CN115567115A - 一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统 - Google Patents

一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统 Download PDF

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CN115567115A CN202210978306.9A CN202210978306A CN115567115A CN 115567115 A CN115567115 A CN 115567115A CN 202210978306 A CN202210978306 A CN 202210978306A CN 115567115 A CN115567115 A CN 115567115A
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陈虹达
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Abstract

本发明提供一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，包括大偏转角光学相控阵天线、中继光路、光纤移相器、光纤合束器、光纤分束器、激光发射单元、相干解调单元、光功率探测单元、相位控制单元，大偏转角光学相控阵天线实现光束大角度范围的偏转，中继光路实现光束的跟踪并耦合至光纤，光纤移相器和光纤合束器将经由多个孔径光学相控阵天线耦合到光纤的光进行相干合成，以增强接收信号的光功率。本发明通过对各孔径光学相控阵角度偏转的分时控制，克服了光学相控阵天线大角度偏转响应时间造成激光通信中断的影响，从而实现光学相控阵激光通信大角度范围内连续不间断的高速传输，可广泛应用于星间、星地、空空、空地等空间激光通信链路中。

Description

一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统。
背景技术
与传统机械式扫描跟踪技术相比，光学相控阵技术具有扫描灵活、偏转速度快、指向精度高、空间分辨率高等优点。在空间激光通信、激光雷达和光电对抗等领域具有广泛的应用前景，尤其是其体积小、重量轻、功耗低，倍受空间激光通信系统的青睐。
目前光学相控阵主要有光波导、MEMS、体全息光栅、双折射棱镜、光纤相控阵、液晶光学相控阵、液晶偏振光栅等多种技术手段，但无论哪种技术手段，都存在接收面积大、偏转角度范围宽、偏转效率高、偏转速度快不可兼得的弊端，限制了光学相控阵在激光通信的应用。因此，采用多种技术手段相结合方式来实现空间激光通信。与光波导、MEMS、光纤相控阵相比，液晶光学相控阵接收面积大、技术成熟，因此通常采用液晶光学相控阵与体全息光栅、双折射棱镜、液晶偏振光栅等大角度步进偏转器件组合使用来解决。2007年，美国BNS和北卡罗来纳州立大学(《J.Buck，S.Serati，L.Hosting，et al.Polarization Gratings forNon-mechanical Beam Steering Applications》，出自Proceedings of the SPIE,Volume8395，83950F-1-6)成功研制了液晶偏振光栅，实现了±56°范围内的光束偏转；2006年，美国雷神公司(Wide-angle beam steering system，美国专利，专利号US7428100)采用液晶光学相控阵与体全息光栅技术可实现±45°范围内的光束连续偏转；2012年，我国中科院光电技术研究所的肖文奔等人(基于Wollaston棱镜的大角度液晶光束偏转系统。光学技术，2012，38(6)：588-592)采用液晶光学相控阵与Wollaston棱镜实现了±13.25°范围内的光束连续偏转；2020年，电子科技大学的刘晓鹏等人(基于液晶激光转向器和LCPG的级联光束控制方法。电子科技大学，2020)采用液晶光学相控阵与液晶偏振光栅实现了±13°范围内的光束连续偏转。由于受上述偏转器件响应时间的限制，系统无法实现大角度步进偏转过程中的连续稳定跟踪，从而容易造成激光通信的中断。
发明内容
本发明是为了解决单孔径大偏转角光学相控阵造成激光通信的中断问题，提供一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，通过对各孔径光学相控阵角度偏转的分时控制，克服了大偏转角光学相控阵响应时间造成激光通信中断的影响，实现大偏转角光学相控阵激光通信的连续不间断高速通信；同时通过接收孔径的拼接可进一步扩大接收面积，提高激光通信的传输距离和通信稳定性。
本发明提供一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，包括依次光连接的大偏转角光学相控阵天线、中继光路、光纤移相器，与光纤移相器的输出端依次连接的光纤合束器、光纤分束器，与光纤分束器输出端分别连接的相干解调单元、光功率探测单元和与光功率探测单元、光纤移相器均连接的相位控制单元，大偏转角光学相控阵天线、中继光路和光纤移相器的数量均为至少两个，所有的光纤移相器均与相位控制单元相连；
大偏转角光学相控阵天线接收信号光束后输出至中继光路，中继光路进行光束捕获的反馈、跟踪并耦合进光纤后输出至光纤移相器，光纤移相器和光纤合束器将多路光纤的耦合光进行相干合成后输出至光纤分束器，光纤分束器将接收光信号部分输出至光功率探测单元，光功率探测单元对合成后的光功率进行实时监测并根据监测结果反馈到相位控制单元，相位控制单元控制光纤移相器进行相位调整，光纤分束器将接收光信号的另一部分输出至相干解调单元进行相干探测和信息解调。
本发明所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，作为优选方式，大偏转角光学相控阵天线为基于级联液晶偏振光栅、体布拉格光栅和双折射棱镜的大角度偏转光学相控阵天线，大偏转角光学相控阵天线中设置1/2波片控制器，每个大偏转角光学相控阵天线可分时控制。
本发明所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，作为优选方式，中继光路包括依次设置在大偏转角光学相控阵天线输出光路上的收束系统、法拉第旋光器、快速反射镜，设置在快速反射镜反射光路上的第一分光镜，依次设置在第一分光镜反射光路上的第一偏振片、第一汇聚透镜、捕获探测器，设置在快速反射镜反射光路上的第二分光镜，依次设置在第二分光镜反射光路上的第二偏振片、第二汇聚透镜、精跟踪探测器和设置在快速反射镜反射光路上的耦合准直器，第二分光镜设置在第一分光镜和耦合准直器之间，光纤移相器设置在耦合准直器的输出光路上；
信号光进入收束系统进行收束后输出，法拉第旋光器将信号光偏振方向偏转45°后经快速反射镜反射再进行分光：第一部分光透过第一偏振片经第一汇聚透镜汇聚到捕获探测器，光学相控阵激光通信系统根据捕获探测器的光斑成像位置对光学相控阵光束的偏振态进行实时控制以进行捕获和粗跟踪；第二部分光透过第二偏振片经第二汇聚透镜汇聚到精跟踪探测器，光学相控阵激光通信系统根据精跟踪探测器的光斑成像位置对快速反射镜进行实时控制以进行精跟踪；第三部分光通过耦合准直器耦合到单模光纤并输出至光纤移相器。
本发明所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，作为优选方式，一个大偏转角光学相控阵天线接收的信号光为一个子孔径信号光，光学相控阵激光通信系统进行多个子孔径信号光的接收拼接后通过相位延迟进行系统的共相并控制每个大偏转角光学相控阵天线的偏转时刻；
子孔径信号光的电矢量分别为：
Figure BDA0003799330590000031
Figure BDA0003799330590000032
……，
Figure BDA0003799330590000033
其中，Ai为第i个子孔径信号光的振幅，
Figure BDA0003799330590000041
为与第i个光纤移相器的相位，
Figure BDA0003799330590000042
为第i个子孔径信号光的初始相位，n为子孔径信号光的总数，ω为信号光的频率，Δω为信号光的调制频率；
光纤合束器输出的合束信号光电矢量E为：
E(t)＝E1(t)+E2(t)+L+En(t)；
相位控制单元根据光功率探测单元测得的合束信号光电矢量E调整光纤移相器的相位以使大偏转角光学相控阵天线的接收光束共相。
本发明所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，作为优选方式，光纤移相器为单臂直线型铌酸锂电光相位调制器或压电陶瓷环光纤相位调制器；
光纤合束器为N×1单模光纤合束器，N的数量与大偏转角光学相控阵天线的数量相同。
本发明所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，作为优选方式，纤分束器为1分3结构形式、分光比为8:1:1。
本发明所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，作为优选方式，光纤分束器包括串联的两个1分2光纤分束器，每个光纤分束器的分光比均为9:1。
本发明所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，作为优选方式，相干解调单元根据发射端相干调制方式进行匹配，相干解调单元相干调制信号解调机制为外差相干探测或零差相干探测；
光功率探测单元为光纤式光功率计，光功率探测单元的工作波长范围覆盖信号光的波长；
相位控制单元使用的控制算法包括以下任意一种或多种：随机并行梯度算法、爬山法、多抖动法、单抖动法、遗传算法、进化算法和神经网络算法。
本发明所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，作为优选方式，还包括与光纤分束器输出端连接的激光发射单元；
光学相控阵激光通信系统也可进行各孔径光学相控阵天线的共相发射，共相发射的过程为：激光发射单元发射的信号光依次经光纤分束器、光纤合束器、光纤移相器、中继光路和大偏转角光学相控阵天线逆向发射到对方激光通信终端。
本发明所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，作为优选方式，激光发射单元包括依次连接的发射激光器、调制器和光纤放大器；
发射激光器为光纤激光器或半导体激光器或固体激光器，发射激光器为单频、单模激光光源；调制器根据通信方式和信息对发射激光器输出光进行调制后输出至光纤放大器，光纤放大器对激光功率进行放大。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于包括大偏转角光学相控阵天线、中继光路、光纤移相器、光纤合束器、光纤分束器、激光发射单元、相干解调单元、光功率探测单元、相位控制单元。
经过大偏转角光学相控阵天线的光束，由中继光路实现光束捕获的反馈、高精度跟踪和高效率耦合至光纤，利用光纤移相器和光纤合束器将多路光纤的光进行相干合成，合成后的光通过光纤分束器一分为二：小部分光经光纤传输到光功率探测单元对合成后的光功率进行实时监测，并根据监测结果反馈到相位控制单元，对光纤移相器进行控制；大部分光经光纤传输到相干解调单元进行相干探测与解调，从而实现激光通信信号的接收与信息解调。
激光发射单元中激光器发射相应波段的光，经过调制器的信号调制、光纤放大器的信号增强，分别通过光纤分束器、光纤合束器、光纤移相器、中继光路、大偏转角光学相控阵系统逆向发射到通信目标，可确保各孔径光学相控阵天线的共相发射，从而实现激光通信信号的调制与发射。
进一步地，所述的大偏转角光学相控阵天线为基于级联液晶偏振光栅、体布拉格光栅或双折射棱镜的大角度偏转光学相控阵天线。在光束大角度偏转时，由于系统响应时间的存在，将导致接收信号光功率短时间中断。
进一步地，所述的中继光路包括收束系统、法拉第旋光器(根据需要可选)、快速反射镜、分光镜1、偏振片1、汇聚透镜1、捕获探测器、分光镜2、偏振片2、汇聚透镜2、精跟踪探测器、耦合准直器；
经过大偏转角光学相控阵天线的信号光，由收束系统进行适当收束以满足小尺寸、高带宽快速反射镜的使用要求。如果需要，收束后的光经过法拉第旋光器偏振方向偏转45°。然后经快速反射镜反射后，再进行两次分光：第一次分光分出小部分光透过偏振片由汇聚透镜汇聚到捕获探测器，根据光斑成像位置对光学相控阵光束的偏振态进行实时控制，实现系统捕获与粗跟踪。第二次分光分出小部分透过偏振片由汇聚透镜汇聚到精跟踪探测器，根据光斑成像位置对快速反射镜进行实时控制，实现系统的精跟踪。其余大部分光通过耦合准直器耦合到单模光纤。
进一步地，所述的光纤移相器为单臂直线型铌酸锂电光相位调制器、压电陶瓷环光纤相位调制器或其他相位调制器。
进一步地，所述的光纤合束器为N×1单模光纤合束器，N的数量由光学相控阵孔径数量决定。
进一步地，所述的光纤分束器为1分3结构形式，分光比约为8:1:1；或由两个1分2光纤分束器串联组成，分光比约为9:1。
进一步地，所述的激光发射单元包括发射激光器、调制器和光纤放大器。发射激光器为光纤激光器、半导体激光器、固体激光器或其他激光器，应为单频、单模激光光源。调制器根据通信方式和信息对激光器发出的光进行调制，调制后的光经过光纤放大器放大到所需要光功率。
进一步地，所述的相干解调单元可根据发射端相干调制方式进行匹配，可为外差、零差相干探测等多种相干调制信号解调机制。
进一步地，所述的光功率探测单元为光纤式光功率计，或光纤准直器与光电探测器的组合。功率计和光电探测器的工作波长范围应覆盖信号光的波长。
进一步地，所述的相位控制单元所使用的控制算法包括但不限于随机并行梯度算法、爬山法、多抖动法、单抖动法、遗传算法、进化算法、神经网络算法等。
本发明的原理可表述为：大偏转角光学相控阵天线通常采用控制光束偏振态(圆偏振光的左旋与右旋、线偏振光的S光与P光)使光束发生大角度偏转，在进行光束偏振态切换时，由于切换时间(材料响应时间)的存在，带来光束短暂中断从而造成激光通信的中断。采用多孔径拼接方式后，各孔径通过相位延迟实现系统的共相，合理控制每个孔径大角度偏转时刻(分时控制)，当其中一个子孔径信号光中断时，其他子孔径可以正常工作，从而实现系统不间断高速通信。
由于大部分相控阵天线对收发光束具有同偏振特性要求，因此在中继光路中增加了法拉第旋光器以实现收发光束的偏振隔离。法拉第旋转器利用磁光效应晶体，当施加一定方向的磁场时，会使通过该晶体光的偏振态发生变化，这种变化和材料本身有关，与所加磁场方向及入射角度有关，与光传播方向无关。采用偏振方向偏转45°的法拉第旋光器，发射光束从A侧入射B侧出射，偏振方向偏转45°，接收光束从B侧入射A侧出射，偏振方向同样偏转45°。在A测收发光束的偏振态一致，因此B侧收发光束偏振态相差90°，从而实现收发偏振态的隔离。
经过多孔径光学相控阵的空间光通过中继光路分别耦合到单模光纤内，由光纤移相器、光纤合束器进行相干合束。由于来自同一激光发射源，各子孔径合束前的光波电矢量分别为
Figure BDA0003799330590000071
Figure BDA0003799330590000072
……
Figure BDA0003799330590000073
式中，Ai、Δωi、
Figure BDA0003799330590000074
分别为来自第i孔径信号光的振幅、光纤移相器的相位、以及初始相位(与路径光程有关)；ω、Δω为信号光的频率和调制频率。合成后信号光的电矢量为
E(t)＝E1(t)+E2(t)+L+En(t)
当且仅当各路信号光电矢量位相一致时，合束后的光强才达到最大值。即
Figure BDA0003799330590000075
时，合束后光纤内光强最大。合束后的光经过光纤分束器分光，小部分光(约10％能量的光)送到光功率计(或光电探测器)。光功率计测得的光强最强时，到达相干解调单元的光也最强。采用随机下降并行梯度算法(SPGD)等控制算法调整光纤延迟器的相位，可快速实现各接收光束的共相调整。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用多孔径相干合成方法实现来自不同光学相控阵天线光束的共相合成，通过分时控制光学相控阵的大角度偏转，可避免大角度偏转过程中造成的通信中断，实现大口径光学相控阵天线大角度范围内的连续不间断通信，从而拓展光学相控阵在激光通信领域的应用场景。
(2)本发明采用多孔径相干合成方法，可实现多孔径天线的拼接增加光学相控阵的有效接收面积，提高光学相控阵激光通信的作用距离和空间激光链路的链路余量，使光学相控阵在激光通信领域走向实用化。
(3)本发明采用多孔径相干合成方法，对拼接孔径的天线朝向和安装位置要求不是很严苛，可根据装载平台进行设计，大幅提升激光通信系统的平台适应性。
附图说明
图1为一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统组成框图；
图2为一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统中继光路部分的组成框图；
图3为一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统激光发射单元的组成框图。
附图标记：
1、大偏转角光学相控阵天线；2、中继光路；21、收束系统；22、法拉第旋光器；23、快速反射镜；24、第一分光镜；25、第一偏振片；26、第一汇聚透镜；27、捕获探测器；28、第二分光镜；29、第二偏振片；2a、第二汇聚透镜；2b、精跟踪探测器；2c、耦合准直器；3、光纤移相器；4、光纤合束器；5、光纤分束器；6、相干解调单元；7、光功率探测单元；8、相位控制单元；9、激光发射单元；91、发射激光器；92、调制器；93、光纤放大器；。
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。
实施例1
如图1所示，一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，包括依次光连接的大偏转角光学相控阵天线1、中继光路2、光纤移相器3，与光纤移相器3的输出端依次连接的光纤合束器4、光纤分束器5，与光纤分束器5输出端分别连接的相干解调单元6、光功率探测单元7，与光功率探测单元7、光纤移相器3均连接的相位控制单元8和与光纤分束器5输出端连接的激光发射单元9，大偏转角光学相控阵天线1、中继光路2和光纤移相器3的数量均为至少两个，所有的光纤移相器3均与相位控制单元8相连；
大偏转角光学相控阵天线1接收信号光束后输出至中继光路2，中继光路2进行光束捕获的反馈、跟踪并耦合进光纤后输出至光纤移相器3，光纤移相器3和光纤合束器4将多路光纤的耦合光进行相干合成后输出至光纤分束器5，光纤分束器5将接收光信号部分输出至光功率探测单元7，光功率探测单元7对合成后的光功率进行实时监测并根据监测结果反馈到相位控制单元8，相位控制单元8控制光纤移相器3进行相位调整，光纤分束器5将接收光信号的另一部分输出至相干解调单元6进行相干探测和信息解调；
大偏转角光学相控阵天线1为基于级联液晶偏振光栅、体布拉格光栅和双折射棱镜的大角度偏转光学相控阵天线，大偏转角光学相控阵天线1中设置1/2波片控制器，每个大偏转角光学相控阵天线1可分时控制；
如图2所示，中继光路2包括依次设置在大偏转角光学相控阵天线1输出光路上的收束系统21、法拉第旋光器22、快速反射镜23，设置在快速反射镜23反射光路上的第一分光镜24，依次设置在第一分光镜24反射光路上的第一偏振片25、第一汇聚透镜26、捕获探测器27，设置在快速反射镜23反射光路上的第二分光镜28，依次设置在第二分光镜28反射光路上的第二偏振片29、第二汇聚透镜2a、精跟踪探测器2b和设置在快速反射镜23反射光路上的耦合准直器2c，第二分光镜28设置在第一分光镜24和耦合准直器2c之间，光纤移相器3设置在耦合准直器2c的输出光路上；
信号光进入收束系统21进行收束后输出，法拉第旋光器22将信号光偏振方向偏转45°后经快速反射镜23反射再进行分光：第一部分光透过第一偏振片25经第一汇聚透镜26汇聚到捕获探测器27，光学相控阵激光通信系统根据捕获探测器27的光斑成像位置对光学相控阵光束的偏振态进行实时控制以进行捕获和粗跟踪；第二部分光透过第二偏振片29经第二汇聚透镜2a汇聚到精跟踪探测器2b，光学相控阵激光通信系统根据精跟踪探测器2b的光斑成像位置对快速反射镜23进行实时控制以进行精跟踪；第三部分光通过耦合准直器2c耦合到单模光纤并输出至光纤移相器3；
一个大偏转角光学相控阵天线1接收的信号光为一个子孔径信号光，光学相控阵激光通信系统进行多个子孔径信号光的接收拼接后通过相位延迟进行系统的共相并控制每个大偏转角光学相控阵天线1的偏转时刻；
子孔径信号光的电矢量分别为：
Figure BDA0003799330590000101
Figure BDA0003799330590000102
……，
Figure BDA0003799330590000103
其中，Ai为第i个子孔径信号光的振幅，
Figure BDA0003799330590000104
为与第i个光纤移相器3的相位，
Figure BDA0003799330590000105
为第i个子孔径信号光的初始相位，n为子孔径信号光的总数，ω为信号光的频率，Δω为信号光的调制频率；
光纤合束器4输出的合束信号光电矢量Et为：
E(t)＝E1(t)+E2(t)+L+En(t)；
相位控制单元8根据光功率探测单元7测得的合束信号光电矢量Et调整光纤移相器3的相位以使大偏转角光学相控阵天线1的接收光束共相；
光纤移相器3为单臂直线型铌酸锂电光相位调制器或压电陶瓷环光纤相位调制器；
光纤合束器4为N×1单模光纤合束器，N的数量与大偏转角光学相控阵天线1的数量相同；
光纤分束器5为1分3结构形式、分光比为8:1:1；
光纤分束器5包括串联的两个1分2光纤分束器，每个光纤分束器的分光比均为9:1；
相干解调单元6根据发射端相干调制方式进行匹配，相干解调单元6相干调制信号解调机制为外差相干探测或零差相干探测；
光功率探测单元7为光纤式光功率计，光功率探测单元7的工作波长范围覆盖信号光的波长；
相位控制单元8使用的控制算法包括以下任意一种或多种：随机并行梯度算法、爬山法、多抖动法、单抖动法、遗传算法、进化算法和神经网络算法；
光学相控阵激光通信系统也可进行各孔径光学相控阵天线的共相发射，共相发射的过程为：激光发射单元9发射的信号光依次经光纤分束器5、光纤合束器4、光纤移相器3、中继光路2和大偏转角光学相控阵天线1逆向发射到对方激光通信终端；
如图3所示，激光发射单元9包括依次连接的发射激光器91、调制器92和光纤放大器93；
发射激光器91为光纤激光器或半导体激光器或固体激光器，发射激光器91为单频、单模激光光源；调制器92根据通信方式和信息对发射激光器91输出光进行调制后输出至光纤放大器93，光纤放大器93对激光功率进行放大。
实施例2
如图1所示，一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，包括大偏转角光学相控阵天线1、中继光路2、光纤移相器3、光纤合束器4、光纤分束器5、相干解调单元6、光功率探测单元7、相位控制单元8和激光发射单元9。
经过大偏转角光学相控阵天线1的光束，由中继光路2实现光束捕获的反馈、高精度跟踪以及高效率耦合至光纤，利用光纤移相器3和光纤合束器4将多路光纤的光进行相干合成，合成后的光通过光纤分束器5一分为二：小部分光经光纤传输到光功率探测单元7对合成后的光功率进行实时监测，并根据监测结果反馈到相位控制单元8，对光纤移相器3进行控制；大部分光经光纤传输到相干解调单元6进行相干探测与信息解调。
根据光路可逆原理，激光发射单元9发射的信号光，经光纤分束器5、光纤合束器4、光纤移相器3、中继光路2、大偏转角光学相控阵天线1逆向发射到通信目标。
本实施例中，光学相控阵天线由4个孔径天线组成。每个天线采用级联液晶偏振光栅，该级联液晶偏振光栅尺寸为40mm×40mm，共有12层液晶偏振光栅组成。每层液晶偏振光栅前增加一个1/2波片控制器控制入射光的偏振态，实现不同偏转方向的控制，可实现±45°范围内的光束偏转，适用波长范围为1550nm±2nm。
如图2所示，本实施例中，中继光路2中收束系统21的缩放倍率为3:1；法拉第旋光器22使入射线偏振光振动方向旋转45°；快速反射镜23为FSM-40，镜片直径为25mm、行程范围为±1.5°、闭环带宽为500Hz、分辨率1μrad；第一分光镜24和第二分光镜28的分光比均为1:9，10％反射、90％透射；第一偏振片25和第二偏振片29用于隔离发射光束，消光比＞1000:1；捕获探测器27为红外焦平面器件，工作波长为900nm～1700nm；精跟踪探测器2b为四象限探测器，工作波长为1200nm～1700nm；耦合准直器2c型号为F810FC-1550，NA＝0.24，f＝37mm。
经过大偏转角光学相控阵天线1的信号光，由收束系统21进行收束以适用于小尺寸、高带宽快速反射镜的使用要求。收束后的光经过法拉第旋光器22偏振方向偏转45°。然后经快速反射镜23反射后再进行两次分光：第一次分光分出小部分光透过第一偏振片25经第一汇聚透镜26汇聚到捕获探测器27，根据捕获探测器27光斑成像位置对光学相控阵光束的偏振态进行实时控制，实现系统捕获。第二次分光分出小部分透过第二偏振片29经第二汇聚透镜2a汇聚到精跟踪探测器2b，根据精跟踪探测器2b光斑成像位置对快速反射镜23进行实时控制，实现系统的精跟踪。其余大部分光通过耦合准直器2c耦合到单模光纤。
本实施例中，光纤移相器3为单臂直线型铌酸锂电光相位调制器。
本实施例中，光纤合束器4为4×1单模光纤合束器。
本实施例中，光纤分束器5由两个1分2光纤分束器串联组成，第一个光纤分束器为偏振分束器将发射光由接收光分离，第二个光纤分束器将接收光分为两部分，分光比为9:1，其中进入相干接收单元的光能量占绝大部分。
如图3所示，本实施例中，激光发射单元9包括发射激光器91、调制器92和光纤放大器93。发射激光器91为外腔半导体激光器，具有稳定性较好、转换效率高、体积小、空间环境适应性好的优点，激光器工作中心波长为1550.12nm、1550.92nm两点可设置；调制器92为IQ调制器，对激光器发出的光进行调制生成BPSK激光通信信号；光纤放大器93工作波长为1540nm～1560nm，输出功率200mW～2.5W连续可调，噪声系数优于6.5dB。
本实施例中，相干解调单元6将接收的信号光与本振光在光混器中进行相干混频，混频光信号入射在平衡探测器上，平衡探测器把光信号转化为电信号，电信号送入调制解调单元完成数据解调。
本实施例中，光功率探测单元7为GT322D型尾纤InGaAs光电探测器，光谱响应范围为900nm～1700nm，响应度≥90％@1550nm。
本实施例中，相位控制单元8所使用的控制算法为随机并行梯度算法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：包括依次光连接的大偏转角光学相控阵天线(1)、中继光路(2)、光纤移相器(3)，与所述光纤移相器(3)的输出端依次连接的光纤合束器(4)、光纤分束器(5)，与所述光纤分束器(5)输出端分别连接的相干解调单元(6)、光功率探测单元(7)和与所述光功率探测单元(7)、所述光纤移相器(3)均连接的相位控制单元(8)，所述大偏转角光学相控阵天线(1)、所述中继光路(2)和所述光纤移相器(3)的数量均为至少两个，所有的所述光纤移相器(3)均与所述相位控制单元(8)相连；
所述大偏转角光学相控阵天线(1)接收信号光束后输出至所述中继光路(2)，所述中继光路(2)进行光束捕获的反馈、跟踪并耦合进光纤后输出至所述光纤移相器(3)，所述光纤移相器(3)和所述光纤合束器(4)将多路光纤的耦合光进行相干合成后输出至所述光纤分束器(5)，所述光纤分束器(5)将接收光信号部分输出至所述光功率探测单元(7)，所述光功率探测单元(7)对合成后的光功率进行实时监测并根据监测结果反馈到所述相位控制单元(8)，所述相位控制单元(8)控制所述光纤移相器(3)进行相位调整，所述光纤分束器(5)将接收光信号的另一部分输出至所述相干解调单元(6)进行相干探测和信息解调。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：所述大偏转角光学相控阵天线(1)为基于级联液晶偏振光栅、体布拉格光栅和双折射棱镜的大角度偏转光学相控阵天线，所述大偏转角光学相控阵天线(1)中设置1/2波片控制器，每个所述大偏转角光学相控阵天线(1)可分时控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：所述中继光路(2)包括依次设置在所述大偏转角光学相控阵天线(1)输出光路上的收束系统(21)、法拉第旋光器(22)、快速反射镜(23)，设置在所述快速反射镜(23)反射光路上的第一分光镜(24)，依次设置在所述第一分光镜(24)反射光路上的第一偏振片(25)、第一汇聚透镜(26)、捕获探测器(27)，设置在所述快速反射镜(23)反射光路上的第二分光镜(28)，依次设置在所述第二分光镜(28)反射光路上的第二偏振片(29)、第二汇聚透镜(2a)、精跟踪探测器(2b)和设置在所述快速反射镜(23)反射光路上的耦合准直器(2c)，所述第二分光镜(28)设置在所述第一分光镜(24)和所述耦合准直器(2c)之间，所述光纤移相器(3)设置在所述耦合准直器(2c)的输出光路上；
信号光进入所述收束系统(21)进行收束后输出，所述法拉第旋光器(22)将信号光偏振方向偏转45°后经所述快速反射镜(23)反射再进行分光：第一部分光透过所述第一偏振片(25)经所述第一汇聚透镜(26)汇聚到所述捕获探测器(27)，光学相控阵激光通信系统根据所述捕获探测器(27)的光斑成像位置对光学相控阵光束的偏振态进行实时控制以进行捕获和粗跟踪；第二部分光透过所述第二偏振片(29)经所述第二汇聚透镜(2a)汇聚到所述精跟踪探测器(2b)，所述光学相控阵激光通信系统根据所述精跟踪探测器(2b)的光斑成像位置对所述快速反射镜(23)进行实时控制以进行精跟踪；第三部分光通过所述耦合准直器(2c)耦合到单模光纤并输出至所述光纤移相器(3)。
4.根据权利要求1所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：一个所述大偏转角光学相控阵天线(1)接收的信号光为一个子孔径信号光，光学相控阵激光通信系统进行多个子孔径信号光的接收拼接后通过相位延迟进行系统的共相并控制每个所述大偏转角光学相控阵天线(1)的偏转时刻；
所述子孔径信号光的电矢量分别为：
Figure FDA0003799330580000021
Figure FDA0003799330580000022
……，
Figure FDA0003799330580000023
其中，Ai为第i个子孔径信号光的振幅，
Figure FDA0003799330580000024
为与第i个所述光纤移相器(3)的相位，
Figure FDA0003799330580000025
为第i个子孔径信号光的初始相位，n为所述子孔径信号光的总数，ω为信号光的频率，Δω为信号光的调制频率；
所述光纤合束器(4)输出的合束信号光电矢量E(t)为：
E(t)＝E1(t)+E2(t)+L+En(t)；
所述相位控制单元(8)根据所述光功率探测单元(7)测得的所述合束信号光电矢量E(t)调整所述光纤移相器(3)的相位以使所述大偏转角光学相控阵天线(1)的接收光束共相。
5.根据权利要求1所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：所述光纤移相器(3)为单臂直线型铌酸锂电光相位调制器或压电陶瓷环光纤相位调制器；
所述光纤合束器(4)为N×1单模光纤合束器，N的数量与所述大偏转角光学相控阵天线(1)的数量相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：所述光纤分束器(5)为1分3结构形式、分光比为8:1:1。
7.根据权利要求1所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：所述光纤分束器(5)包括串联的两个1分2光纤分束器，每个所述光纤分束器的分光比均为9:1。
8.根据权利要求1所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：所述相干解调单元(6)根据发射端相干调制方式进行匹配，所述相干解调单元(6)相干调制信号解调机制为外差相干探测或零差相干探测；
所述光功率探测单元(7)为光纤式光功率计，所述光功率探测单元(7)的工作波长范围覆盖信号光的波长；
所述相位控制单元(8)使用的控制算法包括以下任意一种或多种：随机并行梯度算法、爬山法、多抖动法、单抖动法、遗传算法、进化算法和神经网络算法。
9.根据权利要求1所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：还包括与所述光纤分束器(5)输出端连接的激光发射单元(9)；
光学相控阵激光通信系统也可进行各孔径光学相控阵天线的共相发射，所述共相发射的过程为：所述激光发射单元(9)发射的信号光依次经所述光纤分束器(5)、所述光纤合束器(4)、所述光纤移相器(3)、所述中继光路(2)和所述大偏转角光学相控阵天线(1)逆向发射到对方激光通信终端。
10.根据权利要求9所述的一种基于多孔径相干合成的光学相控阵激光通信系统，其特征在于：所述激光发射单元(9)包括依次连接的发射激光器(91)、调制器(92)和光纤放大器(93)；
所述发射激光器(91)为光纤激光器或半导体激光器或固体激光器，所述发射激光器(91)为单频、单模激光光源；所述调制器(92)根据通信方式和信息对所述发射激光器(91)输出光进行调制后输出至所述光纤放大器(93)，所述光纤放大器(93)对激光功率进行放大。
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