CN213637752U - 一种空间激光通信的指向校准子系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空间激光通信的指向校准子系统，用于校正光通信终端激光光束的入射位置和入射角度，光通信终端包括通信激光源和通信激光扩束准直镜头，该指向校准子系统包括信标光源、信标光扩束准直镜头、第一分光棱镜、第一可调式反射镜、第二分光棱镜、角锥棱镜或反射镜、第一聚焦透镜、焦平面探测器、第二可调式反射镜、第三分光棱镜、第二聚焦透镜、位置敏感检测器、第三可调式反射镜；该指向校准子系统适用于相对静止的光通信终端，可以有效的降低光通信终端的的体积和质量，并降低对入射光束的对准难度。

Description

一种空间激光通信的指向校准子系统

技术领域

本实用新型涉及激光通信领域，尤其是一种空间激光通信的指向校准子系统。

背景技术

自上世纪60年代激光问世以来，其独特的单色性、指向性、抗干扰性就吸引了通信领域的极大关注，在某些独特应用场景，如卫星-卫星，卫星-地面、飞机-飞机、飞机-卫星及深山老林基站信号难以到达的空间，空间激光通信得到了蓬勃发展，同时它易于架设，相比较射频通信具有体积小、重量轻、功耗低，通信速率高，信息容量大，抗截获能力强、保密性好，抗干扰能力强、适应性好等等优点，是世界各国在外空间竞赛的有力武器。比如量子卫星—墨子号、SpaceX星链计划、天地一体化信息网络建设等。

空间激光通信是以激光作为载波，在空间传输语音、图像、数据的一种无线通信方式，具有十分广阔的应用前景。系统主要由光端机和电控装置组成，光端机一般由通信发射接收分系统、捕获对准跟踪(ATP)分系统、光学机械分系统组成。其中捕获对准跟踪分系统是激光链路保持稳定的关键因素。其一般组成包括采用粗瞄准机构实现对目标的大范围、低带宽的瞄准的粗跟踪伺服单元、采用精瞄准装置实现对通信光束的小范围、高精度控制的精跟踪伺服单元。在典型的光通信终端中，一般采用X、Y方位轴和俯仰轴的复合轴方法对光终端方位、角度进行粗略控制，而采用压电陶瓷驱动的反射镜实现对反射光束的方向进行精瞄控制。

为满足光通信技术对捕获系统的高精度要求，光通信终端普遍采用了粗、精结合的复合轴控制系统，此种复合轴控制系统中，制约着终端体积和质量的一般是粗跟踪分系统，其使用的机械结构一般都比较笨重，体积大，其受振动、制造精度、装配精度，温度冲击等影响很大，为了消除或减小各种因素的影响，研究者提出了各种振动补偿技术(前馈振动补偿、自适应振动补偿、主动振动补偿、被动振动补偿等)，缺点为结构复杂，功率大，影响因素增多，系统管理麻烦。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型目的是提供一种空间激光通信的指向校准子系统，该指向校准子系统适用于相对静止的光通信终端，可以有效的降低光通信终端的的体积和质量，并降低对入射光束的对准难度。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案：一种空间激光通信的指向校准子系统，用于校正光通信终端激光光束的入射位置和入射角度，所述光通信终端包括通信激光源和通信激光扩束准直镜头，该指向校准子系统包括信标光源、信标光扩束准直镜头、第一分光棱镜、第一可调式反射镜、第二分光棱镜、角锥棱镜或反射镜、第一聚焦透镜、焦平面探测器、第二可调式反射镜、第三分光棱镜、第二聚焦透镜、位置敏感检测器、第三可调式反射镜；

第一可调式反射镜设置在通信激光扩束准直镜头的出射光路上，第一分光棱镜设置在第一可调式反射镜与通信激光扩束准直镜头之间，信标光源和信标光扩束准直镜头设置在第一分光棱镜的一侧，角锥棱镜或反射镜设置在第一可调式反射镜的反射光路上，第二分光棱镜设置在角锥棱镜或反射镜与第一可调式反射镜之间，第一聚焦透镜和焦平面探测器设置在第二分光棱镜的一侧，第二可调式反射镜设置在与第一聚焦透镜和焦平面探测器相对的第二分光棱镜的另一侧，第三可调式反射镜设置在第二可调式反射镜的反射光路上，第三分光棱镜设置在第三可调式反射镜与第二可调式反射镜之间，第二聚焦透镜和位置敏感检测器设置在第三分光棱镜的一侧。

进一步的，所述第一可调式反射镜、第二可调式反射镜、第三可调式反射镜采用快速控制反射镜。

进一步的，所述快速控制反射镜包括反射镜面、压电陶瓷、镜座、音圈电机和支撑座，音圈电机安装在镜座底部四周，镜座底部中心与支撑座顶部转动连接，通过音圈电机可带动镜座旋转，压电陶瓷设置在镜座顶部，反射镜面设置在压电陶瓷上，通过压电陶瓷可对反射镜面倾斜角度进行微小的调节。

进一步的，所述第一分光棱镜、第二分光棱镜和第三分光棱镜均采用由两个直角三棱镜粘合而成的非偏振分束立方体，在非偏振分束立方体的外表面镀有增透膜，在两个直角三棱镜粘合面镀有分光膜。

进一步的，所述第二分光棱镜是反射率大于透射率的分光棱镜。

进一步的，所述第一分光棱镜和第三分光棱镜是透射率大于反射率的分光棱镜。

进一步的，所述信标光源采用激光二极管、垂直腔面发射激光器或连续光纤激光器。

进一步的，所述通信激光源采用可见激光光源或近红外激光光源。

进一步的，所述信标光源(3)的光轴垂直于通信激光源(1)的光轴。

进一步的，所述焦平面探测器(10)的成像平面和位置敏感检测器(14)的受光面垂直于通信激光源(1)的光轴。

有益效果：

(1)该指向校准子系统引用的可调式反射镜，有效地降低了系统的体积和质量；

(2)利用两个可调式反射镜的控制来校正入射光束的位移和入射角度，从而可以降低对方终端的对准难度，少许的对准误差完全可以通过两个反射镜的指向稳定系统得到控制；

(3)在终端内部引入了指向反馈，通过改变入射光束的微调整，来降低空间光束的振动影响或温度冲击影响。同时此处的反馈可以与入射光束的光斑进行差分计算，可以通过迭代计算来缩小出射光束与入射光束的同轴问题。

附图说明

图1为本实用新型的指向校准子系统的结构示意图；

图2为快速控制反射镜的结构示意图；

图3为快速控制反射镜的音圈电机布置示意图；

图4为基于两个快速控制反射镜的光束指向校正示意图；

图5为焦平面探测器上的光斑示意图；

图6为位置敏感传感器上的光斑示意图；

图中：1、通信激光源；2、通信激光扩束准直镜头；3、信标光源；4、信标光扩束准直镜头；5、第一分光棱镜；6、第一可调式反射镜；7、第二分光棱镜；8、角锥棱镜或反射镜；9、第一聚焦透镜；10、焦平面探测器；11、第二可调式反射镜；12、第三分光棱镜；13、第二聚焦透镜；14、位置敏感传感器；15、第三可调式反射镜；16、支撑座；17、反射镜面；18、压电陶瓷；19、镜座；20、音圈电机。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做更进一步的解释。

如图1所示，本实用新型的一种空间激光通信的指向校准子系统，用于校正光通信终端入射光束的入射位置和入射角度，光通信终端包括通信激光扩束准直镜头2。该指向校准子系统包括信标光源3、信标光扩束准直镜头4、第一分光棱镜5、第一可调式反射镜6、第二分光棱镜7、角锥棱镜或反射镜8、第一聚焦透镜9、焦平面探测器10、第二可调式反射镜11、第三分光棱镜12、第二聚焦透镜13、位置敏感检测器14、第三可调式反射镜15。

第一可调式反射镜6设置在通信激光扩束准直镜头2的出射光路上，第一分光棱镜5设置在第一可调式反射镜6与通信激光扩束准直镜头2之间，信标光源3和信标光扩束准直镜头4设置在第一分光棱镜5的一侧，角锥棱镜或反射镜8设置在第一可调式反射镜6的反射光路上，第二分光棱镜7设置在角锥棱镜或反射镜8与第一可调式反射镜6之间，第一聚焦透镜9和焦平面探测器10设置在第二分光棱镜7的一侧，第二可调式反射镜11设置在与第一聚焦透镜9和焦平面探测器10相对的第二分光棱镜7的另一侧，第三可调式反射镜15设置在第二可调式反射镜11的反射光路上，第三分光棱镜12设置在第三可调式反射镜15与第二可调式反射镜11之间，第二聚焦透镜13和位置敏感检测器14设置在第三分光棱镜12的一侧。其中，信标光源3的光轴垂直于通信激光源1的光轴。焦平面探测器10的成像平面和位置敏感检测器14的受光面垂直于通信激光源1的光轴。

通信激光源1发出的信号光依次经通信激光扩束准直镜头2准直、第一分光棱镜5透射、第一可调式反射镜6反射、第二分光棱镜7反射、第二可调式反射镜11反射、第三分光棱镜12透射、第三可调式反射镜15反射后射出。

信标光源3发射的信标光依次经信标光扩束准直镜头4准直、第一分光棱镜5反射、第一可调式反射镜6反射后发射到第二分光棱镜7，利用第二分光棱镜7将信标光分成两部分，一部分信标光依次经第二分光棱镜7反射、第二可调式反射镜11反射、第三分光棱镜12反射后成像在位置敏感检测器14上，另一部分信标光依次经第二分光棱镜7透射、角锥棱镜或反射镜8反射、第二分光棱镜7反射、第一聚焦透镜9聚焦后成像在焦平面探测器10上。

将两个光通信终端配合使用，经另一个光通信终端发出的回传信标光经过第三可调式反射镜15反射后发射到第三分光棱镜12，利用第三分光棱镜12将回传信标光分成两部分，一部分光经第三分光棱镜12反射、第二聚焦透镜13聚焦后成像在位置传感器14上，另一部分回传信标光经第三分光棱镜12透射、第二可调式反射镜11反射、第二分光棱镜7透射、第一聚焦透镜9聚焦后成像在焦平面探测器10上。

第一可调式反射镜6、第二可调式反射镜11、第三可调式反射镜15采用快速控制反射镜。

如图2所示，快速控制反射镜包括反射镜面17、压电陶瓷18、镜座19、音圈电机20和支撑座16，音圈电机20安装在镜座19底部四周，镜座19底部中心与支撑座16顶部转动连接，通过音圈电机20可带动镜座19旋转，压电陶瓷18设置在镜座19顶部，反射镜面17设置在压电陶瓷18上，通过压电陶瓷18可对反射镜面17倾斜角度进行微小的调节。

本实施例中，如图3所示，一共有四个音圈电机20，沿圆周方向均匀布置在镜座19底部四周，这四个电机沿直径方向两两连接在一起，4个电机的对称运动导致镜座19可以进行两个正交方向(x/y轴)上的转动，有效驱动反射镜进行摆动。具备该音圈电机20驱动结构的镜座19，具有驱动力矩大，旋转角度大的优点，能适应大范围的扫描。安装在镜座19上部的反射镜面17能实现正负18度的扫描。当需要进行精密调整时，可以控制压电陶瓷18对其进行微小的调节。

该指向校准子系统适用于相对静止的光学终端，因为使用了压电陶瓷与音圈电机相结合的快速控制反射镜，其反射镜镜面尺寸无法与使用单独使用方位轴控制和俯仰轴控制的转向系统尺寸相比，因此对于光束的扫描范围和接收范围都有所限制。

本实施例中，第一分光棱镜5、第二分光棱镜7和第三分光棱镜12均采用由两个直角三棱镜粘合而成的非偏振分束立方体，在非偏振分束立方体的外表面镀有增透膜，在两个直角三棱镜粘合面镀有分光膜。

第二分光棱镜是反射率大于透射率的分光棱镜，第二分光棱镜7主要参数如下：增透膜在400～700nm波长范围内，透射率10％，反射率90％，光束入射角：45゜±6゜，具体采用的是Thorlabs的非偏振分光棱镜BS076。

第一分光棱镜(5)和第三分光棱镜(12)是透射率大于反射率的分光棱镜，第一分光棱镜5和第三分光棱镜12主要参数如下：增透膜在400～700nm波长范围内，透射率为90％，反射率为10％，具体采用的是Thorlabs的非偏振分光棱镜BS043。

信标光源(3)可采用激光二极管、垂直腔面发射激光器或连续光纤激光器，本实施例中具体采用的是Thorlabs的准直激光二级管CPS635R，其波长635nm，功率1.2mW，发散角0.6mrad。

通信激光源(1)可采用可见激光光源或近红外激光光源，本实施例中具体采用的是Thorlabs的带尾纤单模激光二极管LP520-SF15，其波长520nm，功率15mW。

采用该指向校准子系统的入射光束校准方法：

如图1所示，开启信标光源3，信标光源3发射的信标光依次经信标光扩束准直镜头4准直、第一分光棱镜5反射、第一快速控制反射镜6反射后发射到第二分光棱镜7，利用第二分光棱镜7将信标光分成两部分，85％以上的大部分信标光被反射，15％以下的小部分信标光被透射，被反射出去的分信标光依次经第二分光棱镜7反射、第二快速控制反射镜11反射、第三分光棱镜12透射，第三可调式反射镜15反射后发射出去，此光路可表述为第一光路，被透射出去的信标光依次经第二分光棱镜7透射、角锥棱镜或反射镜8反射、第二分光棱镜7反射、第一聚焦透镜9聚焦后透射到焦平面探测器10，此光路可表述为第二光路。

经另一终端发出的回传信标光经过第三可调式反射镜15反射，部分光经第三分光棱镜12反射，发射到透镜13，透射后聚焦在位置传感器14上，此光路可表述为第三光路，另一部分光经第三分光棱镜透射，第二可调式反射镜11反射，再经过第二分光棱镜7透射后，发射到聚焦透镜9聚焦成像在焦平面探测器10上，此光路可表述为第四光路。

通信激光源1发射的激光束依次经通信激光扩束准直镜头2准直、第一分光棱镜5透射、第一可调式反射镜6反射后发射到第二分光棱镜7，经第二分光棱镜7反射后发射到第二可调式反射镜11，在经过第三分光棱镜12透射后发射到第三可调式反射镜15后发射出去。此光路可表述为第五光路。

当光通信终端振动或温度变化等变化时，会引起第二光路的变化，造成探测器10上光斑的抖动，此时可以通过改变第一可调式反射镜6的转动角度，将光斑的位置调整到中心，因为第一光路和第五光路是同轴输出的，从而保证了光通信终端的出射光束(即信标光输出和通信激光光束)的方向和位移的稳定。此为光通信终端内稳定调整。

如图4所示，来自另一光通信终端的回传信标光正入射时，可以在位置敏感探测器14上形成光斑，如果光束有偏差光斑就会偏离中心，如图6所示，此时可以通过调整第三可调式反射镜15的角度来校正光路，此时第三可调式反射镜15的作用是校正入射光束的位置偏差(位移)，目的是将光束路径尽量保持在第二可调式反射镜11的中心处，经第三分光镜12透射的部分光经第二快速反射镜11反射，此时可以通过第二快速反射镜11来校正入射光束的角度偏差，目的是将光束路径正入射至透镜9，如图5所示，在焦平面探测器上形成光斑，只有正确校正后，光斑才能形成于探测器的正中心。

第四光路能够在焦平面探测器10上形成光斑，第一光路同样在焦平面探测器10上形成光斑，如图5所示，我们可以通过迭代计算，逐步减少两个光斑之间的距离，同时将两个光斑移至焦平面探测器10的中心。这样保证了第四光路和第二光路、第五光路的同轴及稳定。

通过以上多个步骤，逐步调整使得通信光束、信标光束、回传的信标光束三者同轴。这样通信链路才能稳定。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种空间激光通信的指向校准子系统，用于校正光通信终端激光光束的入射位置和入射角度，所述光通信终端包括通信激光源(1)和通信激光扩束准直镜头(2)，其特征在于：该指向校准子系统包括信标光源(3)、信标光扩束准直镜头(4)、第一分光棱镜(5)、第一可调式反射镜(6)、第二分光棱镜(7)、角锥棱镜或反射镜(8)、第一聚焦透镜(9)、焦平面探测器(10)、第二可调式反射镜(11)、第三分光棱镜(12)、第二聚焦透镜(13)、位置敏感检测器(14)、第三可调式反射镜(15)；

第一可调式反射镜(6)设置在通信激光扩束准直镜头(2)的出射光路上，第一分光棱镜(5)设置在第一可调式反射镜(6)与通信激光扩束准直镜头(2)之间，信标光源(3)和信标光扩束准直镜头(4)设置在第一分光棱镜(5)的一侧，角锥棱镜或反射镜(8)设置在第一可调式反射镜(6)的反射光路上，第二分光棱镜(7)设置在角锥棱镜或反射镜(8)与第一可调式反射镜(6)之间，第一聚焦透镜(9)和焦平面探测器(10)设置在第二分光棱镜(7)的一侧，第二可调式反射镜(11)设置在与第一聚焦透镜(9)和焦平面探测器(10)相对的第二分光棱镜(7)的另一侧，第三可调式反射镜(15)设置在第二可调式反射镜(11)的反射光路上，第三分光棱镜(12)设置在第三可调式反射镜(15)与第二可调式反射镜(11)之间，第二聚焦透镜(13)和位置敏感检测器(14)设置在第三分光棱镜(12)的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种空间激光通信的指向校准子系统，其特征在于：所述第一可调式反射镜(6)、第二可调式反射镜(11)、第三可调式反射镜(15)采用快速控制反射镜。

3.根据权利要求2所述的一种空间激光通信的指向校准子系统，其特征在于：所述快速控制反射镜包括反射镜面(17)、压电陶瓷(18)、镜座(19)、音圈电机(20)和支撑座(16)，音圈电机(20)安装在镜座(19)底部四周，镜座(19)底部中心与支撑座(16)顶部转动连接，通过音圈电机(20)可带动镜座(19)旋转，压电陶瓷(18)设置在镜座(19)顶部，反射镜面(17)设置在压电陶瓷(18)上，通过压电陶瓷(18)可对反射镜面(17)倾斜角度进行微小的调节。

4.根据权利要求1所述的一种空间激光通信的指向校准子系统，其特征在于：所述第一分光棱镜(5)、第二分光棱镜(7)和第三分光棱镜(12)均采用由两个直角三棱镜粘合而成的非偏振分束立方体，在非偏振分束立方体的外表面镀有增透膜，在两个直角三棱镜粘合面镀有分光膜。

5.根据权利要求4所述的一种空间激光通信的指向校准子系统，其特征在于：所述第二分光棱镜(7)是反射率大于透射率的分光棱镜。

6.根据权利要求5所述的一种空间激光通信的指向校准子系统，其特征在于：所述第一分光棱镜(5)和第三分光棱镜(12)是透射率大于反射率的分光棱镜。

7.根据权利要求6所述的一种空间激光通信的指向校准子系统，其特征在于：所述信标光源(3)采用激光二极管、垂直腔面发射激光器或连续光纤激光器。

8.根据权利要求6所述的一种空间激光通信的指向校准子系统，其特征在于：所述通信激光源(1)采用可见激光光源或近红外激光光源。

9.根据权利要求1所述的一种空间激光通信的指向校准子系统，其特征在于：所述信标光源(3)的光轴垂直于通信激光源(1)的光轴。

10.根据权利要求9所述的一种空间激光通信的指向校准子系统，其特征在于：所述焦平面探测器(10)的成像平面和位置敏感检测器(14)的受光面垂直于通信激光源(1)的光轴。

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