CN114928405A - 一种激光通信光信号接收系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例中的激光通信光信号接收系统及工作方法，包括：第一4f单元、第二4f单元、第三4f单元、第四4f单元、第五4f单元、第六4f单元、第七4f单元、波前整体倾斜校正单元、低阶AO校正单元、高阶AO校正单元、章动耦合单元及通信处理机，本申请通过基于全息波前传感技术的高低阶串行独立AO系统，以及光纤章动耦合技术，实现提高激光通信终端的AO系统抗湍流、闪烁效应的能力，提高整体激光通信AO系统的湍流校正能力及稳定度，提高信号光的空间光到单模光纤耦合效率，最终实现提高激光通信链路通信质量及稳定性的目的。

Description

一种激光通信光信号接收系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及光学仪器技术领域，特别涉及一种激光通信光信号接收系统及其工作方法。

背景技术

激光通信技术是一种以激光为载波的通信方式，是航空航天及国防军工领域的关键通信技术，并正逐步融入民用领域。当通信光路再大气环境中传播时，受大气湍流效应干扰，接收端光束波前质量裂化严重，产生了严重的像差，从而导致空间光信号到单模光纤的耦合效率和稳定性都显著下降，进而严重影响了通信质量。因此，在大气环境中实现高质量激光通信的前提，是能够抑制大气湍流对光信号的干扰效应。

为提高激光通信系统在强湍流下的通信质量， Swanson等提出光纤章动法提高CE（coupling efficiency），但只能校正倾斜像差。Weyrauch等人采用无波前传感方法使CE达到60%左右，但随着单元数的增多，算法收敛速度明显下降。Juarez等曾采用基于曲率波前传感的AO系统（adaptive optics）建立147km的水平大气激光通信链路，但对高阶像差探测能力不足。Anderson等采用基于全息波前传感的AO系统，获得了较快的校正速率，但全息波前传感技术能够探测的像差模式数目有限，且对高阶相差探测能力不足。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的强湍流条件下激光通信端机系耦合效率低、通信质量差问题，提供一种可提高激光通信链路通信质量及稳定性的目的的激光通信光信号接收系统。

为实现上述目的，本申请采用下述技术方案：

根据本发明的一实施例提供的一种激光通信光信号接收系统，包括：第一4f单元、第二4f单元、第三4f单元、第四4f单元、第五4f单元、第六4f单元、第七4f单元、波前整体倾斜校正单元、低阶AO校正单元、高阶AO校正单元、章动耦合单元及通信处理机；

所述第一4f单元包括第一透镜和第二透镜，所述第二4f单元包括第三透镜及第五透镜，所述第三4f单元包括所述第三透镜、及第四透镜，所述第四4f单元包括第七透镜及第九透镜，所述第五4f单元包括第七透镜及第八透镜，所述第六4f单元包括第十透镜及第十二透镜，所述第七4f单元包括所述第十透镜及第十一透镜；

所述波前整体倾斜校正单元包括倾斜镜、倾斜镜驱动器、倾斜传感器和倾斜校正控制器，所述倾斜传感器电性连接所述倾斜校正控制器，所述倾斜校正控制器电性连接所述倾斜镜驱动器，所述倾斜镜驱动器电性连接所述倾斜镜；

所述低阶AO校正单元包括低阶变形镜、低阶变形镜驱动器、全息波前传感器及低阶校正控制器，所述全息波前传感器电性连接所述低阶校正控制器，所述低阶校正控制器电性连接所述低阶变形镜驱动器，所述低阶变形镜驱动器电性连接所述低阶变形镜；

所述高阶AO校正单元包括高阶变形镜、高阶变形镜驱动器、哈特曼波前传感器及高阶校正控制器，所述哈特曼波前传感器电性连接所述高阶校正控制器，所述高阶校正控制器电性连接所述高阶变形镜驱动器，所述高阶变形镜驱动器电性连接所述高阶变形镜；

所述章动耦合单元包括第十三透镜、章动倾斜镜、章动倾斜镜驱动器、耦合单元、光功率计及章动控制器，所述耦合单元电性连接所述光功率计，所述光功率计电性连接所述章动控制器，所述章动控制器电性连接所述章动倾斜镜驱动器，所述章动倾斜镜驱动器电性连接所述章动倾斜镜；

光束经所述第一透镜和所述第二透镜入射进入所述倾斜镜，经所述倾斜镜反射后再经所述第三透镜入射进入第一分光镜，部分光束经所述第一分光镜反射后再经所述第五透镜聚焦于所述倾斜传感器上，所述倾斜传感器对入射的光束进行处理后向所述倾斜校正控制器发送脱靶量信息，所述倾斜校正控制器根据所述脱靶量信息经闭环控制运算后向所述倾斜镜驱动器发送倾斜镜运动控制信号，所述倾斜镜驱动器根据所述运动控制信号驱动所述倾斜镜产生相应动作；

另一部分光束经所述第一分光镜透射后入射进入所述第四透镜，并经所述第四透镜聚集于所述低阶变形镜上，经所述低阶变形镜反射后的光束入射进入所述第七透镜，再经第二分光镜透射后入射进入所述第九透镜，经所述第九透镜的光束入射进入所述全息波前传感器，所述全息波前传感器根据入射的光束向低阶校正控制器输出波前信息，所述低阶校正控制器根据波前信息向所述低阶变形镜驱动器发送变形镜控制信号，所述低阶变形镜驱动器根据所述变形镜控制信号驱动所述低阶变形镜产生相应动作；

经所述第二分光镜反射后的光束再经所述第八透镜后入射进入所述高阶变形镜，并经所述高阶变形镜反射后入射进入所述第十透镜，再经第三分光镜透射后进入所述第十二透镜，经所述第十二透镜后的光束进入所述哈特曼波前传感器，所述哈特曼波前传感器根据入射的光束向所述高阶校正控制器输出斜率信息，所述高阶校正控制器根据所述斜率信息向所述高阶变形镜驱动器发送变形镜控制信号，所述高阶变形镜驱动器根据所述变形镜控制信号驱动所述高阶变形镜产生相应动作；

经所述第三分光镜反射的光束入射进入所述第十一透镜，并经所述第十一透镜后进入所述章动倾斜镜经所述章动倾斜镜反射后再经所述第十三透镜聚焦于所述耦合单元上，进入所述耦合单元的光束分为两部分，一部分光束进入所述光功率计，所述光功率计获取光功率信息并输出至所述章动控制器，所述章动控制器向所述章动倾斜镜驱动器发送倾斜镜控制信号，所述章动倾斜镜驱动器根据所述倾斜镜控制信号驱动所述章动倾斜镜产生相应动作；另一部分光束进入所述通信处理机。

在其中一些实施例中，所述第一4f单元的出瞳位置配置在所述倾斜镜上，同时所述倾斜镜也是第二、第三4f单元的入瞳；所述第三4f单元的出瞳和所述第四4f单元的入瞳位置均配置在所述低阶变形镜上；所述第五4f单元的出瞳和第六4f单元的入瞳位置均配置在所述高阶变形镜上。

在其中一些实施例中，所述倾斜镜为音圈电机快速反射镜。

在其中一些实施例中，所述倾斜传感器采用低延迟光斑成像系统。

在其中一些实施例中，所述倾斜传感器包括第六透镜、CMOS相机及图像处理器，所述CMOS相机根据输入的光束输出图像信号，所述图像处理器对所述图像信息进行处理。

在其中一些实施例中，所述低阶变形镜为压电陶瓷变形镜，所述全息波前传感器为曲率波前传感器。

在其中一些实施例中，所述高阶变形镜为微变形反射镜，所述哈特曼波前传感器为剪切干涉仪。

在其中一些实施例中，所述章动倾斜镜为压电陶瓷快速倾斜镜。

在其中一些实施例中，所述耦合单元包括耦合透镜组和与所述耦合透镜组光纤连接的单模光纤。

在其中一些实施例中，所述倾斜校正控制器、所述低阶校正控制器、所述高阶校正控制器及所述章动控制器均电性连接上位机。

在其中一些实施例中，所述全息波前传感器还电性连接所述倾斜校正控制器，所述全息波前传感器将探测的倾斜信息发送给所述倾斜校正控制器，所述倾斜校正控制器融合两种传感器信息并进行控制。

在其中一些实施例中，在无信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖632.8 nm波长，所述第一分光镜122的分光比为0.8，所述第二分光镜142的分光比为0.25，所述第三分光镜162的分光比为0.33；在无信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖信号光波长，所述信号光波长在1540~1565nm波段内，所述第一分光镜122的分光比为0.9，所述第二分光镜142的分光比为0.11，所述第三分光镜162的分光比为0.13。

在其中一些实施例中，在有信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖632.8 nm波长，所述第一分光镜122的分光比为0.8，所述第二分光镜142的分光比为0.25，所述第三分光镜162的分光比为0.33；在有信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖808nm信号光波长，所述第一分光镜122的分光比为0.5，所述第二分光镜142的分光比为0.9，所述第三分光镜162的分光比为0.5；在有信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖1550nm信号光波长，所述第一分光镜122的分光比为0.9，所述第二分光镜142的分光比为0.11，所述第三分光镜162的分光比为0.13。

根据本发明的另一实施例提供的一种激光通信光信号接收系统光束的工作方法，包括下述步骤：

光束经所述第一透镜和所述第二透镜入射进入所述倾斜镜，经所述倾斜镜反射后再经所述第三透镜入射进入所述第一分光镜，部分光束经所述第一分光镜反射后再经所述第五透镜聚焦于所述倾斜传感器上，所述倾斜传感器对入射的光束进行处理后向所述倾斜校正控制器发送脱靶量信息，所述倾斜校正控制器根据所述脱靶量信息经闭环控制运算后向所述倾斜镜驱动器发送倾斜镜运动控制信号，所述倾斜镜驱动器根据所述运动控制信号驱动所述倾斜镜产生相应动作；

另一部分光束经所述第一分光镜透射后入射进入所述第四透镜，并经所述第四透镜聚集于所述低阶变形镜上，经所述低阶变形镜反射后的光束入射进入所述第七透镜，再经所述第二分光镜透射后入射进入所述第九透镜，经所述第九透镜的光束入射进入所述全息波前传感器，所述全息波前传感器根据入射的光束向低阶校正控制器输出波前信息，所述低阶校正控制器根据波前信息向所述低阶变形镜驱动器发送变形镜控制信号，所述低阶变形镜驱动器根据所述变形镜控制信号驱动所述低阶变形镜产生相应动作；

经所述第二分光镜反射后的光束再经所述第八透镜后入射进入所述高阶变形镜，并经所述高阶变形镜反射后入射进入所述第十透镜，再经所述第三分光镜透射后进入所述第十二透镜，经所述第十二透镜后的光束进入所述哈特曼波前传感器，所述哈特曼波前传感器根据入射的光束向所述高阶校正控制器输出斜率信息，所述高阶校正控制器根据所述斜率信息向所述高阶变形镜驱动器发送变形镜控制信号，所述高阶变形镜驱动器根据所述变形镜控制信号驱动所述高阶变形镜产生相应动作；

经所述第三分光镜反射的光束入射进入所述第十一透镜，并经所述第十一透镜后进入所述章动倾斜镜经所述章动倾斜镜反射后再经所述第十三透镜聚焦于所述耦合单元上，进入所述耦合单元的光束分为两部分，一部分光束进入所述光功率计，所述光功率计获取光功率信息并输出至所述章动控制器，所述章动控制器向所述章动倾斜镜驱动器发送倾斜镜控制信号，所述章动倾斜镜驱动器根据所述倾斜镜控制信号驱动所述章动倾斜镜产生相应动作；另一部分光束进入所述通信处理机。

采用上述技术方案，本申请具有以下技术效果：

本发明实施例中的激光通信光信号接收系统及工作方法，通过基于全息波前传感技术的高低阶串行独立AO系统，以及光纤章动耦合技术，实现提高激光通信终端的AO系统抗湍流、闪烁效应的能力，提高整体激光通信AO系统的湍流校正能力及稳定度，提高信号光的空间光到单模光纤耦合效率，最终实现提高激光通信链路通信质量及稳定性的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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为本发明实施例1提供的激光通信光信号接收系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1提供的波前整体倾斜校正单元的结构示意图。

图3为本发明实施例1提供的倾斜传感器的结构示意图。

图4为本发明实施例1提供的低阶AO校正单元的结构示意图。

图5为本发明实施例1提供的高阶AO校正单元的结构示意图。

图6为本发明实施例1提供的章动耦合单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

请参阅图1，根据本发明一实施例，提供了一种激光通信光信号接收系统，包括：第一4f单元1、第二4f单元2、第三4f单元3、第四4f单元4、第五4f单元5、第六4f单元6、第七4f单元7、波前整体倾斜校正单元10、低阶AO校正单元20、高阶AO校正单元30、章动耦合单元40、通信处理机50及上位机60。以下详细说明各个单元的具体结构及其工作方式。

请参阅图2，所述波前整体倾斜校正单元10包括倾斜镜11、倾斜镜驱动器12、倾斜传感器13和倾斜校正控制器14，所述倾斜传感器13电性连接所述倾斜校正控制器14，所述倾斜校正控制器14电性连接所述倾斜镜驱动器12，所述倾斜镜驱动器12电性连接所述倾斜镜11。

在其中一些实施例中，所述倾斜镜11为音圈电机快速反射镜。

在其中一些实施例中，所述倾斜传感器13采用低延迟光斑成像系统。

请参阅图3，所述倾斜传感器13包括第六透镜133、CMOS相机131及图像处理器132，所述CMOS相机131根据输入的光束输出图像信号，所述图像处理器132对所述图像信息进行处理。

本申请上述实施例采用波前整体倾斜校正单元10可对大气湍流引起的光束漂移、抖动以及粗跟踪系统残差进行初级校正，光束经初级校正后进入低阶AO校正单元20。

请参阅图4，所述低阶AO校正单元20包括低阶变形镜21、低阶变形镜驱动器22、全息波前传感器23及低阶校正控制器24，所述全息波前传感器23电性连接所述低阶校正控制器24，所述低阶校正控制器24电性连接所述低阶变形镜驱动器22，所述低阶变形镜驱动器22电性连接所述低阶变形镜21。

在其中一些实施例中，所述低阶变形镜21为压电陶瓷变形镜。所述全息波前传感器23为曲率波前传感器。

本申请上述实施例采用低阶AO校正单元20可对大气湍流引起的波前像差中空间频率较低的部分进行预矫正，使校正后残差满足下一级的输入条件，光束经低阶AO校正单元20校正后进入高阶AO校正单元30。

请参阅图5，所述高阶AO校正单元30包括高阶变形镜31、高阶变形镜驱动器32、哈特曼波前传感器33及高阶校正控制器34，所述哈特曼波前传感器33电性连接所述高阶校正控制器34，所述高阶校正控制器34电性连接所述高阶变形镜驱动器32，所述高阶变形镜驱动器32电性连接所述高阶变形镜31。

在其中一些实施例中，所述高阶变形镜31为微变形反射镜。所述哈特曼波前传感器33为剪切干涉仪。

本申请上述实施例提供的高阶AO校正单元30，作用为对低阶AO校正单元20的校正残差以及大气湍流引起的波前像差中空间频率较高的部分进行校正，使校正后光束波前质量满足单模光纤耦合条件，光束经高阶AO校正后进入章动耦合单元40。

请参阅图6，所述章动耦合单元40包括章动倾斜镜41、章动倾斜镜驱动器42、耦合单元43、光功率计44、章动控制器45及第十三透镜46，所述耦合单元43光纤连接所述光功率计44，所述光功率计44电性连接所述章动控制器45，所述章动控制器45电性连接所述章动倾斜镜驱动器42，所述章动倾斜镜驱动器42电性连接所述章动倾斜镜41。

在其中一些实施例中，所述章动倾斜镜41为具备高精度、高分辨率和高相应速率的快速反射镜，例如压电陶瓷快速倾斜镜。

在其中一些实施例中，所述耦合单元43包括单模光纤431以及光束分束器432，经光束分束器432的光束分为2束。

本申请上述实施例提供的章动耦合单元40，作用为对光纤耦合光束进行倾斜调节，抑制耦合光束的抖动及漂移，精确调节耦合光束的对准角度，为空间光到单模光纤的耦合效率及稳定性提供进一步保障。

所述第一4f单元1包括第一透镜111和第二透镜112，其作用是对前级光学天线输入的光束进行孔径匹配和光瞳传递，使之适配本申请所述光学系统的输入条件，同时也是整体倾斜校正单元10的输入条件。

所述第二4f单元2包括第三透镜121及第五透镜123，其作用是对倾斜镜11出射光束进行孔径匹配和光瞳传递，使之适配倾斜传感器13。

所述第三4f单元3包括所述第三透镜121及第四透镜132，其作用是对倾斜镜11出射光束进行孔径匹配和光瞳传递，使之适配低阶AO校正单元20的输入条件。

所述第四4f单元4包括第七透镜151及第九透镜143，其作用是对低阶变形镜21出射光束进行孔径匹配和光瞳传递，使之适配全息波前传感器23的输入条件。

所述第五4f单元5包括第七透镜151及第八透镜152，其作用是对低阶变形镜21出射光束进行孔径匹配和光瞳传递，使之适配高阶AO校正单元30的输入条件。

所述第六4f单元6包括第十透镜161及第十二透镜163，其作用是对高阶变形镜31出射光束进行孔径匹配和光瞳传递，使之适配哈特曼前传感器33的输入条件。

所述第七4f单元7包括所述第十透镜161及第十一透镜171，其作用是对章动倾斜镜41出射光束进行孔径匹配和光瞳传递，使之适配耦合单元43的输入条件。

在其中一些实施例中，所述第一4f单元1的出瞳位置配置在所述倾斜镜上，同时所述倾斜镜也是第二、第三4f单元的入瞳；所述第三4f单元的出瞳和所述第四4f单元的入瞳位置均配置在所述低阶变形镜上；所述第五4f单元的出瞳和第六4f单元的入瞳位置均配置在所述高阶变形镜上。

本申请上述实施例提供的激光通信光信号接收系统，其工作方式如下：

光束经所述第一透镜111和所述第二透镜112入射进入所述倾斜镜11，经所述倾斜镜11反射后再经所述第三透镜121入射进入所述第一分光镜122，部分光束经所述第一分光镜122反射后再经所述第五透镜123聚焦于所述倾斜传感器13上，所述倾斜传感器13对入射的光束进行处理后向所述倾斜校正控制器14发送脱靶量信息，所述倾斜校正控制器14根据所述脱靶量信息经闭环控制运算后向所述倾斜镜驱动器12发送倾斜镜运动控制信号，所述倾斜镜驱动器12根据所述运动控制信号驱动所述倾斜镜11产生相应动作。

另一部分光束经所述第一分光镜122透射后入射进入所述第四透镜132，并经所述第四透镜132聚集于所述低阶变形镜21上，经所述低阶变形镜21反射后的光束入射进入所述第七透镜151，再经所述第二分光镜142透射后入射进入所述第九透镜143，经所述第九透镜143的光束入射进入所述全息波前传感器23，所述全息波前传感器23根据入射的光束向低阶校正控制器24输出波前信息，所述低阶校正控制器24根据波前信息向所述低阶变形镜驱动器22发送变形镜控制信号，所述低阶变形镜驱动器22根据所述变形镜控制信号驱动所述低阶变形镜21产生相应动作；

经所述第二分光镜142反射后的光束再经所述第八透镜152后入射进入所述高阶变形镜31，并经所述高阶变形镜31反射后入射进入所述第十透镜161，再经所述第三分光镜162透射后进入所述第十二透镜163，经所述第十二透镜163后的光束进入所述哈特曼波前传感器33，所述哈特曼波前传感器33根据入射的光束向所述高阶校正控制器34输出斜率信息，所述高阶校正控制器34根据所述斜率信息向所述高阶变形镜驱动器32发送变形镜控制信号，所述高阶变形镜驱动器32根据所述变形镜控制信号驱动所述高阶变形镜31产生相应动作；

经所述第三分光镜162反射的光束入射进入所述第十一透镜171，并经所述第十一透镜171后进入所述章动倾斜镜41经所述章动倾斜镜41反射后再经所述第十三透镜46聚焦于所述耦合单元40上，进入所述耦合单元40的光束分为两部分，一部分光束进入所述光功率计44，所述光功率计44获取光功率信息并输出至所述章动控制器45，所述章动控制器45向所述章动倾斜镜驱动器42发送倾斜镜控制信号，所述章动倾斜镜驱动器42根据所述倾斜镜控制信号驱动所述章动倾斜镜41产生相应动作；另一部分光束进入所述通信处理机50。

所述通信处理机50对接收到的光信号，完成光电信号转换，进行解调处理，从而实现通信的设备。

在其中一些实施例中，所述全息波前传感器23还电性连接所述倾斜校正控制器14，所述全息波前传感器23将探测的倾斜信息发送给所述低阶校正控制器24，所述低阶校正控制器24融合两种传感器信息并进行控制。

在其中一些实施例中，倾斜校正控制器14、低阶校正控制器24、高阶校正控制器34及章动控制器45均电性连接上位机，由上位机60统一调度、控制各子控制器的校正工作状态。

可以理解，本申请提供的激光通信光信号接收系统，通过基于全息波前传感技术的低阶自适应光学，大大增强了强湍流闪烁条件下系统对湍流的传感及校正能力，弥补了传统哈特曼波前传感器在强闪烁条件下无法正常工作的不足，实现了强湍流下对低阶像差的有效校正；高阶AO系统与全息自适应光学系统组成串联系统，利用传统自适应光学系统中哈特曼波前传感器高阶像差测量精度高的特点，弥补了单一全息自适应光学系统对高阶像差探测、校正能力不足的缺点；采用初级整体倾斜校正与末级章动技术相结合的方式，保证了对湍流中整体像差的校正带宽与光纤耦合光束的对准精度；最终能够再强湍流环境下获得高效、稳定的空间光到单模光纤耦合效率，为在大气环境中实现高质量的激光通信、激光雷达等技术奠定了基础。

本申请提供的激光通信光信号接收系统，通过基于全息波前传感技术的高低阶串行独立AO系统，以及光纤章动耦合技术，实现提高激光通信终端的AO系统抗湍流、闪烁效应的能力，提高整体激光通信AO系统的湍流校正能力及稳定度，提高信号光的空间光到单模光纤耦合效率。

实施例2

根据本发明另一实施例，提供了一种激光通信光信号接收系统的工作方法，包括下述步骤：

步骤S10：光束经所述第一透镜111和所述第二透镜112入射进入所述倾斜镜11，经所述倾斜镜11反射后再经所述第三透镜121入射进入所述第一分光镜122，部分光束经所述第一分光镜122反射后再经所述第五透镜123聚焦于所述倾斜传感器13上，所述倾斜传感器13对入射的光束进行处理后向所述倾斜校正控制器14发送脱靶量信息，所述倾斜校正控制器14根据所述脱靶量信息经闭环控制运算后向所述倾斜镜驱动器12发送倾斜镜运动控制信号，所述倾斜镜驱动器12根据所述运动控制信号驱动所述倾斜镜11产生相应动作。

步骤S20：另一部分光束经所述第一分光镜122透射后入射进入所述第四透镜132，并经所述第四透镜132聚集于所述低阶变形镜21上，经所述低阶变形镜21反射后的光束入射进入所述第七透镜151，再经所述第二分光镜142透射后入射进入所述第九透镜143，经所述第九透镜143的光束入射进入所述全息波前传感器23，所述全息波前传感器23根据入射的光束向低阶校正控制器24输出波前信息，所述低阶校正控制器24根据波前信息向所述低阶变形镜驱动器22发送变形镜控制信号，所述低阶变形镜驱动器22根据所述变形镜控制信号驱动所述低阶变形镜21产生相应动作；

步骤S30：经所述第二分光镜142反射后的光束再经所述第八透镜152后入射进入所述高阶变形镜31，并经所述高阶变形镜31反射后入射进入所述第十透镜161，再经所述第三分光镜162透射后进入所述第十二透镜163，经所述第十二透镜163后的光束进入所述哈特曼波前传感器33，所述哈特曼波前传感器33根据入射的光束向所述高阶校正控制器34输出斜率信息，所述高阶校正控制器34根据所述斜率信息向所述高阶变形镜驱动器32发送变形镜控制信号，所述高阶变形镜驱动器32根据所述变形镜控制信号驱动所述高阶变形镜31产生相应动作；

步骤S40：经所述第三分光镜162反射的光束入射进入所述第十一透镜171，并经所述第十一透镜171后进入所述章动倾斜镜41经所述章动倾斜镜41反射后再经所述第十三透镜46聚焦于所述耦合单元40上，进入所述耦合单元40的光束分为两部分，一部分光束进入所述光功率计44，所述光功率计44获取光功率信息并输出至所述章动控制器45，所述章动控制器45向所述章动倾斜镜驱动器42发送倾斜镜控制信号，所述章动倾斜镜驱动器42根据所述倾斜镜控制信号驱动所述章动倾斜镜41产生相应动作；另一部分光束进入所述通信处理机50。

可以理解，本申请提供的激光通信光信号接收系统，通过基于全息波前传感技术的低阶自适应光学，大大增强了强湍流闪烁条件下系统对湍流的传感及校正能力，弥补了传统哈特曼波前传感器在强闪烁条件下无法正常工作的不足，实现了强湍流下对低阶像差的有效校正；高阶AO系统与全息自适应光学系统组成串联系统，利用传统自适应光学系统中哈特曼波前传感器高阶像差测量精度高的特点，弥补了单一全息自适应光学系统对高阶像差探测、校正能力不足的缺点；采用初级整体倾斜校正与末级章动技术相结合的方式，保证了对湍流中整体像差的校正带宽与光纤耦合光束的对准精度；最终能够再强湍流环境下获得高效、稳定的空间光到单模光纤耦合效率，为在大气环境中实现高质量的激光通信、激光雷达等技术奠定了基础。

本申请提供的激光通信光信号接收方法，通过基于全息波前传感技术的高低阶串行独立AO系统，以及光纤章动耦合技术，实现提高激光通信终端的AO系统抗湍流、闪烁效应的能力，提高整体激光通信AO系统的湍流校正能力及稳定度，提高信号光的空间光到单模光纤耦合效率。

本发明上述实施例提供的激光通信光信号接收系统，可适用有信标光或无信标光方案的激光通信链路及终端，两种方案中的光学分光元件的膜系的工作波长及分光比例（透射率：反射率）如下：

无信标光方案：

在无信标光的激光通信链路中应用本发明的光学系统时，所有光学元件膜系设计覆盖632.8 nm波长与信号光波长（通常在1540~1565nm波段内，具体波长按系统需求调整）。各元件的分光比例如下表所示：

表1 无信标光方案分光比

在无信标光的激光通信链路中应用本发明的激光通信光信号接收系统时，所有光学元件膜系设计覆盖632.8 nm波长与信号光波长，通常在1540~1565nm波段内，具体波长按系统需求调整。第一分光镜122的分光比例为1:9，反射光10%，透射光90%；分光镜2的分光比例为1:9，反射光90%，透射光10%；分光镜3的分光比例为1:9，反射光90%，透射光10%；固定比例的光纤分束器分光比为1:1。

信标光与信号光：

在有信标光的激光通信链路中应用本发明的激光通信光信号接收系统时，所有光学元件膜系设计覆盖632.8 nm波长、信标光波长（通常为808nm）与信号光波长（通常在1540~1565nm波段内，具体波长按系统需求调整）。各元件的分光比例如下表所示：

表2 有信标光方案分光比

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种激光通信光信号接收系统，其特征在于，包括：第一4f单元、第二4f单元、第三4f单元、第四4f单元、第五4f单元、第六4f单元、第七4f单元、波前整体倾斜校正单元、低阶AO校正单元、高阶AO校正单元、章动耦合单元及通信处理机；

所述第一4f单元包括第一透镜和第二透镜，所述第二4f单元包括第三透镜及第五透镜，所述第三4f单元包括所述第三透镜、第四透镜，所述第四4f单元包括第七透镜及第九透镜，所述第五4f单元包括第七透镜及第八透镜，所述第六4f单元包括第十透镜及第十二透镜，所述第七4f单元包括所述第十透镜及第十一透镜；

所述波前整体倾斜校正单元包括倾斜镜、倾斜镜驱动器、倾斜传感器和倾斜校正控制器，所述倾斜传感器电性连接所述倾斜校正控制器，所述倾斜校正控制器电性连接所述倾斜镜驱动器，所述倾斜镜驱动器电性连接所述倾斜镜；

所述低阶AO校正单元包括低阶变形镜、低阶变形镜驱动器、全息波前传感器及低阶校正控制器，所述全息波前传感器电性连接所述低阶校正控制器，所述低阶校正控制器电性连接所述低阶变形镜驱动器，所述低阶变形镜驱动器电性连接所述低阶变形镜；

所述高阶AO校正单元包括高阶变形镜、高阶变形镜驱动器、哈特曼波前传感器及高阶校正控制器，所述哈特曼波前传感器电性连接所述高阶校正控制器，所述高阶校正控制器电性连接所述高阶变形镜驱动器，所述高阶变形镜驱动器电性连接所述高阶变形镜；

所述章动耦合单元包括第十三透镜、章动倾斜镜、章动倾斜镜驱动器、耦合单元、光功率计及章动控制器，所述耦合单元通过光纤连接所述光功率计，所述光功率计电性连接所述章动控制器，所述章动控制器电性连接所述章动倾斜镜驱动器，所述章动倾斜镜驱动器电性连接所述章动倾斜镜；

光束经所述第一透镜和所述第二透镜入射进入所述倾斜镜，经所述倾斜镜反射后再经所述第三透镜入射进入第一分光镜，部分光束经所述第一分光镜反射后再经所述第五透镜聚焦于所述倾斜传感器上，所述倾斜传感器对入射的光束进行处理后向所述倾斜校正控制器发送脱靶量信息，所述倾斜校正控制器根据所述脱靶量信息经闭环控制运算后向所述倾斜镜驱动器发送倾斜镜运动控制信号，所述倾斜镜驱动器根据所述运动控制信号驱动所述倾斜镜产生相应动作；

另一部分光束经所述第一分光镜透射后入射进入所述第四透镜，并经所述第四透镜聚集于所述低阶变形镜上，经所述低阶变形镜反射后的光束入射进入所述第七透镜，再经第二分光镜透射后入射进入所述第九透镜，经所述第九透镜的光束入射进入所述全息波前传感器，所述全息波前传感器根据入射的光束向低阶校正控制器输出波前信息，所述低阶校正控制器根据波前信息向所述低阶变形镜驱动器发送变形镜控制信号，所述低阶变形镜驱动器根据所述变形镜控制信号驱动所述低阶变形镜产生相应动作；

经所述第二分光镜反射后的光束再经所述第八透镜后入射进入所述高阶变形镜，并经所述高阶变形镜反射后入射进入所述第十透镜，再经第三分光镜透射后进入所述第十二透镜，经所述第十二透镜后的光束进入所述哈特曼波前传感器，所述哈特曼波前传感器根据入射的光束向所述高阶校正控制器输出斜率信息，所述高阶校正控制器根据所述斜率信息向所述高阶变形镜驱动器发送变形镜控制信号，所述高阶变形镜驱动器根据所述变形镜控制信号驱动所述高阶变形镜产生相应动作；

经所述第三分光镜反射的光束入射进入所述第十一透镜，并经所述第十一透镜后进入所述章动倾斜镜经所述章动倾斜镜反射后再经所述第十三透镜聚焦于所述耦合单元上，进入所述耦合单元的光束分为两部分，一部分光束进入所述光功率计，所述光功率计获取光功率信息并输出至所述章动控制器，所述章动控制器向所述章动倾斜镜驱动器发送倾斜镜控制信号，所述章动倾斜镜驱动器根据所述倾斜镜控制信号驱动所述章动倾斜镜产生相应动作；另一部分光束进入所述通信处理机。

2.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述第一4f单元的出瞳位置配置在所述倾斜镜上，同时所述倾斜镜也是第二、第三4f单元的入瞳；所述第三4f单元的出瞳和所述第四4f单元的入瞳位置均配置在所述低阶变形镜上；所述第五4f单元的出瞳和第六4f单元的入瞳位置均配置在所述高阶变形镜上。

3.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述倾斜镜为音圈电机快速反射镜。

4.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述倾斜传感器采用低延迟光斑成像系统。

5.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述倾斜传感器包括第六透镜、CMOS相机及图像处理器，所述CMOS相机根据输入的光束输出图像信号，所述图像处理器对所述图像信息进行处理。

6.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述低阶变形镜为压电陶瓷变形镜，所述全息波前传感器为曲率波前传感器。

7.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述高阶变形镜为微变形反射镜，所述哈特曼波前传感器为剪切干涉仪。

8.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述章动倾斜镜为压电陶瓷快速倾斜镜。

9.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述耦合单元包括耦合透镜组和与所述耦合透镜组光纤连接的单模光纤。

10.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述倾斜校正控制器、所述低阶校正控制器、所述高阶校正控制器及所述章动控制器均电性连接上位机。

11.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，所述全息波前传感器还电性连接所述倾斜校正控制器，所述全息波前传感器将探测的倾斜信息发送给所述倾斜校正控制器，所述倾斜校正控制器融合两种传感器信息并进行控制。

12.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，在无信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖632.8 nm波长，所述第一分光镜的分光比为0.8，所述第二分光镜的分光比为0.25，所述第三分光镜的分光比为0.33；在无信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖信号光波长，所述信号光波长在1540~1565nm波段内，所述第一分光镜的分光比为0.9，所述第二分光镜（142）的分光比为0.11，所述第三分光镜的分光比为0.13。

13.根据权利要求1所述的激光通信光信号接收系统，其特征在于，在有信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖632.8 nm波长，所述第一分光镜的分光比为0.8，所述第二分光镜的分光比为0.25，所述第三分光镜的分光比为0.33；在有信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖808nm信号光波长，所述第一分光镜的分光比为0.5，所述第二分光镜的分光比为0.9，所述第三分光镜的分光比为0.5；在有信标光的激光通信链路中，上述光学部件膜系设计覆盖1550nm信号光波长，所述第一分光镜的分光比为0.9，所述第二分光镜的分光比为0.11，所述第三分光镜的分光比为0.13。

14.一种根据权利要求1至13任一项所述的激光通信光信号接收系统的工作方法，其特征在于，包括下述步骤：

光束经所述第一透镜和所述第二透镜入射进入所述倾斜镜，经所述倾斜镜反射后再经所述第三透镜入射进入所述第一分光镜，部分光束经所述第一分光镜反射后再经所述第五透镜聚焦于所述倾斜传感器上，所述倾斜传感器对入射的光束进行处理后向所述倾斜校正控制器发送脱靶量信息，所述倾斜校正控制器根据所述脱靶量信息经闭环控制运算后向所述倾斜镜驱动器发送倾斜镜运动控制信号，所述倾斜镜驱动器根据所述运动控制信号驱动所述倾斜镜产生相应动作；

另一部分光束经所述第一分光镜透射后入射进入所述第四透镜，并经所述第四透镜聚集于所述低阶变形镜上，经所述低阶变形镜反射后的光束入射进入所述第七透镜，再经所述第二分光镜透射后入射进入所述第九透镜，经所述第九透镜的光束入射进入所述全息波前传感器，所述全息波前传感器根据入射的光束向低阶校正控制器输出波前信息，所述低阶校正控制器根据波前信息向所述低阶变形镜驱动器发送变形镜控制信号，所述低阶变形镜驱动器根据所述变形镜控制信号驱动所述低阶变形镜产生相应动作；

经所述第二分光镜反射后的光束再经所述第八透镜后入射进入所述高阶变形镜，并经所述高阶变形镜反射后入射进入所述第十透镜，再经所述第三分光镜透射后进入所述第十二透镜，经所述第十二透镜后的光束进入所述哈特曼波前传感器，所述哈特曼波前传感器根据入射的光束向所述高阶校正控制器输出斜率信息，所述高阶校正控制器根据所述斜率信息向所述高阶变形镜驱动器发送变形镜控制信号，所述高阶变形镜驱动器根据所述变形镜控制信号驱动所述高阶变形镜产生相应动作；

经所述第三分光镜反射的光束入射进入所述第十一透镜，并经所述第十一透镜后进入所述章动倾斜镜经所述章动倾斜镜反射后再经所述第十三透镜聚焦于所述耦合单元上，进入所述耦合单元的光束分为两部分，一部分光束进入所述光功率计，所述光功率计获取光功率信息并输出至所述章动控制器，所述章动控制器向所述章动倾斜镜驱动器发送倾斜镜控制信号，所述章动倾斜镜驱动器根据所述倾斜镜控制信号驱动所述章动倾斜镜产生相应动作；另一部分光束进入所述通信处理机。

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