CN1710444A - 一种具有布拉格声光调制器的激光接收及回波装置 - Google Patents

Abstract

一种具有布拉格声光调制器的激光接收及回波装置，由3个平行放置且中心线重合的凸透镜、一个分光板、一个平面反射镜和一个布拉格声光调制器组成，询问光经透镜1接收后经透镜2变成窄光束，然后通过分光板将其分为透射光和反射光，透射光就是接收信号；反射光经平面反射镜反射后形成回波光束并经布拉格声光调制器后沿询问光的方向平行地返回。装置中还可以加入光阑和滤光片，对询问光束进行空间和频率上的滤波，以减小杂散光和背景辐射产生的噪声，从而提高应答方的探测信噪比。这种激光接收及回波装置具有光能量损耗小、结构简单、体积小等特点；同时它能够提高信噪比，增大通信和识别距离；另外，这种激光接收及回波装置由于采用了布拉格声光调制器，从而具有更好的调制效果。

Description

一种具有布拉格声光调制器的激光接收及回波装置

技术领域

本发明属于应用光学技术领域，它特别涉及一种激光通信或目标识别中激光接收及回波装置。

背景技术

激光通信是利用激光束作为载体进行通信的一种通信方式。基本的激光通信系统由发射机(询问方)、接收机(应答方)和空间大气信道组成。激光目标识别实质上是在特定条件下的一种激光通信，基本的激光目标识别系统也由发射机(询问方)、接收机(应答方)和空间大气信道组成。激光通信或激光目标识别中，询问方发出的询问光束经应答方接收天线(一般为光学透镜组成的接收装置)接收后，需将询问光束一分为二，一部分被应答方的光电信号转换和信息处理部分的探测器接收，并经应答方光电信号转换和信息处理部分的信号放大及处理电路解调出询问方的信息；另一部分将被应答方的回波装置沿原路返回作为回波光束，回波光束被调制后，“携带”上应答方的信息，射向询问方的接收透镜，经询问方的探测器和信号放大处理电路后，解调出应答方的信息，从而完成激光通信和激光目标识别任务。

激光通信系统或激光目标识别系统根据其应答方式的不同，分为有源应答系统和无源应答系统两种方式。有源应答是指应答方具有自己的激光光源，利用自己的激光光源发出的光作为回波光束，回波光束经调制器调制后，“携带”应答方的信息返回询问方的接收系统，从而完成激光通信和激光目标识别任务。因为有源应答需要知道询问方的位置，就必须对询问方进行目标跟踪和瞄准，而目标的跟踪和瞄准技术难度大，实现起来困难，所以有源应答技术难度大，结构复杂，系统稳定性差，通常用得较少。无源应答是指应答方没有自己的激光光源，它不是依靠激光器作光源向询问方发射回波光束，而是用基于光学方法的回波装置将询问方的光束沿原路返回，并在原路返回的回波光束上加载应答方信息，从而完成激光通信和激光目标识别任务。无源应答不需要对询问方进行目标跟踪和瞄准，而是直接利用沿原路返回的回波光束就可确定询问方的位置，原询问光束经过回波装置就可得到沿原路返回的回波光束；同时无源应答不需要用激光器作光源，使接收机的结构简单，体积小，成本低，可靠性高。在激光通信和激光目标识别中，都需要性能优良的应答机，而无源应答接收机在一定的条件下比有源应答接收机有更大的优势，所以，无源应答接收机将广泛用于激光通信和激光目标识别技术中。而激光接收及回波装置是无源应答接收机的重要部分之一，所以激光接收及回波装置的设计有重要意义。

激光接收及回波装置的两个重要问题为回波方向和回波光束的功率。在激光通信和激光目标识别技术中，要完成通信或目标识别任务，应答方(被询问方)返回的回波光束在到达询问方时必须能够被询问方的光学接收系统所接收，否则，将不能完成通信或目标识别任务。这就要求应答方的回波装置将询问光束返回时，必须沿原询问光方向而不能偏离，同时要保证回波光束的中心与询问光束的中心间的距离等于询问方的发射透镜中心与接收透镜中心之间的距离。另一个重要问题是回波光束的功率问题。即使回波光束能够被询问方的接收透镜接收，但如果回波光束的功率太低，加上长距离传输的大气损耗和背景辐射的影响，回波信号到达询问方探测器上的信噪比将会很小，这样询问方将无法完成回波信号的探测，也就无法完成激光通信或激光目标识别。因此，除了要求询问方发射高功率的询问光束外，还要求系统的每个部分都尽最大可能减小光能量的损耗。

通常人们要得到与原方向平行返回的回波光束，就会想到用直角棱镜，的确用直角棱角可以得到严格平行的回波光束，但是在有些实际问题中它有一定的局限性。

近年来，许多人在激光通信和激光目标识别方面进行了有益的探索。如长春理工大学的尹福昌教授所研制的一种激光接收及回波装置，如图1所示，它由5个透镜、1个直角棱镜和光调制器组成，其中，一部分询问光经透镜1、透镜2、透镜3组成的整个装置的接收部分后输入接收机的光电信号转换和信息处理部分，另一部分询问光经透镜4、透镜5和直角棱镜组成的回波装置后形成回波光束并经光调制器调制后沿原路返回(见文献  尹福昌，张锦风，“激光敌我识别”光子学报，1995.Vol.24，No.3.)。

该激光接收及回波装置前方需用两个透镜作接收天线来接收询问方发射的光束，一部分最终射向应答方光电信号转换与处理部分的光电探测器，另一部分被接收后经直角棱镜产生回波光束。这种方案的不足之处是光能量损耗较大，系统结构较复杂。因为在这个系统中共需要5个凸透镜和一个直角棱镜，从能量损失的角度来看，由于发射的询问光束是一个整体光束，所以在两个接收透镜的缝隙必然有一部分光不能被接收不到而损失掉；同时5个透镜和直角棱镜对光能量也有损耗。因为询问方所发出的询问光束的功率本身就不很高，要使回波光束有足够高的功率而能被询问方的探测器接收到，并有较高的信噪比，就必须对应答机的激光接收及回波装置进行重新设计和改进。

电子科技大学2005年5月23日申请的申请号为200510020924.9的专利申请中用相互垂直的分光板和高反射率的平面镜作回波装置来得到回波光束，回波光束与原询问光束平行，用拉曼奈斯声光调治器对回波光束进行调制。这种方案减小了光能量的损耗，简化了系统结构。但这种方案不能用于布拉格声光调制，因为在这个方案中若用布拉格声光调制器对回波光束进行调制，则从调制器出射的回波信号光束与原询问光束不平行。而布拉格声光调制器有许多优点，如布拉格声光调制使介质内各级衍射光相互干涉，各高级次衍射光相互抵消，只出现0级和+1级(或-1级)(视入射光的方向而定)衍射光，可使入射光能量几乎全部转移到+1级(或-1级)衍射极值上，用布拉格声光调制器对回波光束进行调制可以充分利用光束能量，得到更高的衍射效率，从而使询问方的探测器得到更高的信噪比。而拉曼奈斯衍射的级次多，光束能量分散，衍射效率低。因此，要想在激光通信和激光目标识别中得到高的调制效率，就必须用布拉格声光调制器，而要想用布拉格声光调制器就必须对回波装置部分进行重新设计和改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于布拉格声光调制的激光接收及回波装置，它具有使回波信号光束沿原路返回、光能量损失小、结构简单等特点。

本发明述的一种具有布拉格声光调制器的激光接收及回波装置，由3个凸透镜、一个分光板、一个平面反射镜和一个布拉格声光调制器组成。三个凸透镜相互平行放置，其中心线重合在一起，且透镜2位于透镜1和透镜3之间；分光板位于透镜2和透镜3之间，其所在平面与透镜中心线夹角为任意锐角；平面反射镜置于分光板旁边，其所在平面与分光板所在平面之间的夹角为布拉格声光调制器的布拉格角，布拉格声光调制器与询问光束方向的夹角也为布拉格角的余角，这样使得回波光束经布拉格声光调制器调制后能够沿询问光束的方向平行地返回。

本发明是一种适用于布拉格声光调制的激光回波装置，它的实质是在电子科技大学2005年5月23日申请的申请号为200510020924.9的专利申请中所述技术方案基础上，使分光板与询问光束方向的夹角为任意锐角，将分光板和高反射率平面镜间的夹角设计为布拉格角的余角，使布拉格声光调制器与询问光束方向的夹角也为布拉格角的余角。这样就能保证回波光束以布拉格角入射布拉格声光调制器，同时还能保证从布拉格声光调制器出射的“携带”着应答方信息的回波信号光束沿与原询问光束平行的方向返回询问方接收系统。这种方案的结构及工作原理如图4所示。

本发明的工作原理是：用一个口径比较大的凸透镜1做接收天线，透镜1和透镜2组成望远镜系统，将宽光束变为窄光束，该窄光束经分光板分为透射光和反射光，其中透射光射向接收机光电信号转换及信息处理部分的光电探测器，反射光经平面反射镜反射形成回波光束并经布拉格声光调制器调制后沿询问光方向平行地返回。

在透镜3和探测器之间，可以加入光阑和滤光片进行空间和频率上的滤波，以减小杂散光和背景辐射产生的噪声，从而提高应答方的探测信噪比。

分光板的反射率和透射率可以根据实际通信或识别的距离以及询问方发出的询问光束的功率而定。分光板的透过率和反射率可通过在玻璃基片上镀多层高反射膜来实现。

平面反射镜与分光板之间的夹角为布拉格声光调制器的布拉格角，目的是为了保证回波光束与原询问光束平行返回询问方。

如图3所示，带箭头的线表示光束方向，实线表示各部件如分光板、高反射率的平面镜和布拉格声光调制器的方向，虚线表示各部件方向的法线方向。询问光束沿水平方向，要使询问光束被分光板反射后向下垂直射去，则要求分光板与询问光束间的夹角为任意锐角。各角度如图中所示。

由图中的几何关系得：

                θ＝π-2α-β                (1)

在三角形BCD中 $\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_B+\mathrm{\θ}+\mathrm{\γ}=\mathrm{\π}$ (2)

由(1)式和(2)式得： $\mathrm{\γ}-\mathrm{\β}=2\mathrm{\α}+{\mathrm{\θ}}_B-\frac{\mathrm{\π}}{2}$ (3)

又因为 $\mathrm{\γ}+\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_B$ (4)

由(3)式和(4)式得： $\mathrm{\γ}=\mathrm{\α},\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α}-{\mathrm{\θ}}_B$ (5)

所以有 $\mathrm{\α}+\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_B$ (6)

即分光板与高反射率平面镜方向的夹角为

声光调制器与水平方向的夹角也为其中θ_B为声光调制器的布拉格角。这样就能保证回波信号光束沿原水平方向返回。

平面镜的反射率越高越好，这里希望最好能达到100％。所以，平面反射镜最好采用高反射率的平面反射镜，高反射率的平面反射镜的高反射率也可通过在玻璃基片上镀多层高反射膜来实现。

下面对技术背景中采用直角棱镜的技术方案和本发明所述技术方案的探测器上接收到的光功率和回波光束功率进行比较。

1)技术背景中所述技术方案(采用直角棱镜的方案)

设入射的询问光束功率为P₀，两个透镜缝隙对询问光的损耗率为S，透镜的透过率为η₁，直角棱镜的透过率为η₂，两个透镜接收的光功率比为

则应答方(被询问方)探测器上接收到的光功率为：

$P_1=(1-S)P_0\frac{m}{m+n}{\mathrm{\η}}_1^3$ (1)

到达应答方调制器上的回波光束功率为：

$P_2=(1-S)P_0\frac{n}{m+n}{\mathrm{\η}}_1^2{\mathrm{\η}}_2$ (2)

2)本发明所述技术方案

同样设入射的询问光束功率为P₀，透镜的透过率为η₁，高反射平面镜的反射率为100％，分光板对光的透射率和反射率之比为 则应答方(被询问方)探测器上接收到的光功率为：

$P_1^{,}{=P}_0{\mathrm{\η}}_1^3\frac{m}{m+n}$ (3)

到达应答方调制器上的回波光束功率为：

$P_2^{,}{=P}_0{\mathrm{\η}}_1^2\frac{n}{m+n}$ (4)

以上两种方案在应答方探测器上的光功率比为：

$\frac{P_1^{,}}{P_1}=\frac{P_0{\mathrm{\η}}_1^3\frac{m}{m+n}}{(1-S)P_0\frac{m}{m+n}{\mathrm{\η}}_1^3}=\frac{1}{1-S}$ (5)

透镜的透过率一般可达到99％以上，前一种方案的两个透镜能够间的损耗率估计可达10％，所以两种方案在应答方探测器上的光功率比为：

$\frac{P_1^{,}}{P_1}=\frac{1}{(1-S)}=\frac{1}{1-0.1}=1.1>1$ (6)

同样，两种方案的回波光束到达应答方调制器上的功率比为：

$\frac{P_2^{,}}{P_2}=\frac{P_0{\mathrm{\η}}_1^2\frac{n}{m+n}}{(1-S)P_0\frac{n}{m+n}{\mathrm{\η}}_1^2{\mathrm{\η}}_2}=\frac{1}{(1-S){\mathrm{\η}}_2}$ (7)

直角棱镜对光的透过率为95％，前一种方案的两个透镜间的损耗率估计可达10％，则两种方案的回波光束到达应答方调制器上的功率比为：

$\frac{P_2^{,}}{P_2}=\frac{1}{(1-S){\mathrm{\η}}_2}=\frac{1}{(1-0.1)\×0.95}=1.13>1$ (8)

从以上两种方案的比较中可见：本发明所述技术方案无论在应答方的探测器上还是在应答方的调制器上都可以得到比采用直角棱镜的技术方案高的光功率，因此本方案的设计可以提高询问方和应答方的探测信噪比，同时在足够高的信噪比条件下，它还可以增大激光通信和激光目标识别的距离。

另外，和采用直角棱镜的现有技术相比，本发明所述技术方案减少了透镜数量和简化了光路，使其结构更加简单，整个装置体积可以更加小。

本发明所述技术方案与电子科技大学申请的专利“一种激光接收及回波装置”，(申请号：200510020924.9申请日期：2005.5.23，简称前一申请)相比，本发明所述技术方案除具有前一申请所有的技术特征和有益效果之外，还具有对回波光束利用布拉格声光调制器进行调制的技术特征，从而具有更好的调制效果，能更出色地完成激光通信和激光目标识别的任务。

附图说明

图1是现有用于激光通信或激光目标识别的激光接收及回波装置结构原理图，其中，1、2、3、4、5均为凸透镜，1和4的口径较大，2、3、5的口径较小，6为直角棱镜，7为声光调制器。

图2为电子科技大学申请的申请号为200510020924.9的专利申请所提出的激光接收及回波装置，其中，1、2、3为凸透镜，1的口径较大，2、3的口径较小，8为分光板，10为光阑，11为滤光片，9为平面反射镜，7为调制器。

图3为本发明中用于求分光板和平面反射镜间夹角以及布拉格声光调制器和询问光束间夹角的辅助示意图。

图4本发明所述的激光接收及回波装置结构原理图，其中，1、2、3均为凸透镜，1的口径较大，2、3的口径较小，8为分光板，10为光阑，11为滤光片，12为光电探测器，9为平面反射镜，7为布拉格声光调制器。

具体实施方式

整个激光接收及回波装置如图4所示，其组成和位置关系与发明内容技术方案部分相同，在此不再详述。

3个凸透镜的透过率均取99％以上，透镜2和透镜3的口径取1cm，分光板的反射率取95％，透射率取5％。透镜1的口径可根据询问方发射的询问光的峰值功率以及识别的距离而定，当询问方发出的询问光的峰值功率P＝15W，大气的能见度为15Km，损耗系数为α＝0.2，发射系统的光学透过率τ_t＝0.95，接收系统的光学透过率为τ_r＝0.98，通信和识别距离Z＝500m～1000m时，透镜1的口径可取d＝6cm，即透镜面积A_s＝(3×10^-2)²π，此时，当z＝1000m时，到达分光板上的光功率为：

$P_r=\frac{4P_t{\mathrm{\τ}}_t{A}_s{\mathrm{\η}}_r\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}{Z}^2{\mathrm{\θ}}_t^2}{e}^{-\mathrm{\αz}}$

$=\frac{4\×15\×0.95\×(3\×{10}^{-2})\mathrm{\π}\×0.98\×e^{-0.2}}{\mathrm{\π}\×{1000}^2\×(1.5\×{10}^{-3})}$

           ＝18.3mW

则到达应答方探测器的光功率为：

       P_r1＝0.05×0.99P_r

          ＝0.91mW

到达应答方调制器上的光功率为：

       P_R2＝0.95×P_r

         ＝17.4mW

当通信和识别距离Z＝500m时，到达应答方分光板上的光功率为：

$P_r^{,}=\frac{4P_t{\mathrm{\τ}}_t{A}_s{\mathrm{\η}}_r\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}{Z}^2{\mathrm{\θ}}_t^2}{e}^{-\mathrm{\αz}}$

$=\frac{4\×15\×0.95\×(3\×{10}^{-2})\mathrm{\π}\×0.98\×e^{-0.2}}{\mathrm{\π}\×{500}^2\×(1.5\×{10}^{-3})}$

           ＝73.2mW

则到达应答方探测器上的光功率为：

$P_{r1}^{,}=0.05\×0.99\×P_r^{,}$

           ＝3.6mW

到达应答方调制器上的光功率为：

$P_{r2}^{,}=0.95\×P_{r2}$

           ＝69.5mW

从上面的计算可看出，在上面给出的条件下，当通信和识别距离在500m～1000m之间时，若透镜1的口径为6cm，则回波光功率和应答方探测器上的光功率都足够高，可以完成激光通信和激光目标识别任务。

在本系统的设计中，用波长λ＝0.9μm的光作信息的载体，调制器用布拉格声光调制器，用水做声光介质，水的折射率为n＝1.33，超声波频率f_s＝500MHz，超声波在水中的速度υ_s＝1.5×10³m/s，则布拉格角θ_B＝6.5°，询问光束沿水平方向，分光板与询问光束间的夹角为45°，因此高反射率的平面镜与分光板的夹角为83.5°，声光调制器与水平方向的夹角也为83.5°，同时在设计中使询问光束与回波信号光束之间的距离等于询问方发射透镜中心与接收透镜中心之间的距离，这样可以使回波信号光束能够射到询问方的接收系统上。

Claims (7)

1、一种具有布拉格声光调制器的激光接收及回波装置，由3个凸透镜、一个分光板(8)、一个平面反射镜(9)和一个布拉格声光调制器(7)组成，其特征是，三个凸透镜相互平行放置，其中心线重合在一起，且透镜(2)位于透镜(1)和透镜(3)之间；分光板位于透镜(2)和透镜(3)之间，其所在平面与透镜中心线呈任意锐角；平面反射镜(9)置于分光板(8)旁边，其所在平面与分光板所在平面之间的夹角为布拉格声光调制器的布拉格角，使得回波光束能够沿询问光束的方向平行地返回。

2、根据权利要求1所述的一种激光接收及回波装置，其特征是，所述3个凸透镜中，透镜(1)的口径大于透镜(2)和透镜(3)的口径。

3、根据权利要求1或2所述的一种激光接收及回波装置，其特征是，所述分光板(8)的反射率为95％，投射率为5％。

4、根据权利要求1或2所述的一种激光接收及回波装置，其特征是，所述平面反射镜为高反射率平面反射镜。

5、根据权利要求1所述的一种激光接收及回波装置，其特征是，在所述透镜(3)的后面可以加入光阑(10)和滤光片(11)，对询问光束进行空间和频率上的滤波，以减小杂散光和背景辐射产生的噪声，从而提高应答方的探测信噪比。

6、根据权利要求1所述的一种激光接收及回波装置，其特征是，所述布拉格声光调制器中，用水做声光介质，其布拉格角为6.5度。

7、根据权利要求1至6所述的一种激光接收及回波装置，其特征是，所述透镜(1)的口径为6厘米；所述透镜(2)和透镜(3)的口径为1厘米。

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