CN115459847B - 基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端及扫描方法 - Google Patents

基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端及扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端及扫描方法，属于光学设备技术领域，该通信终端包括光机系统以及电子学系统，光机系统包括主镜、次镜、自由曲面、收发光路、圆弧运动平台，主镜为凹球面反射镜，次镜为凸球面反射镜，且主镜与次镜的顶点曲率中心重合；自由曲面和收发光路放置在圆弧运动平台上，圆弧运动平台可以在X轴和Y轴两个方向上沿着圆弧运动，这两个方向的圆弧的曲率中心与主镜和次镜的曲率中心重合；所述电子学系统包括系统主控模块、运动控制模块、调制解调模块、EDFA模块、光电探测器。本发明仅需要较小的体积，重量和功耗，实现了中等角度的扫描范围，可满足同轨卫星激光通信的应用需求。

Description

基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端及扫描方法
技术领域
本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端及扫描方法。
背景技术
与现有的微波通信技术相比，卫星激光通信技术具有数据率高、抗干扰和保密性好等显著优点，是今后卫星通信的有效补充技术手段。目前，国内外已开展了多项卫星光通信在轨试验，正在逐步开展军事和商业航天应用，卫星互联网技术已经在国际作争中开始发挥作用，其发展趋势日渐明朗。
卫星侧的天基激光通信终端是卫星互联网激光链路的主要组成部分，类似于星链等卫星互联网卫星载荷要求卫星侧的激光通信终端不仅满足高速率高机动性的性能要求，还需要尽可能降低其体积，重量和功耗，从而尽量减小卫星互联网的建设成本。而对于天基激光通信终端，除其固有的电子学和激光器部分外，影响其体积和重量的主要因素是其光机系统。
对于天基激光通信终端中的光机系统，其采用的粗扫描技术是其体积和重量的决定性因素。卫星互联网中，除了少部分激光通信终端以异轨方式工作因此需要大范围的粗扫描范围（典型范围为俯仰±10度，方位±60度）外，大部分激光通信终端以同轨通信方式工作，其典型的粗扫描范围为1～2度。
现有的天基激光通信终端一般采用以下几种方式粗扫描技术，且各自具有其局限性：（1）使用经纬仪或其它形式二维转台实现光学天线的机械扫描，该方法具有很大的扫描范围，但使得体积和重量急剧上升，典型的80mm口径天基激光通信终端需要增加的重量约为4kg；（2）使用大口径平面反射镜（一个或者两个）实现光束扫描，具有较大的扫描范围，使得体积和重量急剧上升，典型的80mm口径天基激光通信终端需要增加的重量约为2～4kg；（3）使用小口径平面反射镜实现光束扫描，对系统的重量增加较小，但受限于小口径平面反射镜的运动角度，以及光学系统的轴外像差，典型的扫描角度范围仅为0.05～0.3度；（4）使用卫星整机的姿态调整功能实现激光通信时的粗扫描，该方式具有较大的扫描角度范围，且不需要增加天基激光通信终端的重量体积，但该方式使得一颗卫星上的多个激光通信终端不能同时开展工作，一般该技术仅应用到立方星（CubeSat）的对地激光通信中。
发明内容
针对天基激光通信终端中的对粗扫描模块的体积小和重量轻的需求，提出了一种基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端及扫描方法，仅需要较小的体积，重量和功耗，实现了中等角度的扫描范围，可满足同轨卫星激光通信的应用需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的一种基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端，包括光机系统以及电子学系统；所述光机系统包括主镜、次镜、自由曲面、收发光路、圆弧运动平台，所述主镜为凹球面反射镜，次镜为凸球面反射镜，且主镜与次镜的顶点曲率中心重合；所述自由曲面和收发光路放置在圆弧运动平台上，所述圆弧运动平台可以在X轴和Y轴两个方向上沿着圆弧运动，这两个方向的圆弧的曲率中心与主镜和次镜的曲率中心重合；所述电子学系统包括系统主控模块、运动控制模块、调制解调模块、EDFA模块、光电探测器，所述收发光路一方面将来自于调制解调模块调制后并经过EDFA放大后的光信号扩束准直并发射，另一方面将来自于另一侧终端的携带调制信号的光束分束后由光电探测器形成电信号，经过调制解调模块解调后输出。
进一步地，对于光瞳直径为D的激光通信终端，记其收发光路的孔径角为θ，并记展开后的焦点到主镜顶点长度为b，则该光机系统参数满足以下关系：
（1）主镜的曲率半径R1满足，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（2）次镜的曲率半径R2满足：
Figure 73742DEST_PATH_IMAGE002
（3）主镜与次镜间距L满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步地，所述主镜和次镜采用带中孔的同轴形式或者不带中孔的离轴形式；所述自由曲面采用反射镜形式的自由曲面或者半透半反形式的自由曲面。
进一步地，所述收发光路包括发射光路和接收光路，所述接收光路对应于激光通信终端的接收光束，来自另一侧激光通信终端的光束依次经过主镜反射，次镜反射，再经过自由曲面反射后，进入到收发光路模块中，经过分束镜进行分束后，进入接收光路，经过接收光纤传输后，由电子学系统中的光电探测器对光信号进行探测；
所述发射光路对应于激光通信终端的发射光束，来自电子学系统中的经过调制并经过EDFA放大后的光信号，通过发射光纤传输发射光路，经分束镜对其光束进行合束后，经过自由曲面反射后，再依次经过次镜反射，主镜反射，形成准直光，并发射至另一侧终端，其发射方向与收到来自于另一侧终端的接收光路的平行，且方向相反。
进一步地，所述分束镜采用棱镜或者平行平板镜或者二色镜或者偏振镜。
进一步地，所述收发光路中还包括有准直镜和/或精瞄镜和/或分束器和/或提前瞄准镜。
进一步地，所述圆弧运动平台采用粗精结合的驱动方式，其中采用音圈电机作为大行程的粗驱动，采用压电陶瓷作为精驱动。
上述的基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端的扫描方法，该方法为：自由曲面和收发光路作为一个整体，随着圆弧运动平台绕着曲率中心运动，实现粗扫描；其处于零位状态时的中心光轴为该激光通信终端的名义光轴，进行粗扫描时，随着自由曲面和收发光路的位置移动，其粗扫描瞬时光轴也随之改变；
令自由曲面和收发光路沿着圆弧运动平台在X和Y方向上的移动量分别为Dx和Dy，圆弧运动平台的曲率半径为R，则粗扫描过程中的粗扫描瞬时光轴的角度
（θx，θy）=（Dx/R，Dy/R）
由于主镜和次镜均采用球面反射镜，具有共同的曲率中心，因此在该激光通信终端进行粗扫描过程中，任一粗扫描瞬间，其像差均与在中心光轴处的像差相同，仅需要考虑粗扫描状态下的系统渐晕差异。
本发明的有益效果为：
1.本发明通过自由曲面实现了对主镜和次镜的球差残差的校正，从而使得在静态情况下小视场范围内该光路具有较小的波像差。通过使用小行程的圆弧运动平台，可以实现激光通信终端在几度范围内的粗扫描，光机系统所增加的体积和重量较少，相比于传统的实现度级视场的粗扫描方案，显著减小了天基激光通信终端的体积和重量，降低了功耗，为卫星互联网中的同轨通信提供了一种降低成本的可能方案。
2. 本发明的可以将粗扫描和精扫描，精跟踪以级联方式合并，从而简化了光路,提高了光机系统的热稳定性和力稳定性,可以进一步降低激光通信终端的体积，重量和功耗。
3. 本发明的光学系统的主镜和次镜均为球面，具有制造简单，成本低的优势，且可以更好低控制其表面缺陷，改善表面粗糙度，从而达到减弱其后项散射光，从而提高其隔离度的目的。并且主镜和次镜均采用球面反射镜，具有共同的曲率中心，因此在该激光通信终端进行粗扫描过程中，任一粗扫描瞬间，其像差均与在中心光轴处的像差相同，仅需要考虑粗扫描状态下的系统渐晕差异。因此，与传统的激光通信终端的光机设计方案相比，该光机设计方案的粗扫描具有更大的扫描视场范围，其扫描视场范围不再受限于轴外视场的像差，而仅受限于光机结构导致的渐晕。
附图说明
图1为本发明的基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端的结构示意图；
图2为本发明的收发光路的具体结构；
图3为本发明的角度扫描原理图；
图4为采用半透半反式自由曲面的收发光路；
图5为小角度范围粗扫描终端的光机系统图；
图6为含有捕获跟踪探测器的收发光路；
图7为使用准直镜的收发光路。
附图标识列表：
1、主镜；2、次镜；3、自由曲面；4、收发光路；5、圆弧运动平台；10、透镜组；11、直线运动平台；41、分束镜；42、发射光路；43、发射光纤；44、接收光路；45、接收光纤；46、捕获跟踪探测器；47、捕获跟踪镜头；48、准直镜；49、提前瞄准镜；50、精瞄镜；51、捕获跟踪分束器；52、接收光路镜头；53、发射光路镜头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如附图1所示，本实施例的一种基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端，包括光机系统以及电子学系统；所述光机系统包括主镜1、次镜2、自由曲面3、收发光路4、圆弧运动平台5，所述主镜为凹球面反射镜，次镜为凸球面反射镜，且主镜与次镜的顶点曲率中心重合；所述自由曲面和收发光路放置在圆弧运动平台上，所述圆弧运动平台可以在X轴和Y轴两个方向上沿着圆弧运动，这两个方向的圆弧的曲率中心与主镜和次镜的曲率中心重合；所述电子学系统包括系统主控模块、运动控制模块、调制解调模块、EDFA模块、光电探测器，所述收发光路一方面将来自于调制解调模块调制后并经过EDFA放大后的光信号扩束准直并发射，另一方面将来自于另一侧终端的携带调制信号的光束分束后由光电探测器形成电信号，经过调制解调模块解调后输出。
进一步地，对于光瞳直径为D的激光通信终端，记其收发光路的孔径角为θ，并记展开后的焦点到主镜顶点长度为b，则该光机系统参数满足以下关系：
（1）主镜的曲率半径R1满足，
Figure 194145DEST_PATH_IMAGE001
（2）次镜的曲率半径R2满足：
Figure 82204DEST_PATH_IMAGE002
（3）主镜与次镜间距L满足：
Figure 618359DEST_PATH_IMAGE003
。
为了简化收发光路4，可以设计该其主镜，次镜和自由曲面，使得该组合输出光束的孔径角与收发光路中的光纤NA匹配，从而避免或减少在收发光路中所需的额外光学镜头。
本实施例中所述主镜和次镜采用带中孔的同轴形式或者不带中孔的离轴形式；所述自由曲面采用反射镜形式的自由曲面或者半透半反形式的自由曲面，其中，采用半透半反形式时其光路如图4所示，半透半反式自由曲面的前后两个光学表面均为自由曲面，对其透射臂和反射臂均起到了消像差的作用，同时又起到了收发光路中的分束镜作用。
如图2所示，本实施例中所述收发光路4包括发射光路42和接收光路44，所述接收光路44对应于激光通信终端的接收光束，来自另一侧激光通信终端的光束依次经过主镜反射，次镜反射，再经过自由曲面反射后，进入到收发光路模块中，经过分束镜41进行分束后，进入接收光路，经过接收光纤45传输后，由电子学系统中的光电探测器25对光信号进行探测；
所述发射光路42对应于激光通信终端的发射光束，来自电子学系统中的经过调制并经过EDFA放大后的光信号，通过发射光纤43传输发射光路，经分束镜41对其光束进行合束后，经过自由曲面3反射后，再依次经过次镜2反射，主镜1反射，形成准直光，并发射至另一侧终端，其发射方向与收到来自于另一侧终端的接收光路的平行，且方向相反。
如图5所示，对于粗扫描范围要求较小（典型小于0.2度）的激光通信终端，可以使用透镜组10替代自由曲面3，并使用直线运动平台11替代圆弧运动平台5。典型情况下,该方式因为采用直线方式替代圆弧方式造成的离焦误差对束散角的影响小于10%.
本实施例中，收发光路中的分束镜41，可以采用棱镜方式分束，也可以采用平行平板方式或者其它方式进行分束。根据需要，分束镜可以采用多种形式，可以采用普通分束器，也可以采用二色镜分离两个不同波长，或者采用偏振分束镜分离不同两个偏振方向。发射光路42和接收光路44可以分别位于分束器的反射侧和透射侧，也可以分别位于分束器的透射侧和反射侧。
收发光路中，可根据激光通信终端的具体功能需求，在光路中适当位置增加滤光片，偏振片，四分之一波片，二分之一波片等其它光学元件。
如图6所示，本实施例的收发光路4中,可根据激光通信终端的具体功能需求，在其光路中增加分束：例如，可以增加分束以使用面阵探测器或者四象限探测器作为捕获跟踪探测器46，用于在通信过程中对接收光斑进行捕获与跟踪，必要时还可以在捕获跟踪探测器之前增加改变其视场角的捕获跟踪镜头47，例如，可以在光路中增加观测恒星的探测器，必要时可增加改变其视场角的镜头；再如，可以增加分束以用于测试其光功率或者波长。
如图7所示，本实施例的收发光路4中可以根据需要增加准直和会聚光路部分，并可以根据需要增加光路的折转，以及增加精瞄分束镜。典型的使用准直镜的光路结构如图7所示，准直镜48用于将后光路准直，可以采用如图7所示的负透镜在焦前进行准直，也可以采用正透镜在焦后进行准直；可以在光路中使用精瞄镜50对激光通信终端的角度进行精确调节；在经过捕获跟踪分束器51进行分束后，发射光路和接收光路分别需要采用发射光路镜头53和接收光路镜头52实现光路与光纤匹配；其发射光路中可以增加提前瞄准镜49，用于对光路进行提前瞄准修正，以及对光路进行一定程度内的收发同轴失调状态下进行修正。此外，光路中还可以增加折转平面镜，仅用来折转光路，缩小光路的总尺寸。
本实施例的圆弧运动平台或者直线运动平台可以采用粗精结合的实现方式，例如，采用两个音圈电机分别实现两个运动方向的大行程粗运动，使用PZT分别实现两个运动方向的小行程精密运动，粗精两级以级联方式组合，从而可以实现该激光通信终端的粗瞄与精瞄、精跟踪一体化，可以进一步提升激光通信终端的性能，减小其体积，重量和功耗。
如图3所示，本实施例的基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端的扫描方法，该方法为：自由曲面和收发光路作为一个整体，随着圆弧运动平台绕着曲率中心运动，实现粗扫描；其处于零位状态时的中心光轴为该激光通信终端的名义光轴，进行粗扫描时，随着自由曲面和收发光路的位置移动，其粗扫描瞬时光轴也随之改变；
令自由曲面和收发光路沿着圆弧运动平台在X和Y方向上的移动量分别为Dx和Dy，圆弧运动平台的曲率半径为R，则粗扫描过程中的粗扫描瞬时光轴的角度
（θx，θy）=（Dx/R，Dy/R）
由于主镜和次镜均采用球面反射镜，具有共同的曲率中心，因此在该激光通信终端进行粗扫描过程中，任一粗扫描瞬间，其像差均与在中心光轴处的像差相同，仅需要考虑粗扫描状态下的系统渐晕差异。
以某款80mm口径天基激光通信终端为参考，其典型的实现方案如下：
主镜曲率半径为-343.88mm，为凹球面；次镜曲率半径为235.974mm，为凸球面；主镜和次镜的材料均采用微晶玻璃，主次镜两者的间距为107.906mm，且主镜带有中孔；
自由曲面的入射角度为22.5度，采用在高次非球面基础上叠加Zernike多项式形式的自由曲面，以1550nm波长为例,该波长下的系统波像差为0.0187λPV和0.0024λrms,该自由曲面的具体参数如下：
Coefficient on r^ 2 ： 0
Coefficient on r^ 4 ： 0.14554713
Coefficient on r^ 6 ：-0.028117929
Coefficient on r^ 8 ：-0.00017277655
Coefficient on r^10 ： 0.00013672747
Coefficient on r^12 ：-6.1140949e-05
Coefficient on r^14 ： 1.575771e-05
Coefficient on r^16 ：-1.702403e-06
ZernikeNormalizationRadius：2.39mm
Zernike Term 1 ： 0
Zernike Term 2 ： 0
Zernike Term 3 ： 0
Zernike Term 4 ： 0
Zernike Term 5 ： 0
Zernike Term 6 ： 0.0017082032
Zernike Term 7 ：-0.00022813244
Zernike Term 8 ： 0
Zernike Term 9 ： 0
Zernike Term 10 ： 0
Zernike Term 11 ： 0.23652532
Zernike Term 12 ： 0.00082896862
Zernike Term 13 ： 0
Zernike Term 14 ： 6.4880099e-05
Zernike Term 15 ： 0
Zernike Term 16 ： 0
Zernike Term 17 ： 2.6516005e-05
Zernike Term 18 ：-3.4631703e-09
Zernike Term 19 ： 1.5457734e-05
Zernike Term 20 ： 0
Zernike Term 21 ：-8.7958641e-06
Zernike Term 22 ： 0.099668222
Zernike Term 23 ： 0
Zernike Term 24 ： 0.00013571584
Zernike Term 25 ： 0
Zernike Term 26 ： 8.5767782e-06
Zernike Term 27 ： 0
Zernike Term 28 ： 6.9662188e-07
Zernike Term 29 ： 3.5218148e-06
Zernike Term 30 ： 0
Zernike Term 31 ： 2.6144807e-06
Zernike Term 32 ： 0
Zernike Term 33 ：-2.3794041e-06
Zernike Term 34 ： 0
Zernike Term 35 ：-1.198017e-06
Zernike Term 36 ： 0
Zernike Term 37 ： 0
分束镜采用边长为3mm的分束棱镜，材料为融石英；分束角度为45度；
发射光纤和[45]接收光纤采用单模光纤，芯径9um，NA0.14，型号为CorningSMF28+。所采用的发射波长为1543nm，所采用的接收波长为1561nm。
圆弧运动平台的回转半径为360mm, 采用30mm行程型号,并采用机械限位至25mm,单轴所对应的粗扫描范围约为±2度,θx和θy方向两轴可实现的粗扫描范围为4°×4°。
圆弧运动平台的θx轴和θy轴两者的运动采用音圈电机作为大行程的粗驱动，型号为VCAR0022-0448-00A，行程约为45mm， 采用压电陶瓷作为精密驱动，型号为NAC5023-H08,行程约为10um，使用钢带式位移传感器测试其位移量，测试分辨率优于0.5um；基于位移传感器实现闭环控制，可以获得优于1um的闭环控制精度。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，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，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端，包括光机系统以及电子学系统，其特征在于，
所述光机系统包括主镜、次镜、自由曲面、收发光路、圆弧运动平台，所述主镜为凹球面反射镜，次镜为凸球面反射镜，且主镜与次镜的顶点曲率中心重合；所述自由曲面和收发光路放置在圆弧运动平台上，所述圆弧运动平台可以以X轴和Y轴为轴线做圆弧运动，以这两个方向为轴线的圆弧的曲率中心与主镜和次镜的曲率中心重合；
所述电子学系统包括系统主控模块、运动控制模块、调制解调模块、EDFA模块、光电探测器，所述收发光路一方面将来自于调制解调模块调制后并经过EDFA放大后的光信号扩束准直并发射，另一方面将来自于另一侧终端的携带调制信号的光束分束后由光电探测器形成电信号，经过调制解调模块解调后输出；
对于光瞳直径为D的激光通信终端，记其收发光路的孔径角为θ，并记展开后的焦点到主镜顶点长度为b，则该光机系统参数满足以下关系：
（1）主镜的曲率半径R1满足，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）次镜的曲率半径R2满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（3）主镜与次镜间距L满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
2.根据权利要求1所述的基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端，其特征在于，所述主镜和次镜采用带中孔的同轴形式或者不带中孔的离轴形式；所述自由曲面采用反射镜形式的自由曲面或者半透半反形式的自由曲面。
3.根据权利要求1所述的基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端，其特征在于，所述收发光路包括发射光路和接收光路，所述接收光路对应于激光通信终端的接收光束，来自另一侧激光通信终端的光束依次经过主镜反射，次镜反射，再经过自由曲面反射后，进入到收发光路模块中，经过分束镜进行分束后，进入接收光路，经过接收光纤传输后，由电子学系统中的光电探测器对光信号进行探测；
所述发射光路对应于激光通信终端的发射光束，来自电子学系统中的经过调制并经过EDFA放大后的光信号，通过发射光纤传输发射光路，经分束镜对其光束进行合束后，经过自由曲面反射后，再依次经过次镜反射，主镜反射，形成准直光，并发射至另一侧终端，其发射方向与收到来自于另一侧终端的接收光路的平行，且方向相反。
4.根据权利要求3所述的基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端，其特征在于，所述分束镜采用棱镜或者平行平板镜或者二色镜。
5.根据权利要求3所述的基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端，其特征在于，所述收发光路中还包括有准直镜和/或精瞄镜和/或分束器和/或提前瞄准镜。
6.根据权利要求3所述的基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端，其特征在于，所述圆弧运动平台采用粗精结合的驱动方式，其中采用音圈电机作为大行程的粗驱动，采用压电陶瓷作为精驱动。
7.一种权利要求1-6之一所述基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端的扫描方法，其特征在于，该方法为：自由曲面和收发光路作为一个整体，随着圆弧运动平台绕着曲率中心运动，实现粗扫描；其处于零位状态时的中心光轴为该激光通信终端的名义光轴，进行粗扫描时，随着自由曲面和收发光路的位置移动，其粗扫描瞬时光轴也随之改变；
令自由曲面和收发光路沿着圆弧运动平台在X和Y方向上的移动量分别为Dx和Dy，圆弧运动平台的曲率半径为R，则粗扫描过程中的粗扫描瞬时光轴的角度
（θx，θy）=（Dx/R，Dy/R）
由于主镜和次镜均采用球面反射镜，具有共同的曲率中心，因此在该激光通信终端进行粗扫描过程中，任一粗扫描瞬间，其像差均与在中心光轴处的像差相同，仅需要考虑粗扫描状态下的系统渐晕差异。
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