CN113630183B - 多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端及同轴控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端及同轴控制方法。本发明包括发射光路、信号接收光路、跟踪光路；发射光路和接收光路通过分束器一合束，接收光路通过分束器二分解为两路,一路用作信号接收光路,另一路用作跟踪光路；还包括发射光路中的傍轴参考光束、信号接收光路中的傍轴参考光束；在终端的中间像面处设置一折转平面镜，使得发射光路、信号接收光路均通过折转平面镜完成反射，在所述折转平面镜上距离其工作光束的有效口径距离为s处内嵌一参考光纤并使得参考光纤的端面与折转平面镜共面，用于接收发射光路中的傍轴参考光束和信号接收光路中的傍轴参考光束。本发明实现各光路在终端使用过程中持续稳定地维持良好的同轴度。
Description
技术领域
本发明涉及一种多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端及同轴控制方法，属于星地激光通信的地面终端技术领域。
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。
目前的星地激光通信中的地面终端一般口径为500~1500mm。一方面,由于工作时需处于敞开的室外环境,其口径大,不能整机处于良好的温度控制下,另一方面,后光路中包含多种发热零部件,以及太阳照射下的受热不均等因素,导致不可避免发生光机热变形,从而使得后光路中的多路光路之间不能维持较高精度的光轴同轴度, 其典型光轴误差为5~20角秒,是限制地面终端工程实用性的重要因素。
而随着卫星互联网的发展,星地激光通信需要在全球多点布站,利用地理位置分集方式提高卫星互联网的综合可用性,而对于气候条件恶劣的地理位置,其光轴一致性的实现难度更大.为提高星地激光通信链路的可用性,提高其长时间工作稳定性,星地激光通信工程应用需求对其光轴收发稳定性提出了更高的要求。对于500mm口径地面终端,其收发同轴稳定性需要做到1角秒之内,才能维持良好的收发效率。
在现有的激光通信终端中，一般采用使用前提前一段时间标定各光路的光轴同轴性的方式。该方式主要存在以下技术问题：（1）标定后到开始,各光路的光轴一致性误差随时间和温度分布场情况而逐渐变化,难以长时间维持,对标定的时效性要求高; (2) 对地面终端的光机结构设计依然有苛刻的要求,需要采用低膨胀系数的结构材料和低膨胀系数的光学材料配合,以降低温度敏感性,导致整个地面终端的重量重,控制性能受限, 且造价高;（3）地面终端的光轴标定过程耗时长,且标定后不能维持较长时间的稳定工作,降低了地面终端的使用效率。
发明内容
本发明针对地面终端中对各收发光路光轴同轴稳定性的技术需求，提出了一种多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端及同轴控制方法，用于通过内部闭环控制,实现各光路在终端使用过程中持续稳定地维持良好的同轴度，克服了现有地面终端存在的标定繁琐,对光机稳定性要求高和使用效率偏低等工程实用性不强的弊病。
该终端采用了内部小角度的傍轴激光束作为参考光束,控制器通过傍轴参考光束的测试结果控制倾斜镜,可实时修正各光路光轴,使各光路同轴,且在工作过程中稳定地保持同轴性,具有稳定性高,适合工作于恶劣环境的优势,在降低地面终端的光机制造成本的同时,大幅度提高了地面终端的使用效率。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，包括发射光路、信号接收光路、跟踪光路；其中发射光路和接收光路通过分束器一合束，接收光路通过分束器二分解为两路,一路用作信号接收光路,另一路用作跟踪光路；还包括发射光路中的傍轴参考光束、信号接收光路中的傍轴参考光束；在终端的中间像面处设置一折转平面镜，使得发射光路、信号接收光路均通过折转平面镜完成反射，反射角为θ，工作光束的有效口径为D，在所述折转平面镜上距离其工作光束的有效口径距离为s处内嵌一参考光纤并使得参考光纤的端面与折转平面镜共面，用于接收发射光路中的傍轴参考光束和信号接收光路中的傍轴参考光束；参考激光器一发出的光束经过光纤分束器后进入参考光纤后,再经过跟踪光路会聚到跟踪探测器上形成参考光斑。
进一步地，所述多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，包括收发望远镜、倾斜镜一、折转平面镜、分束器一、分束器二、跟踪镜头、跟踪探测器、倾斜镜二、信号接收镜头、信号接收光纤束、信号接收探测器、倾斜镜三、发射镜头、发射光纤束、发射激光器、参考光纤、光纤分束器、光电探测器、参考光激光器一、参考光激光器二、参考光激光器三、控制器；
所述发射激光器发射的激光束通过发射光纤束中一根光纤发送，经发射镜头整形后由经倾斜镜三、分束器一反射, 再经折转平面镜，倾斜镜一和收发望远镜,发射出终端，形成发射光路；
对面终端入射的信号激光光束经收发望远镜、再经倾斜镜一、折转平面镜的反射，分束器一透射、分束器二反射, 再经倾斜镜二反射后,由信号接收镜头对其进行会聚,并耦合进入信号接收光纤束中的一根光纤, 再被信号接收探测器接收，形成信号接收光路；
对面终端入射的信号激光光束经收发望远镜、再经倾斜镜一、折转平面镜的反射，分束器一透射、分束器二透射，再经跟踪镜头后会聚于跟踪探测器上形成跟踪光路；
发射光路中的傍轴参考光束：由参考光激光器三所发射的激光，通过发射光纤束中的另一根光纤发射, 经发射镜头整形后由经倾斜镜三、分束器一反射, 抵达折转平面镜；
信号接收光路中的傍轴参考光束：由参考激光器二所发射的激光,反向经过信号接收光纤束中的另一根光纤,经信号接收镜头整形,由经倾斜镜二,分束器二反射, 并经分束器一透射后,抵达折转平面镜；
参考光激光器一所发出的光束经过光纤分束器后进入参考光纤后,通过折转平面镜后,再透过分束器一和分束器二, 经跟踪镜头会聚到跟踪探测器上形成光斑作为参考角度；
所述控制器用于控制参考激光器一、参考激光器二、参考激光器三的发射,包括对其进行开关、功率调节,以及进行幅度调制；所述控制器还用于对光电探测器的信号进行分析；对倾斜镜一、倾斜镜二、倾斜镜三进行倾斜角度控制。
进一步地，在发射光路中加入提前瞄准镜和二色反射镜/偏振分束平板形成带提前瞄准功能的发射光路，其中二色反射镜/偏振分束平板位于提前瞄准镜前方,且两者平行，提前瞄准镜和二色反射镜/偏振分束平板的组合设置在倾斜镜三的前方或者后方。
进一步地，所述发射激光器与发射光纤束之间和/或所述参考激光器三与发射光纤束之间和/或所述参考激光器二与信号接收光纤束之间和/或所述参考激光器一与光纤分束器之间设置有光放大EDFA。
进一步地，所述发射光路包括信号发射和信标发射两路发射光束，两路发射光束相互独立,具有各自的参考光束;或者两路发射光束采用共光纤发射方式共用同一个参考光束。
进一步地，所述折转平面镜上工作光束的入射角度θ为15度，参考光纤和工作光路的有效口径区域D的中心的间距s为0.8mm；所述参考光纤在折转平面镜上的安装方法是：采用超声波打孔方式,在折转平面反射镜上实现直径为0.1mm的孔,该孔的锥角为10~15度，将参考光纤剥掉包层后插入到该孔中,并采用紫外固化胶对光纤头部进行固定后采用硅胶对该孔的空隙进行填充和加固；之后,对折转平面镜进行研磨和抛光,使得参考光纤的端面与折转平面镜成为一个整体；在对参考光纤的端面局部进行保护涂层的情况下,对折转平面镜进行镀膜,镀膜后去掉参考光纤端面的保护涂层, 使得参考光纤的端面裸露,从而可以接收和发射光信号。
进一步地，所述分束器一反射1535nm和785nm的光束, 透射1550nm和830nm的光束；所述分束器二反射1550nm的光束, 透射830nm的光束；两者均为平行平板方式；所述光纤分束器的分束比例为50%：50%, 插损为3dB。
进一步地，令发射光路中,从发射光纤束到折转平面镜处中间像面的横向放大倍率为mt, 则发射光纤束中采用的两根光纤的中心间距应为:st = s/mt; 令信号接收光路中，从信号接收光纤束到折转平面镜处中间像面的横向放大倍率为mr, 则信号接收光纤束中采用的两根光纤的中心间距应为:sr = s/mr。
上述多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端的同轴控制方法，该方法为：
令跟踪光路中,从折转平面镜处中间像面到跟踪探测器的横向放大倍率为mb, 则跟踪探测器上工作光斑位置与参考光束所形成的光斑位置存在横向偏差:sb=s*mb；
理想状态下，参考激光器二和参考激光器三所发出的激光束会聚于折转平面镜上的参考光纤的中心,此时光电探测器探测到的光信号最强；参考光激光器一在跟踪探测器上形成光斑，其光斑位置为(x0, y0)作为参考角度, 控制器控制跟踪探测器上的工作光束至目标位置(x0+s*mb, y0)处，跟踪光路的光轴与信号接收光路光轴一致，且与发射光轴一致，地面终端的三根光路光轴平行；
当地面终端受到扰动后光电探测器所测得的光功率数值下降,控制器通过对倾斜镜二和倾斜镜三进行调节，使得光电探测器的光功率最大；此时,参考光激光器一所发出的光束在跟踪探测器上的位置为(x’, y’), 控制器调整其对工作光斑的控制过程中的目标值,将跟踪探测器上的工作光斑的位置控制到(x’+s*mb, y’)，从而使得跟踪光轴与发射光轴和信号接收光轴保持同轴。
有益效果：
1.本发明包括发射光路中的傍轴参考光束、信号接收光路中的傍轴参考光束，控制器通过傍轴参考光束的测试结果控制倾斜镜,可实时修正各光路光轴,使各光路同轴,且在工作过程中稳定地保持同轴性,具有稳定性高,适合工作于恶劣环境的优势,在降低地面终端的光机制造成本的同时,大幅度提高了地面终端的使用效率。
2.本发明利用倾斜镜三的角度调节能力，可实现发射光纤束的角度在一定范围的二维偏转；利用倾斜镜二的角度调节能力，可实现接收光路光束角度在一定范围内实现二维偏转；利用倾斜镜一的角度调节能力，可实现发射光路,信号接收光路及跟踪光路三路光束在一定角度范围内进行相同幅度的二维偏转，从而瞄准和跟踪另一侧的通信终端。高分辨率的倾斜镜可实现对发射光路等效光轴进行0.1urad分辨率的精确调节。
本发明的其他有益效果，在具体实施方式中进一步说明。
附图说明
图1是本发明的终端总体组成光路图；
图2是内嵌参考光纤的折转平面镜的结构示意图；
图3是本发明的实施例2中所述带提前瞄准功能的发射光路；
图4是本发明的实施例3中所述带提前瞄准功能的发射光路；
图5是本发明的实施例6中采用分束方式从工作光束中分离出参考光束的示意图，图5中（a）采用光栅分束（b）采用棱镜分束。
图中的附图标记含义：1、收发望远镜，2、倾斜镜一， 3、折转平面镜，4、分束器一，5、分束器二，6、跟踪镜头，7、跟踪探测器，8、倾斜镜二， 9、信号接收镜头，10、信号接收光纤束，18、信号接收探测器，11、倾斜镜三，12、发射镜头，13、发射光纤束，20、发射激光器，14、参考光纤，15、光纤分束器，16、光电探测器，17、参考光激光器一，19、参考光激光器二， 21、参考光激光器三，22、控制器，23、提前瞄准镜，24、二色反射镜，25、偏振分束平板，26、发射光纤，27、光栅，28、棱镜，29、虚拟点光源，30、孔，31、工作光束一，32、工作光束二，33、参考光束。
具体实施方式
本发明提供一种多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，包括发射光路、信号接收光路、跟踪光路；其中发射光路和接收光路通过分束器一合束，接收光路通过分束器二分解为两路,一路用作信号接收光路,另一路用作跟踪光路；还包括发射光路中的傍轴参考光束、信号接收光路中的傍轴参考光束；在终端的中间像面处设置一折转平面镜，使得发射光路、信号接收光路均通过折转平面镜完成反射，反射角为θ，工作光束的有效口径为D，在所述折转平面镜上距离其工作光束的有效口径距离为s处内嵌一参考光纤并使得参考光纤的端面与折转平面镜共面，用于接收发射光路中的傍轴参考光束和信号接收光路中的傍轴参考光束；参考激光器一发出的光束经过光纤分束器后进入参考光纤后,再经过跟踪光路会聚到跟踪探测器上形成参考光斑。
实施例1：
如图1-2所示，本实施例的多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，由收发望远镜1、倾斜镜一2、折转平面镜3、分束器一4、分束器二5、跟踪镜头6、跟踪探测器7、倾斜镜二8、信号接收镜头9、信号接收光纤束10、信号接收探测器18、倾斜镜三11、发射镜头12、发射光纤束13、发射激光器20、参考光纤14、光纤分束器15、光电探测器16、参考光激光器一17、参考光激光器二19、参考光激光器三21、控制器22组成。上述部件组成发射光路、信号接收光路、跟踪光路，同时为了对上述三路光路的光轴同轴性进行控制,在激光通信终端中,增加了与工作光束之间有小角度差异的傍轴光束辅助光路,并通过使用内嵌在折转平面镜3中的参考光纤14对傍轴光束进行探测和发射,基于控制器22对倾斜镜二8和倾斜镜三11进行实时闭环调节,从而控制使得各光路的光轴一致,且在工作中保持良好的稳定性。具体地：
发射光路：发射激光器20发射的激光束通过发射光纤束13中一根光纤发送,经发射镜头12整形,由经倾斜镜三11、分束器一4反射, 再经折转平面镜3,倾斜镜一2和收发望远镜1,发射出终端，利用倾斜镜三11的角度调节能力,可实现发射光纤束的角度在一定范围的二维偏转,高分辨率的倾斜镜可实现对发射光路等效光轴进行0.1urad分辨率的精确调节。
信号接收光路：对面终端入射的信号激光光束经收发望远镜1、倾斜镜一2,折转平面镜3,分束器一4透射,分束器二5反射, 再经倾斜镜二8后,由接收镜头9对其进行会聚,并耦合进入接收光纤束10中的一根光纤, 再被接收探测器18接收.利用倾斜镜二8的角度调节能力,可实现接收光路光束角度在一定范围内实现二维偏转,高分辨率的倾斜镜可实现对接收光路等效光轴进行0.1urad分辨率的精确调节。
跟踪光路：对面终端入射的激光光束经收发望远镜1、倾斜镜一2,折转平面镜3,分束器一4透射,分束器二5透射, 再经跟踪镜头6后会聚于跟踪探测器7上.跟踪探测器7所获得的光斑位置信息可以用于指导地面终端与对面终端进行精确对准.利用倾斜镜一2的角度调节能力,可实现发射光路,信号接收光路及跟踪光路三路光束在一定角度范围内进行相同幅度的二维偏转,从而瞄准和跟踪另一侧的通信终端.高分辨率的倾斜镜可实现对三路光路的等效光轴进行0.1urad分辨率的精确调节。
折转平面镜3位于该系统的中间像面处或临近位置。折转平面镜3的组成如下图2所示:工作光束一31和工作光束二32通过折转平面镜完成反射,本实施例中的工作光束一和工作光束二分别为发射光路的光束和信号接收光路的光束。其入射角和反射角均为θ,工作光束在折转平面镜上实际使用的有效口径极小，直径为D。在与其有效口径中心距离s处，开有孔30，参考光纤14通过该孔，并在孔30中填充胶将参考光纤14固定。如果将参考光纤14的前端面与折转平面镜3一起进行研磨抛光，使之参考光纤14的端面与折转平面镜3共面,则可扩大折转平面镜3的工作区域范围。
折转平面镜3内嵌有参考光纤14，一方面用于接收由参考光激光器二19和参考光激光器三21所发出的两束参考光束，并经过光纤分束器15后,使用光电探测器16对上述两束参考光束进行探测；另一方面，参考光激光器一17所发出的光束经过光纤分束器15后进入参考光纤14后，通过折转平面镜3后,再透过分束器一4和分束器二5, 经跟踪镜头6会聚到跟踪探测器7。假定跟踪光路中,从折转平面镜3处中间像面到跟踪探测器的横向放大倍率为mb, 则跟踪探测器上工作光斑位置与参考光束所形成的光斑位置应当存在横向偏差:sb=s*mb。
发射光路中的傍轴参考光束：由参考光激光器三21所发射的激光,通过发射光纤束13中的另一根光纤发射,与发射光路类似的路径,经发射镜头12整形,由经倾斜镜三11、分束器一4反射, 抵达折转平面镜3。假定发射光路中，从发射光纤束13到折转平面镜3处中间像面的横向放大倍率为mt, 则发射光纤束中才采用的两根光纤的中心间距应为:st =s/mt;倾斜镜三11可在控制器22的控制下进行二维角度偏转,对参考激光器三21所发射的参考光束和激光通信终端的发射光轴进行同步调节。
信号接收光路中的傍轴参考光束：由参考激光器二19所发射的激光，反向经过信号接收光纤束10中的另一根光纤,经信号接收镜头整形9,由经倾斜镜二8，分束器二5反射,分束器一4透射后，抵达折转平面镜3。假定信号接收光路中,从信号接收光纤束10到折转平面镜3处中间像面的横向放大倍率为mr, 则信号接收光纤束中采用的两根光纤的中心间距应为:sr = s/mr;倾斜镜二8可在控制器22的控制下进行二维角度偏转,对参考激光器二19所发射的参考光束和激光通信终端的信号接收光轴进行同步调节；
光轴稳定性控制系统的工作原理如下:
在理想情况下,参考激光器二19和参考激光器三21所发出的激光束均正好会聚于折转平面镜3上的参考光纤14的中心，此时，光电探测器16探测到的光信号最强,参考光激光器一17在跟踪探测器7上形成光斑,其光斑位置为(x0, y0)作为参考角度, 终端的跟踪控制算法应当控制跟踪探测器7上的工作光束至目标位置(x0+s*mb, y0)处，跟踪光路的光轴与信号接收光路光轴一致，且与发射光轴一致，地面终端的三根光路光轴平行。
当地面终端受到各类光机热变形和重力变形等扰动后，光路中各光学元件的角度和位移发生微小变化，该微小变化对于光学系统的光轴角度来说是不可忽略的。由于地面终端中的傍轴参考光束与工作光束之间是接近共路关系，而同一光纤束中的两根光纤的相对位置变化完全可以忽略，且跟踪探测器上的像元之间位置关系变化也可以忽略，因此，可以认为在存在热变形和重力变形等情况下，傍轴参考光束和工作光束之相对角度关系是稳定的，不随热变形和重力变形而变化。
当地面终端受到各类光机热变形和重力变形等扰动后，光电探测器16所测得的光功率数值下降,控制器22通过对倾斜镜二8和倾斜镜三11进行调节,基于最优算法(例如SPGD, stochastic parallel gradient descent algorithm),使得光电探测器16的光功率最大。此时，参考光激光器一17所发出的光束在跟踪探测器7上的位置为(x’, y’), 地面终端的跟踪控制算法调整其对工作光斑的控制过程中的目标值,将跟踪探测器上的工作光斑的位置控制到(x’+s*mb, y’). 从而使得跟踪光轴与发射光轴和信号接收光轴保持同轴。
上述基于光电探测器16的光功率实现对三路光路的同轴控制过程，根据需要，可以在激光通信终端的工作过程中持续工作，始终维持其控制状态；也可每经过一段时间执行一次闭环控制过程,即对光路进行间断性地修正；在地面终端的工作环境条件非常稳定的情况下，也可以工作开始前进行一次修正，在工作过程中不修正。
控制器22可以独立地控制各个参考光源激光器的发射，可以对其进行开关，功率调节，以及进行幅度调制；并可以结合上述控制进行相应的光轴校正。例如，对参考光激光器二19和参考光激光器三21分别采用不同频率的正弦信号进行调制时，对光电探测器16的信号进行加窗傅里叶分析，便可独立地得到两束光的光功率数值，从而可对倾斜镜二8和倾斜镜三11进行独立的优化控制，提高控制效率和控制精度。
实施例2：
如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的发射光路设计为带提前瞄准功能的发射光路，通过在光路中增加提前瞄准镜23和二色反射镜24；二色反射镜24位于提前瞄准镜23前方，且两者接近平行。参考光束与工作光束的波长存在一定差异，参考光束通过二色反射镜反射， 而工作光束(即发射光束)透过二色反射镜24后，被提前瞄准镜23反射，再次透过二色反射镜24。提前瞄准镜23可实现在不影响参考光束的情况下，对发射光束进行独立控制, 以实现发射光束相对于地面终端的角度存在提前角差异。其中，光束通过二色反射镜24和提前瞄准镜23组合和通过倾斜镜三11的顺序没有限制。
实施例3：
如图4所示，本实施例与实施例2的不同之处在于，由于参考光束和发射光束的偏振不同,本实施例中使用偏振分束平板25替代二色分束镜24，使得参考光束被偏振分束平板25反射，而发射光束先后经过偏振分束平板25透射，再被提前瞄准镜23反射，再经偏振分束平板25透射。
实施例4：
本实施例与实施例1-3的不同之处在于，各光路可以根据需要在激光器和光纤之间加入光放大EDFA. 也可以根据需要在光纤和信号探测器之间加入光放大EDFA. 光路中可根据需要加入滤光片。
实施例5：
本实施例与上述实施例的不同之处在于，发射光路可以包括信号发射和信标发射两路;两路光束可以独立,具有各自的参考光束；也可以采用信号和信标共光纤方式发射方式,共用同一个参考光束。
实施例6：
如图5所示，本实施例与上述实施例的不同之处在于，对于发射光路，除了使用发射光纤束中的另一根光纤发射参考光束外，还可以采用光栅27，或棱镜28等分光方式实现，从工作光束中分离一部分能量使之形成虚拟点光源29，此虚拟点光源可以当作参考光束。然而，通过该方式的参考光源不能独立进行开关和调制；且其偏振和波长与工作光束一致,不能直接使用上述方式实现提前角独立调节。因此丧失了一部分有益效果。
应用实例：
以本公司研制的朝阳山500mm激光通信地面终端为参考,其典型的实现方案如下：
收发望远镜1的口径为500mm, 为卡式反射系统,其中主镜为抛物面,次镜为凸双曲面,中心遮拦约为20%; 光学系统焦距约为5500mm, 相对口径约为F/11。
倾斜镜一2采用德国PI公司的产品,其口径约为为40mm, 工作角度为+/-2mrad,在该终端中使用时,其闭环控制带宽约为300Hz.倾斜镜二8和倾斜镜三11的有效口径分别为30mm和15mm; 工作角度为+/-2mrad, 在该终端中使用时,其闭环控制带宽约为300Hz。
折转平面镜3为直径40mm的平面镜,材料为融石英;参考光纤14采用单模光纤,芯径9um, NA0.14, 型号为CorningSMF28+.折转平面镜3在光路中的入射角度θ为15度;参考光纤14和工作光路的有效口径区域中心的间距为0.8mm. 采用超声波打孔方式,在折转平面镜3上实现直径为0.1mm的孔,改孔的锥角为10~15度;将]参考光纤14剥掉包层后插入到该孔中,并采用紫外固化胶对光纤头部进行固定,并采用硅胶对该孔的更多空隙进行填充和加固;之后,对折转平面镜3进行研磨和抛光,使得参考光纤14的端面与折转平面镜3成为一个整体;在对参考光纤14的端面局部进行保护涂层的情况下,对折转平面镜3进行镀膜,镀膜后去掉保护涂层, 使得参考光纤14的端面可以裸露,从而可以接收和发射光信号。
分束器一4反射1535nm和785nm, 透射1550nm和830nm;分束器二5反射1550nm, 透射830nm. 两者均为平行平板方式, 为减小平行平板的透射误差,平行平板的两面之间存在一定楔角,以实际设计中像差最小为依据;光纤分器15的分束比例为50%:50%, 插损为3dB。
跟踪镜头6的焦距为200mm, 该光路从中间项目到跟踪探测器的放大倍率为mb=1.0;跟踪探测器7采用了CMOS探测器,分辨率为1280*1024, 像素尺寸为5um. 参考光束的光斑尺寸与闭环控制时工作光斑的目标点在水平方向上距离为0.8mm, 为160像素.该CMOS相机以双ROI区域方式工作,其中参考光束的ROI区域大小为50x50像素; 而工作光斑的ROI区域取100x100像素.实践表明,在完成正常初始化后,运行过程中两者光斑均不会超过该ROI区域。
信号接收镜头9的焦距为94mm, 信号接收光路的像方F数为F/4.7； 从中间像面处折转平面镜3到信号接收光纤束10的放大倍率为0.5,信号接收光纤束10中,实际仅采用其中的两根单模光纤,光纤芯径9微米,NA0.14, 两根光纤之间沿x方向的间距为0.4mm。
发射镜头12的焦距为14mm, 从发射光纤束13到从中间像面处折转平面镜3的放大倍率为10倍, 发射光纤束13中,实际仅采用其中的两根单模光纤,光纤芯径9微米,NA0.14,两根光纤之间沿x方向的间距为0.08mm。发射镜头12输出的光束,最终被光学望远镜1准直时,得到口径为150mm的激光光束,该激光光束采用离轴口径发射方式,以避开次镜中心遮拦。
参考光激光器一17的输出波长为830nm;参考光激光器二19的输出波长为1550nm,参考光激光器三21的输出波长为1535nm; 三者的最大输出功率均为1mW, 输出功率可调,并可以通过控制器22对其进行幅度调制, 幅度调制的频率最高为10kHz, 可按正弦波调制,也可以按照PWM方波方式进行调制。
控制器22采用FPGA和DSP共同实现，控制,22可独立工作,也可与PC连接,在PC上可进行图形化操作,并在PC上实时显示光轴度控制情况。
优化算法:对参考光激光器二19和参考光激光器三21均采用正弦波的幅度调制,调制频率分别取为2000Hz和7777Hz。 通过对光电探测器16的加窗傅里叶变换分别得到两路光的光功率.对两路光分别调节各自的倾斜镜,即倾斜镜二8和倾斜镜三11, 算法采用SPGD(stochastic parallel gradient descent algorithm)标准算法,两个独立的闭环控制,各自对应两个变量,共计4个变量。
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 (8)
1.一种多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，包括发射光路、信号接收光路、跟踪光路；其特征在于，发射光路和接收光路通过分束器一（4）合束，接收光路通过分束器二（5）分解为两路,一路用作信号接收光路,另一路用作跟踪光路；还包括发射光路中的傍轴参考光束、信号接收光路中的傍轴参考光束；在终端的中间像面处设置一折转平面镜（3），使得发射光路、信号接收光路均通过折转平面镜（3）完成反射，反射角为θ，工作光束的有效口径为D，在所述折转平面镜（3）上距离其工作光束的有效口径距离为s处内嵌一参考光纤（14）并使得参考光纤（14）的端面与折转平面镜（3）共面，用于接收发射光路中的傍轴参考光束和信号接收光路中的傍轴参考光束；参考激光器一（17）发出的光束经过光纤分束器（15）进入参考光纤（14）后,再经过跟踪光路会聚到跟踪探测器（7）上形成参考光斑；控制器（22）通过对倾斜镜二（8）和倾斜镜三（11）进行调节，使得光电探测器（16）的光功率最大；控制器（22）调整其对工作光斑的控制过程中的目标值，将跟踪探测器（7）上的工作光斑的位置控制到相应位置；
所述多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，包括收发望远镜（1）、倾斜镜一（2）、折转平面镜（3）、分束器一（4）、分束器二（5）、跟踪镜头（6）、跟踪探测器（7）、倾斜镜二（8）、信号接收镜头（9）、信号接收光纤束（10）、信号接收探测器（18）、倾斜镜三（11）、发射镜头（12）、发射光纤束（13）、发射激光器（20）、参考光纤（14）、光纤分束器（15）、光电探测器（16）、参考光激光器一（17）、参考光激光器二（19）、参考光激光器三（21）、控制器（22）；
所述发射激光器（20）发射的激光束通过发射光纤束（13）中一根光纤发送，经发射镜头（12）整形后由经倾斜镜三（11）、分束器一（4）反射, 再经折转平面镜（3），倾斜镜一（2）和收发望远镜（1）,发射出终端，形成发射光路；
对面终端入射的信号激光光束经收发望远镜（1）、再经倾斜镜一（2）、折转平面镜（3）的反射，分束器一（4）透射、分束器二（5）反射, 再经倾斜镜二（8）反射后,由信号接收镜头（9）对其进行会聚,并耦合进入信号接收光纤束（10）中的一根光纤, 再被接收探测器（18）接收，形成信号接收光路；
对面终端入射的信号激光光束经收发望远镜（1）、再经倾斜镜一（2）、折转平面镜（3）的反射，分束器一（4）透射、分束器二（5）透射，再经跟踪镜头（6）后会聚于跟踪探测器（7）上形成跟踪光路；
发射光路中的傍轴参考光束：由参考光激光器三（21）所发射的激光，通过发射光纤束（13）中的另一根光纤发射, 经发射镜头（12）整形后由经倾斜镜三（11）、分束器一（4）反射,抵达折转平面镜（3）；
信号接收光路中的傍轴参考光束：由参考激光器二（19）所发射的激光,反向经过信号接收光纤束（10）中的另一根光纤,经信号接收镜头（9）整形,由经倾斜镜二（8）,分束器二（5）反射, 并经分束器一（4）透射后,抵达折转平面镜（3）；
参考光激光器一（17）所发出的光束经过光纤分束器（15）后进入参考光纤（14）后,通过折转平面镜（3）后,再透过分束器一（4）和分束器二（5）, 经跟踪镜头（6）会聚到跟踪探测器（7）上形成光斑作为参考角度；
所述控制器（22）用于控制参考激光器一（17）、参考激光器二（19）、参考激光器三（21）的发射,包括对其进行开关、功率调节,以及进行幅度调制；所述控制器（22）还用于对光电探测器（16）的信号进行分析；对倾斜镜一（2）、倾斜镜二（8）、倾斜镜三（11）进行倾斜角度控制。
2.根据权利要求1所述的多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，其特征在于，在发射光路中加入提前瞄准镜（23）和二色反射镜（24）/偏振分束平板（25）形成带提前瞄准功能的发射光路，其中二色反射镜（24）/偏振分束平板（25）位于提前瞄准镜（23）前方,且两者平行，提前瞄准镜（23）和二色反射镜（24）/偏振分束平板（25）的组合设置在倾斜镜三11的前方或者后方。
3.根据权利要求1或2所述的多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，其特征在于，所述发射激光器（20）与发射光纤束（13）之间和/或所述参考激光器三（21）与发射光纤束之间（13）和/或所述参考激光器二（19）与信号接收光纤束（10）之间和/或所述参考激光器一（17）与光纤分束器（15）之间设置有光放大EDFA。
4.根据权利要求1或2所述的多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，其特征在于，所述发射光路包括信号发射和信标发射两路发射光束，两路发射光束相互独立,具有各自的参考光束；或者两路发射光束采用共光纤发射方式共用同一个参考光束。
5.根据权利要求1或2所述的多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，其特征在于，所述折转平面镜（3）上工作光束的入射角度θ为15度，参考光纤（14）和工作光路的有效口径区域D的中心的间距s为0.8mm；所述参考光纤（14）在折转平面镜（3）上的安装方法是：采用超声波打孔方式,在折转平面镜（3）上实现直径为0.1mm的孔（30）, 孔（30）锥角为10~15度，将参考光纤剥掉包层后插入到该孔（30）中,并采用紫外固化胶对光纤头部进行固定后采用硅胶对该孔的空隙进行填充和加固；之后,对折转平面镜（3）进行研磨和抛光,使得参考光纤（14）的端面与折转平面镜（3）成为一个整体；在对参考光纤（14）的端面局部进行保护涂层的情况下,对折转平面镜（3）进行镀膜,镀膜后去掉参考光纤端面的保护涂层, 使得参考光纤（14）的端面裸露,从而可以接收和发射光信号。
6.根据权利要求1或2所述的多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，其特征在于，所述分束器一（4）反射1535nm和785nm的光束, 透射1550nm和830nm的光束；所述分束器二（5）反射1550nm的光束, 透射830nm的光束；两者均为平行平板方式；所述光纤分束器（15）的分束比例为50%：50%, 插损为3dB。
7.根据权利要求1或2所述的多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，其特征在于，令发射光路中,从发射光纤束（13）到折转平面镜（3）处中间像面的横向放大倍率为mt, 则发射光纤束中（13）采用的两根光纤的中心间距应为:st = s/mt; 令信号接收光路中，从信号接收光纤束（10）到折转平面镜（3）处中间像面的横向放大倍率为mr, 则信号接收光纤束（10）中采用的两根光纤的中心间距应为:sr = s/mr。
8.一种应用于权利要求1-7任一项所述的多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端的同轴控制方法，其特征在于，该方法为：
令跟踪光路中,从折转平面镜（3）处中间像面到跟踪探测器（7）的横向放大倍率为mb,则跟踪探测器（7）上工作光斑位置与参考光束所形成的光斑位置存在横向偏差:sb=s*mb；
理想状态下，参考激光器二（19）和参考激光器三（21）所发出的激光束会聚于折转平面镜（3）上的参考光纤（14）的中心，此时光电探测器（16）探测到的光信号最强；参考光激光器一（17）在跟踪探测器（7）上形成光斑，其光斑位置为(x0, y0)作为参考角度, 控制器（22）控制跟踪探测器（7）上的工作光束至目标位置(x0+s*mb, y0)处，跟踪光路的光轴与信号接收光路光轴一致，且与发射光轴一致，地面终端的三根光路光轴平行；
当地面终端受到扰动后光电探测器所测得的光功率数值下降,控制器（22）通过对倾斜镜二（8）和倾斜镜三（11）进行调节，使得光电探测器（16）的光功率最大；此时,参考光激光器一（17）所发出的光束在跟踪探测器（7）上的位置为(x’, y’), 控制器（22）调整其对工作光斑的控制过程中的目标值,将跟踪探测器（7）上的工作光斑的位置控制到(x’+s*mb,y’)，从而使得跟踪光轴与发射光轴和信号接收光轴保持同轴。
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Denomination of invention: Laser communication ground terminal and coaxial control method for multi optical path optical axis automatic coaxial Effective date of registration: 20231011 Granted publication date: 20211228 Pledgee: Industrial and Commercial Bank of China Limited Nanjing Science and technology sub branch Pledgor: NANJING INTANE OPTICS ENGINEERING Co.,Ltd. Registration number: Y2023980060754 |