CN114142942A - 一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端 - Google Patents

Abstract

一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端涉及光学精密仪器技术领域，解决了需求一种兼具大幅宽成像和高速数传的非独立系统的问题，一体化终端的二维扫描镜机构的摆镜、改进的卡塞格林系统和后光路组件顺次设置；一体化终端具有光学成像和激光通信模式，光学成像模式基于二维扫描镜机构、改进的卡塞格林系统、后光路组件和成像处理单元实现，激光通信模式基于二维扫描镜机构、改进的卡塞格林系统、后光路组件、通信发射单元和通信接收单元实现，基于成像处理单元、粗跟踪伺服单元、二维扫描镜机构等实现跟踪捕获。本发明具有集成度高、数据传输速率高、数据传输时效性强的特点。

Description

一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端

技术领域

本发明涉及光学精密仪器技术领域，具体涉及一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端。

背景技术

随着高分辨率成像系统的发展，出现了星间、星地高速海量数据快速传输的迫切需求。空间光通信技术是未来空间通信发展的重要领域，光波频段的频谱资源相对丰富，无需频率许可，具有抗电磁干扰、抗截获能力强，数据传输速率高、保密性好等显著优势。

至今国内外对于空间成像技术和激光通信技术的研究采用的仍是并行模式，成像载荷和激光通信系统多是两个独立的载荷。独立系统的优点是技术成熟、互不干扰，但是受系统体积、质量的限制，卫星负载会加大。

现有技术中，公告号为CN108415148B的一篇专利文献中公开了一种光电吊舱多传感器共光路系统，该方案提出一种具有中波红外多光谱成像、激光通信和激光测距功能的光电吊舱系统，其光路组件全部位于运动的吊舱内，使得吊舱运动的转动惯量较大；吊舱大范围运动时，具有较大的线绕力矩，因此该结构形式并不适合空间载荷。另一方面在吊舱工作时，其光路组件也随着吊舱一同运动，因此对光路的同轴度要求较高。

1998年美国JPL实验室提出一种“用于卫星航天器的组合激光通信和成像器(ACLAIM)”设计概念，激光通信天线和空间相机共用一个前置望远镜，但其设计方案不具有跟踪捕获能力，且成像视场相对较小。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，包括二维扫描镜机构、改进的卡塞格林系统、后光路组件、通信发射单元、通信接收单元、粗跟踪伺服单元、精跟踪单元和成像处理单元，所述二维扫描镜机构的摆镜、改进的卡塞格林系统和后光路组件顺次设置，改进的卡塞格林系统安装在二维扫描镜机构上，入射到改进的卡塞格林系统的平行光束能够从改进的卡塞格林系统平行出射，成像处理单元连接粗跟踪伺服单元和精跟踪单元，粗跟踪伺服单元连接二维扫描镜机构，通信发射单元、通信接收单元、精跟踪单元和成像处理单元均连接后光路组件，成像处理单元能够存储图像；

入射到二维扫描镜机构的摆镜上的载有信息的光波能够通过改进的卡塞格林系统进行能量放大后传输至后光路组件，并能够在后光路组件上成像得到光斑图像、能够通过后光路组件传输至通信接收单元；后光路组件能够将光斑图像发送至成像处理单元，成像处理单元能够根据光斑图像计算光斑的脱靶量，并能够将脱靶量发送至粗跟踪伺服单元和精跟踪单元；当所述脱靶量大于设定值时，成像处理单元将脱靶量发送至粗跟踪伺服单元，否则成像处理单元将脱靶量发送至精跟踪单元；粗跟踪伺服单元能够根据脱靶量控制二维扫描镜机构上摆镜进行位置调整以实现对载有信息的光波的跟踪；精跟踪单元能够根据脱靶量计算出后光路组件的位置调整信息并将发送至后光路组件，后光路组件能够根据后光路组件的位置调整信息调整自身位置以实现对入射到其上的载有信息的光波的跟踪；

通信发射单元能够发出载有信号的光束，并依次通过后光路组件、改进的卡塞格林系统和二维扫描镜机构传输出一体化终端。

本发明的有益效果是：

1、本发明一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端的组件中只有二维扫描镜机构的摆镜是运动的，其余系统不动，使得系统整体转动惯量得到了大大减轻，受线扰力矩影响较小；

2、本发明通过可以摆动的二维扫描镜机构实现了大幅宽扫描光学成像，解决了成像视场较小的问题；

3、本发明中使用通信光替代信标光，可进行无信标捕获，弥补了激光通信系统现有技术中需要设置用于大视场捕获的信标光，使得结构更加紧凑，提高终端的集成度；

4、本发明基于后光路组件成像、成像处理单元处理，再通过粗跟踪伺服单元控制二维扫描镜机构调整位置，通过精跟踪单元控制后光路组件调整位置，实现对载有信息的光波的跟踪捕获，完成稳定的跟踪通信功能，弥补了现有技术中激光通信系统需要特定的信标捕获探测器。

附图说明

图1为本发明一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端的工作原理图。

图2为本发明一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端的摆扫成像示意图。

图3为本发明一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端的立体结构图。

图4为本发明一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端的结构爆炸图。

图中，1、二维扫描镜机构，101、俯仰轴系，102、方位轴系，103、摆镜，2、改进的卡塞格林系统，201、次镜组件，202、主镜组件，203、校正镜组，3、二维快扫振镜，4、滤光片，5、成像器件，6、第一分光镜组，7、第二分光镜组，8、反射镜，9、第一窄带滤光片，10、第二窄带滤光片，11、通信接收光束整形组件，12、通信发射光束整形组件，13、成像光束整形组件，14、EDFA光放大器，15、电控箱，16、舱体上安装板，17、舱体下安装板，18、连接支腿。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端采用收发一体式复合轴系统。一体化终端包括二维扫描镜机构1、改进的卡塞格林系统2、后光路组件、电控箱15。电控箱15包括通信发射单元、通信接收单元、粗跟踪伺服单元、精跟踪单元、成像处理单元。后光路组件和电控箱15之间通过若干电缆(包括驱动、检测、射频、光纤等类型)相连。二维扫描镜机构1的、改进的卡塞格林系统2和后光路组件顺次设置，改进的卡塞格林系统2安装在二维扫描镜机构1上，入射到改进的卡塞格林系统2的平行光束能够从改进的卡塞格林系统2平行出射，成像处理单元连接粗跟踪伺服单元和精跟踪单元，成像处理单元能够存储图像，通信发射单元、通信接收单元和成像处理单元均连接后光路组件，粗跟踪伺服单元连接二维扫描镜机构1。一体化终端工作原理图如图1所示。

本发明提供一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端分为两种工作模式，光学成像工作模式与激光通信工作模式。

激光通信的发射过程：通信发射单元能够发出载有信号的光束，并依次通过后光路组件、改进的卡塞格林系统2和二维扫描镜机构1传输出一体化终端；载有信息的光波能够通过二维扫描镜机构1、改进的卡塞格林系统2和后光路组件传输至通信接收单元。

激光通信的接收过程：另一终端发射的载有信息的光波入射到二维扫描镜机构1的摆镜103上，经过摆镜103的反射到改进的卡塞格林系统2上，载有信息的光波能够通过改进的卡塞格林系统2进行能量放大后传输至后光路组件，并能够在后光路组件上成像得到光斑图像、也能够通过后光路组件传输至通信接收单元；后光路组件能够将光斑图像发送至成像处理单元，成像处理单元能够根据光斑图像计算光斑的脱靶量，并能够将脱靶量发送至粗跟踪伺服单元和精跟踪单元，当脱靶量大于设定值时，成像处理单元将脱靶量发送至粗跟踪伺服单元，否则成像处理单元将脱靶量发送至精跟踪单元；粗跟踪伺服单元能够根据脱靶量控制二维扫描镜机构1进行位置调整以实现对载有信息的光波的跟踪捕获；精跟踪单元能够根据脱靶量计算出后光路组件的位置调整信息并将发送至后光路组件，后光路组件能够根据后光路组件的位置调整信息调整自身位置以实现对入射到其上的载有信息的光波的跟踪。

光学成像过程：一体化终端通过二维扫描镜机构1、改进的卡塞格林系统2和后光路组件能够对地成像得到高分辨的地面影像图片，并将所得高分辨的地面影像图片存储在成像处理单元。一体化终端利用二维扫描镜机构1光机扫描成像，扩大探测视场、增加空间分辨率。

二维扫描镜机构1包括俯仰轴系101、方位轴系102和摆镜103，摆镜103连接俯仰轴系101，俯仰轴系101连接方位轴系102，摆镜103通过俯仰轴系101和方位轴系102实现运动。本发明的二维扫描镜机构1采用单反射镜式结构，转动部件只有一平面反射镜即摆镜103，利用两轴伺服转台结构带动一块摆镜103实现大幅宽扫描成像同时可以实现激光光路的指向与粗跟踪的。摆镜103用于将载有信息的光波反射至改进的卡塞格林系统2。二维扫描镜机构1连接粗跟踪伺服单元，粗跟踪伺服单元能够根据脱靶量计算二维扫描镜机构(1)上摆镜103的位置调整信息，并根据二维扫描镜机构(1)上摆镜103的位置调整信息控制二维扫描镜机构(1)上摆镜103进行位置调整(也就是控制俯仰轴系101和/或方位轴系102)以实现对载有信息的光波的跟踪。

通过改进的卡塞格林系统2能够实现对载有信号的光束的扩束，能够实现载有信号的光束的束散角的压缩，能够实现对载有信号的光束背景光与杂散光的抑制。能够实现对一体化终端所接收载有信息的光波的能量的放大，能够实现对一体化终端所接收载有信息的光波的背景光与杂散光的抑制。改进的卡塞格林系统2连接方位轴系102，具体为通过螺钉连接安装在二维扫描镜机构1方位轴系102的中心孔位置。摆镜103、改进的卡塞格林系统2、后光路组件对应设置。改进的卡塞格林系统2包括次镜组件201、主镜组件202和校正镜组203。次镜组件201、主镜组件202、校正镜组203顺次设置。摆镜103反射的载有信息的光波入射到主镜组件202上，经过主镜组件202反射至次镜组件201上，经次镜组件201反射至校正镜组203，经校正镜组203透射至后光路组件上。次镜组件201、主镜组件202和校正镜组203共同构成望远系统，其中校正镜组203可对光学系统的色差进行校正。改进的卡塞格林系统2接近平行光出射便于与通信发射和接收光路对接，便于后续的光路折转。改进的卡塞格林系统2具有结构紧凑、较适中的视场角、无视场光阑和较轻的重量等优点。优选地，次镜组件201的遮拦要尽量小，以提高能量发射效率。优选地，可在改进的卡塞格林系统2的内焦点处设置视场光阑，消除视场外杂光。

后光路组件包括二维快扫振镜3、滤光片4、成像器件5、第一分光镜6、第二分光镜组7、反射镜8、第一窄带滤光片9、第二窄带滤光片10、通信接收光束整形组件11、通信发射光束整形组件12、成像光束整形组件13、EDFA光放大器14。

二维快扫振镜3为PZT驱动二维快扫振镜3，下文称为PZT二维快扫振镜。PZT二维快扫振镜连接电控箱15的精跟踪单元。PZT二维快扫振镜安装在改进的卡塞格林系统2后，镜面与入射光线成45°角，用于实现对光束精确伺服控制。由成像器件5与PZT二维快扫振镜构成光闭环，实现较高的伺服带宽、高精度跟踪，对粗跟踪的抑制残差进一步有效抑制，实现优于2.5μrad的跟踪精度。优选地，PZT二维快扫振镜选用德国PI公司生产的大范围超快速的压电陶瓷倾斜平台S-325，它是专门为主动光学和自适应光学而设计的，它能提供5毫弧度内的倾斜范围，快速的响应(亚毫秒级)和亚微弧度分辨率。

第一分光镜组6安装在PZT二维快扫振镜后，与入射光线成45°角。第一分光镜组6镜片表面镀有相应膜层，使得反射特定波长的光，同时透射特定波长的光。优选地，第一分光镜组6镀有反450nm～700nm波长的光，透1550nm、1530nm波长的的膜层。

成像器件5对应第一分光镜组6反射面设置，成像器件5和第一分光镜组6之间设有滤光片4和成像光束整形组件13，成像器件5、滤光片4、成像光束整形组件13和第一分光镜组6顺次设置。安装在第一分光镜组6反射面前端的成像器件5用于接收第一分光镜组6反射的光线；成像光束整形组件13用于对入射到其上的光束整形，调整束散角及光斑大小；滤光片4用于滤除背景光干扰，减少光学成像系统内部杂光干扰，滤光片4的工作波长和第一分光镜组6反射光束波长相同。成像器件5工作波长优选为450nm～700nm。

成像器件5连接电控箱15的成像处理单元，成像器件5用于对第一分光镜组6反射的光束进行成像得到光斑图像，成像器件5将光斑图像发送至成像处理单元，成像处理单元根据光斑图像得到光斑位置信息，根据光斑位置信息计算脱靶量，将脱靶量发送至粗跟踪伺服单元或精跟踪单元。成像器件5采用CCD。成像器件5具有两个功能，其一，作为光学成像系统的成像器件，其二，作为激光通信系统的跟踪探测器件，在激光通信粗跟踪阶段和精跟踪阶段配合成像处理单元得到脱靶量，完成稳定的跟踪通信功能。

第二分光镜组7对应第一分光镜组6透射面设置，用于反射和透射第一分光镜组6透射的光线。第二分光镜组7镜片表面镀有相应膜层，使得反射特定波长的光，同时透射特定波长的光。优选地，第二分光镜组7镀有反1550nm波长的光且透1530nm波长的光的膜层。

通信发射光束整形组件12对应第二分光镜组7反射面设置，第一窄带滤光片9位于通信发射光束整形组件12和第二分光镜组7之间，EDFA光放大器14对应通信发射光束整形组件12设置，EDFA光放大器14与光束整形组件12通过光纤连接，EDFA光放大器14通过光纤连接电控箱15的通信发射单元。光纤放大器EDFA光放大器14用于放大载有信息的光波。通信发射单元用于实现激光发射、信息的高速调制，也就是将需要传输信息的加载到光波上得到载有信号的光波并发射载有信号的光波。通信发射单元将载有信号的光波通过EDFA光放大器14将信号进行放大，通过通信发射光束整形组件12整形为能量分布均匀的光斑，再经过第一窄带滤光片9传输至第二分光镜组7的反射面上，依次经过第二分光镜组7的反射、第一分光镜组6的透射、二维快扫振镜3的反射、校正镜组203的透射、次镜组件201的反射、主镜组件202的反射和摆镜103的反射最终将载有信号的光束从一体化终端发出。优选地，通信发射单元工作波段为1550nm。上述第一窄带滤光片9用于滤除背景光干扰，减少光学成像系统内部杂光干扰。第一窄带滤光片9和第二分光镜组7的反射波长相同。

反射镜8对应第二分光镜组7的透射面设置，用于反射第二分光镜组7透射的光线。反射镜8的镜片表面镀有相应膜层，使得反射特定波长的光。优选地，反射镜8的镜片表面镀有反1530nm波长光的膜层。

通信接收光束整形组件11安装在反射镜8反射光线一侧，用于接收带有信号的光，即接收反射镜8反射的光。优选地，通信接收光束整形组件11工作波长为1530nm。通信接收光束整形组件11前端安装有第二窄带滤光片10用于滤除背景光干扰，减少内部杂光干扰。第二窄带滤光片10工作波长和第二分光镜组7的反射波长相同。优选地，第二窄带滤光片10工作的中心波长1530nm。通信接收光束整形组件11通过光纤与电控箱15的通信接收单元相连，通信接收光束整形组件11将接收的激光光束转化为一个能量均匀分布的光斑，提高光纤接收效率，通信接收光束整形组件11将用于传输载有信息的光波至电控箱15的通信接收单元。通信接收单元用于实现信号的接收探测，接收通信接收光束整形组件11发出的激光光束也就是接收通信接收光束整形组件11发出的载有信息的光波。

通过改进的卡塞格林系统2入射到二维快扫振镜3上的载有信息的光波能够通过依次第一分光镜6反射、滤光片4滤光、成像光束整形组件13整形后在成像器件5上得到光斑图像，成像器件5根据光斑图像能够得到脱靶量。通过改进的卡塞格林系统2入射到二维快扫振镜3上的载有信息的光波能够通过依次第一分光镜6透射、第二分光镜组7透射、反射镜8反射、第二窄带滤光片10滤光、通信接收光束整形组件11整形后传输至通信接收单元。通信发射单元发出的载有信号的光束能够依次经EDFA光放大器14信号放大、通信发射光束整形组件12整形、第一窄带滤光片9滤光、第二分光镜组7反射、第一分光镜6透射、二维快扫振镜3反射后照射到改进的卡塞格林系统2上，通过改进的卡塞格林系统2反射至二维扫描镜机构1，经过二维扫描镜机构1反射传输出一体化终端。

成像处理单元能够存储图片，具体为能够存储地面影像图片。成像处理单元连接粗跟踪伺服单元和精跟踪单元，成像处理单元能够根据成像器件5发送的光斑图像计算脱靶量，并将脱靶量发送至粗跟踪伺服单元或精跟踪单元，当脱靶量大于设定值时，成像处理单元将脱靶量发送至粗跟踪伺服单元，否则成像处理单元将脱靶量发送至精跟踪单元。精跟踪单元能够根据脱靶量计算出后光路组件的位置调整信息并将发送至后光路组件，后光路组件能够根据后光路组件的位置调整信息调整自身位置以实现对入射到其上的载有信息的光波的跟踪，后光路组件的位置调整信息为二维快扫振镜3的位置调整信息，也就是精跟踪单元能够将二维快扫振镜3的位置调整信息发送至二维快扫振镜3的控制器，二维快扫振镜3的控制器能够根据二维快扫振镜3的位置调整信息调整二维快扫振镜3的位置以实现对入射到其上的载有信息的光波的跟踪。粗跟踪伺服单元能够根据脱靶量计算二维扫描镜机构1上摆镜103的位置调整信息，并根据二维扫描镜机构1上摆镜103的位置调整信息控制二维扫描镜机构1上摆镜103进行位置调整以实现对载有信息的光波的跟踪。

电控箱15还包括系统主控单元、电源管理单元和热控单元等。系统主控单元具有系统工作流程控制、参数注入、遥测遥控等功能。系统主控单元能够控制通信发射单元、通信接收单元、粗跟踪伺服单元、精跟踪单元、成像处理单元和热控单元的工作，包括是否工作、何时工作。电源管理单元能够提供通信发射单元、通信接收单元、粗跟踪伺服单元、精跟踪单元、成像处理单元、系统主控单元和热控单元的二次电源，并能够控制通信发射单元、通信接收单元、粗跟踪伺服单元、精跟踪单元、成像处理单元、系统主控单元和热控单元的省电模式的开关。热控单元用于调控一体化终端的温度，包括整体温度环控和局部温度控制。

光学成像工作模式时，系统主控单元发送成像指令时一体化终端开启成像模式，一体化终端对地成像，依次通过二维扫描镜机构1的摆镜103、改进的卡塞格林系统2、二维快扫振镜3、滤光片4和成像光束整形组件13后成像器件5得到地面影像图片，并将地面影像图片发送至成像处理单元进行存储。一体化终端利用二维扫描镜机构1光机扫描成像，扩大探测视场、增加空间分辨率。

一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，还包括舱体，二维扫描镜机构1安装在舱体外表面上，后光路组件和电控箱15安装在舱体内。如图2至4，舱体的组成包括舱体上安装板16、舱体下安装板17、连接支腿18。舱体上安装板16通过螺钉与舱体下安装板17相连，通常舱体上安装板16是一个平板，舱体下安装板17是一个由多个侧板围成了围板，连接支腿18通过螺钉及销钉与舱体下安装板17相连。连接支腿18用于将一体化终端与安装平台相连，优选为4组。二维扫描镜机构1安装在舱体上安装板16，后光路组件、电控箱安装在舱体下安装板17上。

本发明提供一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端分为两种工作模式，光学成像工作模式与激光通信工作模式。系统主控单元可以控制一体化终端的两个工作模式，控制一体化终端开关光学成像工作模式和开关激光通信工作模式。

光学成像工作模式时，系统主控单元发送成像指令时一体化终端开启光学成像模式，一体化终端对地成像并将成像器件5所得高分辨图像进行存储。一体化终端利用二维扫描镜机构1光机扫描成像，扩大探测视场、增加空间分辨率。

激光通信工作模式时，系统主控单元发送数传指令时一体化终端开启激光通信工作模式(即数传模式)，将星上存储数据编码、调制并转换为光信号通过该一体化终端的通信发射单元向地面接收端发射。为实现高精度动态跟踪，激光通信系统采用粗精复合轴PAT跟踪技术。粗跟踪环具有较大的视场、较低的伺服带宽，它主要实现快速捕获和稳定粗跟踪，使信号光斑可靠进入精跟踪视场；精跟踪环具有较小的动态范围、较高的伺服带宽和高跟踪精度，它对粗跟踪残差进一步有效抑制，指导满足动态通信的视轴对准精度。

粗跟踪环由二维扫描镜机构1、改进的卡塞格林系统2、PZT二维快扫振镜、第一分光镜6、滤光片4、成像器件5、成像处理单元、粗跟踪伺服单元组成。一体化终端捕获到另一终端发出的信号光后，成像处理单元通过成像器件5和实现当前光轴与目标视轴的偏差能够得到脱靶量和摆镜103的位置调整信息。将摆镜103调整信息通过粗跟踪伺服单元反馈到二维扫描镜机构1，二维扫描镜机构1为两轴伺服转台结构，通过摆镜103的旋转使光束能跟上目标终端的光束方向，通过粗跟踪过程实现光轴偏差的初步修正。

精跟踪过程主要由二维快扫振镜3、成像器件5、成像处理单元、精跟踪单元等构成。成像器件5将得到的光斑图像进行分析得到脱靶量，精跟踪成像单元根据脱靶量得到二维快扫振镜3的位置调整信息，并且将二维快扫振镜3的位置调整信息反馈给二维快扫振镜3的控制器。二维快扫振镜3的控制器收到反馈信息之后，驱动二维快扫振镜3对粗跟踪过程未能补偿的残余误差进行校正，进一步提高系统的对准精度和跟踪精度。

借助GPS/INS等确定一体化终端搭载卫星的位置、姿态以及卫星运动轨道。启动一体化终端的通信发射单元和通信接收单元进入工作状态，调整通信发射单元和通信接收单元的激光通信光端机的空间姿态。本发明的一体化终端生成与扫描捕获相关的各种控制参数，提前开启通信发射单元的激光器，电控箱15的各单元完成自检等初始化工作。

调整二维扫描镜机构1的角度，进而调整光束方向，以当前的空间为中心进行3×3螺旋扫描，直到搜索到从另一终端发出的信号光斑，实现信号的捕获对准。

一体化终端在粗精复合轴控制下，建立稳定的激光通信链路，实现在两个激光通信终端间的双向动态高速激光信息传输，将光学成像的海量数据及时回传。

本发明一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，光学系统(二维扫描镜机构1、改进的卡塞格林系统2、后光路组件)只有二维扫描镜机构1的镜面动，光学系统主体不动，使得系统整体转动惯量得到了大大减轻，受线扰力矩影响较小；本发明通过二维扫描镜机构1中摆镜的运动实现了大幅宽光机扫描成像，解决了成像视场较小的问题；本发明中将通信光(载有信息的光波)替代现有技术中的信标光束，进行无信标捕获，使得结构更加紧凑，提高终端的集成度；本发明中的成像器件5即可以作为光学成像的探测器件，又可以作为光束脱靶量的探测器件，实现对载有信息的光波的跟踪捕获，完成稳定的跟踪通信功能，弥补了现有技术中激光通信系统需要特定的信标捕获探测器。

本发明提供了一种新型空间载荷，具有集成度高、数据传输速率高、数据传输时效性强的特点。采用激光通信技术提高空间遥感载荷的数传速率，能够解决目前空间高分辨率遥感载荷海量数据及时回传的需求。

一种大宽幅光学成像和激光通信一体化终端采用单反射镜式结构跟踪通信及摆扫成像的二维扫描镜机构1，利用两轴伺服转台结构带动一块摆镜103实现激光光路的指向与粗跟踪同时可以实现大幅宽扫描成像，转动部件只有一摆镜103，光学系统位于搭载平台上不动，系统整体转动惯量得到了大大减轻，受线扰力矩影响较小。

现有技术中，激光通信终端多采用独立设置的信标发射单元，使得终端结构复杂，本发明中将通信光用作信标光束，进行无信标捕获，使得结构更加紧凑，提高终端的集成度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，包括二维扫描镜机构(1)、改进的卡塞格林系统(2)、后光路组件、通信发射单元、通信接收单元、粗跟踪伺服单元、精跟踪单元和成像处理单元，所述二维扫描镜机构(1)、改进的卡塞格林系统(2)和后光路组件顺次设置，改进的卡塞格林系统(2)安装在二维扫描镜机构(1)上，入射到改进的卡塞格林系统(2)的平行光束能够从改进的卡塞格林系统(2)平行出射，成像处理单元连接粗跟踪伺服单元和精跟踪单元，粗跟踪伺服单元连接二维扫描镜机构(1)，通信发射单元、通信接收单元、精跟踪单元和成像处理单元均连接后光路组件，成像处理单元能够存储图像；

入射到二维扫描镜机构(1)的上的载有信息的光波能够通过改进的卡塞格林系统(2)进行能量放大后传输至后光路组件，并能够在后光路组件上成像得到光斑图像、能够通过后光路组件传输至通信接收单元；后光路组件能够将光斑图像发送至成像处理单元，成像处理单元能够根据光斑图像计算光斑的脱靶量，并能够将脱靶量发送至粗跟踪伺服单元和精跟踪单元，当所述脱靶量大于设定值时，成像处理单元将脱靶量发送至粗跟踪伺服单元，否则成像处理单元将脱靶量发送至精跟踪单元；粗跟踪伺服单元能够根据脱靶量控制二维扫描镜机构(1)进行位置调整以实现对载有信息的光波的跟踪；精跟踪单元能够根据脱靶量计算出后光路组件的位置调整信息并将发送至后光路组件，后光路组件能够根据后光路组件的位置调整信息调整自身位置以实现对入射到其上的载有信息的光波的跟踪；

通信发射单元能够发出载有信号的光束，并依次通过后光路组件、改进的卡塞格林系统(2)和二维扫描镜机构(1)传输出一体化终端。

2.如权利要求1所述的一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，所述二维扫描镜机构(1)包括俯仰轴系(101)和方位轴系(102)和摆镜(103)，摆镜(103)连接俯仰轴系(101)，俯仰轴系(101)连接方位轴系(102)，摆镜(103)通过俯仰轴系(101)和方位轴系(102)实现运动。

3.如权利要求2所述的一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，所述粗跟踪伺服单元能够根据脱靶量计算二维扫描镜机构(1)上摆镜(103)的位置调整信息，并根据二维扫描镜机构(1)上摆镜(103)的位置调整信息控制二维扫描镜机构(1)上摆镜(103)进行位置调整以实现对载有信息的光波的跟踪。

4.如权利要求1所述的一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，所述后光路组件能够对载有信号的光束的进行信号放大并能够将信号放大后的载有信号的光束传输至改进的卡塞格林系统(2)，所述改进的卡塞格林系统(2)能够对载有信号的光束的扩束、能够压缩载有信号的光束束散角、能够将载有信号的光束传输至二维扫描镜机构(1)的摆镜(103)上、能够对载有信号的光束和载有信息的光波均进行背景光与杂散光的抑制。

5.如权利要求1所述的一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，所述后光路组件包括二维快扫振镜(3)、成像器件(5)、第一分光镜(6)、第二分光镜组(7)、反射镜(8)、通信接收光束整形组件(11)、通信发射光束整形组件(12)、成像光束整形组件(13)和EDFA光放大器(14)，所述二维快扫振镜(3)对应改进的卡塞格林系统(2)设置，二维快扫振镜(3)连接精跟踪单元，成像器件(5)连接成像处理单元，通信接收光束整形组件(11)连接通信接收单元，EDFA光放大器(14)连接通信发射单元和通信发射光束整形组件(12)；

载有信息的光波能够依次通过二维扫描镜机构(1)反射至改进的卡塞格林系统(2)、通过改进的卡塞格林系统(2)传输至二维快扫振镜(3)上，经过二维快扫振镜(3)反射至第一分光镜(6)，经过二维快扫振镜(3)反射至第一分光镜(6)上的载有信息的光波能够通过依次第一分光镜(6)反射、成像光束整形组件(13)整形后在成像器件(5)上得到光斑图像，成像器件(5)能够将脱靶量发送至成像处理单元；经过二维快扫振镜(3)反射至第一分光镜(6)上的载有信息的光波能够依次通过第一分光镜(6)透射、第二分光镜组(7)透射、反射镜(8)反射、通信接收光束整形组件(11)整形后发送至通信接收单元；

通信发射单元发出的载有信号的光束能够依次经EDFA光放大器(14)信号放大、通信发射光束整形组件(12)整形、第二分光镜组(7)反射、第一分光镜(6)透射、二维快扫振镜(3)反射后入射到改进的卡塞格林系统(2)上，通过改进的卡塞格林系统(2)和二维扫描镜机构(1)传输出一体化终端；

所述后光路组件的位置调整信息为二维快扫振镜(3)的位置调整信息，精跟踪单元能够将二维快扫振镜(3)的位置调整信息发送至二维快扫振镜(3)的控制器，二维快扫振镜(3)的控制器能够根据二维快扫振镜(3)的位置调整信息调整二维快扫振镜(3)的位置以实现对入射到其上的载有信息的光波的跟踪。

6.如权利要求5所述的一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，所述后光路组件还包括滤光片(4)、第一窄带滤光片(9)和第二窄带滤光片(10)，滤光片(4)位于第一分光镜(6)和成像光束整形组件(13)之间，滤光片(4)的工作波长和第一分光镜组(6)反射光束波长相同，第一窄带滤光片(9)位于第二分光镜组(7)和通信发射光束整形组件(12)之间，第一窄带滤光片(9)的工作波长和第二分光镜组(7)的反射波长相同，第二窄带滤光片(10)位于通信接收光束整形组件(11)和反射镜(8)之间，第二窄带滤光片(10)的工作波长和第二分光镜组(7)的反射波长相同。

7.如权利要求1所述的一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，所述改进的卡塞格林系统(2)包括次镜组件(201)、主镜组件(202)和校正镜组(203)，摆镜(103)次镜组件(201)、主镜组件(202)和校正镜组(203)顺次设置，摆镜(103)反射的载有信息的光波能够入射到主镜组件(202)上，且能够依次经过主镜组件(202)反射至次镜组件(201)上、经次镜组件(201)反射至校正镜组(203)、经校正镜组(203)透射至后光路组件上，校正镜组(203)用于校正色差。

8.如权利要求1所述的一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，所述一体化终端还包括系统主控单元、电源管理单元和热控单元，所述系统主控单元能够控制一体化终端的工作模式和是否工作，电源管理单元能够控制通信发射单元、通信接收单元、粗跟踪伺服单元、精跟踪单元、成像处理单元、系统主控单元和热控单元的省电模式的开关，热控单元用于调控一体化终端的温度。

9.如权利要求1所述的一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，所述一体化终端还包括舱体，所述二维扫描镜机构(1)安装在舱体外表面上，后光路组件和电控箱(15)安装在舱体内。

10.如权利要求9所述的一种大幅宽光学成像和激光通信一体化终端，其特征在于，所述舱体包括舱体上安装板(16)、舱体下安装板(17)和连接支腿(18)，舱体上安装板(16)连接舱体下安装板(17)，连接支腿(18)设置在舱体下安装板(17)上，二维扫描镜机构(1)安装在舱体上安装板(16)上，后光路组件和电控箱(15)安装在舱体下安装板(17)上。

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