CN114900235B - 一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端、方法与系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端、方法与系统，属于激光通信技术领域。解决了现有的激光通信系统无法实现小型化，且很难满足工作窗口尺寸限制的问题。所述激光通信终端包括发射激光模块和激光接收模块；所述激光发射模块和激光接收模块发射和接收同一激光波长，所述激光发射模块和激光接收模块采用分离孔径装置实现发射激光与接收激光；所述分离孔径装置包括工作窗口和液晶光栅；所述液晶光栅与工作窗口同轴，所述液晶光栅位于工作窗口和所述激光发射模块和激光接收模块之间。本发明涉及激光通信技术领域中，此终端接收同一激光波长，采用分离孔径装置实现接收激光与发射激光。

Description

一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端、方法与系统
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，具体涉及一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端、方法与系统。
背景技术
空间激光通信具有通信速率高、抗干扰能力强的特点，成为代替电磁通信的潜在手段。在很多应用中载体对激光通信系统的限制要求很多，比如受体积限制，要求激光通信系统小型化；受对外工作窗口和结构布局的限制，要求系统具备较大的工作范围的同时要工作包络小；受组网通信的需求，要求系统可任意两节点可自由匹配通信。为此，现有的激光通信架构很难同时满足以上要求，比如现有的激光通信系统采用独立信标模式，同时安装通信接收和信标接收单元，系统复杂很难实现小型化；系统采用传动机械转台等实现大范围工作，但其工作包络大，光轴摆动平移大，很难满足工作窗口限制。
因此，现有的激光通信系统存在的缺陷为：
1)系统由于复杂度，很难实现小型化；
2)系统很难满足工作窗口尺寸限制。
因此，在现有技术中，激光通信系统无法实现小型化的同时，也很难满足工作窗口尺寸限制的问题，例如：专利文献CN210867711U公开了“激光通信装置”，通过同步信息编码模块与同步信息解码模块，并利用激光通信编码模块、功率激光器、功率探测器、激光通信解码模块，减少了额外发送和接收光电模组的使用，降低了系统的复杂度。专利文献CN113067631A公开了“一种整星条件下的激光通信载荷地面测试方法”，采用通用激光通信终端地面测试设备和卫星平台地面测试设备建立起一种标准化的整星条件下的激光通信载荷地面测试方法和流程，测试的过程可靠性高、适用性强。该专利文献提高了测试的过程可靠性高、适用性强。
综上，现有的激光通信系统很难实现小型化，且很难满足工作窗口尺寸限制。
发明内容
本发明解决了现有的激光通信系统无法实现小型化，且很难满足工作窗口尺寸限制的问题。
本发明所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端，所述激光通信终端包括发射激光模块和激光接收模块；
所述激光发射模块和激光接收模块发射和接收同一激光波长，所述激光发射模块和激光接收模块采用分离孔径装置实现发射激光与接收激光；
所述分离孔径装置包括工作窗口和液晶光栅；
所述液晶光栅与工作窗口同轴，所述液晶光栅位于工作窗口和所述激光发射模块和激光接收模块之间。
进一步地，在本发明的实施方式中，所述激光发射模块包括：发射补偿振镜、发射镜头、通信发射激光器、折转镜；
所述通信发射激光器发射的激光经过发射镜头进行整形后发射给发射补偿振镜，所述发射补偿振镜将入射的激光在二维方向上改变入射激光的角度之后将激光折射至折转镜，所述折转镜将激光再次折射之后发射给液晶光栅。
进一步地，在本发明的实施方式中，所述激光接收模块包括：接收天线、精跟踪振镜、能量分光棱镜和接受单元；
所述液晶光栅接收的激光发射到接收天线，所述接收天线将激光进行汇聚后发射到精跟踪振镜，所述精跟踪振镜在二维方向上改变入射激光的角度之后将激光折射至能量分光棱镜，所述能量分光棱镜将接受到的激光发射至接受单元。
进一步地，在本发明的实施方式中，所述接受单元包括：红外跟踪相机和通信接收探测器；
所述接受单元按能量比例将接收激光分为两路，一路激光发射到红外跟踪相机，一路激光发射到通信接收探测器。
进一步地，在本发明的实施方式中，所述发射补偿振镜随精跟踪振镜的方位调整，实现发射激光与接收激光的平行度。
进一步地，在本发明的实施方式中，所述液晶光栅随发射补偿振镜和精跟踪振镜的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿。
进一步地，在本发明的实施方式中，所述折转镜安装在接收天线上，折转镜与通信接收天线一体化设计。
本发明所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统，所述通信系统包括两个A端和B端，所述A端和B端为上述方法任意一种同波长激光通信终端。
本发明所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统的同波长激光通信方法，所述同波长激光通信方法包括：
A端和B端进行初始对准；
B端打开通信发射激光器发射激光，同时发射补偿振镜控制发射激光在不确定区域内进行光轴扫描；
A端接收到激光信号后，控制精跟踪振镜对接收到的激光进行跟踪，实现其进入通信接收探测器工作区域内；
A端打开通信发射激光器发射激光，同时控制发射补偿振镜对发射激光光轴进行调整，实现发射激光光轴与接收到的激光光轴平行，同时液晶光栅随精跟踪振镜的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿；
B端接收到激光信号后，发射补偿振镜停止扫描并保持当前角度，控制精跟踪振镜对接收激光进行跟踪，实现接收激光进入通信接收探测器可靠工作区域内；同时控制发射补偿振镜对发射激光光轴进行调整，实现发射激光光轴与接收到的激光光轴平行，同时液晶光栅随精跟踪振镜的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿；
实现A端和B端通信链路的建立。
进一步地，在本发明的实施方式中，所述A端和B端进行初始对准的方法为：A端和B端的发射补偿振镜和精跟踪振镜保持在各自工作零位位置，A端和B端在外部控制信号下控制液晶光栅，调整装置光轴角度，实现双方光轴初始指向。
本发明解决了现有的激光通信系统无法实现小型化，且很难满足工作窗口限制的问题。具体有益效果包括：
1、本发明所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端，所述激光通信终端采用液晶光栅对光轴进行大范围调整，设计时液晶光栅的激光出瞳位置尽量接近于工作窗口，减小光轴角度偏转后在工作窗口上产生的平移，可以保证通信终端在具有较大工作角度范围的同时减小工作窗口的尺寸。
2、本发明所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端，所述激光通信终端通过将折转镜安装在接收天线上，折转镜与通信接收天线一体化设计，减小系统尺寸，降低了激光通信系统的复杂度，在保证较大通信范围的条件下可以有效减小工作窗口尺寸，提高了激光通信系统与载体的共形设计能力。
3、本发明所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端，所述激光通信终端采用同波长激光发射与接收分离孔径方案，同波长可以保证系统具备任意两通信终端可以相互通信，同时解决不同波长激光经过液晶光栅产生色散的问题，采用收发分离孔径保证了系统的隔离度要求。
本发明适用于空间激光通信技术领域中，解决现有的激光通信系统无法实现小型化，且很难满足工作窗口尺寸限制的技术问题。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是实施方式三所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端的结构示意图；1为工作窗口，2为液晶光栅，3为发射补偿振镜，4为发射镜头，5为通信发射激光器，6为折转镜，7为接收天线，8为精跟踪振镜，9为红外跟踪相机，10为能量分光棱镜，11为通信接收探测器，12为激光发射模块，13为激光接收模块。
图2是实施方式九所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统的同波长激光通信方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明的多种实施方式进行清楚、完整地描述。通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施方式一、本实施方式所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端，所述激光通信终端包括激光发射模块12和激光接收模块13；
所述激光发射模块12和激光接收模块13发射和接收同一激光波长，所述激光发射模块12和激光接收模块13采用分离孔径装置实现发射激光与接收激光；
所述分离孔径装置包括工作窗口1和液晶光栅2；
所述液晶光栅2与工作窗口1同轴，所述液晶光栅2位于工作窗口1和所述激光发射模块12和激光接收模块13之间。
采用本实施方式中液晶光栅2对光轴进行大范围调整，设计时液晶光栅2的激光出瞳位置尽量接近于工作窗口1，减小光轴角度偏转后在工作窗口1上产生的平移，可以保证通信终端在具有较大工作角度范围的同时减小工作窗口1的尺寸。
采用本实施方式中同波长激光发射与接收分离孔径方案，同波长可以保证系统具备任意两通信终端可以相互通信，同时解决不同波长激光经过液晶光栅产生色散的问题，采用收发分离孔径保证了系统的隔离度要求。
实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端的进一步限定，本实施方式中，所述激光发射模块12包括：发射补偿振镜3、发射镜头4、通信发射激光器5、折转镜6；
所述通信发射激光器5发射的激光经过发射镜头4进行整形后发射给发射补偿振镜3，所述发射补偿振镜3将入射的激光在二维方向上改变入射激光的角度之后将激光折射至折转镜6，所述折转镜6将激光再次折射之后发射给液晶光栅2。
实施方式三、本实施方式是对实施方式一所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端的进一步限定，本实施方式中，所述激光接收模块13包括：接收天线7、精跟踪振镜8、能量分光棱镜10和接受单元；
所述液晶光栅2接收的激光发射到接收天线7，所述接收天线7将激光进行汇聚后发射到精跟踪振镜8，所述精跟踪振镜8在二维方向上改变入射激光的角度之后将激光折射至能量分光棱镜10，所述能量分光棱镜10将接受到的激光发射至接受单元。
实施方式四、本实施方式是对实施方式三所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端的进一步限定，本实施方式中，所述接受单元包括：红外跟踪相机9和通信接收探测器11；
所述接受单元按能量比例将接收激光分为两路，一路激光发射到红外跟踪相机9，一路激光发射到通信接收探测器11。
本实施方式中，如图1所示，能量分光棱镜10分光比例按照红外跟踪相机9和通信接收探测器11灵敏度设计，保证分光后激光能量可同时满足红外相机9和通信接收探测器11接收要求。
实施方式五、本实施方式是对实施方式二至三所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端的进一步限定，本实施方式中，所述发射补偿振镜3随精跟踪振镜8的方位调整，实现发射激光与接收激光的平行度。
本实施方式中，发射补偿振镜3随精跟踪振镜8的方位调整，也是就，若精跟踪振镜8位置或角度有变化，发射补偿振镜3的位置或角度也应有相对的调整，调整至发射激光与接收激光平行的状态。
实施方式六、本实施方式是对实施方式二至三所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端的进一步限定，本实施方式中，所述液晶光栅2随发射补偿振镜3和精跟踪振镜8的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿。
本实施方式中，发射激光发射至发射补偿振镜3时，可在二维方向上改变发射激光的角度，接收激光接收到的激光至精跟踪振镜8时，可在二维方向上对激光方向进行调整，且发射激光和接收激光通过分离孔径装置中的液晶光栅2的孔径，因此，需要液晶光栅2同时与发射补偿振镜3和精跟踪振镜8两个分立工作的振镜配合，保证在大角度范围内发射激光和接收激光的平行度。
实施方式七、本实施方式是对实施方式二至三所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端的进一步限定，本实施方式中，所述折转镜6安装在接收天线7上，折转镜6与通信接收天线7一体化设计。
本实施方式中，激光发射模块中的折转镜6与激光接收模块中的通信接收天线7连接，既保证了此激光通信终端一体化，又减小了装置的尺寸。
采用本实施方式降低了激光通信系统的复杂度，在保证较大通信范围的条件下可以有效减小工作窗口尺寸，提高了激光通信系统与载体的共形设计能力。
实施方式八、本实施方式所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统，本实施方式中，所述通信系统包括两个A端和B端，所述A端和B端为实施方式一至七任意一种同波长激光通信终端。
实施方式九、实施方式八所述一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统的同波长激光通信方法，本实施方式中，所述同波长激光通信方法包括：
A端和B端进行初始对准；
B端打开通信发射激光器发射激光，同时发射补偿振镜控制发射激光在不确定区域内进行光轴扫描；
A端接收到激光信号后，控制精跟踪振镜对接收到的激光进行跟踪，实现其进入通信接收探测器工作区域内；
A端打开通信发射激光器发射激光，同时控制发射补偿振镜对发射激光光轴进行调整，实现发射激光光轴与接收到的激光光轴平行，同时液晶光栅随精跟踪振镜的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿；
B端接收到激光信号后，发射补偿振镜停止扫描并保持当前角度，控制精跟踪振镜对接收激光进行跟踪，实现接收激光进入通信接收探测器可靠工作区域内；同时控制发射补偿振镜对发射激光光轴进行调整，实现发射激光光轴与接收到的激光光轴平行，同时液晶光栅随精跟踪振镜的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿；
实现A端和B端通信链路的建立。
本实施方式中，如图2所示，A端的激光发射模块与激光接受模块为同一激光波长，A端的激光发射模块需要经过发射补偿振镜和折转镜两次折射后经分离孔径装置发射给B端的激光接受模块；B端发射出于A端激光发射端发射出的同一激光波长，A端的激光接受模块经精跟踪振镜折射后并根据能力比例接受同一波长激光，从而实现A端与B端的空间通信。
实施方式十、本实施方式是对实施方式九所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统的同波长激光通信方法，本实施方式中，所述A端和B端进行初始对准的方法为：A端和B端的发射补偿振镜和精跟踪振镜保持在各自工作零位位置，A端和B端在外部控制信号下控制液晶光栅，调整终端光轴角度，实现双方光轴初始指向。
实施方式十一、本实施方式基于本发明所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信方法，结合具体对象提供一种实际的实施方式：一种基于液晶光栅的同波长激光通信方法，其捕获不确定区域为1mrad，终端在方位和俯仰方向上工作角度范围均为±20°，通信激光采用808nm波长，激光发射束散角为500μrad，跟踪接收视场为1mrad，通信接收视场为1mrad。
一种基于液晶光栅的同波长激光空间通信方法，包括以下步骤：
步骤S1：两个基于液晶光栅的同波长激光通信终端，A端和B端的发射补偿振镜3和精跟踪振镜8保持在各自工作零位位置，A端和B端在外部控制信号下控制液晶光栅2，调整终端光轴角度，实现双方光轴初始指向，指向精度为1mrad；
步骤S2：A端保持凝视，B端打开通信发射激光器5发射激光，同时调整B端的发射补偿振镜3控制发射激光在1mrad范围内进行光轴扫描；
步骤S3：在扫描过程中，当A端的红外跟踪相机9接收到B端发射的激光信号后，A端控制精跟踪振镜8对接收到的激光进行跟踪，实现其进入通信接收探测器11工作区域内；
步骤S4：A端打开通信发射激光器5发射808nm激光，同时控制发射补偿振镜3对发射激光光轴进行调整，实现发射激光光轴与A端自身接收到的激光光轴平行，同时液晶光栅2随精跟踪振镜8的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿；
步骤S5：此时B端可接收到A端发射的激光，B端发射补偿振镜3停止扫描，并保持当前角度，B端控制精跟踪振镜8对接收激光进行跟踪，实现接收激光进入通信接收探测器11可靠工作区域内；
步骤S6：B端发射补偿振镜3随精跟踪振镜8的方位调整，实现发射激光角度与接收到激光光轴平行，同时扫描终端的液晶光栅2随精跟踪振镜8的方位调整在±20°范围内对光轴角度进行补偿；
步骤S7：至此A端和B端完成通信链路建立，可进行双工激光空间通信。

Claims (6)

1.一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端，其特征在于，所述激光通信终端包括激光发射模块(12)和激光接收模块(13)；
所述激光发射模块(12)和激光接收模块(13)发射和接收同一激光波长，所述激光发射模块(12)和激光接收模块(13)采用分离孔径装置实现发射激光与接收激光；
所述分离孔径装置包括工作窗口(1)和液晶光栅(2)；
所述液晶光栅(2)与工作窗口(1)同轴，所述液晶光栅(2)位于工作窗口(1)和所述激光发射模块(12)和激光接收模块(13)之间；
所述激光发射模块(12)包括：发射补偿振镜(3)、发射镜头(4)、通信发射激光器(5)、折转镜(6)；
所述通信发射激光器(5)发射的激光经过发射镜头(4)进行整形后发射给发射补偿振镜(3)，所述发射补偿振镜(3)将入射的激光在二维方向上改变入射激光的角度之后将激光折射至折转镜(6)，所述折转镜(6)将激光再次折射之后发射给液晶光栅(2)；
所述激光接收模块(13)包括：接收天线(7)、精跟踪振镜(8)、能量分光棱镜(10)和接受单元；
所述液晶光栅(2)接收的激光发射到接收天线(7)，所述接收天线(7)将激光进行汇聚后发射到精跟踪振镜(8)，所述精跟踪振镜(8)在二维方向上改变入射激光的角度之后将激光折射至能量分光棱镜(10)，所述能量分光棱镜(10)将接受到的激光发射至接受单元；
所述发射补偿振镜(3)随精跟踪振镜(8)的方位调整，实现发射激光与接收激光的平行度；
所述液晶光栅(2)随发射补偿振镜(3)和精跟踪振镜(8)的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端，其特征在于，所述接受单元包括：红外跟踪相机(9)和通信接收探测器(11)；
所述接受单元按能量比例将接收激光分为两路，一路激光发射到红外跟踪相机(9)，一路激光发射到通信接收探测器(11)。
3.根据权利要求1所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信终端，其特征在于，所述折转镜(6)安装在接收天线(7)上，折转镜(6)与通信接收天线(7)一体化设计。
4.一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统，其特征在于，所述通信系统包括两个A端和B端，所述A端和B端为权利要求1至3任意一种同波长激光通信终端。
5.一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统的同波长激光通信方法，所述同波长激光通信方法是采用权利要求4所述一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统实现的，其特征在于，所述同波长激光通信方法包括：
A端和B端进行初始对准；
B端打开通信发射激光器发射激光，同时发射补偿振镜控制发射激光在不确定区域内进行光轴扫描；
A端接收到激光信号后，控制精跟踪振镜对接收到的激光进行跟踪，实现其进入通信接收探测器工作区域内；
A端打开通信发射激光器发射激光，同时控制发射补偿振镜对发射激光光轴进行调整，实现发射激光光轴与接收到的激光光轴平行，同时液晶光栅随精跟踪振镜的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿；
B端接收到激光信号后，发射补偿振镜停止扫描并保持当前角度，控制精跟踪振镜对接收激光进行跟踪，实现接收激光进入通信接收探测器可靠工作区域内；同时控制发射补偿振镜对发射激光光轴进行调整，实现发射激光光轴与接收到的激光光轴平行，同时液晶光栅随精跟踪振镜的方位调整，在大范围内对光轴角度进行补偿；
实现A端和B端通信链路的建立。
6.根据权利要求5所述的一种基于液晶光栅的同波长激光通信系统的同波长激光通信方法，其特征在于，所述A端和B端进行初始对准的方法为：A端和B端的发射补偿振镜和精跟踪振镜保持在各自工作零位位置，A端和B端在外部控制信号下控制液晶光栅，调整装置光轴角度，实现双方光轴初始指向。
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