CN115085806A - 一种低速星间激光通信的收发光路设计以及终端装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间激光通信技术领域，具体为一种低速星间激光通信的收发光路设计以及终端装置，所述的激光通信光路采用收发分离式设计，由发射端和接收端两部分组成，所述发射端由红外激光器、光放大器及光纤准直器组成，所述接收端由接收聚焦透镜和红外光电探测器组成；所述的激光通信终端装置由第一光端机和第二光端机组成，所述第一光端机包括第一发射端和第一接收端，所述第二光端机由第二发射端和第二接收端构成。本发明不仅装调难度比较低，实现了激光通信终端的轻小型化、低功耗、低成本化的功能，而且对激光通信终端的组装与调试比较便捷。
Description
技术领域
本发明涉及空间激光通信技术领域，具体为一种低速星间激光通信的收发光路设计以及终端装置。
背景技术
空间激光通信以激光作为信息载体进行信息交换和传输，具有通信容量大、传输距离远、抗干扰能力强、保密性良好等优点。随着航天技术的不断发展以及商业航天活动的日益增加，对星间组网激光通信的应用需求愈加迫切，以此为动力极大地促进了星间激光通信终端技术的发展。近些年来，美国、欧洲、日本等已经全面开展了对该领域的研究工作，并完成多次星间激光通信技术的在轨演示验证实验。
在星间激光通信系统的研究中，小型载荷能够为系统提供更大的可用空间，并且风险相对较小、成本较低，因此，小型载荷技术的发展与应用成为星间激光通信终端系统研究的关键。激光通信终端主要包括光学分系统、机械分系统、通信分系统、捕获跟踪对准分系统及总控分系统，其中光学分系统的设计发挥着至关重要的作用。光学分系统不仅要满足建立远距离激光通信的链路能量要求，还要保证实现捕获、对准、跟踪、提前量控制和通信收发功能，同时要有效解决空间环境和传输信道的影响，并尽量做到整个系统的轻小型化。
现有的激光通信终端中光学系统多采用大口径的光学天线，通过增大天线口径提高接收的信号光强，然而口径的增大也将导致后续处理光路更加复杂，并且需要体积更大的配套机械结构支撑，导致平台空间资源分配紧张。此外，现有光学天线多采用对准跟踪机构，通过粗跟踪捕获和精跟踪瞄准功能实现信号光通信，机械转台庞大的体积占据了激光通信终端的绝大部分空间，难以满足卫星平台对激光通信终端体积重量的要求，而且机械转台的转动也消耗了更多的功耗。以上因素限制了星间激光通信终端的轻小型化、低功耗、低成本目标的实现，所以，对于商业化激光通信终端的快速发展，还缺乏简单有效的可靠手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低速星间激光通信的收发光路设计以及终端装置，以解决上述背景技术中提出星间激光通信终端体积大、重量大、功耗高、成本高、普及应用困难的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低速星间激光通信的收发光路设计，该激光通信光路采用收发分离式设计，由发射端和接收端两部分组成：
所述发射端由红外激光器、光放大器及光纤准直器组成，所述光放大器置于所述红外激光器与所述光纤准直器之间；所述红外激光器通过光纤连接将红外激光输送到所述光放大器中，放大后再通过光纤传输进入所述光纤准直器中进行准直；
所述接收端由接收聚焦透镜和红外光电探测器组成，所述红外光电探测器的光敏面置于所述接收聚焦透镜的焦平面上，且所述红外光电探测器光敏面的中心与所述接收聚焦透镜的焦点重合；
所述红外激光器发射激光束，激光束进入所述光放大器中，经过光功率放大后耦合进入所述光纤准直器中，在所述光纤准直器中进行准直处理，最后发射到空间中，光束在空间中传输一定距离后到达光学天线上，经过所述接收聚焦透镜进行聚焦，最后入射到所述红外光电探测器上，发射端的光信号被接收端探测到。
优选的，所述红外激光器选用半导体收发一体激光器模块，光收发模块工作的中心波长分别为1546.92nm和1535.82nm。
优选的，所述光放大器采用低噪声的掺稀土元素光纤放大器，通过两级放大，从而使发射端输出更高的光功率。
优选的，所述光纤准直器为单模光纤，采用陶瓷管封装，通过调整准直镜的位置可以使发射出的光束束散角为2°。
优选的，所述接收聚焦透镜的有效口径为8mm，视场为3°，工作距离6mm，工作波长为1550nm，且接收聚焦透镜的表面镀1550nm的增透膜，透过率≥98％。
优选的，所述红外光电探测器为铟镓砷雪崩光电探测器，探测波长范围为800～1700nm，光敏面直径为500um，峰值响应度为0.95A/W。
本发明还提供一种低速星间激光通信终端装置，该激光通信终端装置由第一光端机和第二光端机组成；
所述第一光端机包括第一发射端和第一接收端，所述第二光端机由第二发射端和第二接收端构成；
第一光端机和第二光端机搭载卫星平台相距一定的距离，第一光端机的红外信号光经过光纤准直器准直后，作为激光通信终端的发射光束从第一发射端发出，在空间中传输，被第二光端机的第二接收端所接收，由红外光电探测器探测得到相应信号。
优选的，所述第二光端机也会向空间发射红外信号光，从第二接收端出射红外信号光，经空间传输后，被第一光端机的第一接收端所接收，由红外光电探测器探测得到相应信号，以实现双向通信功能。
优选的，所述星间激光通信终端的最小工作距离为1km，最大通信速率为500Mbps。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该低速星间激光通信的收发光路设计以及终端装置不仅装调难度比较低，实现了激光通信终端的轻小型化、低功耗、低成本化的功能，而且对激光通信终端的组装与调试比较便捷；
(1)本发明采用收发分离光路设计，用小口径光学天线替代现有普遍使用的收发一体的大口径天线，虽然损失了一定的光功率，但光学口径的显著减小对光机后续简化设计至关重要，而且大口径的光学天线体积大、重量大、装调难度大，采用小口径光学天线可有效解决这些问题，轻小型的光学天线为后续卫星平台的搭载选择提供了更多的机会，同时，装调难度的降低为提高试验成功率，节约人力物力资源具有重要影响，更有利于激光通信终端的商业化发展。
(2)本发明相比于现有主流的激光通信终端设备，未采用捕获跟踪机构，将粗跟踪、精跟踪两级对准转化为依赖卫星平台姿态控制调整，实现星间激光通信光端机的对准，有效避免了光端机结构存在的体积重量庞大、功耗高、结构复杂、成本高、快速部署和维护困难等问题，实现了激光通信终端的轻小型化、低功耗、低成本化。
(3)本发明光路布局简单，发射端的红外激光器、光放大器及光纤准直器与接收端的接收聚焦透镜和红外光电探测器的连接更加容易，而且在系统的装配检测过程中，所需调节的元器件相对于现有技术的激光通信终端明显减少，尤其是同轴度的调节将更加容易，可快速完成激光通信终端的组装与调试，更加适用于产品的工程化应用与自动化测试。
(4)本发明所述的低速星间激光通信光路非常适用于模块化激光通信终端的发展，通过组装不同功能模块的激光通信终端，即可满足不同场景与任务的需求，这是现有激光通信技术所难以实现的，模块化的激光通信终端为产品的快速组装与批量生产提供了有利条件。
附图说明
图1为本发明的激光通信收发光路设计的结构示意图；
图2为本发明的激光通信终端装置的结构示意图。
图中：1、红外激光器；2、光放大器；3、光纤准直器；4、接收聚焦透镜；5、红外光电探测器；101、第一光端机；11、第一发射端；12、第一接收端；201、第二光端机；21、第二发射端；22、第二接收端。
具体实施方式
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实施例，而不是全部的实施例，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”“上、下、左、右”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种低速星间激光通信的收发光路设计的结构如图1所示，该激光通信光路采用收发分离式设计，由发射端和接收端两部分组成：
发射端由红外激光器1、光放大器2及光纤准直器3组成，光放大器2置于红外激光器1与光纤准直器3之间；红外激光器1通过光纤连接将红外激光输送到光放大器2中，放大后再通过光纤传输进入光纤准直器3中进行准直；
在上述技术方案中，红外激光器1选用半导体收发一体激光器模块，光收发模块工作的中心波长分别为1546.92nm和1535.82nm，光放大器2采用低噪声的掺稀土元素光纤放大器，通过两级放大，使发射端输出更高的光功率，光纤准直器3为单模光纤，采用陶瓷管封装，通过调整准直镜的位置可以使发射出的光束束散角为2°。
接收端由接收聚焦透镜4和红外光电探测器5组成，红外光电探测器5 的光敏面置于接收聚焦透镜4的焦平面上，且红外光电探测器5光敏面的中心与接收聚焦透镜4的焦点重合；
在上述技术方案中，接收聚焦透镜4的有效口径为8mm，视场为3°，工作距离6mm，工作波长为1550nm，且接收聚焦透镜4的表面镀1550nm的增透膜，透过率≥98％，红外光电探测器5为铟镓砷雪崩光电探测器，探测波长范围为800～1700nm，光敏面直径为500um，峰值响应度为0.95A/W。
红外激光器1发射激光束，激光束进入光放大器2中，经过光功率放大后耦合进入光纤准直器3中，在光纤准直器3中进行准直处理，最后发射到空间中，光束在空间中传输一定距离后到达光学天线上，经过接收聚焦透镜4 进行聚焦，最后入射到红外光电探测器5上，发射端的光信号被接收端探测到。
进一步地，如图2所示，本发明还提供一种低速星间激光通信终端装置，该星间激光通信终端的最小工作距离为1km，最大通信速率为500Mbps，并且激光通信终端装置由第一光端机101和第二光端机201组成：
第一光端机101包括第一发射端11和第一接收端12，第二光端机201由第二发射端21和第二接收端22构成；
第一光端机101和第二光端机201搭载卫星平台相距一定的距离，第一光端机101的红外信号光经过光纤准直器3准直后，作为激光通信终端的发射光束从第一发射端11发出，在空间中传输，被第二光端机201的第二接收端22所接收，由红外光电探测器5探测得到相应信号。
进一步地，为了实现星间激光终端装置的双向通信，第二光端机201也会向空间发射红外信号光，从第二接收端22出射红外信号光，经空间传输后，被第一光端机101的第一接收端12所接收，由红外光电探测器5探测得到相应信号，从而实现了双向通信的功能。
工作原理：使用时，红外激光器1发射激光束，激光束进入光放大器2 中，经过光功率放大后耦合进入光纤准直器3中，在光纤准直器3中进行准直处理，最后发射到空间中，光束在空间中传输一定距离后到达光学天线上，经过接收聚焦透镜聚焦4，最后入射到红外光电探测器5上，发射端的光信号被接收端探测到。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明采用小口径光学天线直接接收经过光纤准直器准直后的光束，实现激光光束的发射与接收，显著减小了光学天线口径；同时，激光通信终端只保留激光信号光处理光路，信号光同时作为捕获跟踪信标光，极大地降低了光学系统设计地复杂性，也简化了相应支撑结构的设计，有利于激光通信终端对体积、重量的控制，实现激光通信终端的轻小型化；
(2)本发明中激光通信终端通过调整光纤准直器准直镜的位置，增加发射光束的束散角，使传输到接收光学天线处的光束束斑尺寸更大，使得信号光接收更容易。此方式降低了激光通信终端对机械转台跟踪精度的要求，通过卫星平台的姿态控制即可实现对准跟踪，因此，激光通信终端可不使用捕获对准跟踪系统，极大地降低了激光通信终端的功耗使用和空间占用，避免资源占用过多，更加有利于卫星平台资源的分配与使用；
(3)本发明对星间激光通信终端的光学系统进行优化设计，使得激光通信终端收发系统光学架构更简单，系统的装调检测更加容易，有效降低了复杂光路装调过程中产生的误差影响，而且元器件的减少使制造成本更低，适用于批量化生产和自动化测试，进一步促进了星间激光通信技术的快速发展和工程应用，并对航天高精技术在商业领域的普及应用具有重要的推动作用和影响；
(4)本发明应用于星间无线激光通信链路，具有光学天线轻质化、光机结构小型化、激光通信终端低功耗、抗干扰能力强、安全保密性高等优点，并且可在微小卫星平台同时安装多个激光通信终端，进行空间网络互联互通形成通信组网，实现各个卫星间的信息传输与协同工作，使激光通信终端在卫星空间组网中的应用更加广阔。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (9)
1.一种低速星间激光通信的收发光路设计，该激光通信光路采用收发分离式设计，由发射端和接收端两部分组成，其特征在于：
所述发射端由红外激光器(1)、光放大器(2)及光纤准直器(3)组成，所述光放大器(2)置于所述红外激光器(1)与所述光纤准直器(3)之间；所述红外激光器(1)通过光纤连接将红外激光输送到所述光放大器(2)中，放大后再通过光纤传输进入所述光纤准直器(3)中进行准直；
所述接收端由接收聚焦透镜(4)和红外光电探测器(5)组成，所述红外光电探测器(5)的光敏面置于所述接收聚焦透镜(4)的焦平面上，且所述红外光电探测器(5)光敏面的中心与所述接收聚焦透镜(4)的焦点重合；
所述红外激光器(1)发射激光束，激光束进入所述光放大器(2)中，经过光功率放大后耦合进入所述光纤准直器(3)中，在所述光纤准直器(3)中进行准直处理，最后发射到空间中，光束在空间中传输一定距离后到达光学天线上，经过所述接收聚焦透镜(4)进行聚焦，最后入射到所述红外光电探测器(5)上，发射端的光信号被接收端探测到。
2.根据权利要求1所述的一种低速星间激光通信的收发光路设计，其特征在于：所述红外激光器(1)选用半导体收发一体激光器模块，光收发模块工作的中心波长分别为1546.92nm和1535.82nm。
3.根据权利要求1所述的一种低速星间激光通信的收发光路设计，其特征在于：所述光放大器(2)采用低噪声的掺稀土元素光纤放大器，通过两级放大，从而使发射端输出更高的光功率。
4.根据权利要求1所述的一种低速星间激光通信的收发光路设计，其特征在于：所述光纤准直器(3)为单模光纤，采用陶瓷管封装，通过调整准直镜的位置可以使发射出的光束束散角为2°。
5.根据权利要求1所述的一种低速星间激光通信的收发光路设计，其特征在于：所述接收聚焦透镜(4)的有效口径为8mm，视场为3°，工作距离6mm，工作波长为1550nm，且接收聚焦透镜(4)的表面镀1550nm的增透膜，透过率≥98％。
6.根据权利要求1所述的一种低速星间激光通信的收发光路设计，其特征在于：所述红外光电探测器(5)为铟镓砷雪崩光电探测器，探测波长范围为800～1700nm，光敏面直径为500um，峰值响应度为0.95A/W。
7.一种低速星间激光通信终端装置，使用权利要求1～6中任一项所述的低速星间激光通信的收发光路设计，该激光通信终端装置由第一光端机(101)和第二光端机(201)组成，其特征在于：
所述第一光端机(101)包括第一发射端(11)和第一接收端(12)，所述第二光端机(201)由第二发射端(21)和第二接收端(22)构成；
第一光端机(101)和第二光端机(201)搭载卫星平台相距一定的距离，第一光端机(101)的红外信号光经过光纤准直器(3)准直后，作为激光通信终端的发射光束从第一发射端(11)发出，在空间中传输，被第二光端机(201)的第二接收端(22)所接收，由红外光电探测器(5)探测得到相应信号。
8.根据权利要求7所述的一种低速星间激光通信终端装置，其特征在于：所述第二光端机(201)也会向空间发射红外信号光，从第二接收端(22)出射红外信号光，经空间传输后，被第一光端机(101)的第一接收端(12)所接收，由红外光电探测器(5)探测得到相应信号，以实现双向通信功能。
9.根据权利要求8所述的一种低速星间激光通信终端装置，所述星间激光通信终端的最小工作距离为1km，最大通信速率为500Mbps。
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