CN112636827A - 一种空间光通信终端接收同轴度在线校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间光通信终端接收同轴度在线校准装置及校准方法。本发明包括空间光通信终端、与空间光通信终端连接的上位机，所述空间光通信终端的收发光轴端与准直天线的出瞳光束对准，所述准直天线的入瞳端的一侧设置有二维电控摆镜，信号激光器和信标激光器通过同轴发射光纤发射两束同轴的信号光与信标光到所述的二维电控摆镜上，并通过所述二维电控摆镜发射到准直天线中，所述二维电控摆镜位于准直天线的焦面处。本发明解决现有了现有校准状态受环境温度、力学状态变化影响大，无法进行在线测试的难题。

Description

一种空间光通信终端接收同轴度在线校准装置及校准方法

技术领域：

本发明涉及一种空间光通信终端接收同轴度在线校准装置及校准方法，属于光学测试设备技术领域。

背景技术：

由于空间光通信具有高速、大容量、高保密性以及强抗干扰等优点，因此能够很好的满足未来天基综合信息网的海量数据实时“安全传输”，相关研究已经成为了一个热门领域，今后5到10年将逐步实现广泛应用。

空间光通信终端一般设置信标光和信号光两种光源，在空间激光通信过程中，采用大探测接收视场的电荷耦合器件（CCD）进行信标光束捕获和跟踪；采用小探测接收视场的雪崩光电二极管（APD）进行信号光高速通信。在空间光通信终端研制过程中，要求光学装调保证CCD探测中心与APD探测中心对应的入射光轴方向尽可能一致，以确保在信标光束跟踪状态下的信号光高效率接收。一般要求空间光通信终端具有信标光和信号光接收同轴度保持在1角秒以内，而在空间光通信终端使用过程中，由于温度、力学等环境变化，空间光通信终端的接收同轴度也会相应发生变化。当终端接收同轴度超过1角秒时，信号光接收效率将严重衰减，造成通信质量下降，严重时会造成通信中断。因此，需要根据空间光通信终端使用的实际情况，定期进行终端接收同轴度的校准。

现有的终端接收同轴度校准设备在光学洁净室内工作，对环境温度、洁净度和平台稳定度要求较高，无法在空间光通信终端环境试验或使用过程中进行在线检测，造成空间光通信终端综合性能优势下降。

发明内容：

针对空间激光通信终端在环境试验、外场测试和用户应用阶段的接收同轴度快速测试和校准需求，本发明提出了一种空间光通信终端接收同轴度在线校准装置及校准方法。该装置通过同轴发射光纤实现了信号光和信标光发射光束高精度同轴，可不受环境温度、平台稳定度等外界干扰因素影响，且具有结构简单使用方便等优点，可在线配合空间激光通信终端快速完成接收同轴度校准。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，包括空间光通信终端、与空间光通信终端连接的上位机，所述空间光通信终端的收发光轴端与准直天线的出瞳光束对准，所述准直天线的入瞳端的一侧设置有二维电控摆镜，信号激光器和信标激光器通过同轴发射光纤发射两束同轴的信号光与信标光到所述的二维电控摆镜上，并通过所述二维电控摆镜发射到准直天线中，所述二维电控摆镜位于准直天线的焦面处。

所述的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，所述信号激光器选用单模光纤输出的1550nm波段激光器；所述信标激光器选用单模光纤输出的800nm波段激光器，所述同轴发射光纤通过光纤熔融拉锥技术将两根单模光纤熔接在一起。

所述的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，所述二维电控摆镜选用压电陶瓷驱动的二维摆镜，通过线性传感器进行闭环控制。

所述的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，所述准直天线采用离轴平行光管，由210mm口径抛物面主镜和130mm口径二次曲面次镜构成；基本参数为：入瞳尺寸210mm；系统焦距6000mm；工作波长400nm-1700nm；系统波像差优于λ/15（RMS，@632.8nm）。

所述的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，所述同轴发射光纤的输入端为信号激光器的单模光纤和信标激光器的单模光纤，所述同轴发射光纤的输出端位于所述准直天线的焦点处，出射的激光光束发散角20±2urad。

用上述的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置进行空间光通信终端接收同轴度在线校准的方法，该方法包括如下步骤：

通过上位机控制空间光通信终端进行瞄准，使空间光通信终端的收发光轴与准直天线的出瞳光束对准，经空间光通信终端的收发天线和分光光路后，接收到的信号光通过信号接收光路传输至通信探测器APD上，接收到的信标光通过信标接收光路传输至捕跟探测器CCD上，利用二维电控摆镜控制在线校准装置发射的光束偏角，用户辅助寻找最佳通信中心位置，具体方法如下：

在空间光通信终端出厂前，通过空间光通信终端定点瞄准到通信探测器APD的通信效果最佳的位置，此时在捕跟探测器CCD上形成的光斑位置为（X ₀，Y ₀），在空间光通信终端环境试验或使用过程中，如需进行终端接收同轴度在线校准，仍按上述方式将终端瞄准至捕跟探测器CCD位置为（X ₀，Y ₀）处，同时检测通信探测器APD的通信效果，如果通信接收效果在允许偏差内，则可判定终端接收同轴度满足要求，无需校准；如果通信接收效果超出允许偏差，则可判定终端接收同轴度不满足要求，需要进行在线校准，这时通过二维电控摆镜进行扫描，再次找到空间光通信终端的通信探测器通信APD效果最佳的位置，记录此时在捕跟探测器CCD上形成的光斑位置为（X,Y），此时，空间光通信终端接收轴同轴度的偏离量为：

其中，d为捕跟探测器CCD像元尺寸，f为信标光接收光路焦距，空间光通信终端接收轴同轴度校准量为：

分别为在X方向和Y方向的空间光通信终端接收轴同轴度校准量。

有益效果：

本发明提供了一种空间光通信终端接收同轴度在线校准装置及校准方法，解决现有了现有校准状态受环境温度、力学状态变化影响大，无法进行在线测试的难题。该装置应用于空间光通信终端环境试验阶段终端接收同轴度随环境状态变化检测，测量校准范围不低于±20角秒，精度优于0.1角秒。测量得到的校准量可用于终端性能评测和优化校准矩阵，能够有效提升空间光通信终端的通信性能。

附图说明：

图1是本发明的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置结构示意图。

图2是本发明的同轴发射光纤示意图。

图3是本发明的空间光通信终端的校准光束接收过程框图。

图4是本发明的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置工作流程图。

具体实施方式：

如图1所示，本实施例的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，包括空间光通信终端、与空间光通信终端连接的上位机，所述空间光通信终端的收发光轴端与准直天线2的出瞳光束对准，所述准直天线的入瞳端的一侧设置有二维电控摆镜1，信号激光器4和信标激光器5通过同轴发射光纤3发射两束同轴的信号光与信标光到所述的二维电控摆镜1上，并通过所述二维电控摆镜1发射到准直天线2中，所述二维电控摆镜1位于准直天线2的焦面处。

采用上述方案，使得本实施例的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置的信号激光器与信标激光器通过同轴发射光纤发射两束同轴的信号光与信标光，经过二维电控摆镜反射至准直天线中，扩束后的信号光与信标光发射至被测空间光通信终端。该方法将信号激光和信标激光通过光纤合并成一束光，经过相同的空间光路发射。当外界环境温度、力学环境发生变化时，两路光束之间的同轴度不会发生变化，可确保终端接收同轴度校准精度。

本实施例中的同轴发射光纤如图2所示，两束同轴的信号光与信标光连接节点2-1放置在准直天线焦面处，信号光连接节点2-2连接信号激光器，信标光连接节点2-3连接信标激光器。同轴发射光纤采用光纤熔融拉锥技术，可将信号光连接节点2-2与信标光连接节点2-3两束激光光束耦合至两束同轴的信号光与信标光连接节点进行输出。

本实施例中的二维电控摆镜选用压电陶瓷驱动的二维摆镜，通过线性传感器进行闭环控制。选用PI公司型号为S-330的产品，工作方式为闭环控制，全程偏摆范围为±1.5mrad，控制精度优于1urad。二维电控摆镜1放置在同轴发射光纤3和准直天线2之间，对出瞳光束的偏转控制范围不低于±20角秒，控制精度优于0.1角秒。

本实施例中的准直天线为通用的离轴平行光管，由210mm口径抛物面主镜和130mm口径二次曲面次镜构成。基本参数为：入瞳尺寸210mm；系统焦距6000mm；工作波长400nm-1700nm；系统波像差优于系统波像差优于λ/15（RMS，@632.8nm）。

本实施例中的同轴发射光纤采用标准光纤熔融拉锥技术制作，将两根单模光纤熔接在一起，输入端为信号激光器4的单模光纤和信标激光器5的单模光纤。同轴发射光纤3的出光口位于准直天线2的焦点处，出射的激光光束发散角20urad左右。

本实施例中的信号激光器选用上海熙隆光电科技有限公司生产的单模光纤输出的激光器，型号为FC-1550-010-SM，根据被测终端通信接收设计配置相应的调制电路，中心波长1550nm，输出功率10mw，光纤芯径9μm，光纤接口APC-FC/APC；

本实施例中的信标激光器选用上海熙隆光电科技有限公司生产的单模光纤输出的激光器，型号为FC-808-020-SM，中心波长808nm，输出功率20mw，光纤芯径5μm，光纤接口APC-FC/APC。

使用本实施例的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置进行空间光通信终端接收同轴度在线校准的方法如下：

空间光通信终端接收同轴度在线校准装置发射的光束覆盖被测空间光通信终端后，通过上位机控制空间光通信终端进行瞄准，使其收发光轴与准直天线的光轴对准。如图2所示，经空间光通信终端的收发天线和分光光路后，接收到的信号光通过信号接收光路传输至通信探测器APD上，接收到的信标光通过信标接收光路传输至捕跟探测器CCD上。利用二维电控摆镜可控制在线校准装置发射的光束偏角，用户辅助寻找最佳通信中心位置。

在空间光通信终端出厂前，通过空间光通信终端定点瞄准到通信探测器APD的通信效果最佳的位置，此时在捕跟探测器CCD上形成的光斑位置为（X ₀，Y ₀）。在空间光通信终端环境试验或使用过程中，如需进行终端接收同轴度在线校准，仍按上述方式将终端瞄准至捕跟探测器CCD位置为（X ₀，Y ₀）处，同时检测通信探测器APD的通信效果。如果通信接收效果在允许偏差内，则可判定终端接收同轴度满足要求，无需校准。如果通信接收效果超出允许偏差，则可判定终端接收同轴度不满足要求，需要进行在线校准。

通过校准装置中的二维电控摆镜进行扫描，再次找到空间光通信终端的通信探测器通信APD效果最佳的位置，记录此时在捕跟探测器CCD上形成的光斑位置为（X,Y）。此时，空间光通信终端接收轴同轴度的偏离量为：

其中，d为捕跟探测器CCD像元尺寸，f为信标光接收光路焦距。空间光通信终端接收轴同轴度校准量为：

分别为在X方向和Y方向的空间光通信终端接收轴同轴度校准量。

空间光通信终端接收同轴度在线校准装置使用工作流程图如图4所示。终端装调完成后，确认产品出场测试状态。依据空间光通信终端产品的信号光与信标光接收波长，选配空间光通信终端接收同轴度在线校准装置的激光器。通过不断调整空间光通信终端的定点瞄准角度，找到通信效果最佳的位置，记录此时捕跟探测器CCD的光斑位置（X ₀，Y ₀）。在线测试状态下，首先完成定点瞄准，判断是否需要在线校准。如需在线校准，可通过控制校准装置的输出光束角度，使得空间光通信终端通信效果达到最佳，记录当时捕跟探测器CCD的光斑位置（X，Y）。最终，根据最新光斑位置与原光斑位置数据，计算得出空间光通信终端接收轴同轴度的校准量。

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 (5)

1.一种空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，包括空间光通信终端、与空间光通信终端连接的上位机，其特征是：所述空间光通信终端的收发光轴端与准直天线的出瞳光束对准，所述准直天线的入瞳端的一侧设置有二维电控摆镜，信号激光器和信标激光器通过同轴发射光纤发射两束同轴的信号光与信标光到所述的二维电控摆镜上，并通过所述二维电控摆镜发射到准直天线中，所述二维电控摆镜位于准直天线的焦面处；

所述信号激光器选用单模光纤输出的1550nm波段激光器；所述信标激光器选用单模光纤输出的800nm波段激光器，所述同轴发射光纤通过光纤熔融拉锥技术将两根单模光纤熔接在一起。

2.根据权利要求1所述的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，其特征是：所述二维电控摆镜选用压电陶瓷驱动的二维摆镜，通过线性传感器进行闭环控制。

3.根据权利要求1所述的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，其特征是：所述准直天线采用离轴平行光管，由210mm口径抛物面主镜和130mm口径二次曲面次镜构成；基本参数为：入瞳尺寸210mm；系统焦距6000mm；工作波长400nm-1700nm；系统波像差优于λ/15（RMS，@632.8nm）。

4.根据权利要求1所述的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置，其特征是：所述同轴发射光纤的输入端为信号激光器的单模光纤和信标激光器的单模光纤，所述同轴发射光纤的输出端位于所述准直天线的焦点处，出射的激光光束发散角20±2urad。

5.一种用上述的空间光通信终端接收同轴度在线校准装置进行空间光通信终端接收同轴度在线校准的方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

通过上位机控制空间光通信终端进行瞄准，使空间光通信终端的收发光轴与准直天线的出瞳光束对准，经空间光通信终端的收发天线和分光光路后，接收到的信号光通过信号接收光路传输至通信探测器APD上，接收到的信标光通过信标接收光路传输至捕跟探测器CCD上，利用二维电控摆镜控制在线校准装置发射的光束偏角，用户辅助寻找最佳通信中心位置，具体方法如下：

在空间光通信终端出厂前，通过空间光通信终端定点瞄准到通信探测器APD的通信效果最佳的位置，此时在捕跟探测器CCD上形成的光斑位置为（X ₀，Y ₀），在空间光通信终端环境试验或使用过程中，如需进行终端接收同轴度在线校准，仍按上述方式将终端瞄准至捕跟探测器CCD位置为（X ₀，Y ₀）处，同时检测通信探测器APD的通信效果，如果通信接收效果在允许偏差内，则可判定终端接收同轴度满足要求，无需校准；如果通信接收效果超出允许偏差，则可判定终端接收同轴度不满足要求，需要进行在线校准，这时通过二维电控摆镜进行扫描，再次找到空间光通信终端的通信探测器通信APD效果最佳的位置，记录此时在捕跟探测器CCD上形成的光斑位置为（X,Y），此时，空间光通信终端接收轴同轴度的偏离量为：

其中，d为捕跟探测器CCD像元尺寸，f为信标光接收光路焦距，空间光通信终端接收轴同轴度校准量为：

分别为在X方向和Y方向的空间光通信终端接收轴同轴度校准量。

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