-1开口的反方向；
所述旋转抛物面镜3-1用于将指向其焦点的光反射后平行于所述旋转抛物面镜3-1的旋转轴进入所述主接收镜3-2；
所述通信与探测单元4包括分光片4-1、窄带滤光片4-2、能量分光片4-3、接收镜4-4、通信探测器4-5、接收镜4-6和位置探测器4-7；
所述分光片4-1安装在所述主接收镜3-2的轴线上且其法线与所述主接收镜3-2成45°角；
所述窄带滤光片4-2安装在所述分光片4-1的法线与所述主接收镜3-2的轴线确定的平面内，且所述分光片4-1的法线为所述窄带滤光片4-2的轴线与主接收镜3-2的轴线夹角的角平分线；
所述能量分光片4-3的中心位于所述窄带滤光片4-2的轴线上，且与窄带滤光片4-2的轴线成45°角；所述通信探测器4-5安装在所述接收镜4-4的焦点位置，所述接收镜4-4与所述窄带滤光片4-2同轴，分别位于所述能量分光片4-3的两侧；所述位置探测器4-7安装在所述接收镜4-6的焦点位置，所述接收镜4-6的轴线在所述能量分光片4-3的法线与所述窄带滤光片4-2的轴线构成的平面内，且垂直通过所述能量分光片4-3的中心；
所述分光片4-1用于对特定波长光的选择，所述通信探测器4-5用于调节通信目标发射光的信号，所述位置探测器4-7用于测量通信目标位置，其所述与振镜1-3构成精跟踪回路，所述位置探测器4-7与所述粗跟踪机构1-1构成粗跟踪回路；
所述跟踪瞄准单元1及所述通信与探测单元4的数量均与通信目标数量相同。
所述跟踪瞄准单元1中的聚光镜1-6的焦点均与共用接收光学单元3中旋转抛物面镜3-1的焦点重合。
本发明需根据通信目标数量确定跟踪瞄准单元1和通信与探测单元4的个数n，n个跟踪瞄准单元1中的聚光镜1-6的焦点均与共用接收光学单元3中旋转抛物面镜3-1的焦点重合；激光发射单元2发出的通信光经过发射整形镜1-5 后成为平行光，再先后经分光片1-4、振镜1-3、缩束镜1-2和粗跟踪机构1-1 发射出去；通信目标发射来的通信光经过粗跟踪机构1-1后，进入缩束镜1-2 实现光束与振镜1-3口径匹配，经过振镜1-3、分光片1-4和聚光镜1-6后，再经过旋转抛物面镜3-1反射进入主接收镜3-2，根据入射光波长的不同，进入对应的通信与探测单元4；光开关2-2控制光通断，当光开关2-2的i(i≤n)路打开时，激光器2-1发出的光进入第i个调制器2-3调制，再经光纤2-4发射出去。
通信时，根据通信目标空间位置和共接收光路无线激光通信组网天线的空间位置确定采用n个跟踪瞄准单元1中的第j(j≤n)个跟踪瞄准单元1完成指向与跟踪，根据通信目标所用通信波长确定n个通信与探测单元4中的第k(k ≤n)个通信与探测单元4完成通信探测与目标位置探测；打开与第j个跟踪瞄准单元1对应的光开关2-2，激光发射单元2与第j个跟踪瞄准单元1、第k个通信与探测单元4和共用接收光学单元3一起构成一套完整的激光通信端机；通过选择多个跟踪瞄准单元1和通信与探测单元4，与激光发射单元2和共用接收光学单元3一起构成多套激光通信端机，可实现与多个目标同时通信。
以上所述，仅为发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。因此，发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种共接收光路无线激光通信组网天线，其特征在于，包括：跟踪瞄准单元、激光发射单元、共用接收光学单元和通信与探测单元；
所述跟踪瞄准单元，包括粗跟踪机构、缩束镜、振镜、分光片、发射整形镜和聚光镜；
所述粗跟踪机构包括方位轴系、俯仰轴系和反射镜，所述俯仰轴系正交安装在所述方位轴系上，所述反射镜安装在所述俯仰轴系上，所述反射镜的法线与所述俯仰轴系轴线垂直，所述粗跟踪机构通过所述方位轴系及所述俯仰轴系的旋转运动带动所述反射镜实现光束粗指向；
所述缩束镜安装在所述粗跟踪机构下方，所述缩束镜的光轴与所述方位轴系的轴线重合，所述缩束镜通过对光束的缩放实现所述反射镜与所述振镜镜面尺寸匹配；
所述振镜安装在所述缩束镜后，且与所述缩束镜的光轴在同一平面内成45°角，所述振镜用于实现光轴精密指向；
所述分光片安装在所述振镜后，所述分光片的法线与所述缩束镜光轴共面且与所述振镜轴线垂直；
所述发射整形镜的光轴与所述聚光镜的光轴垂直且焦点位于所述分光片中心，所述发射整形镜、所述聚光镜的光轴与所述缩束镜的光轴在同一平面内，所述发射整形镜的光轴平行于所述缩束镜的光轴，所述聚光镜安装在所述分光片后；所述跟踪瞄准单元用于跟踪通信目标的发射光；
所述激光发射单元，包括激光器、光开关、调制器和光纤；
所述激光器通过光纤与所述光开关的输入端连接，所述光开关的输出端通过光纤与所述调制器连接，所述调制器通过光纤与所述发射整形镜连接；
所述光纤的端面位于所述发射整形镜的焦点；所述光开关用于控制光通断；
所述共用接收光学单元包括旋转抛物面镜和主接收镜，
所述主接收镜与所述旋转抛物面镜同轴，且位于所述旋转抛物面镜开口的反方向；
所述旋转抛物面镜用于将指向其焦点的光反射后平行于所述旋转抛物面镜的旋转轴进入所述主接收镜；
所述通信与探测单元包括分光片、窄带滤光片、能量分光片、接收镜、通信探测器、接收镜和位置探测器；
所述分光片安装在所述主接收镜的轴线上且其法线与所述主接收镜成45°角；
所述窄带滤光片安装在所述分光片的法线与所述主接收镜的轴线确定的平面内，且所述分光片的法线为所述窄带滤光片的轴线与主接收镜的轴线夹角的角平分线；
所述能量分光片的中心位于所述窄带滤光片的轴线上，且与窄带滤光片的轴线成45°角；所述通信探测器安装在所述接收镜的焦点位置，所述接收镜与所述窄带滤光片同轴，分别位于所述能量分光片的两侧；所述位置探测器安装在所述接收镜的焦点位置，所述接收镜的轴线在所述能量分光片的法线与所述窄带滤光片的轴线构成的平面内，且垂直通过所述能量分光片的中心；
所述分光片用于对特定波长光的选择，所述通信探测器用于调节通信目标发射光的信号，所述位置探测器用于测量通信目标位置，其与所述振镜构成精跟踪回路，所述位置探测器与所述粗跟踪机构构成粗跟踪回路。
2.根据权利要求1所述的一种共接收光路无线激光通信组网天线，其特征在于：所述跟踪瞄准单元及所述通信与探测单元的数量均与通信目标数量相同。
3.根据权利要求1所述的一种共接收光路无线激光通信组网天线，其特征在于：所述跟踪瞄准单元中的聚光镜的焦点均与共用接收光学单元中旋转抛物面镜的焦点重合。
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