CN112636815B - 基于mems光束控制的小卫星平台激光通信终端 - Google Patents

基于mems光束控制的小卫星平台激光通信终端 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于MEMS光束控制的小卫星平台激光通信终端。本发明包括信号发射光路和信号接收光路，信号发射光路包括激光模块，激光模块发射的信号光束通过光纤发送至光放大器，经过光放大器进行功率放大的光信号通过光纤输出，经透镜组A整形为平行光束，再由经分光镜、MEMS摆镜和扩束镜头发射出终端，利用MEMS摆镜实现信号光束发射角度的二维偏转；信号接收光路包括分束镜，分束镜将接收到的信号光分成两部分，一部分由透镜组B聚焦耦合接收到激光模块的多模光纤中，另一部分由透镜组C聚焦成像接收到QD探测器上。本发明克服了现有激光通信终端存在的功耗大、热耗大和成本高等问题。

Description

基于MEMS光束控制的小卫星平台激光通信终端
技术领域
本发明涉及一种基于MEMS光束控制的小卫星平台激光通信终端，属于光学设备技术领域。
背景技术
与现有的微波通信技术相比，卫星激光通信技术具有数据率高、抗干扰和保密性好等显著优点，是今后卫星通信的有效补充技术手段。目前，国内外已开展了多项卫星光通信在轨试验，正在逐步开展军事和商业航天应用。
目前的卫星激光通信终端一般重量在10kg至50kg量级，功耗100W左右，无法应用到小卫星平台。美国和日本提出了适用于小卫星平台的激光通信终端概念，一般要求终端体积1U以内，重量1kg以内，功耗不大于10W。小卫星平台激光通信终端通过卫星平台进行粗跟踪，利用自身的瞄准装置进行扫描捕获和精跟踪，通信数据率10-100Mbps，可用于星间/星地通信、遥感数据和测控数据传输等。小卫星平台激光通信终端除了具有体积小、重量轻、功耗低和造价低的优点外，还具有无需频段申请的独特优点，将是未来国内外卫星大范围组网通信的核心手段之一。
在现有的激光通信终端中，一般采用压电陶瓷或音圈电机驱动反射镜偏转实现激光收发光束的扫描和跟踪，主要存在以下技术问题：（1）终端功耗过大，一般在20W至30W，无法满足小卫星平台对激光通信终端的功耗限制要求；（2）终端体积和重量过大，一般在3kg至5kg，很难实现多套终端同时搭载进行通信组网；（3）终端研制和生产成本较高，不利于商用航天大批量推广。
发明内容
本发明针对应用与小卫星平台的激光通信技术需求，提出了一种基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，用于替代现有的压电陶瓷或音圈电机驱动反射镜，实现收发光束的扫描和跟踪，克服了现有激光通信终端存在的功耗大、热耗大和成本高等问题。
该终端采用MEMS摆镜实现收发激光光束控制，具有功耗低、体积小、重量轻等优点，适合搭载小卫星平台进行星间或星地激光通信。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，包括信号发射光路和信号接收光路，所述信号发射光路包括激光模块，所述激光模块发射的信号光束通过光纤发送至光放大器，经过光放大器进行功率放大的光信号通过光纤输出到透镜组A的焦平面处，光纤端口在透镜组A的焦平面处发出的空间光经透镜组A整形为平行光束，再由经分光镜、MEMS摆镜和扩束镜头发射出终端，利用MEMS摆镜实现信号光束发射角度的二维偏转；
所述信号接收光路包括分束镜，所述分束镜将接收到的信号光分成两部分，一部分由透镜组B聚焦耦合接收到激光模块的多模光纤中，另一部分由透镜组C聚焦成像接收到QD探测器上。
所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，还包括与所述激光模块连接的上位控制器，所述上位控制器用于与卫星平台进行管理数据通信，根据接收到的遥控指令，对激光通信终端进行各个工作模式的时序控制，包括瞄准、捕获、跟踪和通信，同时将终端运行模式状态通过遥测信息发送给卫星平台。
所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，还包括一个机械壳体，所述机械壳体分为三层，其中：最上面的光机模块层由透镜组A、分光镜、MEMS摆镜、扩束镜头、分束镜、透镜组B、透镜组C和QD探测器组成；中间的主控板模块层由激光模块、上位控制器组成；最下面的EDFA模块由光放大器及配套电源组成。
所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，所述扩束镜头口径为20mm，采用牛顿望远镜结构。
所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，所述透镜组A、分光镜、MEMS摆镜、扩束镜头、分束镜、透镜组B、透镜组C和QD探测器均安装在一个光机板上，光轴在一个平面内。
所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，所述QD探测器选用受光面积3000μm、象限缝隙0.045mm、灵敏度1550nm：0.95A/W、暗电流2nA Vr=5.0V、结电容225pF的QD探测器。
所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，所述MEMS摆镜选用镜面安装面最大直径7.5mm、驱动电压90V、双轴最大工作角度1.2°、响应频率550Hz的MEMS摆镜。
所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，所述激光模块集成了激光器和通信探测器，收发激光波长1260～1625nm，通信数据率100Mbps，单模光纤输出激光发送功率-3～+3dBm，多模光纤输入激光接收灵敏度-48dBm。
所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，所述光放大器选用工作波长1529-1562nm、输入功率-45dBm~-15dBm、增益50dB、光纤接口APC-FC/FC的光放大器。
有益效果：
1.本发明在终端设计方面，控制激光通信终端内部（在扩束镜头以内部分）的空间光束直径不大于5mm，确保可通过MEMS摆镜实现收发光束的控制，显著较低了终端功耗，终端总功耗由20W至30W降低到10W以内。
2.本发明在链路建立和保持方面，激光通信链路的粗跟踪借助卫星平台完成，激光通信终端在卫星平台粗跟踪基础上，进行扫描和精跟踪控制，显著降低了终端体积和重量，终端重量由3kg至5kg降低到1kg以内，体积控制在1U以内。
3.本发明的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，可搭载在小卫星平台上，进行星间、星地激光通信。具有体积小（0.7U）、质量轻（0.75kg）、功耗低（最大7W）等独特优势，填补了国内超小型激光通信终端的空白。2020年11月进行了星地激光链路，通过卫星平台调整姿态方向实现链路粗跟踪，由本发明的终端内置的MEMS摆镜实现链路精跟踪，实现了星地100Mbps激光通信。这是国内首次开展的平台与激光终端间复合捕获跟踪在轨试验，为今后激光通信终端技术向小型化、低功耗方向发展奠定了基础，具有重要的里程碑意义。
附图说明
图1是本发明的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端框图。
图1中的附图标记含义：1、激光模块；2、光放大器；3、透镜组A；4、分光镜；5、MEMS摆镜；6、扩束镜头；7、分束镜；8、透镜组B；9、透镜组C；10、QD探测器；11、上位控制器。
图2是本发明的产品外观图。
图2中的附图标记含义：3-1、光机模块层；3-2、主控板模块层；3-3、EDFA模块。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，包括信号发射光路和信号接收光路，所述信号发射光路包括激光模块1，所述激光模块1发射的信号光束通过光纤发送至光放大器2，经过光放大器2进行功率放大的光信号通过光纤输出到透镜组A的焦平面处，光纤端口在透镜组A的焦平面处发出的空间光经透镜组A 3整形为平行光束，再由经分光镜4、MEMS摆镜5和扩束镜头6发射出终端，利用MEMS摆镜5实现信号光束发射角度的二维偏转；
所述信号接收光路包括分束镜7，所述分束镜7将接收到的信号光分成两部分，一部分由透镜组B 8聚焦耦合接收到激光模块的多模光纤中，另一部分由透镜组C 9聚焦成像接收到QD探测器10上。
本实施例中所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，还包括与所述激光模块连接的上位控制器11，所述上位控制器用于与卫星平台进行管理数据通信，根据接收到的遥控指令，对激光通信终端进行各个工作模式的时序控制，包括瞄准、捕获、跟踪和通信，同时将终端运行模式状态通过遥测信息发送给卫星平台。在瞄准下，上位控制器根据卫星平台轨道姿态数据，控制MEMS摆镜进行初始角度瞄准。在捕获模式下，上位控制器控制MEMS摆镜进行二维扫描，一旦判断出 QD探测器接收到对方终端的光信号。在跟踪模式下，上位控制器根据QD探测器实时给出的光束角度偏差，控制进行MEMS摆镜进行光电闭环控制。在通信模式下，与卫星平台进行收发数据交换，同时进行激光模块的调制/解调和编/解码。
如图2所示，本实施例中所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，还包括一个机械壳体，所述机械壳体分为三层，其中：最上面的光机模块层3-1由透镜组A、分光镜、MEMS摆镜、扩束镜头、分束镜、透镜组B、透镜组C和QD探测器组成；中间的主控板模块层3-2由激光模块、上位控制器组成；最下面的EDFA模块3-3由光放大器及配套电源组成。光学镜头均采用消热差设计,光机结构采用钛合金为主体,以使得激光通信终端在5～35摄氏度环境温度范围内性能参数稳定。
本实施例中所述的基于MEMS摆镜控制收发光束的激光通信终端，光机模块的扩束镜头口径为20mm，采用牛顿望远镜结构；透镜组A、分光镜、MEMS摆镜、扩束镜头、分束镜、透镜组B、透镜组C和QD探测器均安装在一个光机板上，光轴在一个平面内。QD探测器选用上海欧光电子科技有限公司型号为Q3000的产品，受光面积3000μm、象限缝隙0.045mm、灵敏度1550nm：0.95A/W、暗电流2nA Vr=5.0V、结电容225pF。MEMS摆镜选用美国Mirrorcle公司型号为S46749的产品，镜面安装面最大直径7.5mm、驱动电压90V、双轴最大工作角度1.2°、响应频率550Hz。
对于主控模块部分，上位控制器采用FPGA（型号XC7K325T-FFG900I）完成主控和通信，还包括二次电源电路、网络接口电路、同步RS422接口电路等。激光模块选用中航海信光电技术有限公司的HTWXXD5-AA-SE01YY光收发组件。该组件集成了激光器和通信探测器，收发激光波长1260～1625nm，通信数据率100Mbps，激光发送功率-3～+3dBm（单模光纤输出），激光接收灵敏度-48dBm（多模光纤输入）。
对于EDFA模块部分，光放大器选用上海昊量光电设备有限公司型号为LHA-100C的产品，工作波长1529-1562nm、输入功率-45dBm~-15dBm、增益50dB、光纤接口APC-FC/FC。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于MEMS光束控制的小卫星平台激光通信终端，包括信号发射光路和信号接收光路，其特征是：所述信号发射光路包括激光模块，所述激光模块发射的信号光束通过光纤发送至光放大器，经过光放大器进行功率放大的光信号通过光纤输出到透镜组A的焦平面处，光纤端口在透镜组A的焦平面处发出的空间光经透镜组A整形为平行光束，再由经分光镜、MEMS摆镜和扩束镜头发射出终端，利用MEMS摆镜实现信号光束发射角度的二维偏转；
所述信号接收光路包括分束镜，所述分束镜将接收到的信号光分成两部分，一部分由透镜组B聚焦耦合接收到激光模块的多模光纤中，另一部分由透镜组C聚焦成像接收到QD探测器上；
所述扩束镜头口径为20mm，采用牛顿望远镜结构；
所述透镜组A、分光镜、MEMS摆镜、扩束镜头、分束镜、透镜组B、透镜组C和QD探测器均安装在一个光机板上，光轴在一个平面内；
所述QD探测器选用受光面积3000μm、象限缝隙0.045mm、灵敏度1550nm：0.95A/W、暗电流2nA Vr=5.0V、结电容225pF的QD探测器；
所述MEMS摆镜选用镜面安装面最大直径7.5mm、驱动电压90V、双轴最大工作角度1.2°、响应频率550Hz的MEMS摆镜；
所述激光模块集成了激光器和通信探测器，收发激光波长1260～1625nm，通信数据率100Mbps，单模光纤输出激光发送功率-3～+3dBm，多模光纤输入激光接收灵敏度-48dBm；
所述光放大器选用工作波长1529-1562nm、输入功率-45dBm~-15dBm、增益50dB、光纤接口APC-FC/FC的光放大器。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS光束控制的小卫星平台激光通信终端，其特征是：还包括与所述激光模块连接的上位控制器，所述上位控制器用于与卫星平台进行管理数据通信，根据接收到的遥控指令，对激光通信终端进行各个工作模式的时序控制，包括瞄准、捕获、跟踪和通信，同时将终端运行模式状态通过遥测信息发送给卫星平台。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS光束控制的小卫星平台激光通信终端，其特征是：还包括一个机械壳体，所述机械壳体分为三层，其中：最上面的光机模块层由透镜组A、分光镜、MEMS摆镜、扩束镜头、分束镜、透镜组B、透镜组C和QD探测器组成；中间的主控板模块层由激光模块、上位控制器组成；最下面的EDFA模块由光放大器及配套电源组成。
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