CN114978344B - 激光信号接收装置及空间激光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光信号接收装置及空间激光通信系统，包括激光信号收集单元、激光跟瞄机构、光纤端面泵浦合束、信号臂探测器或/和泵浦臂探测器、控制单元。根据信号臂探测器或/和泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，生成激光跟瞄机构的控制信号，使激光跟瞄机构对准远处发来的空间光束，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯，使空间光束尽可能多的聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。本发明可使空间激光通信系统中的用于激光接收的单模光纤获得更大的探测视场，提升激光接收设备的耦合效率，提高了通信系统的稳定性。

Description

激光信号接收装置及空间激光通信系统

技术领域

本发明涉及空间激光通信技术领域，尤其是涉及一种激光信号接收装置及空间激光通信系统。

背景技术

自由空间激光通信在传输速率、信息容量和保密性等方面具有显著优势, 具有广阔的应用前景，是当前通信技术领域的研究热点。

在自由空间激光通信系统中，一条重要的技术途径是采用单模光纤收集遥远目标发来的空间光束，如图1所示，来自遥远目标的空间光束经聚焦透镜聚焦耦合到单模光纤。因此，如何高效、高稳定的将空间光耦合进单模光纤至关重要。然而由于单模光纤芯径非常小，单模光纤芯径通常在10微米以下，导致整个探测系统的视场较小，机械振动、环境温度、大气湍流等因素的轻微扰动都会对光纤耦合效率产生严重影响，导致通信系统性能下降。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种激光信号接收装置及空间激光通信系统，可在保证单模光纤耦合的情况下获得更大的探测视场，有效提升通信系统的耦合效率和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一方面，本发明提供一种激光信号接收装置，包括：

激光信号收集单元，用于收集远处目标发来的空间光束；

激光跟瞄机构，用于空间光束的高精度对准；

光纤端面泵浦合束器，包括双包层光纤、单模信号纤和多根泵浦纤，泵浦纤均匀分布在单模信号纤的外围，单模信号纤纤芯与双包层光纤的纤芯对准，泵浦纤与双包层光纤的内包层对准；激光信号收集单元将收集的空间光束聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤中之后由其单模信号纤和泵浦纤分别输出；

信号臂探测器或/和泵浦臂探测器，信号臂探测器连接在光纤端面泵浦合束器的单模信号纤上，泵浦臂探测器连接在光纤端面泵浦合束器的一根泵浦纤上；

控制单元，接收信号臂探测器或/和泵浦臂探测器输出的探测信号，根据信号臂探测器或/和泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，进而生成激光跟瞄机构的控制信号，使激光跟瞄机构的指向对准空间光束，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

所述空间光束聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置不同，泵浦臂探测器输出的探测信号大小不同。进一步地，作为优选实施方案，所述光信号探测系统中包括泵浦臂探测器，泵浦臂探测器将接收到的光信号转换为电信号后输出到控制单元，控制单元根据泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定当前空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，方法为：

通过控制激光跟瞄机构调整空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置；当空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的光纤内包层之外时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0；当空间光束的聚焦光斑逐渐进入光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的内包层，泵浦臂探测器输出的探测信号将由0开始逐渐增大；当空间光束的聚焦光斑全部进入双包层光纤端面上的内包层后，泵浦臂探测器输出的探测信号达到最大值，在聚焦光斑进入双包层光纤端面上的纤芯之前，泵浦臂探测器输出的探测信号一直维持在最大值不变。当聚焦光斑开始由内包层进入纤芯时，泵浦臂探测器输出的探测信号将逐渐减小，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号将达到最小值；若聚焦光斑尺寸小于纤芯直径，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0。

所述空间光束聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置不同，信号臂探测器输出的探测信号大小不同。进一步地，作为优选实施方案，所述光信号探测系统中包括信号臂探测器，信号臂探测器将接收到的光信号转换为电信号，电信号被分为两路，一路输出到信号处理单元用于通信；另一路输出到控制单元，控制单元根据信号臂探测器输出的探测信号大小确定当前空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，方法为：

通过控制激光跟瞄机构调整空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置；当空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的纤芯之外时，信号臂探测器输出的探测信号为0；随着空间光束聚焦光斑逐渐进入光纤端面泵浦合束器其纤芯，信号臂探测器输出的探测信号将逐渐增大，直至信号臂探测器输出的探测信号最大；当信号臂探测器输出的探测信号最大时，聚焦光斑完全进入纤芯中或者聚焦光斑中心与纤芯中心重合。

另一方面，本发明提供一种空间激光通信系统，包括：

激光信号收集单元，用于收集远处目标发来的空间光束；

激光跟瞄机构，用于空间光束的高精度对准；

光纤端面泵浦合束器，包括双包层光纤、单模信号纤和多根泵浦纤，泵浦纤均匀分布在单模信号纤的外围，单模信号纤纤芯与双包层光纤的纤芯对准，泵浦纤与双包层光纤的内包层对准；激光信号收集单元将收集的空间光束聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤中之后由其单模信号纤和泵浦纤分别输出；

信号臂探测器或/和泵浦臂探测器，信号臂探测器连接在光纤端面泵浦合束器的单模信号纤上，泵浦臂探测器连接在光纤端面泵浦合束器的一根泵浦纤上；

信号处理单元，用于接收单模信号纤探测器输出的电信号并进行激光通信处理；

控制单元，接收信号臂探测器或/和泵浦臂探测器输出的探测信号，根据信号臂探测器或/和泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，进而生成激光跟瞄机构的控制信号，使激光跟瞄机构对准空间光束发射位置，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

通过以上技术方案，本发明能够实现的有益技术效果是：

本发明提供的激光信号接收装置，可在保证单模光纤耦合的情况下获得更大的探测视场范围，能够更加容易的将空间光束耦合进入光纤纤芯。将所述激光信号接收装置应用于空间激光通信系统中，能够有效提升通信系统的耦合效率和稳定性。本发明在空间激光通信和其它需要光束耦合进入光纤纤芯的应用领域中具有重要价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有自由空间激光通信系统中的单模光纤耦合装置示意图；

图2为本发明一实施例的结构示意图；

图3为本发明一实施例的结构示意图；

图4为本发明一实施例的结构示意图；

图5为本发明一实施例中光纤端面泵浦合束器处局部结构示意图；

图6为泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律图；

图7为信号臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律图；

图8为本发明一实施例中控制聚焦光斑位置的过程图；

图9为本发明一实施例的结构示意图；

图10为本发明一实施例的结构示意图；

图11为本发明一实施例的结构示意图；

图中标号：

1、激光信号收集单元；2、激光跟瞄机构；3、光纤端面泵浦合束器；301、双包层光纤；302、单模信号纤；303、泵浦纤；304、熔接点；305、外包层；306、内包层；307、纤芯；4、信号臂探测器；5、泵浦臂探测器；6、控制单元；7、信号处理单元；8、聚焦光斑。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图2，一实施例中提供一种激光信号接收装置，包括：

激光信号收集单元1，用于收集远处目标发来的空间光束；

激光跟瞄机构2，用于空间光束高精度对准；

光纤端面泵浦合束器3，激光信号收集单元1将收集的空间光束聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器3的双包层光纤301中之后由其单模信号纤302和泵浦纤303分别输出；

信号臂探测器4，信号臂探测器4连接在光纤端面泵浦合束器3的单模信号纤302上；信号臂探测器4将接收到的光信号转换为电信号，电信号被分为两路，一路输出到信号处理单元用于通信；另一路作为探测信号输出到控制单元6；

泵浦臂探测器5，泵浦臂探测器5连接在光纤端面泵浦合束器3的一根泵浦纤303上，泵浦臂探测器5将接收的光信号转换为电信号后作为探测信号输出到控制单元6；

控制单元6，接收信号臂探测器4和泵浦臂探测器5输出的探测信号，根据信号臂探测器4和泵浦臂探测器5输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面上的位置，进而生成激光跟瞄机构2的控制信号，使激光跟瞄机构2对准空间光束发射位置，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

参照图5，光纤端面泵浦合束器3包括双包层光纤301、单模信号纤302和多根泵浦纤303，泵浦纤303均匀分布在单模信号纤302的外围，经熔融拉锥后熔接到双包层光纤301上，熔接形成熔接点304。双包层光纤301包括外包层305、内包层306和纤芯307。单模信号纤302的纤芯与双包层光纤301的纤芯307精确对准，泵浦纤303与双包层光纤301的内包层306对准。在双包层光纤301中，纤芯307的尺寸与单模光纤相同，满足空间激光通信系统的要求，内包层306直径约数百微米，是纤芯307尺寸的十倍以上。

所述空间光束聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置不同，泵浦臂探测器和信号臂探测器输出的探测信号大小不同，可以根据泵浦臂探测器和信号臂探测器输出的探测信号大小确定当前空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置。通过激光跟瞄机构调整聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

参照图6和图7，图6为泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律图；图7为信号臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律图；图中横坐标为聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，纵坐标为泵浦臂探测器输出的探测信号，原点位于双包层光纤端面的光纤中心位置，R为双包层光纤其内包层半径，r为双包层光纤其纤芯半径。参照图6，通过控制激光跟瞄机构调整空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置；当空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的光纤内包层之外时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0；当空间光束的聚焦光斑逐渐进入光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的内包层，泵浦臂探测器输出的探测信号将由0开始逐渐增大；当空间光束的聚焦光斑全部进入双包层光纤端面上的内包层后，泵浦臂探测器输出的探测信号达到最大值（图6中的A值），在聚焦光斑进入双包层光纤端面上的纤芯之前，泵浦臂探测器输出的探测信号一直维持在最大值（图6中的A值）不变。当聚焦光斑开始由内包层进入纤芯时，泵浦臂探测器输出的探测信号将逐渐减小，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂（图6中的B值）；若聚焦光斑尺寸小于纤芯直径，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0（即图6中的B值为0）。另一方面，参照图7，所述空间光束聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置不同，信号臂探测器输出的探测信号大小不同。当空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的纤芯之外时，信号臂探测器输出的探测信号为0；随着空间光束的聚焦光斑逐渐进入光纤端面泵浦合束器其纤芯，信号臂探测器输出的探测信号将逐渐增大，直至信号臂探测器输出的探测信号最大（对应图6中的C值）；当信号臂探测器输出的探测信号最大（对应图6中的C值）时，聚焦光斑完全进入纤芯中或者聚焦光斑中心与纤芯中心重合。

本发明利用泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律以及信号臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律，可以快速控制激光跟瞄机构对准空间光束，从而调整空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，使单模信号纤获得最大输出，完成通信系统间的互联。本领域技术人员可以基于上述变化规律，得到控制激光跟瞄机构对准空间光束的方法，该方法根据聚焦光斑的调整路径分为很多种，本发明的聚焦光斑的调整路径不限，本领域技术人员可以自由设计和选择。

考虑到双包层光纤其内包层尺寸远大于双包层光纤其纤芯尺寸，双包层光纤其内包层接收视场也远大于双包层光纤其纤芯视场，从而使光束捕获难度大幅降低。输入到双包层光纤其内包层的空间光束主要由泵浦纤输出，因此往往泵浦臂探测器首先输出信号，可以先根据泵浦臂探测器输出的探测信号对激光跟瞄机构进行控制，然后结合泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律以及信号臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律，确定合适的聚焦光斑的调整路径，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

不失一般性，一实施例中的控制过程如下：

（1）当聚焦光斑8进入光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面的内包层306时，泵浦臂探测器5将会探测到光信号，输出一个电压值，但并不知道聚焦光斑8的具体位置，双包层光纤端面的情况如图8所示。此时可以通过接下来的步骤将聚焦光斑8调节到纤芯位置；

（2）控制激光跟瞄机构朝任意一个方向移动，比如图8中的a方向所示，当泵浦臂探测器5输出的电压值开始变小时停止运动，并记录下当前坐标值，作为第一坐标；

（3）控制激光跟瞄机构朝a方向的相反方向移动，比如图8中的b方向所示，当泵浦臂探测器5输出电压值开始变小时停止运动，并记录下当前坐标值，作为第二坐标；

（4）控制激光跟瞄机构移动到上述记录的第一坐标和第二坐标的中间位置，之后沿垂直于第一坐标和第二坐标连线的方向移动，比如图8中的c方向所示。在移动过程中，如果出现泵浦臂探测器输出电压值减小且信号臂探测器输出电压值增大情况，则表明聚焦光斑8已经逐渐耦合进入光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面的纤芯307，之后通过精确调节，将信号臂探测器输出电压值调到最大即可；否则，如果出现泵浦臂探测器输出电压值减小但信号臂探测器输出电压值不变的情况，则表明移动方向相反，需马上反向移动，直到聚焦光斑8耦合进入光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面的纤芯307。

进一步地，当聚焦光斑8耦合进入光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面的纤芯307后，仍需根据泵浦臂探测器和信号臂探测器输出电压值实时控制激光跟瞄机构，确保信号臂探测器输出电压值最大。

在探测装置正常工作时，由于受到机械振动、环境温度、大气湍流等因素的扰动，空间光束聚焦后的聚焦光斑8有可能偏离出包层光纤端面的纤芯307，造成无信号光输出，但是很难偏离出包层光纤端面的内包层306，因为双包层光纤其内包层尺寸远大于双包层光纤其纤芯尺寸。此时泵浦臂探测器的输出信号会出现异常。此时，可根据泵浦臂电压值按照前述步骤再次操作，也可采用其它优化路径，使得聚焦光斑8耦合进入光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面的纤芯307，恢复正常通信，使通信系统更加稳定。

参照图3，一实施例中提供一种激光信号接收装置，包括：

激光信号收集单元1，用于收集远处目标发来的空间光束；

激光跟瞄机构2，用于空间光束的高精度对准；

光纤端面泵浦合束器3，激光信号收集单元1将收集的空间光束聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器3的双包层光纤301中之后由其单模信号纤302和泵浦纤303分别输出；

泵浦臂探测器5，泵浦臂探测器5连接在光纤端面泵浦合束器3的一根泵浦纤303上，泵浦臂探测器5将接收的光信号转换为电信号后作为探测信号输出到控制单元6；

控制单元6，接收泵浦臂探测器5输出的探测信号，根据泵浦臂探测器5输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面上的位置，进而生成激光跟瞄机构2的控制信号，使激光跟瞄机构2对准空间光束发射位置，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

图3所示实施例中，是根据空间光束聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置不同，泵浦臂探测器输出的探测信号大小不同，确定当前空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置。图6为泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律图。利用泵浦臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律，可以快速控制激光跟瞄机构对准空间光束，从而调整空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，使单模信号纤获得最大输出，完成通信系统间的互联。本领域技术人员可以基于上述变化规律，得到控制激光跟瞄机构对准空间光束的方法，该方法根据聚焦光斑的调整路径分为很多种，本发明的聚焦光斑的调整路径不限，本领域技术人员可以自由设计和选择。

图3所示实施例中光纤端面泵浦合束器3的结构如图5所示，与前述实施例相同，在此不再赘述。

参照图4，一实施例中提供一种激光信号接收装置，包括：

激光信号收集单元1，用于收集远处目标发来的空间光束；

激光跟瞄机构2，用于空间光束的高精度对准；

光纤端面泵浦合束器3，激光信号收集单元1将收集的空间光束聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器3的双包层光纤301中之后由其单模信号纤302和泵浦纤303分别输出；

信号臂探测器4，信号臂探测器4连接在光纤端面泵浦合束器3的单模信号纤302上；信号臂探测器4将接收到的光信号转换为电信号，电信号被分为两路，一路输出到信号处理单元用于通信；另一路输出到控制单元6；

控制单元6，接收信号臂探测器4，根据信号臂探测器4输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面上的位置，进而生成激光跟瞄机构2的控制信号，使激光跟瞄机构2对准空间光束发射位置，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

图4所示实施例中，是根据空间光束聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置不同，信号臂探测器输出的探测信号大小不同，确定当前空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置。图4这种结构应用比较少，因为纤芯尺寸相对于内包层而言比较小，在聚焦光斑调整过程中需要更精细的路径调整，但是也是可实现的，尤其是当泵浦臂探测器出现异常或者损坏时，也可以基于信号臂探测器实现本发明的目的。图7为信号臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律图；利用信号臂探测器输出的电信号随聚焦光斑位置的变化规律，可以快速控制激光跟瞄机构对准空间光束，从而调整空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，使单模信号纤获得最大输出，完成通信系统间的互联。本领域技术人员可以基于上述变化规律，得到控制激光跟瞄机构对准空间光束的方法，该方法根据聚焦光斑的调整路径分为很多种，本发明的聚焦光斑的调整路径不限，本领域技术人员可以自由设计和选择。

图4所示实施例中光纤端面泵浦合束器3的结构如图5所示，与前述实施例相同，在此不再赘述。

另一方面，本发明提供一种空间激光通信系统，包括信号处理单元7和上述任一实施例中所述的激光信号接收装置；其中所述信号处理单元7，用于接收单模信号纤输出的信号光并进行激光通信处理。

参照图9，一实施例中的空间激光通信系统，包括

激光信号收集单元1，用于收集远处目标发来的空间光束；

激光跟瞄机构2，用于空间光束的跟瞄；

光纤端面泵浦合束器3，包括双包层光纤301、单模信号纤302和多根泵浦纤303，泵浦纤303均匀分布在单模信号纤302的外围，单模信号纤302与双包层光纤301的纤芯307对准，泵浦纤303与双包层光纤301的内包层306对准；激光信号收集单元1将收集的空间光束聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器3的双包层光纤301中之后由其单模信号纤302和泵浦纤303分别输出；

信号臂探测器4，信号臂探测器4连接在光纤端面泵浦合束器3的单模信号纤302上；信号臂探测器4将接收到的光信号转换为电信号，电信号被分为两路，一路输出到信号处理单元7用于通信；另一路输出到控制单元6；

泵浦臂探测器5，泵浦臂探测器5连接在光纤端面泵浦合束器3的一根泵浦纤303上，泵浦臂探测器5将接收的光信号转换为电信号后作为探测信号输出到控制单元6；

信号处理单元7，用于接收单模信号纤输出的信号光并进行激光通信处理；

控制单元6，接收信号臂探测器4和泵浦臂探测器5输出的探测信号，根据信号臂探测器4和泵浦臂探测器5输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面上的位置，进而生成激光跟瞄机构2的控制信号，使激光跟瞄机构2对准空间光束发射位置，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

图9所示实施例中，关于光纤端面泵浦合束器3、控制单元6的控制方法等与图2所示实施例完全相同，在此不在赘述。

参照图9，一实施例中的空间激光通信系统，包括

激光信号收集单元1，用于收集远处目标发来的空间光束；

激光跟瞄机构2，用于空间光束的跟瞄；

光纤端面泵浦合束器3，包括双包层光纤301、单模信号纤302和多根泵浦纤303，泵浦纤303均匀分布在单模信号纤302的外围，单模信号纤302与双包层光纤301的纤芯307对准，泵浦纤303与双包层光纤301的内包层306对准；激光信号收集单元1将收集的空间光束聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器3的双包层光纤301中之后由其单模信号纤302和泵浦纤303分别输出；

泵浦臂探测器5，泵浦臂探测器5连接在光纤端面泵浦合束器3的一根泵浦纤303上，泵浦臂探测器5将接收的光信号转换为电信号后作为探测信号输出到控制单元6；

信号处理单元7，用于接收单模信号纤输出的信号光并进行激光通信处理；

控制单元6，接收泵浦臂探测器5输出的探测信号，根据泵浦臂探测器5输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面上的位置，进而生成激光跟瞄机构2的控制信号，使激光跟瞄机构2对准空间光束发射位置，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

图10所示实施例中，关于光纤端面泵浦合束器3、控制单元6的控制方法等与图3所示实施例完全相同，在此不在赘述。

参照图11，一实施例中的空间激光通信系统，包括

激光信号收集单元1，用于收集远处目标发来的空间光束；

激光跟瞄机构2，用于空间光束的跟瞄；

光纤端面泵浦合束器3，包括双包层光纤301、单模信号纤302和多根泵浦纤303，泵浦纤303均匀分布在单模信号纤302的外围，单模信号纤302与双包层光纤301的纤芯307对准，泵浦纤303与双包层光纤301的内包层306对准；激光信号收集单元1将收集的空间光束聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器3的双包层光纤301中之后由其单模信号纤302和泵浦纤303分别输出；

信号臂探测器4，信号臂探测器4连接在光纤端面泵浦合束器3的单模信号纤302上；信号臂探测器4将接收到的光信号转换为电信号，电信号被分为两路，一路输出到信号处理单元7用于通信；另一路输出到控制单元6；

信号处理单元7，用于接收单模信号纤输出的信号光并进行激光通信处理；

控制单元6，接收信号臂探测器4输出的探测信号，根据信号臂探测器4输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器3其双包层光纤端面上的位置，进而生成激光跟瞄机构2的控制信号，使激光跟瞄机构2对准空间光束发射位置，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束尽可能多的通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

图11所示实施例中，关于光纤端面泵浦合束器3、控制单元6的控制方法等与图4所示实施例完全相同，在此不在赘述。

上述任一实施例的空间激光通信系统中，在空间激光通信系统正常通信期间，由于受到机械振动、环境温度、大气湍流等因素的扰动，空间光束聚焦后的聚焦光斑有可能偏离出光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯，造成无信号光输出，但是很难偏离出光纤内包层，此时信号臂探测器或/和泵浦臂探测器输出信号会出现异常，并可快速控制激光跟瞄机构恢复正常通信，使通信系统更加稳定。

上述任一实施例中，光纤端面泵浦合束器与泵浦臂探测器、信号臂探测器之间采用光纤方式连接，泵浦臂探测器、信号臂探测器与信号处理单元或控制单元之间采用电线方式连接。

所述光纤端面泵浦合束器采用商用（N+1）×1光纤端面泵浦合束器，其中N为泵浦纤数量，“+1”中的“1”为1根单模信号纤，“×1”中的“1”为1根双包层合成光纤。其中，单模信号纤和双包层光纤为单模光纤，纤芯直径根据通信系统使用需求确定。泵浦纤为多模光纤，纤芯直径及光纤数量根据通信系统使用需求确定。

所述信号臂探测器采用商用光纤耦合光电探测器，光纤型号与光纤端面泵浦合束器的单模信号纤型号匹配，探测器波长响应范围覆盖通信系统激光波长，灵敏度与动态范围满足激光通信系统需求。

所述泵浦臂探测器采用商用光纤耦合光电探测器，光纤型号与光纤端面泵浦合束器的泵浦纤型号匹配，探测器波长响应范围覆盖通信系统激光波长，灵敏度与动态范围满足激光通信系统需求。

所述控制单元可采用单片机、DSP、计算机等控制设备实现，具备接收信号臂和泵浦臂探测器输出电信号功能，并生成控制信号加载到激光跟瞄机构上，实现对激光跟瞄机构的指向控制。

所述激光跟瞄机构用于实现空间光束的精确对准，具体的类型和结构不限，本领域技术人员可以根据情况自由选择，可以是万向架转台、快速倾斜镜或者自适应光纤准直器等设备。

所述激光信号收集单元，用于收集远处目标发来的空间光束，具体类型和结构不限。一般情况下，采用聚焦透镜作为激光信号收集单元。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.激光信号接收装置，其特征在于，包括：

激光信号收集单元，用于收集远处目标发来的空间光束；

激光跟瞄机构，用于空间光束的高精度对准；

光纤端面泵浦合束器，包括双包层光纤、单模信号纤和多根泵浦纤，泵浦纤均匀分布在单模信号纤的外围，单模信号纤纤芯与双包层光纤的纤芯对准，泵浦纤与双包层光纤的内包层对准；激光信号收集单元将收集的空间光束聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤中之后由其单模信号纤和泵浦纤分别输出；

信号臂探测器或/和泵浦臂探测器，信号臂探测器连接在光纤端面泵浦合束器的单模信号纤上，泵浦臂探测器连接在光纤端面泵浦合束器的一根泵浦纤上；

控制单元，接收信号臂探测器或/和泵浦臂探测器输出的探测信号，根据信号臂探测器或/和泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，进而生成激光跟瞄机构的控制信号，使激光跟瞄机构的指向对准空间光束，使空间光束的聚焦光斑靠近光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯直至空间光束的聚焦光斑中心与光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面的纤芯中心重合，使空间光束通过激光信号收集单元聚焦耦合进入光纤端面泵浦合束器的双包层光纤的纤芯中，进而进入光纤端面泵浦合束器的单模信号纤中。

2.根据权利要求1所述的激光信号接收装置，其特征在于，包括泵浦臂探测器，泵浦臂探测器将接收到的光信号转换为电信号后输出到控制单元，控制单元根据泵浦臂探测器输出的探测信号大小确定当前空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，方法为：

通过控制激光跟瞄机构调整空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置；当空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的光纤内包层之外时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0；当空间光束的聚焦光斑逐渐进入光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的内包层，泵浦臂探测器输出的探测信号将由0开始逐渐增大；当空间光束的聚焦光斑全部进入双包层光纤端面上的内包层后，泵浦臂探测器输出的探测信号达到最大值，在聚焦光斑进入双包层光纤端面上的纤芯之前，泵浦臂探测器输出的探测信号一直维持在最大值不变；当聚焦光斑开始由内包层进入纤芯时，泵浦臂探测器输出的探测信号将逐渐减小，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号将达到最小值；若聚焦光斑尺寸小于纤芯直径，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0。

3.根据权利要求1所述的激光信号接收装置，其特征在于，包括信号臂探测器，信号臂探测器将接收到的光信号转换为电信号，电信号被分为两路，一路输出到信号处理单元用于通信；另一路输出到控制单元，控制单元根据信号臂探测器输出的探测信号大小确定当前空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，方法为：

通过控制激光跟瞄机构调整空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置；当空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的纤芯之外时，信号臂探测器输出的探测信号为0；随着空间光束聚焦光斑逐渐进入光纤端面泵浦合束器其纤芯，信号臂探测器输出的探测信号将逐渐增大，直至信号臂探测器输出的探测信号最大；当信号臂探测器输出的探测信号最大时，聚焦光斑完全进入纤芯中或者聚焦光斑中心与纤芯中心重合。

4.根据权利要求1所述的激光信号接收装置，其特征在于，包括泵浦臂探测器和信号臂探测器，信号臂探测器将接收到的光信号转换为电信号，电信号被分为两路，一路输出到信号处理单元用于通信；另一路输出到控制单元，泵浦臂探测器将接收到的光信号转换为电信号后输出到控制单元，控制单元根据泵浦臂探测器和信号臂探测器输出的探测信号大小确定当前空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置，方法为：

通过控制激光跟瞄机构调整空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的位置；

当空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的光纤内包层之外时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0；当空间光束的聚焦光斑逐渐进入光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的内包层，泵浦臂探测器输出的探测信号将由0开始逐渐增大；当空间光束的聚焦光斑全部进入双包层光纤端面上的内包层后，泵浦臂探测器输出的探测信号达到最大值，在聚焦光斑进入双包层光纤端面上的纤芯之前，泵浦臂探测器输出的探测信号一直维持在最大值不变；当聚焦光斑开始由内包层进入纤芯时，泵浦臂探测器输出的探测信号将逐渐减小，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号将达到最小值；若聚焦光斑尺寸小于纤芯直径，当聚焦光斑中心与纤芯中心重合时，泵浦臂探测器输出的探测信号为0；

当空间光束的聚焦光斑在光纤端面泵浦合束器其双包层光纤端面上的纤芯之外时，信号臂探测器输出的探测信号为0；随着间光束的聚焦光斑逐渐进入光纤端面泵浦合束器其纤芯，信号臂探测器输出的探测信号将逐渐增大，直至信号臂探测器输出的探测信号最大；当信号臂探测器输出的探测信号最大时，聚焦光斑完全进入纤芯中或者聚焦光斑中心与纤芯中心重合。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的激光信号接收装置，其特征在于：所述光纤端面泵浦合束器采用商用（N+1）×1光纤端面泵浦合束器，其中N为泵浦纤数量，单模信号纤和双包层光纤均为单模光纤，泵浦纤为多模光纤。

6.根据权利要求5所述的激光信号接收装置，其特征在于：所述信号臂探测器、泵浦臂探测器采用商用光纤耦合光纤探测器，信号臂探测器的光纤型号与光纤端面泵浦合束器的单模信号纤型号匹配，泵浦臂探测器的光纤型号与光纤端面泵浦合束器的泵浦纤型号匹配。

7.根据权利要求1或2或3或4或6所述的激光信号接收装置，其特征在于：所述控制单元采用单片机或DSP或计算机实现。

8.根据权利要求7所述的激光信号接收装置，其特征在于：所述激光跟瞄机构是万向架转台或快速倾斜镜或自适应光纤准直器。

9.根据权利要求1或2或3或4或6或8所述的激光信号接收装置，其特征在于：所述激光信号收集单元为聚焦透镜。

10.一种空间激光通信系统，其特征在于，包括信号处理单元和权利要求1或2或3或4或6或8所述的激光信号接收装置，所述信号处理单元，用于接收单模信号纤输出的信号光并进行激光通信处理。

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