CN114503460A - 一种自由空间激光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信系统。本发明提供了一种基于具有长近无衍射传输距离的类贝塞尔光束的自由空间光通信系统，包括光学连接的发射模块和接收模块，所述发射模块包括有激光源，所述接收模块配备发射器和接收器稳定组件，所述激光源后安装了类贝塞尔光束产生光学单元，所述类贝塞尔光束产生光学单元包括两个串联的轴棱锥，所述两个串联的轴棱锥可沿轴线相对移动。所述两个串联的轴棱锥可描述如下：与第一个轴棱锥相比，第二个轴棱锥由更光密材料制成，第一个轴棱锥浸液折射率高于第二个轴棱锥浸液折射率；将两个轴棱锥浸没在不同温度浸液中，且为增强湍流大气激光通信稳定性，第一个轴棱锥浸没温度低于第二个轴棱锥浸没温度。
Description
本发明涉及激光技术，可以应用于不同空间远程物体之间的通信，包括飞行器和卫星，以及深空通信等。
自由空间光通信(FSO)的特点是带宽极宽、无频谱许可限制、低功耗和光通道的高安全性。自由空间光通信的优势包括快速部署和适用于无法使用光纤电缆的情况。
自由空间光通信系统的效率由光信号传输路径上的光功率损耗和信息失真程度决定。造成这些损耗的主要原因可归结为四类：1)大气损耗，包括光学吸收、大气散射及闪烁、衰减；2)瞄准损耗，与发射和接收模块的光轴相互对准精度相关，由相互振动、电源抖动造成；3)光信号(光场)衍射发散，取决于距离、波长和原始激光光束质量；4)激光束与天线组合的非最佳匹配造成的损耗。
通常在实践中，与前两种类型相关的降低损耗的方法是将光场限制在接收模块输入孔径内。该方法基于增加激光束的发散角，使其超过振动引起的角度不确定性[1]。然而，考虑到光功率损耗随着光束发散角的增大而变大，所以衍射极限激光束在长距离激光通信系统具有一定的应用前景。反过来，衍射极限激光束的应用可使接收器输入孔径处功率密度增大，但需相应地提高指向精度和通信信道稳定性。现有的自由空间光通信系统稳定机制包括将发射器指向接收器，以及通过跟踪接收模块在空间中位置的变化来维持激光通信的稳定性。提高光信号功率水平以及使其衰减最小化，对保持自由空间光通信系统的稳定性至关重要。在湍流大气条件下，衰减的主要原因是初始均匀光束产生的非稳定光场散斑结构。
就技术本质而言，与所声称的设备最相似的是[2]所述的自由空间激光通信系统。在这种特殊情况下，采用的衰减最小化方法是使用最大强度散斑跟踪算法，然后将散斑反馈到接收光纤。简化形式的光学激光通信系统由光学连接的接收和发射模块组成，这些模块配备有用于指向和稳定通信信道的附加器件。
激光通信系统接收模块保证从发射端接收载波信号，稳定视轴，提高能量接收效率并防止通信中断。激光通信系统接收模块光学方案包括三个光学通道：主通信通道(包含直径相对较大的输入望远镜)，附加的被动通道和发光二极管发射通道。接收模块的配置和工作模式与发射模块类似，除主通道外(其中，折射望远镜用来接收载波信号，而信号本身通过专用红外辐射接收器记录)。双向通信需要在同一端配置发射和接收模块，而配置的相似性使发射和接收模块可以组合成一个接收-发射系统。在下文中，我们将只描述发射模块光学部分的配置和操作，而由于载波信号的调制-解调系统仍然是传统系统，对此我们不再讨论。
激光通信系统发射模块可执行以下功能：产生单色辐射光束，用于随后调制数据流；为了在远距离信号传输情况下减小光束发散角，采用了直径相对较大的望远镜；对振动引起的随机运动进行补偿，稳定视轴。
原型激光通信系统发射模块光学方案核心部分[2]包含三个光学通道：激光发射通道，发光二极管发射通道和被动接收通道。激光发射通道包括红外激光源、旋转分束器、光束校正器、主动倾斜校正器、目镜和输出反射望远镜。其中，旋转分束器在发光二极管通道波长辐射范围内透过率为100％，在激光发射通道波长处全反射；光束校正器(望远镜)用于匹配光学元器件孔径。红外激光辐射被分束器反射后，射向光束校正器，然后被引导到主动倾斜校正器上，被主动倾斜校正器反射的光束通过目镜射向反射望远镜瞄准镜。发光二极管发射通道是参考源，是为了稳定接收模块而配置的输入通道，它包括大功率发光二极管(信标)和相应的成形光学器件。被动接收通道包括物镜和四象限光电接收器或高速CCD相机(倾斜传感器)，具有从接收模块参考源获得接收模块视轴稳定信号，控制主动倾斜校正器的功能。被动接收通道工作方式如下：来自接收模块的信标信号进入发射模块反射望远镜，经过瞄准镜发射给主动倾斜校正器，然后导向光束校正器和旋转分束器。信标信号经过旋转分束器，不改变方向，进入高速CCD相机物镜。高速CCD相机产生的电信号提供给控制电子学单元，并由处理器根据预设算法进行处理，该电信号与激光束光斑焦点相对于光电接收器接收面中心的位移成比例。最后，将控制信号提供给激光束指向机构的电机驱动的悬挂装置(粗调节)以及主动倾斜校正器(精调节)，将激光光斑稳定在光电接收器光敏区中心部位。因此，通信信道指向和稳定装置自动将激光载波信号的中心稳定在光电接收器输入孔径处，并进一步聚焦。
应该注意的是，即使不存在大气湍流，将高斯光束(GB)应用于自由空间激光通信系统也不是最优方案。为了更充分地利用光学元件的孔径，有意地对高斯光束外径进行了限制，而高斯光束中心部分被反射望远镜的次镜遮挡。为了解决反射望远镜中光场输入问题，目前提出了一系列将初始高斯光束转换为环形场(AF)的方法。例如，为了消除反射望远镜中的阴影，[3]中提出将高斯光束分成四个独立部分，由它们共同在规定平面上形成一个离散的环形场。[4]中为解决阴影问题，提出用空心光波导或者微型轴棱锥来产生环形场。[5]中采用了高斯-环形光束转换器，使用两个相似的轴棱锥，建造基于两个卡塞格伦望远镜的激光雷达光学系统。尽管转换为环形场，可有效解决激光高斯光束输入到镜像望远镜的问题，但所提出的光学方案还有许多不足。由于来自发射器的激光光斑在接收望远镜输入孔径处具有在光轴上最大的强度分布，为获得最大能量效率，一般情况下，需要采用没有中心遮挡的接收望远镜，即折射望远镜。这些方案最大的不足之处在于，用于产生激光束的方法和方案没有以在光电接收器平面上实现最大场强进行优化，即使在光轴上形成了相当强的最大值。一般认为[5]，这种具有中心强度最大的场是零阶贝塞尔光束(BLB)，具有无衍射特性。但并非如此，因为该光场的傅里叶-频谱并非BLB光束典型的环形。[6]中首次提出了一种使用两个顺序排列的锥角分别为γ1和γ2的轴棱锥产生锥形光束(CLB)的方案，其中Δγ＝γ2-γ1>0，并且表明，最初形成的光束在环形场内，属于z-向类贝塞尔光束。随着锥形光束的传播，其转变成强度轴向最大场，该场的轴向强度取决于纵向坐标z，而位置由锥形望远镜锥角Δγ决定。锥形光束场横向结构与上面提到的环形场(相对于轴的波前倾斜角等于零)的差异显现在远场衍射区。普通的环形场在远场形成轴向最大场，锥形光束传播过程中，一开始也形成轴向最大场，但随后再次转化成波前倾斜与光轴方向相反的环形光束。锥形光束的这一特点使得接收模块和发射模块可以采用相同类型的望远镜。
本发明的技术目的是提高接收装置输入孔径处光学载波信号的功率，而发射器输出孔径和功率不变，由此能够提高通信距离。为了达到大气干扰情况下稳定激光通信的目的，通信设备配备了自适应光学系统。所申请的光学通信系统可保证实现接收平面上最大轴向强度，接受-发射端采用同一类型的望远镜。这一技术目标是基于以下途径实现的，在基于具有远距离近无衍射传播的类贝塞尔光束的自由空间激光通信系统中，该系统由配备了接收器和发射器稳定组件的光学连接的发射和接收模块构成，类贝塞尔光束产生光学单元位于发射模块激光源之后，包括可沿轴线相对移动的两个串联轴棱锥，第二个轴棱锥的锥角大于第一个轴棱锥锥角。该情况下，产生类贝塞尔光束的光学部件可能包括：
–两个锥角相似的轴棱锥，但相比第一个轴棱锥，第二个轴棱锥由更光密的材料构成；
–两个相似的轴棱锥，浸没于浸没液体中，液体折射率比轴棱锥材料低，第一个轴棱锥浸液折射率高于第二个轴棱锥浸液折射率；
–两个相似的轴棱锥，浸没于不同温度的浸液中，第一个轴棱锥的浸液温度低于第二个轴棱锥的浸液温度；
–两个相似的轴棱锥，浸没于不同温度的浸液中，为了连续控制两个轴棱锥的锥角差，通过帕尔帖元件控制浸液温度差并采用电子部件进行稳定。
图1为具有类贝塞尔光束产生系统的自由空间激光通信的简化框图，包括光学连接的发射模块1和接收模块2，接收模块2配备了用于指向和和稳定通信信道的附加设备。发射模块1含发射信道红外激光源3。类贝塞尔光束产生组件4位于发射模块1中激光源3的后面，并包括两个轴棱锥5和6。
图2为类贝塞尔光束产生组件光学结构示意图，该组件可形成特殊类型的光场，即锥形光束(CLB)。图2还解释了所要求保护的设备的工作原理。为匹配红外激光源3和类贝塞尔类贝塞尔光束产生组件的孔径，在光路上另外设置了光束扩束器(图中未用附图标记标识)。在简化方案中，类贝塞尔光束产生组件4由两个折射轴棱锥5和6构成，可沿光轴相对移动。在较复杂的方案中，可采用可控浸液轴棱锥，其描述如下。类贝塞尔光束产生方案如下所述：来自发射模块1的激光源3的高斯载波光束射向第一个锥角γ1的轴棱锥5，入射高斯光束转变成发散的环形场。环形场进入第二个锥角γ2的轴棱锥6，形成锥角Δγ＝γ2-γ1的环形锥形光束。然后，环形锥形光束经传播方向校正沿初始路线进入发射模块1的输出反射望远镜。望远镜出口处形成环形锥形光束，直径d2＝m'd1，其中m'是放大系数。此时，光束发散角减少m'倍。环形光束直径，可通过改变轴棱锥之间距离的方式进行调节，发散角Δγ＞0确定了信息传输的有效距离。
图3说明了轴棱锥锥角Δγ＞0的非零差对远距离Z上形成的轴向场强的影响。此处，第一个轴棱锥锥角选择γ1＝1°，轴棱锥直径为1英寸。曲线7反映了轴棱锥锥角比值为γ1/γ2＝1.005时，轴向强度与类贝塞尔光束传播距离之间的相对关系。曲线8反映了锥角比为1.003时的关系。为了对比，此处给出了Δγ＝0环形场的曲线9，类似的典型特点见[4,5]。由图3可见，从Δγ＝0的环形场光学产生方案向选择Δγ＞0的最佳值的锥形光束(CBL)光学产生方案的转变，可明显增强通信光束的轴向强度。
因此，激光通信系统中安装产生类贝塞尔光束产生组件导致产生一种特殊类型的光场，该光场在近轴区域传播时从锥形光束向具有高光束强度的类贝塞尔光束相互转换。图4а给出了这种场近轴区的3D结构，中心最大强度10，周围是少量(2-3个)环11。为了估计图4A中光束中心最大强度，给出了横向轮廓(曲线12)。试验研究表明，这种光束的中心最大值占总光束能量的约50％。此时，反射瞄准镜平面上的锥形光束有环形结构，可实现有效的功率无损输入/输出。锥形望远镜生成锥形光束的一个重要特点是有清晰的光束强度分布外边界，使得无需外部限制就可充分利用轴棱锥孔径，如高斯光束。所要求保护的自由空间激光通信光学方案与原型机和类似设备的主要不同在于使用锥形光束进行通信，这使得辐射光束可以有效地输入到发射器平面上的反射望远镜中，并且其特征还在于锥角Δγ＞0，对于在接收平面中获得最大轴向强度是最佳的。此外，还可以调节角度Δγ，以控制通信线路的最优距离。在大气湍流情况下，使用类贝塞尔光束通信有明显优势，因为信道中的类贝塞尔光束在传播过程中发生转换，而众所周知，转换后的光束具有在障碍物后的自恢复特性。初始类贝塞尔光束散斑特性又称近无衍射散斑[7]，即长度远大于初始高斯光束的散斑。考虑到光电接收器平面上光束为贝塞尔光束，当光束通过大气传播时将其分成长散斑，明显有助于其记录过程。
具有较小角度差Δγ的锥形望远镜方案，需要折射轴棱轴加工时的锥角(～10-3°)误差极小，这在技术上很难直接实现。为获得小锥角，使用浸液方法。轴棱锥可使用浸液的想法是已知的[8]，但只是针对一个轴棱锥，而未研究锥角可调谐的可能性，以及该调谐对远距离环形场和类贝塞尔场的影响。与单独轴棱锥锥角相比，在所要求保护的通信系统中使用浸液可降低两个轴棱锥(锥形望远镜)系统的有效锥角。同时，轴棱锥浸液形成的类贝塞尔光束质量明显较高，因为玻璃-浸液边界折射率明显低于玻璃-空气边界，这反过来又降低了对折射轴棱锥机械加工质量的要求。通过改变溶液浓度可以方便地调谐有效锥角，这样就可以在设定的距离上实现类贝塞尔光束聚焦。此外，通过更精细的温度调节有效锥角Δγ是可能的。
图5给出了基于浸液轴棱锥的类贝塞尔光束产生光学组件。该组件含两个类似的装置，即由对浸液14呈惰性的主体13、折射轴棱锥5和一个平面平行光学透明板15组成的可控浸没轴棱锥。准直高斯光束入射轴棱锥形成的锥形光束的锥角，可通过几何光学进行计算
γ1＝sin-1(n2 sinθ2)＝sin-1(n2 sin(θt-θax)). (1)
此处θt＝sin-1(n1 sin(θax)/n2)，θax–轴棱锥底角，n1,2–轴棱锥和液体材料折射率。
由方程(1)可见，采用浸液可明显改变轴棱锥锥角。以下举例对基于轴棱锥浸液的类贝塞尔光束产生组件锥角进行计算。轴棱锥由N-BK7玻璃或熔融石英SiO2(nbk7＝1.5195，nsio2＝1.4607，λ＝532nm)加工而成。选择第一个轴棱锥底角θax＝10°，对于由N-BK7制成的轴棱锥，浸液折射率n2＝1.417，对于由SiO2制成的轴棱锥–n2＝1.370。应该指出的是，计算中浸液参数值取自生产商CardilleLabs公司网站。根据方程(1)计算得出，形成类贝塞尔光束的N-BK7轴棱锥锥角γ1＝1.037°，而SiO2–γ1＝0.917°。假设第二个轴棱锥不使用浸液，底角θax＝2°。则由方程(1)，n2＝1时得出，轴棱锥由N-BK7构成时，类贝塞尔光束锥角γ2＝1.04°，而SiO2–γ2＝0.992°。由所进行的计算得出的数据给出了由N-BK7和SiO2构成的第二个和第一个轴棱锥锥角的比值分别为1.005和1.003(参见图3)。
浸液轴棱锥可通过圆柱体液体池形式实现，输入窗口是折射轴棱锥的基底，而输出窗口是平面平行玻璃板。该单元的锥角控制可通过挑选规定折射率的液体来实现。例如，采用适当去除杂质的乙醇(C2H6O)作为浸液是可行的，乙醇作为浸液受多种原因制约。第一，通过改变乙醇溶液浓度，由20％调到80％，可控制液体折射率从n20＝1.3439到n80＝1.3646，即保证Δn2＝0.0207。第二，乙醇无味且透明，易溶于水，而溶液实际为匀质物质。第三，在可见光波长范围内无光吸收。还有一个原因是随时间的稳定性以及同接触材料具有相对较高的惰性。
采用乙二醇作为浸液还能够通过改变浸液温度来控制待生成类贝塞尔光束的锥角。为此采用了帕尔帖元件及相应的电子学部分(图5未给出)，该电子部件可对浸液进行稳定加热和冷却，精度为0.1℃。对于乙醇溶液，温度改变1℃的折射率变化对应溶液浓度25％时的2.0×10-4变为溶液浓度75％时的4.0×10-4。该情况下，玻璃折射率的改变(≈1.0×10-5)可以忽略。用于控制类贝塞尔光束锥角的温控方法能够连续改变乙醇溶液折射率，在温度改变范围ΔT＝25℃内，折射率可从Δn2＝0.005变为Δn2＝0.01(溶液浓度20％变为80％)。
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Claims (5)
1.一种基于具有长近无衍射传输距离的类贝塞尔光束的自由空间光通信系统，其特征在于，包括光学连接的发射模块和接收模块，所述发射模块包括有激光源，所述接收模块配备发射器和接收器稳定组件，所述激光源后安装了类贝塞尔光束产生光学单元，所述类贝塞尔光束产生光学单元包括两个串联的轴棱锥，所述两个串联的轴棱锥可沿轴线相对移动，第二个轴棱锥的锥角大于第一个轴棱锥的锥角。
2.一种基于具有长近无衍射传输距离的类贝塞尔光束的自由空间光通信系统，其特征在于，包括光学连接的发射模块和接收模块，所述发射模块包括有激光源，所述接收模块配备发射器和接收器稳定组件，所述激光源后安装了类贝塞尔光束产生光学单元，所述类贝塞尔光束产生光学单元包括两个串联的轴棱锥，所述两个串联的轴棱锥具有相似的锥角，并可沿轴线相对移动，且第二个轴棱锥由比第一个轴棱锥更光密的材料制成。
3.一种基于具有长近无衍射传输距离的类贝塞尔光束的自由空间光通信系统，其特征在于，包括光学连接的发射模块和接收模块，所述发射模块包括有激光源，所述接收模块配备发射器和接收器稳定组件，所述激光源后安装了类贝塞尔光束产生光学单元，所述类贝塞尔光束产生光学单元包括两个串联的轴棱锥，所述两个串联的轴棱锥具有相似的锥角，并可沿轴线相对移动，所述两个串联的轴棱锥浸没在折射率小于轴棱锥材料的浸没液体中，且第一个轴棱锥的浸没折射率高于第二个轴棱锥的浸没折射率。
4.一种基于具有长近无衍射传输距离的类贝塞尔光束的自由空间光通信系统，其特征在于，包括光学连接的发射模块和接收模块，所述发射模块包括有激光源，所述接收模块配备发射器和接收器稳定组件，所述激光源后安装了类贝塞尔光束产生光学单元，所述类贝塞尔光束产生光学单元包括两个串联的轴棱锥，所述两个串联的轴棱锥具有相似的锥角，并可沿轴线相对移动，所述两个串联的轴棱锥浸没于不同温度的浸没液体中，且第一个轴棱锥的浸没温度低于第二个轴棱锥的浸没温度。
5.根据权利要求4所述的自由空间光通信系统，其特征在于，所述自由空间光通信系统通过帕尔帖元件和电子组件稳定调节轴棱锥浸液的温度，以对两个轴棱锥的锥角差进行连续控制。
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