CN112713932B - 激光通信终端光路中继单元装检系统及基于其的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学装调领域，涉及一种激光通信终端光路中继单元装检系统及基于其的检测方法，解决现有测试系统无法区分中继光路各支路发射、接收光束的同轴度的问题，系统包括沿光路依次设置的收发准直模块、转动模块和接收判读模块；收发准直模块用于发射准直光束，并接收经由接收判读模块的反射光线并进行判读；转动模块用于安装被测中继单元，实现被测中继单元中各支路的指向调节；接收判读模块用于接收、判读并反射被测中继单元的输出光束；利用本发明方法可实现激光通信终端中继单元的快速、高效装调集成，完成中继单元发散角、同轴度等指标的检测。

Description

激光通信终端光路中继单元装检系统及基于其的检测方法
技术领域
本发明属于光学装调领域，涉及一种激光通信终端光路中继单元装检系统及基于其的检测方法，尤其涉及一种空间激光通信终端光路中继单元的各支路指向精度、同轴度进行控制的批量化、高效率的装检系统。
背景技术
空间高速激光通信是构建空间信息网络的核心技术手段，近年来美国、欧洲、日本、俄罗斯等国在该领域竞相发展，NASA、ESA、JAXA等国立研发机构先后实现在轨演示。中国也在相关领域部署多个相关研发计划，实现了深空/近地卫星激光通信的在轨演示验证。空间激光通信终端的研制涉及光学、电子学、通信等多个领域，在空间组网过程中，需要在不同轨道布置多个激光通信终端。
空间激光通信终端的光学系统主要由光学望远镜、中继光路、标校系统三部分组成。其主要作用和特点如下：
光学望远镜为接收、发射共用系统。对于接收来说，其作用是压缩光束口径，并为分光系统提供像质良好的平行光束；对于发射来说，其作用是放大光束口径，并发射像质良好的平行光束。其与光路中继单元之间通过折轴镜进行光信号的连接。
光路中继单元承担光路光束在发射、接收过程中的扩束准直、扩大光斑尺寸、压缩发散角等任务，同时接收并聚焦耦合另一个终端发射来的光信号。光路中继单元：包括折轴镜、精指向镜、振镜、分光组件、信号发射支路、通信接收支路、粗接收支路、精接收支路，所有中继光路将装在一个壳体里。壳体侧板对应信号发射支路、通信接收支路、粗接收支路、精接收支路开设光束通孔，光束会通过光束通孔发射出来，如图4所示。
分光组件：由四个分光片、一个折轴镜组成。对于接收来说，作用是将不同波段光束分至相应的接收支路；对于发射来说，作用是将不同波段发射光合成一束，进入光学望远镜。
粗接收支路：实现另一方激光通信终端所发射过来的信标光的光束捕获与会聚。探测器采用CMOS图像传感器，视场在光路中继单元中是最大的。
通信接收支路：实现另一方激光终端所发射过来的信号光的光束捕获与会聚，使光束会聚到光纤，最终通过接收机解调光信号。
精接收支路：实现另一方激光终端发射过来的信号光的光束捕获，使光束会聚到红外探测器，获得精确的位置。
信号发射支路：完成通信光的准直功能，由预准直镜以及光纤耦合调整机构组成。预准直镜主要是实现信号光的准直，光纤耦合调整机构的主要用途是实现信号激光器光纤输出端口的调节。通信光光束需要以近衍射极限角发射，对于光束的要求较高。
由于空间激光通信的飞速发展，其需求量成几何倍增长，光路中继单元作为激光通信终端的核心组件，其装调标定效率也将极大的影响整个空间激光通信领域的发展。光路中继单元的结构形式较为复杂，装调精度高，其发射光束的同轴度、发散角将直接影响整个激光通信终端的整体性能。如何快速、有效地研制出一套性能优良的光路中继单元，是摆在我们面前的一个难题。
中国专利CN110672304A公开了激光通信终端中继光路性能测试系统、方法及校准方法，其包含了中继光路不同支路指向、发散角测试的内容，然而要保证激光通信终端系统发射波前优良、能量分布均匀、收发效率高，既需要控制中继光路各支路发射光束的指向，也需要控制中继光路各支路发射接收光束的同轴度。上述专利因其接收部分仅为离轴抛物镜，仅能完成指向测试，无法区分中继光路各支路发射、接收光束的同轴度。另外，由于激光通信终端的需求量激增，尤其是针对具有五个支路的、集成度较高的中继单元而言，在研制过程中需要有更为高效、快捷的装检系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光通信终端中继单元装检系统及基于其的检测方法，解决现有测试系统无法区分中继光路各支路发射、接收光束的同轴度的问题以及针对集成度较高的中继单元而言，现有测试系统检测效率较低的问题，实现了激光通信终端中继单元的快速、高效装调集成，完成中继单元发散角、同轴度等指标的检测。
本发明的技术解决方案是提供一种激光通信终端光路中继单元装检系统，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的收发准直模块、转动模块和接收判读模块；所述收发准直模块的光轴与接收判读模块的光轴垂直，且收发准直模块的光轴与接收判读模块的光轴均与转动模块的转轴垂直；
所述收发准直模块包括激光器组件、光纤耦合器、光纤法兰、半透半反镜、可见红外CCD及离轴抛面镜；所述激光器组件与光纤耦合器的一端相连，所述光纤耦合器的另一端与光纤法兰相连；所述半透半反镜位于光纤耦合器的出射光路中；所述离轴抛面镜位于半透半反镜的反射光路中；所述光纤耦合器另一端的芯径端面位于从离轴抛面镜经半透半反镜反射光束的焦点处；所述可见红外CCD的感光面位于从离轴抛面镜经半透半反镜透射光束的焦面处；光纤耦合器另一端的芯径端面、可见红外CCD的感光面相对离轴抛面镜共焦面；
所述转动模块用于安装被测中继单元，实现被测中继单元中各支路的指向调节，并将收发准直模块的出射光束入射至被测中继单元，将被测中继单元的出射光束入射至收发准直模块；
所述接收判读模块用于接收并反射被测中继单元的输出光束；包括缩束系统及判读成像器件，所述缩束系统包括沿光路依次设置的楔形分光镜、主镜与次镜，用于收集被测中继单元输出不同位置的光束，所述判读成像器件用于判读被测中继单元输出光束的位置。
进一步地，所述转动模块包括单轴转台及位于单轴转台顶部或底部的五棱镜，沿单轴转台轴向中心开设中心孔；光束穿过转台中心孔再通过五棱镜后出射，或通过五棱镜，穿过转台中心孔后出射。
进一步地，激光器组件包括n个激光器，光纤耦合器为一分n光纤耦合器，n个激光器的输出端分别一一与一分n光纤耦合器的输入端相连，其中n为大于等于2的正整数。
进一步地，所述收发准直模块还包括可变光阑；可变光阑位于转动模块与离轴抛面镜之间。
进一步地，所述光纤耦合器的接口为FC/PC口、FC/APC或SMA接口；所述光纤法兰的接口为FC/PC口、FC/APC或SMA接口，并与光纤耦合器接口匹配。
进一步地，所述半透半反镜的材料为JGS3，光谱范围400nm～1500m，透射波前rms优于1/30λ。
进一步地，所述可变光阑的口径在2mm～60mm之间可调。
进一步地，所述可见红外CCD的光谱范围为500nm～1700nm，像元尺寸为15um，分辨率为640×512。
进一步地，所述缩束系统的结构形式为全反射双离轴抛面式，系统波像差优于1/20λ。
进一步地，所述楔形分光镜的分光比为1:1，楔角为5°，材料为JGS1，口径为150mm。
进一步地，所述判读成像器件光谱范围为400～1000nm，像元尺寸为10um，分辨率为1024×1024。
本发明还提供一种基于上述的激光通信终端光路中继单元装检系统的检测方法，所述中继单元包括壳体及位于壳体内部的折轴镜、精指向镜、1号分光镜、粗接收支路、2号分光镜、3号分光镜、通信接收支路、精接收支路、振镜与信号发射支路；其中，粗接收支路与精接收支路平行；壳体侧板对应信号发射支路、通信接收支路、粗接收支路、精接收支路部位开设光束通孔；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将中继单元壳体安装在转动模块上，保证中继单元壳体的安装面与转动模块的台面平行，中继单元壳体底部的发射出口与转动模块转轴同轴；
步骤二：开启激光器组件，发射波长为632.8nm的激光光束，通过收发准直模块准直为平行光束，经过转动模块后进入中继单元；
步骤三：安装中继单元内折轴镜，准直后的平行光束经折轴镜反射至接收判读模块，调整折轴镜的指向，使接收判读模块中楔形分光镜的反射像位于收发准直模块中可见红外CCD的中心像元，根据公式(1)、公式(2)计算目标像的质心位置坐标，即可见红外CCD的中心像元(x′,y′)，此指向为光路中继单元的光轴指向，其他支路均以此为基准：
Figure GDA0003245617800000061
Figure GDA0003245617800000062
式中：
i——像元的行序号，单位为像元个数；
j——像元的列序号，单位为像元个数；
DN(i,j)——第i行j列所对应像元灰度值，单位为DN值；
x′——目标像质心位置的横坐标，单位为像元个数；
y′——目标像质心位置的纵坐标，单位为像元个数；
步骤四：顺时针旋转转台90°，安装精指向镜，调整精指向镜，使粗接收支路对准接收判读模块，调整精指向镜指向，使楔形分光镜的反射像位于收发准直模块中可见红外CCD的中心像元(x′,y′)，计算质心如公式(1)、公式(2)所示；调整精指向镜的位置，使用判读成像器件记录缩束后光斑的位置信息(x0,y0)，接收判读模块与转动模块的空间位置事先经过严格标定，可根据判读成像器件记录的光斑位置反演出该接收光束的空间位置；
步骤五：插入1号分光镜并调整姿态，使用判读成像器件记录缩束后光斑的位置信息(x1,y1)，根据接收判读模块与转动模块的空间位置关系，解算出经过1号分光镜后的透射光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为粗接收支路对应的光束通孔；若不同轴，则调整1号分光镜的姿态，直至经过1号分光镜后的透射光束与粗接收支路对应的光束通孔同轴；顺时针旋转转台90°，调整1号分光镜，使楔形分光镜的反射像位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)，此时1号分光镜的指向调整完毕；
步骤六：插入2号分光镜，顺时针旋转转台90°，调整2号分光镜姿态，使2号分光镜的反射光束经过楔形分光镜反射后，位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)；沿光轴方向平移2号分光镜至某一位置，使用接收判读模块记录缩束后光斑的位置信息(x2,y2)，根据接收判读模块与转动模块的空间位置关系解算出经过2号分光镜16后的反射光束是否与壳体侧板的光束通孔同轴，该光束通孔为通信接收支路18对应的光束通孔；若不同轴，沿光轴方向平移2号分光镜至另一位置，直至同轴；此时2号分光镜的指向调整完毕；
步骤七：插入3号分光镜，逆时针旋转转台90°，使用接收判读模块查看3号分光镜透射光束的位置信息(x3,y3)，根据接收判读模块与转动模块的空间位置关系，解算出经过3号分光镜后的透射光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为通信接收支路对应的光束通孔，若不同轴，调整3号分光镜位置，直至经过3号分光镜后的透射光束与通信接收支路对应的光束通孔同轴；
逆时针旋转转台90°，调整3号分光镜姿态，使3号分光镜的反射光束经过楔形分光镜反射后，位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)；沿光轴方向平移3号分光镜，使用接收判读模块记录缩束后光斑的位置信息(x2,y2)，根据接收判读模块与转动模块的空间位置关系解算出经过3号分光镜后的反射光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为精接收支路对应的光束通孔，若不同轴，继续沿光轴方向平移3号分光镜，直至经过3号分光镜后的反射光束与精接收支路对应的光束通孔同轴，此时3号分光镜的指向调整完毕；
步骤八：插入振镜，顺时针旋转转台90°，调整振镜姿态，使振镜的反射光束经过楔形分光镜反射后，位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)；沿光轴方向平移振镜，使用接收判读模块采集振镜反射光束的位置信息(x4,y4)，根据接收判读模块与转动模块的空间位置关系，解算出经过振镜反射后的光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为与信号发射支路对应的光束通孔，若不同轴，沿光轴方向继续平移振镜，直至经过振镜反射后的光束与信号发射支路(对应的光束通孔同轴；此时，振镜的指向调整完毕；
步骤九：安装各个支路镜头，完成光路中继单元的安装。
本发明的有益效果是：
1、本发明可完成激光通信终端的主要部件光路中继单元不同支路的快速装调及检测；
2、本发明设计巧妙，既能控制中继光路各支路发射光束的指向，也能控制中继光路各支路发射接收光束的同轴度，非常适合在工程应用中推广；
3、本发明创造性的使用离轴抛面镜，结构紧凑，系统制造成本低廉，测试功能全面，是光路中继单元装调、测试过程中不可多得的测试设备；
4、本发明的收发准直模块可以发射准直光束，还能接收经由楔形镜反射的反射光线并进行判读，是光路中继单元装调系统的有效判读模块，其指向测试精度可以达到秒级；
5、本发明的转动模块可以高效的完成各支路指向的旋转，在装调、测试过程中可以较好地提高工作效率；
6、本发明的接收判读模块可以测量各支路光束的同轴度，而一般的成像系统仅能完成指向的标定，而无法实现同轴度的测试，在接收判读模块中巧妙地使用了楔形分光镜，既可以将各支路的光线反射回收发准直模块进行指向测量，还可以将各支路的光线透射至判读成像器件，实现各支路光束同轴度的测量；
7、本发明使用的检测方法可以较为完美的解决测试系统自身收发同轴度的要求，可较大程度的提高光路中继单元的装调效率，具有很强的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的激光通信终端光路中继单元装检系统的结构示意图；
图2是本发明实施例所提供的激光通信终端光路中继单元装检系统中收发准直模块的结构示意图；
图3是本发明所实施例提供的激光通信终端光路中继单元装检系统光路中继单元的结构示意图；
图4是本发明实施例所提供的激光通信终端光路中继单元装检系统的三维结构示意图；
图5是本发明所提供的激光通信终端光路中继单元装检系统的光路中继单元装调过程示意图；
图6是本发明所提供的激光通信终端光路中继单元装检系统的接收判读模块测试光路示意图；
图中：1-收发准直模块；2-转动模块；3-中继单元；4-接收判读模块；5-激光器组件；6-一分三光纤耦合器；7-光纤法兰；8-半透半反镜；9-可见红外CCD；10-离轴抛面镜；11-可变光阑；12-折轴镜；13-精指向镜；14-1号分光镜；15-粗接收支路；16-2号分光镜；17-3号分光镜；18-通信接收支路；19-精接收支路；20-振镜；21-信号发射支路；22-楔形分光镜；23-主镜；24-次镜；25-判读成像器件。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的描述。
结合图1至图4，本实施例激光通信终端光路中继单元装检系统，包括沿光路依次设置的收发准直模块1、转动模块2和接收判读模块4。从图4可以看出，被测中继单元3固定在转动模块2上，收发准直模块1的光轴与转动模块2的转轴垂直，收发准直模块1的光轴与接收判读模块4的光轴垂直，接收判读模块4的光轴与转动模块2的转轴也垂直。
从图2可以看出，收发准直模块包括激光器组件5、光纤耦合器6、光纤法兰7、半透半反镜8、可见红外CCD 9、离轴抛面镜10及可变光阑11。激光器组件5与光纤耦合器6相连，光纤耦合器6与光纤法兰7相连，半透半反镜8位于光纤耦合器6的出射光路上，光纤耦合器6的芯径端面位置位于离轴抛面镜10经半透半反镜8反射的焦点处，可见红外CCD9的感光面位于离轴抛面镜10经半透半反镜8透射的焦面处，光纤耦合器6的芯径端面、可见红外CCD9的感光面相对离轴抛面镜10共焦面。可变光阑11位于转动模块2与离轴抛面镜10之间，用以调整输出激光孔径。本实施例激光器组件5包括3个输出波长不同的激光器，其他实施例中可根据实际需求增减激光器的数量。为使用方便，本实施例选用一分三光纤耦合器连接，输出波长可根据实际需要进行调整，波长范围从400～1700nm，一般为但不限于532nm、632.8nm、808nm、830nm、1541nm、1550nm。光纤耦合器6的接口为FC/PC口、FC/APC或SMA接口；光纤法兰7的接口为FC/PC口、FC/APC或SMA接口，并与光纤耦合器6接口匹配；半透半反镜8的材料一般为但不限于JGS3，光谱范围400nm～2500m，透射波前rms优于1/30λ；离轴抛面镜10的口径为60mm，焦距为500mm，波像差rms优于1/30λ；可变光阑11的口径为2mm～60mm可调。可见红外CCD9的光谱范围为500nm～1700nm，像元尺寸为15um，分辨率为640×512；在其他实施例中上述参数可根据实际要求进行调整。
从图4可以看出，本实施例转动模块为轴系含中心孔的单轴转台，主要特点是可使光束通过转台底部的五棱镜，穿过中心孔，并保证光束的指向与转台台面垂直，转台台面与转台转轴垂直，出射光束与转台转轴同轴。
从图3可以看出，本实施例被测中继单元包括折轴镜12、精指向镜13、1号分光镜14、粗接收支路15、2号分光镜16、3号分光镜17、通信接收支路18、精接收支路19、振镜20、信号发射支路21。所有中继单元将装在一个壳体内。其中，粗接收支路15与精接收支路19平行，中继单元光束通孔的法兰面的平面度优于0.01mm/100mm。
结合图1，本实施例接收判读模块由楔形分光镜22、主镜23、次镜24、判读成像器件25组成，楔形分光镜22的法线方向与收发准直模块的光轴平行。楔形分光镜22、主镜23、次镜24构成缩束系统，缩束系统的缩束倍率为15倍，结构形式为全反射双离轴抛面式，口径150mm，系统波像差优于1/20λ，缩束系统的空间位置关系预先与转台、收发准直模块进行过标定；楔形分光镜的分光比为1:1，楔角为5°，材料为JGS1，口径为150mm；判读成像器件，光谱范围为400～1000nm，像元尺寸为10um，分辨率为1024×1024。
利用上述装检系统不仅可以控制中继单元各支路发射光束的指向，也能控制中继单元各支路发射接收光束的同轴度，具体通过下述过程实现：
步骤一：按照图4将被测中继单元3通过专用工装安装在转动模块2上，保证被测中继单元3的安装面与转动模块2中转台台面平行，被测中继单元的发射出口与转台转轴同轴；
步骤二：开启激光器，发射波长为632.8nm，通过收发准直模块1准直为平行光束，经过转动模块2后进入被测中继单元3；
步骤三：如图5中①，安装中继单元内折轴镜12，调整内折轴镜12指向，使接收判读模块4中楔形分光镜22的反射像位于收发准直模块1中可见红外CCD9的中心像元，根据公式(1)、公式(2)计算目标像的质心位置坐标(x′,y′)，此指向为光路中继单元的光轴指向，其他支路均以此为基准，如图6所示；
Figure GDA0003245617800000121
Figure GDA0003245617800000122
式中：
i——像元的行序号，单位为像元个数；
j——像元的列序号，单位为像元个数；
DN(i,j)——第i行j列所对应像元灰度值，单位为DN值；
x′——目标像质心位置的横坐标，单位为像元个数；
y′——目标像质心位置的纵坐标，单位为像元个数。
步骤四：如图5中②，顺时针旋转转台90°(等同于光路中继单元3绕入射光轴旋转90°)，安装精指向镜13，调整精指向镜13指向，使楔形分光镜22的反射像位于收发准直模块1中可见红外CCD9的中心像元(x′,y′)，计算质心如公式(1)、公式(2)所示；调整精指向镜13的位置，使用判读成像器件25记录缩束后光斑的位置信息(x0,y0)，根据判读成像器件25记录的光斑位置能够反演出粗接收支路15接收光束的空间位置；
步骤五：如图5中③，插入1号分光镜14并调整姿态，使用判读成像器件25接收判读模块记录缩束后光斑的位置信息(x1,y1)，根据事先标定过的判读成像器件25与转动模块2的空间位置关系，解算出经过1号分光镜14透射光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为粗接收支路15对应的光束通孔；若不同轴，则调整1号分光镜14的姿态，直至经过1号分光镜14后的透射光束与粗接收支路15对应的光束通孔同轴；
如图5中④，顺时针旋转转台90°，调整1号分光镜14，使楔形分光镜22的反射像位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)，此时1号分光镜14的指向调整完毕；
步骤六：如图5中⑤与⑥，插入2号分光镜16，顺时针旋转转台90°，调整2号分光镜16姿态，使2号分光镜16的反射光束经过楔形分光镜22反射后，位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)；沿光轴方向平移2号分光镜16至某一位置，使用接收判读模块记录缩束后光斑的位置信息(x2,y2)，根据接收判读模块4与转动模块2的空间位置关系，解算出经过2号分光镜16后的折射光束是否与壳体的侧板的光束通孔同轴；该光束通孔为通信接收支路18对应的光束通孔；若不同轴，沿光轴方向平移2号分光镜16至另一位置，直至同轴；此时2号分光镜16的指向调整完毕；
步骤七：如图5中⑦，插入3号分光镜17，逆时针旋转转台90°，使用接收判读模块4查看3号分光镜17透射光束的位置信息(x3,y3)，根据接收判读模块4与转动模块2的空间位置关系，解算出经过3号分光镜17后的透射光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为通信接收支路18对应的光束通孔，若不同轴，调整3号分光镜17位置，直至经过3号分光镜17后的透射光束与通信接收支路18对应的光束通孔同轴；
如图5中⑧，逆时针旋转转台90°，调整3号分光镜17姿态，使3号分光镜17的反射光束经过楔形分光镜22反射后，位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)；沿光轴方向平移3号分光镜17，使用接收判读模块记录缩束后光斑的位置信息(x2,y2)，根据接收判读模块4与转动模块2的空间位置关系解算出经过3号分光镜17后的反射光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为精接收支路19对应的光束通孔，若不同轴，继续沿光轴方向平移3号分光镜17，直至经过3号分光镜17后的反射光束与精接收支路19对应的光束通孔同轴，此时3号分光镜17的指向调整完毕；
步骤八：如图5中⑨，插入振镜20，顺时针旋转转台90°，调整振镜20姿态，使振镜20的反射光束经过楔形分光镜22反射后，位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)；沿光轴方向平移振镜20，使用接收判读模块采集振镜反射光束的位置信息(x4,y4)，根据接收判读模块4与转动模块2的空间位置关系，解算出经过振镜20反射后的光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为与信号发射支路21对应的光束通孔，若不同轴，沿光轴方向继续平移振镜20，直至经过振镜20反射后的光束与信号发射支路21对应的光束通孔同轴；此时，振镜20的指向调整完毕；
步骤九：安装各个支路镜头，完成光路中继单元的安装。

Claims (12)

1.一种激光通信终端光路中继单元装检系统，所述中继单元包括壳体及位于壳体内部的折轴镜(12)、精指向镜(13)、1号分光镜(14)、粗接收支路(15)、2号分光镜(16)、3号分光镜(17)、通信接收支路(18)、精接收支路(19)、振镜(20)与信号发射支路(21)；其中，粗接收支路(15)与精接收支路(19)平行；壳体侧板对应信号发射支路(21)、通信接收支路(18)、粗接收支路(15)、精接收支路(19)部位开设光束通孔；
其特征在于：包括沿光路依次设置的收发准直模块(1)、转动模块(2)和接收判读模块(4)；所述收发准直模块(1)的光轴与接收判读模块(4)的光轴垂直，且收发准直模块(1)的光轴与接收判读模块(4)的光轴均与转动模块(2)的转轴垂直；
所述收发准直模块包括激光器组件(5)、光纤耦合器(6)、光纤法兰(7)、半透半反镜(8)、可见红外CCD(9)及离轴抛面镜(10)；所述激光器组件(5)与光纤耦合器(6)的一端相连，所述光纤耦合器(6)的另一端与光纤法兰(7)相连；所述半透半反镜(8)位于光纤耦合器(6)的出射光路中；所述离轴抛面镜(10)位于半透半反镜(8)的反射光路中；所述光纤耦合器(6)另一端的芯径端面位于从离轴抛面镜(10)经半透半反镜(8)反射光束的焦点处；所述可见红外CCD(9)的感光面位于从离轴抛面镜(10)经半透半反镜(8)透射光束的焦面处；光纤耦合器(6)另一端的芯径端面、可见红外CCD(9)的感光面相对离轴抛面镜(10)共焦面；
所述转动模块(2)用于安装中继单元(3)，实现中继单元(3)中各支路的指向调节，并将收发准直模块(1)的出射光束入射至中继单元(3)，将中继单元(3)的出射光束入射至收发准直模块(1)；
所述接收判读模块(4)用于接收并反射中继单元(3)的输出光束；包括缩束系统及判读成像器件(25)，所述缩束系统包括沿光路依次设置的楔形分光镜(22)、主镜(23)与次镜(24)，用于收集中继单元(3)输出不同位置的光束，所述判读成像器件(25)用于判读被测中继单元输出光束的位置。
2.根据权利要求1所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：所述转动模块(2)包括单轴转台及位于单轴转台顶部或底部的五棱镜，沿单轴转台轴向中心开设中心孔；光束穿过转台中心孔再通过五棱镜后出射，或通过五棱镜，穿过转台中心孔后出射。
3.根据权利要求1或2所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：激光器组件(5)包括n个激光器，光纤耦合器(6)为一分n光纤耦合器，n个激光器的输出端分别一一与一分n光纤耦合器的输入端相连，其中n为大于等于2的正整数。
4.根据权利要求3所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：所述收发准直模块(1)还包括可变光阑(11)；可变光阑(11)位于转动模块(2)与离轴抛面镜(10)之间。
5.根据权利要求4所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：所述光纤耦合器(6)的接口为FC/PC口、FC/APC或SMA接口；所述光纤法兰(7)的接口为FC/PC口、FC/APC或SMA接口，并与光纤耦合器(6)接口匹配。
6.根据权利要求5所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：所述半透半反镜(8)的材料为JGS3，光谱范围400nm～1500m，透射波前rms优于1/30λ。
7.根据权利要求6所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：所述可变光阑(11)的口径在2mm～60mm之间可调。
8.根据权利要求7所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：所述可见红外CCD(9)的光谱范围为500nm～1700nm，像元尺寸为15um，分辨率为640×512。
9.根据权利要求3所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：所述缩束系统的结构形式为全反射双离轴抛面式，系统波像差优于1/20λ。
10.根据权利要求9所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：所述楔形分光镜(22)的分光比为1:1，楔角为5°，材料为JGS1，口径为150mm。
11.根据权利要求10所述的激光通信终端光路中继单元装检系统，其特征在于：所述判读成像器件(25)光谱范围为400～1000nm，像元尺寸为10um，分辨率为1024×1024。
12.一种基于权利要求1-11任一所述的激光通信终端光路中继单元装检系统的检测方法，所述中继单元包括壳体及位于壳体内部的折轴镜(12)、精指向镜(13)、1号分光镜(14)、粗接收支路(15)、2号分光镜(16)、3号分光镜(17)、通信接收支路(18)、精接收支路(19)、振镜(20)与信号发射支路(21)；其中，粗接收支路(15)与精接收支路(19)平行；壳体侧板对应信号发射支路(21)、通信接收支路(18)、粗接收支路(15)、精接收支路(19)部位开设光束通孔；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将中继单元(3)壳体安装在转动模块(2)上，保证中继单元(3)壳体的安装面与转动模块(2)的台面平行，中继单元(3)壳体底部的发射出口与转动模块(2)转轴同轴；
步骤二：开启激光器组件(5)，发射波长为632.8nm的激光光束，通过收发准直模块(1)准直为平行光束，经过转动模块(2)后进入中继单元(3)；
步骤三：安装中继单元内折轴镜(12)，准直后的平行光束经折轴镜(12)反射至接收判读模块(4)，调整折轴镜(12)的指向，使接收判读模块(4)中楔形分光镜(22)的反射像位于收发准直模块(1)中可见红外CCD(9)的中心像元，根据公式(1)、公式(2)计算目标像的质心位置坐标，即可见红外CCD(9)的中心像元(x′,y′)，此指向为光路中继单元的光轴指向，其他支路均以此为基准：
Figure FDA0003245617790000041
Figure FDA0003245617790000042
式中：
i——像元的行序号，单位为像元个数；
j——像元的列序号，单位为像元个数；
DN(i,j)——第i行j列所对应像元灰度值，单位为DN值；
x′——目标像质心位置的横坐标，单位为像元个数；
y′——目标像质心位置的纵坐标，单位为像元个数；
步骤四：顺时针旋转转台90°，安装精指向镜(13)，调整精指向镜(13)，使粗接收支路(15)对准接收判读模块(4)，调整精指向镜(13)指向，使楔形分光镜(22)的反射像位于收发准直模块(1)中可见红外CCD(9)的中心像元(x′,y′)，计算质心如公式(1)、公式(2)所示；调整精指向镜(13)的位置，使用判读成像器件(25)记录缩束后光斑的位置信息(x0,y0)，根据判读成像器件(25)记录的光斑位置能够反演出粗接收支路(15)接收光束的空间位置；
步骤五：插入1号分光镜(14)并调整姿态，使用判读成像器件(25)记录缩束后光斑的位置信息(x1,y1)，根据接收判读模块(4)与转动模块(2)的空间位置关系，解算出经过1号分光镜(14)后的透射光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为粗接收支路(15)对应的光束通孔；若不同轴，则调整1号分光镜(14)的姿态，直至经过1号分光镜(14)后的透射光束与粗接收支路(15)对应的光束通孔同轴；
顺时针旋转转台90°，调整1号分光镜(14)，使楔形分光镜(22)的反射像位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)，此时1号分光镜(14)的指向调整完毕；
步骤六：插入2号分光镜(16)，顺时针旋转转台90°，调整2号分光镜(16)姿态，使2号分光镜(16)的反射光束经过楔形分光镜(22)反射后，位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)；沿光轴方向平移2号分光镜(16)至某一位置，使用接收判读模块记录缩束后光斑的位置信息(x2,y2)，根据接收判读模块(4)与转动模块(2)的空间位置关系，解算出经过2号分光镜(16)后的反射光束是否与壳体侧板的光束通孔同轴，该光束通孔为通信接收支路(18)对应的光束通孔；若不同轴，沿光轴方向平移2号分光镜(16)至另一位置，直至同轴；此时2号分光镜(16)的指向调整完毕；
步骤七：插入3号分光镜(17)，逆时针旋转转台90°，使用接收判读模块(4)查看3号分光镜(17)透射光束的位置信息(x3,y3)，根据接收判读模块(4)与转动模块(2)的空间位置关系，解算出经过3号分光镜(17)后的透射光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为通信接收支路(18)对应的光束通孔，若不同轴，调整3号分光镜(17)位置，直至经过3号分光镜(17)后的透射光束与通信接收支路(18)对应的光束通孔同轴；
逆时针旋转转台90°，调整3号分光镜(17)姿态，使3号分光镜(17)的反射光束经过楔形分光镜(22)反射后，位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)；沿光轴方向平移3号分光镜(17)，使用接收判读模块记录缩束后光斑的位置信息(x2,y2)，根据接收判读模块(4)与转动模块(2)的空间位置关系解算出经过3号分光镜(17)后的反射光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为精接收支路(19)对应的光束通孔，若不同轴，继续沿光轴方向平移3号分光镜(17)，直至经过3号分光镜(17)后的反射光束与精接收支路(19)对应的光束通孔同轴，此时3号分光镜(17)的指向调整完毕；
步骤八：插入振镜(20)，顺时针旋转转台90°，调整振镜(20)姿态，使振镜(20)的反射光束经过楔形分光镜(22)反射后，位于准直模块的可见红外CCD的中心像元(x′,y′)；沿光轴方向平移振镜(20)，使用接收判读模块采集振镜反射光束的位置信息(x4,y4)，根据接收判读模块(4)与转动模块(2)的空间位置关系，解算出经过振镜(20)反射后的光束是否与壳体光束通孔同轴，该光束通孔为与信号发射支路(21)对应的光束通孔，若不同轴，沿光轴方向继续平移振镜(20)，直至经过振镜(20)反射后的光束与信号发射支路(21)对应的光束通孔同轴；此时，振镜(20)的指向调整完毕；
步骤九：安装各个支路镜头，完成光路中继单元的安装。
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