CN114696889B - 动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置 - Google Patents

动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置 Download PDF

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Abstract

动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，涉及无线高速激光通信技术领域，为了解决现有技术存在的问题，其包括：载荷数据源一、载荷数据源二、激光器阵列一、激光器阵列二、激光器光开关阵列一、激光器光开关阵列二、主波分复用器一、主波分复用器二、备波分复用器一、备波分复用器二、波分复用光开关一、波分复用光开关二、准直器光开关、发射准直器一、发射准直器二、接收准直器一、接收准直器二、45°反射镜一、45°反射镜二、反射镜拉伸机构一、反射镜拉伸机构二、放大器光开关、前置光放大器一、前置光放大器二、解波分复用器一、解波分复用器二、解波分复用光开关一、解波分复用光开关二、光电探测器阵列一和光电探测器阵列二。

Description

动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置
技术领域
本发明涉及无线高速激光通信技术领域，具体涉及一种面向航天平台舱与 载荷舱间的超高速无线光通信装置。
背景技术
近年来，航天航空的战略地位愈发重要，人类对宇宙探测活动日益增多， 天基及地面目标的高时空分辨率空间相机成为现代光学观测领域研究的热点。 由于现有空间相机等载荷的高光谱、高空间分辨率等原因，载荷单位时间将产 生大量高像素图像或高清晰视频，为此载荷舱存在海量数据实时传输的迫切需 要(几百吉比特每秒，甚至更高)，同时现有空间载荷经常存在多载荷共同工作 的情形，适应多载荷数据传输也是发展趋势之一。目前微波通信的带宽满足不 了如此超高速率的通信要求。而光通信因其通信速率高、体积小、重量轻等优 点成为了较优的选择。不过平台舱和载荷舱之间存在将为随机旋转对准状态， 为此光纤通信的使用受到了较大限制。相比于光纤通信，无线光通信以自由空 间为信道，利用光学天线实现光束收发。同时无线光通信容易通过切换光路来 实现多载荷数据传输的要求。
中国专利申请号为“CN201710361776.X”公开了“一种星内超高速数据激光 传输系统”，该系统包括激光调制模块和激光解调模块，所述激光调制模块和所 述激光解调模块分别将电信号调制为光信号和将光信号解调为电信号，所述激 光调制模块和所述激光解调模块均采用强度调制和波分复用技术，实现210Gbps 至280Gbps的高速率通信传输。该系统通过波分复用及强度调制的方法实现了 超高速信息实时传输。不过该系统空间信道单一，缺乏备份，可靠性低。再者 无法有效支持多数据源传输。
发明内容
本发明为了解决现有航天平台舱与载荷舱间动态旋转条件下高可靠，多数 据源海量数据实时传输难的问题，提出了一种动态条件下多数据的舱间超高速 高可靠无线光通信装置。
本发明解决技术问题的方案为：
动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其包括：载荷数 据源一、载荷数据源二、激光器阵列一、激光器阵列二、激光器光开关阵列一、 激光器光开关阵列二、主波分复用器一、主波分复用器二、备波分复用器一、 备波分复用器二、波分复用光开关一、波分复用光开关二、准直器光开关、发 射准直器一、发射准直器二、接收准直器一、接收准直器二、45°反射镜一、45° 反射镜二、反射镜拉伸机构一、反射镜拉伸机构二、放大器光开关、前置光放 大器一、前置光放大器二、解波分复用器一、解波分复用器二、解波分复用光 开关一、解波分复用光开关二、光电探测器阵列一和光电探测器阵列二；
所述载荷数据源一通过电缆依次连接激光器阵列一中每个激光器组件，每 个激光器组件输出端与激光器光开关阵列一每个激光器光开关输入端光纤连 接；每个激光器光开关输出端两路分别与主波分复用器一备波分复用器一光纤 连接；载荷数据源二、激光器阵列二、激光器光开关阵列二、主波分复用器二 及备波分复用器二连接方式同上；
所述主波分复用器一主波分复用器二输出端与波分复用光开关一纤连接； 而备波分复用器一与备波分复用器二的输出端与波分复用光开关二纤连接；波 分复用光开关一与波分复用光开关二的输出端与准直器光开关输入端两路光纤 连接；准直器光开关两路输出端分别与发射准直器一与发射准直器二输入端光 纤连接；发射准直器一发射准直器二的摆放可实现两出射光轴成90°垂直交互， 而45°反射镜一放置在两出射光轴的交叉位置，其中45°反射镜一反射面与发射 准直器二的出射光轴成45°放置；而接收准直器一与接收准直器二摆放可实现两 入射光轴成90°垂直交互，而45°反射镜二放置在两入射光轴的交叉位置，其中 45°反射镜二的反射面与接收准直器二出射光轴成45°放置；而发射准直器一的 出射光轴与接收准直器一入射光轴对准，发射准直器一和接收准直器一间距为 几百毫米；
所述45°反射镜一放置在反射镜拉伸机构一上，反射镜拉伸机构一的拉伸可 实现45°反射镜一的前后位移移动；45°反射镜二放置在反射镜拉伸机构二上， 反射镜拉伸机构二的拉伸可实现45°反射镜二的前后位移移动；接收准直器一与 接收准直器二的输出端分别与放大器光开关的输入端光纤连接；而放大器光开 关的两路输出端分别与前置光放大器一、前置光放大器二入端光纤连接；而前 置光放大器一解波分复用器一纤连接，前置光放大器二解波分复用器二光纤连 接；而解波分复用器一通过解波分复用光开关一与光电探测器阵列一分别光纤 连接；解波分复用器二通过解波分复用光开关二光电探测器阵列二分别光纤连 接。
本发明的有益效果是：
1)多数据源时分切换：本发明基于准直器光开关完成多数据源时分切换传 输，适用于多载荷数据的高速实时传输，因为只用了一套激光通信系统减小了 系统的体积和重量，降低成本。
2)激光器阵列、主备波分复用器、主备光放大器、解波分复用器、光电探 测器阵列与各自光开关组成冷备份状态，具有高可靠的工作状态，可实现较高 的可靠性：
3)基于抽拉反射镜的空间光传输通道，可实现四种发射及接收通道，极大 提高了空间光传输通道的可靠性。本发明在动态旋转条件下短距离超高速空间 激光通信领域具有广泛应用前景；
附图说明
图1为本发明动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，该装置包括：载荷数据源一1、载荷数据源二2、激光器阵列一3、激光器阵列二4、激光器光开关阵列一5、激光器光开关阵列二6、主波分复用器一7、主波分复用器二8、备波分复用器一9、备波分复用器二10、波分复用光开关一11、波分复用光开关二12、准直器光开关13、发射准直器一14、发射准直器二15、接收准直器一16、接收准直器二17、45°反射镜一18、45°反射镜二19、反射镜拉伸机构一20、反射镜拉伸机构二21、放大器光开关22、前置光放大器一23、前置光放大器二24、解波分复用器一25、解波分复用器二26、解波分复用光开关一27、解波分复用光开关二28、光电探测器阵列一29、光电探测器阵列二30。
所述载荷数据源一1通过电缆依次连接激光器阵列一3中每个激光器组件， 每个激光器组件输出端与激光器光开关阵列一3中每个激光器光开关输入端光 纤连接。每个激光器光开关输出端两路分别与主波分复用器一7及备波分复用 器一9光纤连接。载荷数据源二2、激光器阵列二4、激光器光开关阵列二6、 主波分复用器二8及备波分复用器二10连接方式同上。
而主波分复用器一7与主波分复用器二8的输出端与波分复用光开关一11 光纤连接。而备波分复用器一9与备波分复用器二10的输出端与波分复用光开 关二12光纤连接。波分复用光开关一11与波分复用光开关二12的输出端与准 直器光开关13输入端两路光纤连接。准直器光开关13两路输出端分别与发射 准直器一14与发射准直器二15的输入端光纤连接。发射准直器一14与发射准 直器二15的摆放可实现两出射光轴成90°垂直交互，而45°反射镜一18放置在 两出射光轴的交叉位置，其中45°反射镜一18的反射面与发射准直器二15的出 射光轴成45°放置。而接收准直器一16与接收准直器二17的摆放可实现两入射光轴成90°垂直交互，而45°反射镜二19放置在两入射光轴的交叉位置，其中 45°反射镜二19的反射面与接收准直器二17的出射光轴成45°放置。而发射准 直器一14的出射光轴与接收准直器一16入射光轴对准，发射准直器一14和接 收准直器一16间距为几百毫米。
45°反射镜一18放置在反射镜拉伸机构一20上，反射镜拉伸机构一20的拉 伸可实现45°反射镜一18的前后位移移动。45°反射镜二19放置在反射镜拉伸 机构二21上，反射镜拉伸机构二21的拉伸可实现45°反射镜二19的前后位移 移动。接收准直器一16与接收准直器二17的输出端分别与放大器光开关22的 输入端光纤连接。而放大器光开关22的两路输出端分别与前置光放大器一23、 前置光放大器二24输入端光纤连接。而前置光放大器一23与解波分复用器一 25光纤连接，前置光放大器二24与解波分复用器二26光纤连接。而解波分复 用器一25通过解波分复用光开关一27与光电探测器阵列一29分别光纤连接。 解波分复用器二26通过解波分复用光开关二28与光电探测器阵列二30分别光 纤连接。
所述载荷数据源一1和载荷数据源二2的结构均由成像探测器和FPGA组 成，外界光信息通过成像探测器产生的海量数据流，然后通过FPGA完成冗余 编码。
所述激光器阵列一3和激光器阵列二4均由多路激光器组件组成，而阵列 中单个激光器组件为冷备份的两只直接调制激光器组成，可根据载荷产生的数 据将数据电信号调调制到光信号上。
所述激光器选用高速激光器，调制方式为电吸收调制(EAM)。
所述激光器光开关阵列一5、激光器光开关阵列二6、波分复用光开关一11、 波分复用光开关二12、准直器光开关13、放大器光开关22、解波分复用光开关 一27和解波分复用光开关二28为同一类磁光型光开关，光开关端口为2×2，可 实现光通路切换，其中激光器光开关阵列和解波分复用光开关阵列为一系列光 开关组成。
所述主波分复用器一7、主波分复用器二8、备波分复用器一9、备波分复 用器二10、解波分复用器一25和解波分复用器二26为密集波长使用，用于多 路波长光合束及分束。
所述发射准直器一14、发射准直器二15、接收准直器一16与接收准直器 二17均为非球面透镜组成，用于准直发射及汇聚接收空间光束。
所述反射镜拉伸机构一20和反射镜拉伸机构二21均为电机驱动的一维导 轨，用于拖动反射镜前后移动，完成空间光路的备份切换。
所述光电探测器阵列一29和光电探测器阵列二30均包括多路光电探测器 组件，而光电探测器组件包括冷备份的两只光电探测器。
本发明的工作流程如下：
如图1所示，载荷数据源一1完成海量数据流的产生及冗余编码，数据流 可分为多股数据进入激光器阵列一3，完成数据从电到光上的调制，得到经过调 制的高速光信号。每个激光器组件的主备两束调制光信号经过激光器光开关阵 列一5分别连接到主波分复用器一7及备波分复用器一9。
而载荷数据源二2经过类似通道进入另外主波分复用器二8和备波分复用 器二10。主波分复用器一7完成多路激光信号的合束形成一路光信号，主波分 复用器二8完成相同工作。主波分复用器一7和主波分复用器二8输出两路光 信号通过波分复用器光开关一11后进入准直器光开关13。备波分复用器一9和 备波分复用器二10输出两路光信号通过波分复用器光开关二12后进入准直器 光开关13。
准直器光开关13输出端分别连接发射准直器一14和发射准直器二15。光 信号经过发射准直器一14或发射准直器二15发射到接收准直器一16或接收准 直器二17。发射准直器一14与接收准直器一16光轴对准。而45°反射镜一18 和45°反射镜二19放置在发射准直器一14和接收准直器一16对准光路中，如 果该对准光路不通，反射镜拉伸机构一20和反射镜拉伸机构二21抽拉45°反射 镜一18或45°反射镜二19来实现发射准直器一14对接收准直器二17、发射准 直器二15对接收准直器一16、发射准直器二15对接收准直器二17的三种备份 光路情况。
放大器光开关22输入端与接收准直器一16和接收准直器二17输出光路连 接，放大器光开关22通过光路切换输出给前置光放大器一23或是前置光放大 器二24，通过前置光放大器一23放大后的光调制信号注入解波分复用器一25， 单路光信号经过解波分复用得到多路光信号，多路光信号进入解波分复用光开 关阵列一27，单个光开关输出端与光电探测器阵列一29连接，而后光信号经过 判决处理得到基带电信号。而前置光放大器二24放大后的光调制信号注入解波 分复用器二26，单路光信号经过解波分复用得到多路光信号，多路光信号进入 解波分复用光开关阵列二28，单个光开关输出端与光电探测器阵列二30连接， 而后光信号经过判决处理得到基带电信号。

Claims (9)

1.动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其特征是，该装置包括：载荷数据源一(1)、载荷数据源二(2)、激光器阵列一(3)、激光器阵列二(4)、激光器光开关阵列一(5)、激光器光开关阵列二(6)、主波分复用器一(7)、主波分复用器二(8)、备波分复用器一(9)、备波分复用器二(10)、波分复用光开关一(11)、波分复用光开关二(12)、准直器光开关(13)、发射准直器一(14)、发射准直器二(15)、接收准直器一(16)、接收准直器二(17)、45°反射镜一(18)、45°反射镜二(19)、反射镜拉伸机构一(20)、反射镜拉伸机构二(21)、放大器光开关(22)、前置光放大器一(23)、前置光放大器二(24)、解波分复用器一(25)、解波分复用器二(26)、解波分复用光开关一(27)、解波分复用光开关二(28)、光电探测器阵列一(29)和光电探测器阵列二(30)；
所述载荷数据源一(1)通过电缆依次连接激光器阵列一(3)中每个激光器组件，每个激光器组件输出端与激光器光开关阵列一(3)中每个激光器光开关输入端光纤连接；每个激光器光开关输出端两路分别与主波分复用器一(7)及备波分复用器一(9)光纤连接；载荷数据源二(2)、激光器阵列二(4)、激光器光开关阵列二(6)、主波分复用器二(8)及备波分复用器二(10)连接方式同上；
所述主波分复用器一(7)与主波分复用器二(8)的输出端与波分复用光开关一(11)光纤连接；而备波分复用器一(9)与备波分复用器二(10)的输出端与波分复用光开关二(12)光纤连接；波分复用光开关一(11)与波分复用光开关二(12)的输出端与准直器光开关(13)输入端两路光纤连接；准直器光开关(13)两路输出端分别与发射准直器一(14)与发射准直器二(15)的输入端光纤连接；发射准直器一(14)与发射准直器二(15)的摆放可实现两出射光轴成90°垂直交互，而45°反射镜一(18)放置在两出射光轴的交叉位置，其中45°反射镜一(18)的反射面与发射准直器二(15)的出射光轴成45°放置；而接收准直器一(16)与接收准直器二(17)的摆放可实现两入射光轴成90°垂直交互，而45°反射镜二(19)放置在两入射光轴的交叉位置，其中45°反射镜二(19)的反射面与接收准直器二(17)的出射光轴成45°放置；而发射准直器一(14)的出射光轴与接收准直器一(16)入射光轴对准，发射准直器一(14)和接收准直器一(16)间距为几百毫米；
所述45°反射镜一(18)放置在反射镜拉伸机构一(20)上，反射镜拉伸机构一(20)的拉伸可实现45°反射镜一(18)的前后位移移动；45°反射镜二(19)放置在反射镜拉伸机构二(21)上，反射镜拉伸机构二(21)的拉伸可实现45°反射镜二(19)的前后位移移动；接收准直器一(16)与接收准直器二(17)的输出端分别与放大器光开关(22)的输入端光纤连接；而放大器光开关(22)的两路输出端分别与前置光放大器一(23)、前置光放大器二(24)输入端光纤连接；而前置光放大器一(23)与解波分复用器一(25)光纤连接，前置光放大器二(24)与解波分复用器二(26)光纤连接；而解波分复用器一(25)通过解波分复用光开关一(27)与光电探测器阵列一(29)分别光纤连接；解波分复用器二(26)通过解波分复用光开关二(28)与光电探测器阵列二(30)分别光纤连接。
2.根据权利要求1所述的动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其特征在于，所述载荷数据源一(1)和载荷数据源二(2)的结构均由成像探测器和FPGA组成，外界光信息通过成像探测器产生的海量数据流，然后通过FPGA完成冗余编码。
3.根据权利要求1所述的动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其特征在于，所述激光器阵列一(3)和激光器阵列二(4)均由多路激光器组件组成，而阵列中单个激光器组件为冷备份的两只直接调制激光器组成，可根据载荷产生的数据将数据电信号调调制到光信号上。
4.根据权利要求3所述的动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其特征在于，所述激光器选用高速激光器，调制方式为EAM。
5.根据权利要求1所述的动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其特征在于，所述激光器光开关阵列、波分复用光开关、准直器光开关、放大器光开关、解波分复用光开关阵列为同一类磁光型光开关，光开关端口为2×2，可实现光通路切换，其中激光器光开关阵列和解波分复用光开关阵列为一系列光开关组成。
6.根据权利要求1所述的动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其特征在于，所述波分复用器及解波分复用器为密集波长使用，用于多路波长光合束及分束。
7.根据权利要求1所述的动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其特征在于，所述发射准直器及接收准直器为非球面透镜组成，用于准直发射及汇聚接收空间光束。
8.根据权利要求1所述的动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其特征在于，所述反射镜拉伸机构一(20)和反射镜拉伸机构二(21)均为电机驱动的一维导轨，用于拖动反射镜前后移动，完成空间光路的备份切换。
9.根据权利要求1所述的动态条件下多数据的舱间超高速高可靠无线光通信装置，其特征在于，所述光电探测器阵列包括多路光电探测器组件，而光电探测器组件包括冷备份的两只光电探测器。
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