CN117650841A - 一种低剖面激光通信光学系统及激光通信对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面激光通信光学系统及激光通信对准方法，属于空间激光通信技术领域。本发明包括总控制器、电机控制器、接收液晶偏振光栅组、发射液晶偏振光栅组、接收支路与发射支路，所述接收支路包括伽利略式缩束系统、第一快速反射镜、第一二向色镜、跟踪光学系统、第二快速反射镜与通信接收系统；所述发射支路包括信标光发射模块、信号光发射模块、第二二向色镜、第三快速反射镜与第四快速反射镜。总控制器通过光斑质心偏离量解算液晶偏振光栅和第一～第四快速反射镜的偏移角度，完成激光通信的对准。本发明使用液晶偏振光栅组实现光束偏转，具有轻量化、大角度的优点，同时外露剖面低，在机载平台激光通信领域有广泛的应用前景。

Description

一种低剖面激光通信光学系统及激光通信对准方法

技术领域

本发明涉及空间激光通信技术领域，特别是指一种低剖面激光通信光学系统及激光通信对准方法。

背景技术

空间激光通信技术是以激光为传播载体，在空间进行信息传输的一种通信技术。因其具有高速、宽带、抗截获能力强的诸多优势，近年来在深空、星地、星间等链路通信应用中发展迅速。

机载激光通信技术是空间激光通信技术的研究热点，为满足飞机平台的隐身性能要求，实现各种姿态下的高速通信，机载通信终端需要朝着小型化、轻量化、共形化的趋势发展。然而目前成熟度较高的光束扫描机构如框架式、单反镜式系统存在尺寸较大，外露剖面高的问题，音圈反射镜式和MEMS反射镜式系统又无法满足大扫描角度的技术要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种低剖面激光通信光学系统及激光通信对准方法。该系统使用液晶偏振光栅组实现光束偏转，具有轻量化、大角度的优点，同时外露剖面低，在机载平台激光通信领域有广泛的应用前景。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下。

一种低剖面激光通信光学系统，包括总控制器、电机控制器、接收液晶偏振光栅组、发射液晶偏振光栅组、接收支路与发射支路，所述接收支路包括伽利略式缩束系统、第一快速反射镜、第一二向色镜、跟踪光学系统、第二快速反射镜与通信接收系统；所述发射支路包括信标光发射模块、信号光发射模块、第二二向色镜、第三快速反射镜与第四快速反射镜；

所述接收液晶偏振光栅组包括三个完全相同且同轴级联的接收液晶偏振光栅，发射液晶偏振光栅组包括三个完全相同且同轴级联的发射液晶偏振光栅；接收液晶偏振光栅与发射液晶偏振光栅均采用两束正交圆偏振光相干涉方法制作而成；电机控制组包括三个驱动电机，每个驱动电机分别连接一个接收液晶偏振光栅；每个接收液晶偏振光栅的另一端分别与一个发射液晶偏振光栅通过同步带相连，实现接收液晶偏振光栅与发射液晶偏振光栅的同角度旋转；

在发射支路中，总控制器控制信标光发射模块发出信标光，同时控制信号光发射模块发出信号光，信标光传至第二二向色镜后按原路径方向继续传播，信号光经第四快速反射镜反射至第二二向色镜后，第二二向色镜将信号光反射至与信标光相同的路径上，传至第二二向色镜的两路光线汇合为一路光线，经第三快速反射镜反射至发射液晶偏振光栅组，总控制器驱动电机控制器，控制发射液晶偏振光栅组的转动，使反射至发射液晶偏振光栅组发生衍射偏转后的光线向外部发射；

在接收支路中，远处天线发射的光线进入接收液晶偏振光栅组后发生衍射偏转，衍射偏转后的光线进入伽利略式缩束系统，缩束后的光线经第一快速反射镜反射至第一二向色镜，第一二向色镜将光线分为两路，第一路光线按原路径方向直接进入跟踪光学系统，第二路光线经第一二向色镜反射至第二快速反射镜，之后第二快速反射镜将第二路光线反射至通信接收系统；跟踪光学系统与通信接收系统输出的光线均送至总控制器进行跟踪与通信。

进一步地，所述所述伽利略式缩束系统包括一个具有正焦距的双凸透镜以及一个具有负焦距的双凹透镜，经过接收液晶偏振光栅组后发生衍射偏转的光线首先送入双凸透镜，之后由双凸透镜汇聚传至双凹透镜进行输出。

进一步地，所述跟踪光学系统包括第一滤光片、第一会聚镜与CMOS传感器；所述通信接收系统包括第二滤光片、第二会聚镜与APD探测器；

输入跟踪光学系统的光线顺次进入第一滤光片与第一会聚镜后输入CMOS传感器，由CMOS传感器进行输出；

输入通信接收系统的光线顺次进入第二滤光片与第二会聚镜后输入雪崩光电二极管探测器，由雪崩光电二极管探测器进行输出。

进一步地，所述信标光发射模块包括信标光激光器、第一准直镜、第一半波片与第一1/4波片；所述信号光发射模块包括信号光激光器、第二准直镜、第二半波片与第二1/4波片；

信标光激光器发射的信标光，顺次进入第一准直镜、第一半波片与第一1/4波片后传至第二二向色镜；

信号光激光器发射的信号光，顺次进入第二准直镜、第二半波片与第二1/4波片后传至第四快速反射镜。

进一步地，所述第一～第四快速反射镜，第一～第二二向色镜的初始工作角度均为：与x方向夹角呈45°，与y方向夹角呈0°；其中，x方向为液晶偏振光栅组的光栅线方向，y方向为垂直于液晶偏振光栅组的光栅线的方向。

一种激光通信对准方法，基于如上任意一项所述的一种低剖面激光通信光学系统实现，包括以下步骤：

步骤1、总控制器控制发射支路向外部发射光线；

步骤2、总控制器驱动电机控制器，控制液晶偏振光栅组的转动，从而引导发射支路向外部发射的光线在一定范围内遍历扫描，直至总控制器捕获到接收支路的光线；

步骤3、总控制器解算出跟踪光学系统的光斑质心偏离量，根据光斑质心偏离量计算三个接收液晶偏振光栅各自的偏移角度：

其中，Φ_x为完成接收支路光线捕获时，光斑质心在x方向上的偏离量，Φ_y为完成接收支路光线捕获时，光斑质心在y方向上的偏离量；δ₁、δ₂、δ₃分别为三个接收液晶光栅各自的波长栅距比；分别为三个接收液晶光栅各自的偏移角度；

根据三个接收液晶光栅各自的偏移角度之间的关系，选择旋转角度最小的一组数据，进一步计算各自对应的驱动电机驱动量；总控制器根据驱动电机驱动量控制接收液晶偏振光栅旋转至指定位置，并通过同步带使发射液晶偏振光栅旋转相同角度，实现粗跟踪；

步骤4、总控制器再次解算出跟踪光学系统的光斑质心偏离量，根据光斑质心偏离量解算出第一快速反射镜与第三快速反射镜的偏移角度：

其中，α为实现粗跟踪后，光斑质心在x方向上的偏离量，b为实现粗跟踪后，光斑质心在y方向上的偏离量，f为第一会聚镜的焦距；α_x为第一快速反射镜与第三快速反射镜在x方向上的偏移，α_y为第一快速反射镜与第三快速反射镜在y方向上的偏移角度；根据α_x以及α_y将第一快速反射镜与第三快速反射镜调整至正确位置，实现精跟踪；

步骤5、总控制器根据液晶偏振光栅组的旋转角度，解算出第二快速反射镜与第四快速反射镜所需的色散偏移角度：

其中，λ₁为信标光的波长，λ₂为信号光的波长，Λ为液晶偏振光栅的栅距，θ_x为第二快速反射镜与第四快速反射镜在x方向上的色散偏移角度，θ_y为第二快速反射镜与第四快速反射镜在y方向上的色散偏移角度，根据θ_x以及θ_y将第二快速反射镜与第四快速反射镜调整至正确位置，完成激光通信的对准。

由于采用了上述技术方案，本发明和现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明采用三片液晶偏振光栅组合构成光束偏转器件，单片液晶偏振光栅的衍射效率理想状态下可达100％。

2、本发明通过控制入射光偏振旋向和三片液晶偏振光栅各自的旋转角度，可以实现大范围的动态扫描。

3、本发明具有轻量化、大角度、高精度和低剖面的显著优点，在机载平台激光通信领域上具有较大的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中一种低剖面激光通信光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中的液晶偏振光栅组光束偏转原理。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述。

一种低剖面激光通信光学系统，如图1所示，包括总控制器、电机控制器、接收液晶偏振光栅组、发射液晶偏振光栅组、接收支路与发射支路，所述接收支路包括伽利略式缩束系统、第一快速反射镜、第一二向色镜、跟踪光学系统、第二快速反射镜与通信接收系统；所述发射支路包括信标光发射模块、信号光发射模块、第二二向色镜、第三快速反射镜与第四快速反射镜；

所述接收液晶偏振光栅组包括三个完全相同且同轴级联的接收液晶偏振光栅，发射液晶偏振光栅组包括三个完全相同且同轴级联的发射液晶偏振光栅；接收液晶偏振光栅与发射液晶偏振光栅均采用两束正交圆偏振光相干涉方法制作而成；电机控制组包括三个驱动电机，每个驱动电机分别连接一个接收液晶偏振光栅；每个接收液晶偏振光栅的另一端分别与一个发射液晶偏振光栅通过同步带相连，实现接收液晶偏振光栅与发射液晶偏振光栅的同角度旋转；

具体的，在本实施例中，接收液晶偏振光栅组的周期5μm，衍射后的光线最大偏转角度为35°口径为60mm；发射液晶偏振光栅组的周期5μm，衍射后的光线最大偏转角度为35°口径为30mm。

光线垂直入射进液晶偏振光栅组的反方向为z轴正向，三个液晶偏振光栅绕z轴正向的旋转角度分别为

在发射支路中，总控制器控制信标光发射模块发出1540nm激光，同时控制信号光发射模块发出1560nm激光，1540nm激光传至第二二向色镜后按原路径方向继续传播，1560nm激光经第四快速反射镜反射至第二二向色镜后，第二二向色镜将1560nm激光反射至与1540nm激光相同的路径上，传至第二二向色镜的两路光线汇合为一路光线，经第三快速反射镜反射至发射液晶偏振光栅组，总控制器驱动电机控制器，控制发射液晶偏振光栅组的转动，使反射至发射液晶偏振光栅组发生衍射偏转后的光线向外部发射；

在接收支路中，远处天线发射的光线进入接收液晶偏振光栅组后发生衍射偏转，衍射偏转后的光线进入伽利略式缩束系统，缩束后的光线经第一快速反射镜反射至第一二向色镜，第一二向色镜将光线分为两路，第一路光线按原路径方向直接进入跟踪光学系统，第二路光线经第一二向色镜反射至第二快速反射镜，之后第二快速反射镜将第二路光线反射至通信接收系统；跟踪光学系统与通信接收系统输出的光线均送至总控制器进行跟踪与通信；

具体的，如图2所示，远处天线发射的光线入射到液晶偏振光栅上产生衍射，衍射公式如下：

其中，η₀为光栅零级次衍射效率，η_±1为光栅正负一级次的衍射效率，s‘₃为归一化的斯托克斯常数，Δn为折射率变化系数，d为光栅厚度，λ为入射光线的波长。

进一步地，所述所述伽利略式缩束系统包括一个具有正焦距的双凸透镜以及一个具有负焦距的双凹透镜，经过接收液晶偏振光栅组后发生衍射偏转的光线首先送入双凸透镜，之后由双凸透镜汇聚传至双凹透镜进行输出。

进一步地，所述跟踪光学系统包括第一滤光片、第一会聚镜与CMOS传感器；所述通信接收系统包括第二滤光片、第二会聚镜与雪崩光电二极管探测器；

具体的，在本实施例中，第一会聚镜与第二会聚镜的焦距均为10mm，第一滤光片的中心波长为1560mm，第二滤光片的中心波长为1540mm；

输入跟踪光学系统的光线顺次进入第一滤光片与第一会聚镜后输入CMOS传感器，由CMOS传感器进行输出；

输入通信接收系统的光线顺次进入第二滤光片与第二会聚镜后输入雪崩光电二极管探测器，由雪崩光电二极管探测器进行输出。

进一步地，所述信标光发射模块包括1540nm波段光线激光器、第一准直镜、第一半波片与第一1/4波片；所述信号光发射模块包括1560nm波段光线激光器、第二准直镜、第二半波片与第二1/4波片；

信标光激光器发射的信标光，顺次进入第一准直镜、第一半波片与第一1/4波片后传至第二二向色镜；

信号光激光器发射的信号光，顺次进入第二准直镜、第二半波片与第二1/4波片后传至第四快速反射镜。

进一步地，所述第一～第四快速反射镜，第一～第二二向色镜的初始工作角度均为：与x方向夹角呈45°，与y方向夹角呈0°；其中，x方向为液晶偏振光栅组的光栅线方向，y方向为垂直于液晶偏振光栅组的光栅线的方向。

一种激光通信对准方法，基于如上任意一项所述的一种低剖面激光通信光学系统实现，包括以下步骤：

步骤1、总控制器控制发射支路向外部发射光线；

步骤2、总控制器驱动电机控制器，控制液晶偏振光栅组的转动，从而引导发射支路向外部发射的光线在一定范围内遍历扫描，直至总控制器捕获到接收支路的光线；

步骤3、总控制器解算出跟踪光学系统的光斑质心偏离量，根据光斑质心偏离量计算三个接收液晶偏振光栅各自的偏移角度：

其中，Φ_x为完成接收支路光线捕获时，光斑质心在x方向上的偏离量，Φ_y为完成接收支路光线捕获时，光斑质心在y方向上的偏离量；δ₁、δ₂、δ₃分别为三个接收液晶光栅各自的波长栅距比；分别为三个接收液晶光栅各自的偏移角度；

根据三个接收液晶光栅各自的偏移角度之间的关系，选择旋转角度最小的一组数据，进一步计算各自对应的驱动电机驱动量；总控制器根据驱动电机驱动量控制接收液晶偏振光栅旋转至指定位置，并通过同步带使发射液晶偏振光栅旋转相同角度，实现粗跟踪；

步骤4、总控制器再次解算出跟踪光学系统的光斑质心偏离量，根据光斑质心偏离量解算出第一快速反射镜与第三快速反射镜的偏移角度：

其中，α为实现粗跟踪后，光斑质心在x方向上的偏离量，b为实现粗跟踪后，光斑质心在y方向上的偏离量，f为第一会聚镜的焦距；α_x为第一快速反射镜与第三快速反射镜在x方向上的偏移，α_y为第一快速反射镜与第三快速反射镜在y方向上的偏移角度；根据α_x以及α_y将第一快速反射镜与第三快速反射镜调整至正确位置，实现精跟踪；

步骤5、总控制器根据液晶偏振光栅组的旋转角度，解算出第二快速反射镜与第四快速反射镜所需的色散偏移角度：

其中，λ₁为信标光的波长，λ₂为信号光的波长，Λ为液晶偏振光栅的栅距，θ_x为第二快速反射镜与第四快速反射镜在x方向上的色散偏移角度，θ_y为第二快速反射镜与第四快速反射镜在y方向上的色散偏移角度，根据θ_x以及θ_y将第二快速反射镜与第四快速反射镜调整至正确位置，完成激光通信的对准。

总之，本方法使用液晶偏振光栅组实现光束偏转，具有轻量化、大角度的优点，同时外露剖面低，在机载平台激光通信领域有广泛的应用前景。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不限制本发明，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低剖面激光通信光学系统，其特征在于，包括总控制器、电机控制器、接收液晶偏振光栅组、发射液晶偏振光栅组、接收支路与发射支路，所述接收支路包括伽利略式缩束系统、第一快速反射镜、第一二向色镜、跟踪光学系统、第二快速反射镜与通信接收系统；所述发射支路包括信标光发射模块、信号光发射模块、第二二向色镜、第三快速反射镜与第四快速反射镜；

所述接收液晶偏振光栅组包括三个完全相同且同轴级联的接收液晶偏振光栅，发射液晶偏振光栅组包括三个完全相同且同轴级联的发射液晶偏振光栅；接收液晶偏振光栅与发射液晶偏振光栅均采用两束正交圆偏振光相干涉方法制作而成；电机控制组包括三个驱动电机，每个驱动电机分别连接一个接收液晶偏振光栅；每个接收液晶偏振光栅的另一端分别与一个发射液晶偏振光栅通过同步带相连，实现接收液晶偏振光栅与发射液晶偏振光栅的同角度旋转；

在发射支路中，总控制器控制信标光发射模块发出信标光，同时控制信号光发射模块发出信号光，信标光传至第二二向色镜后按原路径方向继续传播，信号光经第四快速反射镜反射至第二二向色镜后，第二二向色镜将信号光反射至与信标光相同的路径上，传至第二二向色镜的两路光线汇合为一路光线，经第三快速反射镜反射至发射液晶偏振光栅组，总控制器驱动电机控制器，控制发射液晶偏振光栅组的转动，使反射至发射液晶偏振光栅组发生衍射偏转后的光线向外部发射；

在接收支路中，远处天线发射的光线进入接收液晶偏振光栅组后发生衍射偏转，衍射偏转后的光线进入伽利略式缩束系统，缩束后的光线经第一快速反射镜反射至第一二向色镜，第一二向色镜将光线分为两路，第一路光线按原路径方向直接进入跟踪光学系统，第二路光线经第一二向色镜反射至第二快速反射镜，之后第二快速反射镜将第二路光线反射至通信接收系统；跟踪光学系统与通信接收系统输出的光线均送至总控制器进行跟踪与通信。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面激光通信光学系统，其特征在于，所述所述伽利略式缩束系统包括一个具有正焦距的双凸透镜以及一个具有负焦距的双凹透镜，经过接收液晶偏振光栅组后发生衍射偏转的光线首先送入双凸透镜，之后由双凸透镜汇聚传至双凹透镜进行输出。

3.根据权利要求1所述的一种低剖面激光通信光学系统，其特征在于，所述跟踪光学系统包括第一滤光片、第一会聚镜与CMOS传感器；所述通信接收系统包括第二滤光片、第二会聚镜与雪崩光电二极管探测器；

输入跟踪光学系统的光线顺次进入第一滤光片与第一会聚镜后输入CMOS传感器，由CMOS传感器进行输出；

输入通信接收系统的光线顺次进入第二滤光片与第二会聚镜后输入雪崩光电二极管探测器，由雪崩光电二极管探测器进行输出。

4.根据权利要求1所述的一种低剖面激光通信光学系统，其特征在于，所述信标光发射模块包括信标光激光器、第一准直镜、第一半波片与第一1/4波片；所述信号光发射模块包括信号光激光器、第二准直镜、第二半波片与第二1/4波片；

信标光激光器发射的信标光，顺次进入第一准直镜、第一半波片与第一1/4波片后传至第二二向色镜；

信号光激光器发射的信号光，顺次进入第二准直镜、第二半波片与第二1/4波片后传至第四快速反射镜。

5.根据权利要求1所述的一种低剖面激光通信光学系统，其特征在于，所述第一～第四快速反射镜，第一～第二二向色镜的初始工作角度均为：与x方向夹角呈45°，与y方向夹角呈0°；其中，x方向为液晶偏振光栅组的光栅线方向，y方向为垂直于液晶偏振光栅组的光栅线的方向。

6.一种激光通信对准方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任意一项所述的一种低剖面激光通信光学系统实现，包括以下步骤：

步骤1、总控制器控制发射支路向外部发射光线；

步骤2、总控制器驱动电机控制器，控制液晶偏振光栅组的转动，从而引导发射支路向外部发射的光线在一定范围内遍历扫描，直至总控制器捕获到接收支路的光线；

步骤3、总控制器解算出跟踪光学系统的光斑质心偏离量，根据光斑质心偏离量计算三个接收液晶偏振光栅各自的偏移角度：

其中，Φ_x为完成接收支路光线捕获时，光斑质心在x方向上的偏离量，Φ_y为完成接收支路光线捕获时，光斑质心在y方向上的偏离量；δ₁、δ₂、δ₃分别为三个接收液晶光栅各自的波长栅距比；分别为三个接收液晶光栅各自的偏移角度；

根据三个接收液晶光栅各自的偏移角度之间的关系，选择旋转角度最小的一组数据，进一步计算各自对应的驱动电机驱动量；总控制器根据驱动电机驱动量控制接收液晶偏振光栅旋转至指定位置，并通过同步带使发射液晶偏振光栅旋转相同角度，实现粗跟踪；

步骤4、总控制器再次解算出跟踪光学系统的光斑质心偏离量，根据光斑质心偏离量解算出第一快速反射镜与第三快速反射镜的偏移角度：

其中，α为实现粗跟踪后，光斑质心在x方向上的偏离量，b为实现粗跟踪后，光斑质心在y方向上的偏离量，f为第一会聚镜的焦距；α_x为第一快速反射镜与第三快速反射镜在x方向上的偏移，α_y为第一快速反射镜与第三快速反射镜在y方向上的偏移角度；根据α_x以及α_y将第一快速反射镜与第三快速反射镜调整至正确位置，实现精跟踪；

步骤5、总控制器根据液晶偏振光栅组的旋转角度，解算出第二快速反射镜与第四快速反射镜所需的色散偏移角度：

其中，λ₁为信标光的波长，λ₂为信号光的波长，Λ为液晶偏振光栅的栅距，θ_x为第二快速反射镜与第四快速反射镜在x方向上的色散偏移角度，θ_y为第二快速反射镜与第四快速反射镜在y方向上的色散偏移角度，根据θ_x以及θ_y将第二快速反射镜与第四快速反射镜调整至正确位置，完成激光通信的对准。