CN114499664A - 一种收发一体空间激光通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种收发一体空间激光通信终端，包括上部光机模块和下部为激光通信处理模块；所述光机模块包括伺服转台，伺服转台的方位轴上固定有光学天线，伺服转台下方与光学天线对应设置有快反镜，所述快反镜一侧依次排列设置有双色分光片和收发光支路单元，所述双色分光片的另一方位侧依次设置有窄带滤光片和分光棱镜，分光棱镜的两个方位侧分别对应设置有精跟踪探测系统和粗跟踪探测系统，所述双色分光片的与窄带滤光片相对的方位侧上设置有杂散光吸收装置。本发明降低系统功耗，减少信标光光路，实现精简和小型化。

Description

一种收发一体空间激光通信终端

技术领域

本发明属于空间激光通信技术领域，具体涉及一种空间激光通信终端。

背景技术

空间互联网包括由各类在轨运行飞行器、卫星或卫星星座构成的空间信息处理及通信设施，各类地面站、核心网等相关地面基础设施，各类应用系统融合构成的高性能全球网络基础设施，是新一代全球互联网发展的重点方向、新一轮空间竞争的焦点。新型空间互联网星座系统普遍支持星间链路，以此构建全球无缝连接、低延时的空间网络系统，是国家空间信息基础设施的重要组成部分。空间激光通讯作为未来通讯发展的主要方向，将与传统的微波通讯方式形成互补。自由空间激光通信相比传统的微波通信，具有通信容量大、功耗低、抗干扰、保密性好等优点，成为现在空间海量信息传输的重要手段。

在新型空间互联网星座系统中，建立起星间通信链路是至关重要的，它不仅可以使信息达到实时传递，而且可以免于建立大量地面站，对于全球卫星通信系统或局部信息网也很重要。激光星间链路具有较小的终端体积、质量和功耗，当链路的数据率相对较高时，光学链路终端在体积和质量方面的优势会进一步体现。卫星光通信系统主要由两个构成光通信链路的光通信终端组成，光通信终端是卫星光通信系统中进行光信号收发的光端机。空间激光通信终端的基本组成通常包括光源模块、光信号收发模块、瞄准捕获跟踪模块、调制解调模块、终端控制模块等。

通常情况下，空间激光通信终端为双工工作，激光发射机和激光接收机是分开的两个工作波长，两个工作波长很近，设计适合的分光结构进行有效分光的时候，就需要复杂的机械结构设计来保证每一个分束镜的稳定性和可装调性。这些都加大了自由空间激光通信光学系统的工程难度、稳定性以及制造成本。根据具体的工作模式，空间激光通信的光学系统可能需要更为复杂的分光，但是基本方法是一致的。因此现有技术当中亟需要一种新型的结构设计方式来解决这一问题。

发明内容

基于以上技术问题，本发明的主要目的在于提出一种空间激光通信终端，与传统的空间通信终端不同，采用通信光代替信标光，降低了系统的功耗，还能减少信标光光路，同时为了进一步简化光路采用了收发光共光路结构，使得获得的空间激光通信终端实现精简和小型化。

本发明的收发一体空间激光通信终端，包括上部光机模块和下部为激光通信处理模块；所述光机模块包括伺服转台，伺服转台的方位轴上固定有光学天线，伺服转台下方与光学天线对应设置有快反镜，所述快反镜一侧依次排列设置有双色分光片和收发光支路单元，所述双色分光片的另一方位侧依次设置有窄带滤光片和分光棱镜，分光棱镜的两个方位侧分别对应设置有精跟踪探测系统和粗跟踪探测系统，所述双色分光片的与窄带滤光片相对的方位侧上设置有杂散光吸收装置。

其中，所述快反镜、双色分光片、收发光支路单元、窄带滤光片、分光棱镜、精跟踪探测系统、粗跟踪探测系统、杂散光吸收装置均处于同一水平光路平面内，且快反镜、双色分光片、收发光支路单元构成的X轴光路线与双色分光片、窄带滤光片、分光棱镜、杂散光吸收装置构成的Y轴光路线相互垂直，光学天线和快反镜构成的Z轴光路线竖向设置，与上述水平光路平面相垂直。

其中，所述光机模块具有一个呈L状延伸的光路盒体，所述伺服转台固定于光路盒体上方，快反镜、双色分光片、窄带滤光片、分光棱镜、杂散光吸收装置均固定于光路盒体内，收发光支路单元、精跟踪探测系统、粗跟踪探测系统均固定于光路盒体的壁面上。

其中，所述伺服转台顶部通过U型架转动固定有摆镜，摆镜以水平面为0°角摆动，伺服转台中部具有方位轴，以围绕竖向中心轴±180°旋转。

其中，所述光学天线包括镜头支撑外壳和沿轴依次设置的四片镜片，四片镜片分别为用于光信号的接收和光线汇聚的第一凸透镜、用于光线进一步汇聚的第二凸透镜、发散光线并矫正像差的凹透镜、和用于平衡焦距准直光线的双凸透镜，四片镜片组成的为伽利略扩束镜结构，光学天线的镜头支撑外壳端部通过螺栓固定于伺服转台的方位轴内。

其中，所述快反镜包括斜底座和工作台体，斜底座具有斜面，工作台体固定于斜面上，斜底座固定于光路盒体内底面，工作台体内沿一圆周上均布有四个驱动元件，驱动元件顶部共同固定一个弹片，所述弹片上方固定连接有工作镜，所述工作镜被工作台体的外壁限位并具有可自由转动的间隙空间。

其中，所述杂散光吸收装置具有黑色吸光材料的外盒体，外盒体上开设有孔洞，孔洞上设有向盒内凹陷的抛物球面，外盒体内与抛物球面相对固定有积分球。

其中，所述精跟踪探测系统包括内镜筒和外套筒，内镜筒通过端部与其他结构连接进行固定，且内镜筒端部内侧固定有精跟踪镜头，所述外套筒以螺纹配合的形式套装于所述内镜筒外，且外套筒底部固定设置有与精跟踪镜头同轴的精跟踪探测器，外套筒底部还设有向外的凸环。

其中，所述粗跟踪探测系统包括内镜筒和外套筒，内镜筒通过端部与其他结构连接进行固定，且内镜筒端部内侧固定有粗跟踪镜头，所述外套筒以螺纹配合的形式套装于所述内镜筒外，且外套筒底部固定设置有与粗跟踪镜头同轴的粗跟踪探测器，外套筒底部还设有向外的凸环。

本发明提出的光纤放大器，具有以下有益效果：

1.解决了空间激光通信终端激光发送端和激光接收端一体化难题，采用通信光代替信标光，降低功耗并减少信标光光路，同时实现精简和小型化。。

2、通过结构设计，将光学天线固定在伺服转台的方位轴系里，减小了空间激光通信终端的纵向尺寸，实现了分光系统的紧凑及轻小型化设计。

3、紧凑分光模块，用一个分光模块代双色分光片替多个相对独立的分束镜，提高了系统的模块化设计，易于后期维护及元件更替，同时提高了重复精度。相对的空间位置关系易于在前期的分光棱镜加工中实现，降低后续装调加工难度，提高系统的稳定性，相比较于多个支路的空间激光通信光学系统优势明显。

4、设计杂散光吸收装置，将杂散光对后端光路影响降到最低同时可以监控发射光功率大小。

5、降低了自由空间激光通信系统实现的时间成本和加工成本，使其易于工程实现。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种具体实施方式整体结构示意图。

图2为本发明的一种具体实施方式内部结构示意图。

图3为本发明的一种具体实施方式剖面结构示意图。

图4为光学天线的一种具体实施方式整体结构示意图。

图5为光学天线的一种具体实施方式剖面结构示意图。

图6为快反镜的一种具体实施方式整体结构示意图。

图7为快反镜的一种具体实施方式分解结构示意图。

图8为快反镜的一种具体实施方式剖面结构示意图。

图9为杂散光吸收装置的一种具体实施方式整体结构示意图。

图10为杂散光吸收装置的一种具体实施方式剖面结构示意图。

图11为精跟踪探测系统或者粗跟踪探测系统的一种具体实施方式整体结构示意图。

图12为精跟踪探测系统或者粗跟踪探测系统的一种具体实施方式剖面结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体附图对本发明进行详细描述。以下描述中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。附图实例为清楚描述本发明的优选实施例进行了详细的细节描述，但并不代表本发明的唯一实施方式，本领域技术人员在不脱离该具体实施方式的情况下所作的细节结构更改也应视为在本实施例公开的范围之内。

本发明收发一体空间激光通信终端的一种具体实施方式如图1-3所示，包括上下两个结构部分：上部为光机模块，用于安装设置各个光路部件；下部为激光通信处理模块，用于对光机模块中的部件进行必要的信号控制和调整，以及对收发光信号进行分析和处理。

如图2-3，所述光机模块包括伺服转台1，伺服转台1的方位轴上固定有光学天线2，伺服转台1下方与光学天线2对应设置有快反镜3，所述快反镜3一侧依次排列设置有双色分光片5和收发光支路单元6，所述双色分光片5的另一方位侧依次设置有窄带滤光片7和分光棱镜8，分光棱镜8的两个方位侧分别对应设置有精跟踪探测系统9和粗跟踪探测系统10，所述双色分光片5的与窄带滤光片7相对的方位侧上设置有杂散光吸收装置4。

在上述结构中，快反镜3、双色分光片5、收发光支路单元6、窄带滤光片7、分光棱镜8、精跟踪探测系统9、粗跟踪探测系统10、杂散光吸收装置4均处于同一水平光路平面内，且快反镜3、双色分光片5、收发光支路单元6构成的X轴光路线与双色分光片5、窄带滤光片7、分光棱镜8、杂散光吸收装置4构成的Y轴光路线相互垂直，光学天线2和快反镜3构成的Z轴光路线竖向设置，与上述水平光路平面相垂直。光机模块可以设置一个呈L状延伸的光路盒体100，所述伺服转台1固定于光路盒体100上方，快反镜3、双色分光片5、窄带滤光片7、分光棱镜8、杂散光吸收装置4均固定于光路盒体100内，收发光支路单元6、精跟踪探测系统9、粗跟踪探测系统10均固定于光路盒体100的壁面上。

如图4-5，一种示例性的所述伺服转台1顶部通过U型架12转动固定有摆镜11，摆镜11以水平面为0°角，可以实现俯仰±15°或更大幅度的摆动，伺服转台1中部具有方位轴，可以实现绕竖向中心轴±180°旋转，从而实现俯仰±15°和平面±180°的扫描范围用于发射、收集空间传输的信号光。摆镜11具有椭圆镜片，椭圆镜片可以弥补光入射时光场变形，用于固定连接椭圆镜片的结构部分可采用热膨胀极低的金属材料，降低外界温度变化对其的影响。具有上述扫描范围的伺服转台1可直接通过购买获得，市售伺服转台1中也具有更大扫描范围的产品。

一种示例性的所述光学天线2包括镜头支撑外壳21和沿轴依次设置的四片镜片，四片镜片分别为用于光信号的接收和光线汇聚的第一凸透镜22、用于光线进一步汇聚的第二凸透镜23、发散光线并矫正像差的凹透镜24、和用于平衡焦距准直光线的双凸透镜25。四片镜片组成的为伽利略扩束镜结构。光学天线2的镜头支撑外壳21端部通过螺栓可固定于伺服转台1的方位轴内，可以有效利用垂直方向的空间，使整体结构更紧凑。

所述快反镜3用于稳定光学系统视轴或者调节光束指向的作用。其底座通过螺钉直接与光机模块的光路盒连接。如图6-8，一种示例性的快反镜3的结构包括斜底座31，斜底座31一般具有45°斜面，斜底座31直接通过螺钉等固定方式直接固定于光路盒体100内底面。斜底座31可通过连接螺栓32将工作台体33倾斜固定于斜底座的斜面上，工作台体33内沿一圆周上均布有四个驱动元件(可为压电陶瓷)34，驱动元件顶部共同固定一个弹片35，所述弹片35上方固定连接有工作镜36，所述工作镜36可以被工作台体33的外壁限位并具有可自由转动的少量间隙空间。当入射在工作镜36上的光束发生一定角度的偏转时，工作镜36可以被驱动元件34推动发生微小的角度偏转，由于四个压电陶瓷仅形成有限的驱动方位，并且变化幅度很小，所以带动工作镜36的偏转属于微小偏转，变化幅度非常小。

所述杂散光吸收装置4用于吸收发射光中经过反射进入系统的杂散光，也可以同时对发射光功率进行检测，保证发射波长λ11的高功率信号光光功率正常。一种示例性结构如图9-10，采用黑色吸光材料的外盒体41，外盒体41上开设有孔洞42，孔洞42上设有向盒内凹陷的抛物球面43，用于使杂散光汇聚并射入，外盒体41内与抛物球面43相对固定有积分球44，用于对摄入的杂散光进行吸收，并防止光被反射出。所述积分球44可进一步通过信号线等与外部的其他检测装置相连接，用于对杂散光进行进一步检测。

双色分光片5为对发射和接收的信号光工作波长分别具有一定比例高透过率的光片。作为一种示例，对发射光λ11透射率99％以上；接收光λ12的分光比为1：9，透射率90％，反射率10％；整体通过正方形基座与底部连接。

收发光支路单元6用于发射波长λ11的高功率信号光；接收波长λ12的微弱的信号光，实现空间激光通信。

窄带滤光片7用于进一步滤除发射光λ11由于镜片反射产生的杂散光，使接收信号不受干扰；通过结构基座与底面连接。

分光棱镜8用于将收到的信号光进行分束，以分别对通信目标进行粗跟踪和精跟踪；整体通过正方形基座与底部连接。其分光比可以为1：1。

精跟踪探测系统9用于精跟踪目标，是建立空间通信链路的前提。精跟踪探测系统9一种示例性结构如图11-12，包括内镜筒91和外套筒92，内镜筒91通过端部与其他结构连接进行固定，且内镜筒91端部内侧固定有精跟踪镜头93，所述外套筒92以螺纹配合的形式套装于所述内镜筒91外，且外套筒92底部固定设置有与精跟踪镜头93同轴的精跟踪探测器94(小视场)。外套筒92底部还设有向外的凸环95，以便于带动外套筒92旋转，通过外套筒92与内镜筒91的螺纹配合，可以实现精跟踪镜头93和精跟踪探测器94相对距离的调整，并微调精跟踪精度。

粗跟踪探测系统10用于捕获目标，是建立精跟踪的前提。粗跟踪探测系统10的结构可以具有与精跟踪探测系统9相同的结构，仅在结构部件上予以部件型号的改变即可，具体的，一种示例性结构也可以如图11-12所示，包括内镜筒101和外套筒102，内镜筒101通过端部与其他结构连接进行固定，且内镜筒101端部内侧固定有粗跟踪镜头103，所述外套筒102以螺纹配合的形式套装于所述内镜筒101外，且外套筒102底部固定设置有与粗跟踪镜头103同轴的粗跟踪探测器104(大视场)。外套筒102底部还设有向外的凸环105，以便于带动外套筒102旋转，通过外套筒102与内镜筒101的螺纹配合，可以实现粗跟踪镜头103和粗跟踪探测器104相对距离的调整，并微调粗跟踪精度。

所述激光通信处理模块可以分别与伺服转台1、快反镜3、精跟踪探测系统9和粗跟踪探测系统10信号连接，并根据粗跟踪探测系统10的信号反馈调整控制伺服转台1、根据精跟踪探测系统9的信号反馈调整控制快反镜3中压电陶瓷，从而实现光传输路线的粗调和精调。

具体的，所述收发一体空间激光通信终端，采用紧凑分光模块，其工作过程如下所述：

(1)信号光发射时：经过查询星历表计算目标卫星位置，激光通信处理模块控制伺服转台1调整方位指向，经过调制的信号光经过收发光支路单元6将高功率光发射出去，双色分光片5，99％透射的光通过快反镜3调整光束提前量，再通过光学天线2进行光学增益以后，通过摆镜11将平行光指向目标卫星出射。双色分光片51％的反射光经过杂散光吸收装置4吸收，减少对信号光接收的影响。

(2)信号光接收时：激光通信处理模块控制伺服转台1调整方位指向目标星，目标星发出的信号光经过几千公里后衰减的光信号通过摆镜11接收，收集目标卫星发射出来的信号光通过摆镜11折转45°射入光学天线2，光学天线2将信号光缩束后，再经过快反镜3反射，快反镜3的入射面与光轴成45°，将垂直入射的光折转成水平方向。通过双色分光片5后，10％的信号光通过反射，经过窄带滤光片7，窄带滤光片7的入射面与光轴垂直，再经过入射面与光轴垂直的分光棱镜8(分光比1：1)，分光棱镜8将光信号1：1分开至两条支线光路上。一条支线光路上50％的光经过粗跟踪镜头103，将光聚焦到大视场的粗跟踪探测器104上，粗跟踪探测器104的信号在激光通信处理模块中将光束位置解算反馈给伺服转台1，控制伺服转台1调整俯仰和平面方位位置，保证光斑入射到粗跟踪探测器104中心，这个过程完成粗跟踪；然后切换光轴，经过分光棱镜8的另一条支线光路上50％的光经过精跟踪镜头93入射到小视场的精跟踪探测器94上，经过精跟踪探测器94的信号在激光通信处理模块中进行位置解算，将位置信息反馈给快反镜3，快反镜3进行精确角度调整，保证光斑入射到精跟踪探测器94中心位置，完成精跟踪过程。精跟踪过程完成后，透过双色分光片5的90％的信号光通过收发光支路单元6耦合到光纤中进行解调等通信信号处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种收发一体空间激光通信终端，包括上部光机模块和下部为激光通信处理模块；所述光机模块包括伺服转台(1)，伺服转台(1)的方位轴上固定有光学天线(2)，伺服转台(1)下方与光学天线(2)对应设置有快反镜(3)，所述快反镜(3)一侧依次排列设置有双色分光片(5)和收发光支路单元(6)，所述双色分光片(5)的另一方位侧依次设置有窄带滤光片(7)和分光棱镜(8)，分光棱镜(8)的两个方位侧分别对应设置有精跟踪探测系统(9)和粗跟踪探测系统(10)，所述双色分光片(5)的与窄带滤光片(7)相对的方位侧上设置有杂散光吸收装置(4)。

2.根据权利要求1所述的收发一体空间激光通信终端，其特征在于，所述快反镜(3)、双色分光片(5)、收发光支路单元(6)、窄带滤光片(7)、分光棱镜(8)、精跟踪探测系统(9)、粗跟踪探测系统(10)、杂散光吸收装置(4)均处于同一水平光路平面内，且快反镜(3)、双色分光片(5)、收发光支路单元(6)构成的X轴光路线与双色分光片(5)、窄带滤光片(7)、分光棱镜(8)、杂散光吸收装置(4)构成的Y轴光路线相互垂直，光学天线(2)和快反镜(3)构成的Z轴光路线竖向设置，与上述水平光路平面相垂直。

3.根据权利要求1所述的收发一体空间激光通信终端，其特征在于，所述光机模块具有一个呈L状延伸的光路盒体(100)，所述伺服转台(1)固定于光路盒体(100)上方，快反镜(3)、双色分光片(5)、窄带滤光片(7)、分光棱镜(8)、杂散光吸收装置(4)均固定于光路盒体(100)内，收发光支路单元(6)、精跟踪探测系统(9)、粗跟踪探测系统(10)均固定于光路盒体(100)的壁面上。

4.根据权利要求1所述的收发一体空间激光通信终端，其特征在于，所述伺服转台(1)顶部通过U型架(12)转动固定有摆镜(11)，摆镜(11)以水平面为0°角摆动，伺服转台(1)中部具有方位轴，以围绕竖向中心轴±180°旋转。

5.根据权利要求1所述的收发一体空间激光通信终端，其特征在于，所述光学天线(2)包括镜头支撑外壳(21)和沿轴依次设置的四片镜片，四片镜片分别为用于光信号的接收和光线汇聚的第一凸透镜(22)、用于光线进一步汇聚的第二凸透镜(23)、发散光线并矫正像差的凹透镜(24)、和用于平衡焦距准直光线的双凸透镜(25)，四片镜片组成的为伽利略扩束镜结构，光学天线(2)的镜头支撑外壳(21)端部通过螺栓固定于伺服转台(1)的方位轴内。

6.根据权利要求1所述的收发一体空间激光通信终端，其特征在于，所述快反镜(3)包括斜底座(31)和工作台体(33)，斜底座(31)具有斜面，工作台体(33)固定于斜面上，斜底座(31)固定于光路盒体(100)内底面，工作台体(33)内沿一圆周上均布有四个驱动元件(34)，驱动元件(34)顶部共同固定一个弹片(35)，所述弹片(35)上方固定连接有工作镜(36)，所述工作镜(36)被工作台体(33)的外壁限位并具有可自由转动的间隙空间。

7.根据权利要求1所述的收发一体空间激光通信终端，其特征在于，所述杂散光吸收装置(4)具有黑色吸光材料的外盒体(41)，外盒体(41)上开设有孔洞(42)，孔洞(42)上设有向盒内凹陷的抛物球面(43)，外盒体(41)内与抛物球面(43)相对固定有积分球(44)。

8.根据权利要求1所述的收发一体空间激光通信终端，其特征在于，所述精跟踪探测系统(9)包括内镜筒和外套筒，内镜筒通过端部与其他结构连接进行固定，且内镜筒端部内侧固定有精跟踪镜头，所述外套筒以螺纹配合的形式套装于所述内镜筒外，且外套筒底部固定设置有与精跟踪镜头同轴的精跟踪探测器，外套筒底部还设有向外的凸环。

9.根据权利要求1所述的收发一体空间激光通信终端，其特征在于，所述粗跟踪探测系统(10)包括内镜筒和外套筒，内镜筒通过端部与其他结构连接进行固定，且内镜筒端部内侧固定有粗跟踪镜头，所述外套筒以螺纹配合的形式套装于所述内镜筒外，且外套筒底部固定设置有与粗跟踪镜头同轴的粗跟踪探测器，外套筒底部还设有向外的凸环。

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