CN114221702B - 一种基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端，包括：中心控制模块、激光相控阵发射系统、捕获跟踪瞄准系统、光电探测系统、前端镜头与信号调制/解调模块；其中，中心控制模块发送指向与扫描指令给激光相控阵发射系统，激光相控阵发射系统发射激光波束对指定区域进行扫描；扫描波束进入前端镜头接收范围，捕获跟踪瞄准系统对扫描波束成像并对图像处理得到目标终端方位信息，捕获跟踪瞄准系统将目标终端方位信息发送给中心控制模块；中心控制模块根据目标终端方位信息，实时控制激光相控阵发射系统发射激光波束指向目标终端。本发明实现了空间激光通信终端小型化、轻量化与波束快速捷变，提升了空间激光通信终端适应性与链路动态配置能力。

Description

一种基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端

技术领域

本发明属于空间激光通信技术领域，尤其涉及一种基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端。

背景技术

空间激光通信是以激光作为载波进行无线通信的技术。空间激光通信具有通信速率高、波束能量集中、信息传输安全性高、抗电磁干扰能力强以及频谱资源丰富等优势。随着空间光网络的快速发展，空间激光通信终端呈现出小型化、轻量化与强适应性的发展趋势。激光相控阵是由若干相控单元与激光发射单元阵列组成，通过调节从每个激光发射单元辐射出的光波之间的相位关系，在设定方向上产生干涉增强的高强度光束，而其它方向上光波彼此干涉相消，从而实现对指定空域的指向。采用激光相控阵作为空间激光通信终端的发射天线，可以在不使用任何机械转动部件的情况下实现激光波束的快速精准扫描与跟踪，减小了整个终端的体积和重量，提升了终端在高速运动或强振动平台的适应性。

目前关于使用机械转动部件的空间激光通信终端研究比较多，但是对全固态空间激光通信的研究比较少。专利“卫星激光通信端机”(CN 1777064A)公开了一种卫星激光通信终端，端机的设计中把星敏感器的功能融合到其中，可实现不用扫描即可完成通信端机之间的捕获过程。该终端波束指向控制由自带的万向节与电机驱动实现，并非全固态设计。专利“基于二维激光相控阵的激光通讯方法和系统”(CN 110289907A)公开了一种基于二维激光相控阵的激光通讯方法和系统，该方法为：使用主动二维相控阵技术克服大气湍流对激光信道的干扰，实现相干合成光束对指定区域进行扫描并发现目标，稳定跟踪目标后与之建立有效的激光通讯信道。该发明的波束指向方式是通过测量回波强度信息辅助进行指向。这种指向方式会带来两个问题：一是回波信号强度较弱，限制了通信距离；二是该方法更加适用于单向信息传输，难以实现双向实时通信。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端，解决了传统空间激光通信终端使用机械伺服与快反镜进行光束精准指向导致整台终端体积重量较大、波束无法快速捷变的问题，从而提升空间光网络快速灵活建链的能力。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端，包括：中心控制模块、激光相控阵发射系统、捕获跟踪瞄准系统、光电探测系统、前端镜头与信号调制/解调模块；其中，所述中心控制模块发送指向与扫描指令给所述激光相控阵发射系统，所述激光相控阵发射系统发射激光波束对指定区域进行扫描；所述扫描波束进入前端镜头接收范围，所述捕获跟踪瞄准系统对扫描波束成像并对图像处理得到目标终端方位信息，捕获跟踪瞄准系统将目标终端方位信息发送给中心控制模块；所述中心控制模块根据目标终端方位信息，实时控制激光相控阵发射系统发射激光波束指向目标终端；所述光电探测系统采集到前端镜头的扫描波束，将光信号转化为电流信号，将电流信号放大后转化为电压信号发送给所述信号调制/解调模块进行信号解调；所述信号调制/解调模块控制激光相控阵发射系统将待传输信号调制到激光波束上。

上述基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端中，所述激光相控阵发射系统包括激光器、第一偏振控制器、调制器、第二偏振控制器、激光相控阵和波束指向控制单元；其中，中心控制模块通过监测输出信号状态，对激光器与第一偏振控制器和第二偏振控制器的工作参数进行控制与调节；调制/解调模块控制调制器，将待传输信号调制到激光器发射的激光经过第一偏振控制器调制后的光载波上；波束指向控制单元根据中心控制模块提供的目标终端方位信息，控制激光相控阵发射激光波束的指向。

上述基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端中，所述捕获跟踪瞄准系统包括光学镜头、CCD阵列单元和图像采集与处理单元；其中，所述光学镜头将前端镜头接收、滤波与分束后的扫描波束的光信号聚焦至CCD阵列单元，CCD阵列单元对扫描波束的光信号成像，图像采集与处理单元对图像处理得到目标终端方位信息，图像采集与处理单元将目标终端方位信息发送给中心控制模块。

上述基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端中，所述光电探测系统包括光电探测系统光学镜头、宽带光电探测元件和TIA放大器；其中，光电探测系统光学镜头将前端镜头接收、滤波与分束后的扫描波束的光信号聚焦至宽带光电探测元件；所述宽带光电探测元件将光信号转化为电流信号，经过TIA放大器将电流信号放大后转化为电压信号发送给调制/解调模块进行信号解调。

上述基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端中，所述前端镜头包括凸透镜、凹透镜和分光镜；其中，所述扫描波束经过凸透镜收束后到达凹透镜，经凹透镜后变成平行光达到分光镜，一部分光折射到所述捕获跟踪瞄准系统，其余部分光透射后到达光电探测系统。

上述基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端中，凸透镜的口径为D1，凸透镜的焦距为F1，凹透镜的焦距为F2，凹透镜的口径为D2。

上述基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端中，凸透镜与凹透镜间距为：L＝F1-F2；其中，F1＞F2。

上述基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端中，收束倍率为：R＝F2/F1。

上述基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端中，凹透镜的口径满足如下关系：D2≥D1×F2/F1。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用了激光相控阵天线代替传统机械伺服驱动的光学镜头，具有体积小、重量轻的优势。可实现空间光网络节点小型化与轻量化，满足空间光网络节点大规模、多接入配置需求。

(2)本发明采用了激光相控阵，具有波束快速可捷变的优势。可满足空间光网络节点快速接入需求，提高空间光网络配置的灵活性。

(3)本发明采用了全固态终端设计方案，具有结构强度与稳定性高的优势。可布置在高速运动或强振动平台，提升空间光网络节点的适应性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明中的激光相控阵发射系统结构示意图；

图3为本发明中的ATP系统结构示意图；

图4为本发明中的光电探测系统结构示意图；

图5为本发明应用于空间激光通信的工作示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

采用激光相控阵作为空间激光通信终端的发射天线，并采用超短焦广角镜头接收设计与开环跟踪方式，可以实现空间激光通信终端的全固态设计。整个终端不包含任何机械转动部件，有效减小了空间激光通信终端的体积和重量，同时提升了终端的适应性。

图1为本发明系统结构示意图。如图1所示，该基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端包括：中心控制模块101、激光相控阵发射系统102、捕获跟踪瞄准ATP系统103、光电探测系统104、前端镜头105与信号调制/解调模块106；其中，

所述中心控制模块101发送指向与扫描指令给所述激光相控阵发射系统102，所述激光相控阵发射系统102发射激光波束对指定区域进行扫描；

所述扫描波束进入前端镜头105接收范围，所述捕获跟踪瞄准系统103对扫描波束成像并对图像处理得到目标终端方位信息，捕获跟踪瞄准系统103将目标终端方位信息发送给中心控制模块101；

所述中心控制模块101根据目标终端方位信息，实时控制激光相控阵发射系统102发射激光波束指向目标终端；

所述光电探测系统104采集到前端镜头105的扫描波束，将光信号转化为电流信号，将电流信号放大后转化为电压信号发送给所述信号调制/解调模块106进行信号解调；

所述信号调制/解调模块106控制激光相控阵发射系统102将待传输信号调制到激光波束上。

信号发射端采用激光相控阵作为发射天线。可以有效减小终端体积重量，同时可实现激光波束快速捷变。信号接收与光电探测端采用超短焦广角镜头设计，具备与ATP系统相匹配的视场角。

中心控制模块101用于对各子系统与模块进行协调与控制，可以提供空间建链初始指向信息，处理定位与通信信息、监控子系统工作状态、对外对平台接口通信等。激光相控阵发射系统102用于发射激光波束，并对波束指向进行实时高精度控制。ATP系统103用于对目标终端进行高精度定位分析。前端镜头105用于对空间光信号进行收集、收束、滤波与分束，并将两束信号光分别发送给ATP系统103与光电探测系统104。信号调制/解调模块106用于调制待传输信号，并对接收信号进行解调处理。

如图2所示，本发明中的激光相控阵发射系统102包括激光器201、第一偏振控制器202、调制器203、第二偏振控制器204、激光相控阵205和波束指向控制单元206；其中，

中心控制模块101通过监测输出信号状态，对激光器201与第一偏振控制器202和第二偏振控制器204的工作参数进行控制与调节；

调制/解调模块106控制调制器203，将待传输信号调制到激光器201发射的激光经过第一偏振控制器202调制后的光载波上；

波束指向控制单元206根据中心控制模块101提供的目标终端方位信息，控制激光相控阵205发射激光波束的指向。

如图3所示，本发明中的ATP系统103包括光学镜头301、CCD阵列单元302和图像采集与处理单元303；其中，所述光学镜头301将前端镜头105接收、滤波与分束后的扫描波束的光信号聚焦至CCD阵列单元302，CCD阵列单元302对扫描波束的光信号成像，图像采集与处理单元303对图像处理得到目标终端方位信息，图像采集与处理单元303将目标终端方位信息发送给中心控制模块101。

如图4所示，本发明中的光电探测系统104包括光电探测系统光学镜头401、宽带光电探测元件402和TIA放大器403；其中，光电探测系统光学镜头401将前端镜头105接收、滤波与分束后的扫描波束的光信号聚焦至宽带光电探测元件402；所述宽带光电探测元件402将光信号转化为电流信号，经过TIA放大器403将电流信号放大后转化为电压信号发送给调制/解调模块106进行信号解调。其中TIA工作状态与工作参数由中心控制模块进行监测与调节。

如图1所示，前端镜头包括一块焦距为F1的凸透镜(凸透镜口径为D1)、一块焦距为F2的凹透镜(凹透镜口径为D2)、一块1：N分光镜。凸透镜与凹透镜间距为：

L＝F1-F2(F1＞F2)，

对光束的收束倍率为：

R＝F2/F1，

透镜口径需要符合：

D2≥D1×F2/F1。

1：N分光镜将光束按照1：N(N≥1)的光强比例进行分光。光强比例为1的光束发送给ATP系统103，光强比例为N的光束发送给光电探测系统104。

前端镜头用于对空间光信号进行收集、收束、滤波与分束。中心控制模块用于对各子系统与模块进行协调与控制。激光相控阵发射系统由激光器、偏振控制器、调制器、激光相控阵、波束指向控制单元组成，可以实现波束的快速捷变、稳定跟踪与精准指向。ATP系统由光学镜头、电荷耦合元件(CCD)阵列单元、图像采集与处理单元组成，可以实现对相向终端的高精度定位。光电探测系统由光电探测系统光学镜头、宽带光电探测元件、跨阻抗放大器(TIA)组成，可以实现对接收光信号的空间探测、光电转换与低噪声放大。信号调制/解调模块用于实现电信号的加载和解调。

中心控制模块对各子系统与模块进行协调与控制，可以提供空间建链初始指向信息，处理定位与通信信息、监控子系统工作状态、对外(对平台)接口通信等。在信号发射端，激光器输出的光载波经过偏振控制器调整偏振状态，再经过调制器加载电调制信号，经过偏振控制器再次调整偏振态后，通过激光相控阵发射到自由空间中。前端镜头用于对空间光信号进行收集、收束、滤波与分束，并将两束信号光分别发送给ATP系统与光电探测系统。ATP系统采用开环跟踪方式，可以实现对通信目标的精确定位。在信号接收端，接收到的信号光经过光电探测系统光学镜头收束后汇聚到宽带光电探测元件上，宽带光电探测元件将光信号转化为电信号，再经过TIA放大器放大后发送给信号调制/解调模块。

本实施例还提供了一种基于激光相控阵的全固态空间激光通信方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：中心控制模块101发送指向与扫描指令给激光相控阵发射系统102中的波束指向控制单元206。波束指向控制单元206控制激光相控阵205发射的激光波束，在指定区域内进行扫描。同时，目标终端也以相同方式进行反向扫描。

步骤2：扫描波束进入前端镜头105接收范围，会通过ATP系统103的光学镜头301在CCD阵列单元302上成像。通过图像采集与处理单元303对目标终端方位进行提取和分析，确定目标终端方位并发送方位信息给中心控制模块101。

步骤3：本发明采用开环跟踪方式，中心控制模块101根据ATP系统103提供的目标终端方位信息，实时控制激光相控阵发射系统102发射激光波束指向目标终端。目标终端以相同方式控制激光波束进行反向跟瞄。完成双向通信链路的建立。

步骤4：光电探测系统104中的光电探测系统光学镜头401采用超短焦广角镜头设计，具备与ATP系统103相匹配的视场角。宽带光电探测元件402将光信号转化为电流信号，再经过TIA放大器403放大后转化为电压信号，发送给调制/解调模块106。

步骤5：调制/解调模块106采用强度调制/直接检测(IM/DD)的方式将待传输的信息通过调制器203加载到激光载波上。同时对光电探测系统104提供的电压信号进行解调处理。

图5是本发明应用于空间激光通信的工作示意图。如图5所示，激光通信链路由终端A和终端B来实现，终端A和终端B均为基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端。终端上较小的孔径为发射孔径，较大的孔径为接收孔径。两台终端不使用机械转动部件，采用激光相控阵作为发射天线，进行波束实时高精度指向。跟踪与接收采用开环跟踪方式与超短焦广角接收设计，实现全固态设计下的通信信号接收。通过对接收信号进行处理，最终实现两终端间的通信。

本发明采用了激光相控阵天线代替传统机械伺服驱动的光学镜头，具有体积小、重量轻的优势。可实现空间光网络节点小型化与轻量化，满足空间光网络节点大规模、多接入配置需求；本发明采用了激光相控阵，具有波束快速可捷变的优势。可满足空间光网络节点快速接入需求，提高空间光网络配置的灵活性；本发明采用了全固态终端设计方案，具有结构强度与稳定性高的优势。可布置在高速运动或强振动平台，提升空间光网络节点的适应性。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端，其特征在于包括：中心控制模块(101)、激光相控阵发射系统(102)、捕获跟踪瞄准系统(103)、光电探测系统(104)、前端镜头(105)与信号调制/解调模块(106)；其中，

所述中心控制模块(101)发送指向与扫描指令给所述激光相控阵发射系统(102)，所述激光相控阵发射系统(102)发射激光波束对指定区域进行扫描；

所述扫描波束进入前端镜头(105)接收范围，所述捕获跟踪瞄准系统(103)对扫描波束成像并对图像处理得到目标终端方位信息，捕获跟踪瞄准系统(103)将目标终端方位信息发送给中心控制模块(101)；

所述中心控制模块(101)根据目标终端方位信息，实时控制激光相控阵发射系统(102)发射激光波束指向目标终端；

所述光电探测系统(104)采集到前端镜头(105)的扫描波束，将光信号转化为电流信号，将电流信号放大后转化为电压信号发送给所述信号调制/解调模块(106)进行信号解调；

所述信号调制/解调模块(106)控制激光相控阵发射系统(102)将待传输信号调制到激光波束上；

所述激光相控阵发射系统(102)包括激光器(201)、第一偏振控制器(202)、调制器(203)、第二偏振控制器(204)、激光相控阵(205)和波束指向控制单元(206)；其中，

中心控制模块(101)通过监测输出信号状态，对激光器(201)与第一偏振控制器(202)和第二偏振控制器(204)的工作参数进行控制与调节；

调制/解调模块(106)控制调制器(203)，将待传输信号调制到激光器(201)发射的激光经过第一偏振控制器(202)调制后的光载波上；

波束指向控制单元(206)根据中心控制模块(101)提供的目标终端方位信息，控制激光相控阵(205)发射激光波束的指向；

所述捕获跟踪瞄准系统(103)包括光学镜头(301)、CCD阵列单元(302)和图像采集与处理单元(303)；其中，

所述光学镜头(301)将前端镜头(105)接收、滤波与分束后的扫描波束的光信号聚焦至CCD阵列单元(302)，CCD阵列单元(302)对扫描波束的光信号成像，图像采集与处理单元(303)对图像处理得到目标终端方位信息，图像采集与处理单元(303)将目标终端方位信息发送给中心控制模块(101)；

所述光电探测系统(104)包括光电探测系统光学镜头(401)、宽带光电探测元件(402)和TIA放大器(403)；其中，

光电探测系统光学镜头(401)将前端镜头(105)接收、滤波与分束后的扫描波束的光信号聚焦至宽带光电探测元件(402)；

所述宽带光电探测元件(402)将光信号转化为电流信号，经过TIA放大器(403)将电流信号放大后转化为电压信号发送给调制/解调模块(106)进行信号解调。

2.根据权利要求1所述的基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端，其特征在于：所述前端镜头(105)包括凸透镜、凹透镜和分光镜；其中，

所述扫描波束经过凸透镜收束后到达凹透镜，经凹透镜后变成平行光达到分光镜，一部分光折射到所述捕获跟踪瞄准系统(103)，其余部分光透射后到达光电探测系统(104)。

3.根据权利要求2所述的基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端，其特征在于：凸透镜的口径为D1，凸透镜的焦距为F1，凹透镜的焦距为F2，凹透镜的口径为D2。

4.根据权利要求3所述的基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端，其特征在于：凸透镜与凹透镜间距为：L＝F1-F2；其中，F1＞F2。

5.根据权利要求3所述的基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端，其特征在于：收束倍率为：R＝F2/F1。

6.根据权利要求3所述的基于激光相控阵的全固态空间激光通信终端，其特征在于：凹透镜的口径满足如下关系：

D2≥D1×F2/F1。

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