CN216252757U - 一种基于信号光的单波段激光通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光通信领域，具体涉及一种基于信号光的单波段激光通信系统，单波段激光通信系统包括二维伺服转台以及安装在所述二维伺服转台上的信号光捕获与粗跟踪装置以及信号光精跟踪与收发装置，且所述信号光捕获与粗跟踪装置与所述二维伺服转台电连接。本实用新型一种基于信号光的单波段激光通信系统利用信号光完成了激光通信的捕获、对准、跟踪以及通信数据传输，在激光通信的全过程中均未使用除信号光之外的其他波段激光作为信标光来辅助建链，大大简化了激光通信终端的系统结构，降低了体积重量和功耗，可使激光通信终端在更多场景下进行更灵活的应用，有助于激光通信技术的推广，为只利用信号光进行ATP和数据传输提供硬件基础。

Description

一种基于信号光的单波段激光通信系统

技术领域

本实用新型涉及激光通信领域，具体涉及一种基于信号光的单波段激光通信系统。

背景技术

对于星地、星间、空地等空间激光通信系统，其通信终端主要依靠捕获、瞄准、跟踪(ATP)技术来建立通信链路。通常，激光通信ATP系统会使用信标光来扫描对方不确定区域，其较大的发散角可使捕获与跟踪过程变得相对容易，但是，信标光与信号光通常为两个不同波段的激光，通信终端要为信标光的发射和接收设计一套完整的含有光学收发天线、电子学控制、信号处理的分系统，这使得激光通信终端结构复杂、体积重量较大、功耗较高，复杂的结构会增加装调的难度，对光路的调校误差要求极高，尤其对于星地、星间等超远距离的激光通信应用场景，微小的装配误差将会被超比例放大，给ATP过程造成非常恶劣的影响，同时，对于卫星等航天器应用平台，可分配资源有限，对于载荷的体积、重量、功耗都有严格的限制，由激光通信信标光分系统带来的体积、重量、功耗问题，也会使激光通信载荷应用受限。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于信号光的单波段激光通信系统，以解决传统空间激光通信终端因使用信标光进行ATP和使用信号光进行数据传输而导致结构复杂、体积较大重量较大以及功耗较高的技术问题，为只利用信号光进行ATP和数据传输提供硬件基础。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于信号光的单波段激光通信系统，单波段激光通信系统包括二维伺服转台以及安装在所述二维伺服转台上的信号光捕获与粗跟踪装置以及信号光精跟踪与收发装置，且所述信号光捕获与粗跟踪装置与所述二维伺服转台电连接。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述信号光捕获与粗跟踪装置包括信号光捕获与粗跟踪探测器以及设置在所述信号光捕获与粗跟踪探测器的信号光接收端上的信号光捕获与粗跟踪镜头，所述信号光捕获与粗跟踪探测器的信号输出端与所述二维伺服转台电连接。

进一步，所述信号光捕获与粗跟踪镜头的接收视场大于或等于所述单波段激光通信系统的捕获不确定区域。

进一步，所述信号光精跟踪与收发装置包括信号光收发一体光学天线、快速反射镜、二向色分光镜、部分分光片、信号光精跟踪探测器、信号光发射激光器和信号光接收探测器；所述二向色分光镜的光路包括信号光接收透射光路和信号光发射反射光路，所述部分分光片的光路包括透射光路和反射光路；所述信号光收发一体光学天线、所述快速反射镜、所述二向色分光镜、所述部分分光片和所述信号光精跟踪探测器依次相对设置并在光路上依次连通，且所述部分分光片位于所述二向色分光镜的信号光接收透射光路上，所述信号光精跟踪探测器位于所述部分分光片的透射光路上；所述信号光发射激光器与所述二向色分光镜相对设置并在光路上连通，且所述信号光发射激光器位于所述二向色分光镜的信号光发射反射光路上；所述信号光接收探测器与所述部分分光片相对设置并在光路上连通，且所述信号光接收探测器位于所述部分分光片的反射光路上。

进一步，在所述部分分光片中，所述透射光路分得的信号光强度小于所述反射光路分得的信号光强度。

本实用新型的有益效果是：本实用新型一种基于信号光的单波段激光通信系统利用信号光完成了激光通信的捕获、对准、跟踪以及通信数据传输，在激光通信的全过程中均未使用除信号光之外的其他波段激光作为信标光来辅助建链，大大简化了激光通信终端的系统结构，降低了体积重量和功耗，可使激光通信终端在更多场景下进行更灵活的应用，有助于激光通信技术的推广，为只利用信号光进行ATP和数据传输提供硬件基础。

附图说明

图1为本实用新型一种基于信号光的单波段激光通信系统的结构示意图；

图2为粗跟踪阶段信号光斑在信号光捕获与粗跟踪探测器视场中的位置示意图；

图3为精跟踪阶段信号光斑在信号光捕获与粗跟踪探测器视场中的位置示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、二维伺服转台；2、信号光捕获与粗跟踪装置，21、信号光捕获与粗跟踪探测器，22、信号光捕获与粗跟踪镜头；3、信号光精跟踪与收发装置，31、信号光收发一体光学天线，32、快速反射镜，33、二向色分光镜，34、部分分光片，35、信号光精跟踪探测器，36、信号光发射激光器，37、信号光接收探测器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，一种基于信号光的单波段激光通信系统，单波段激光通信系统包括二维伺服转台1以及安装在所述二维伺服转台1上的信号光捕获与粗跟踪装置2以及信号光精跟踪与收发装置3，且所述信号光捕获与粗跟踪装置2与所述二维伺服转台1电连接。

在本具体实施例中：所述信号光捕获与粗跟踪装置2包括信号光捕获与粗跟踪探测器21以及设置在所述信号光捕获与粗跟踪探测器21的信号光接收端上的信号光捕获与粗跟踪镜头22，所述信号光捕获与粗跟踪探测器21的信号输出端与所述二维伺服转台1电连接。所述信号光捕获与粗跟踪镜头22的接收视场大于或等于所述单波段激光通信系统的捕获不确定区域。

具体的：

信号光捕获与粗跟踪镜头22接收信号光用于捕获与粗跟踪，要求在信号光波段有较高透过率，不低于99％是比较理想的情况。

信号光捕获与粗跟踪探测器21在信号光波长处有较高的响应度，当前激光通信的信号光波长多为C波段，在该波段处有较高响应度的InGaAs焦平面探测器可用在此处，但此处不限于使用InGaAs焦平面探测器，其他具有同样效果，或成像探测效果更优的探测器也可使用，比如碲镉汞探测器、T2SL超晶格探测器等。

二维伺服转台1主要完成单波段激光通信系统的初始指向与粗跟踪任务。信号光捕获与粗跟踪探测器21在信号光捕获与粗跟踪的过程中，将捕获的信号光进行方位解算，并将解算结果传输给二维伺服转台1，二维伺服转台1根据方位解算结果转动，使单波段激光通信系统指向入射光方位，进入粗跟踪阶段。

在本具体实施例中：所述信号光精跟踪与收发装置3包括信号光收发一体光学天线31、快速反射镜32、二向色分光镜33、部分分光片34、信号光精跟踪探测器35、信号光发射激光器36和信号光接收探测器37；所述二向色分光镜33的光路包括信号光接收透射光路和信号光发射反射光路，所述部分分光片34的光路包括透射光路和反射光路；所述信号光收发一体光学天线31、所述快速反射镜32、所述二向色分光镜33、所述部分分光片34和所述信号光精跟踪探测器35依次相对设置并在光路上依次连通，且所述部分分光片34位于所述二向色分光镜33的信号光接收透射光路上，所述信号光精跟踪探测器35位于所述部分分光片34的透射光路上；所述信号光发射激光器36与所述二向色分光镜33相对设置并在光路上连通，且所述信号光发射激光器36位于所述二向色分光镜33的信号光发射反射光路上；所述信号光接收探测器37与所述部分分光片34相对设置并在光路上连通，且所述信号光接收探测器37位于所述部分分光片34的反射光路上。在所述部分分光片34中，所述透射光路分得的信号光强度小于所述反射光路分得的信号光强度。

具体的：

信号光收发一体光学天线31用于信号光的接收及发射。

快速反射镜32用于精跟踪。

二向色分光镜33用于透射接收的信号光，反射发射的信号光。

部分分光片34将大部分信号光反射给信号光接收探测器37，将小部分信号光进行透射，给信号光精跟踪探测器35用于方位解算。例如，部分分光片34将90％的信号光反射给信号光接收探测器37，将10％的信号光进行透射给信号光精跟踪探测器35；本实用新型中的部分分光片34的反射率与透射率的比值可以根据实际需要合理设置，并不限于此处所举实例的9:1。

信号光精跟踪探测器35与快速反射镜32配合完成精跟踪任务。信号光精跟踪探测器35可使用四象限光电探测器，也可使用诸如位置传感器，或者与信号光捕获与粗跟踪探测器21同样类型的探测器，只要能满足精跟踪的精度和误差要求即可。

信号光发射激光器36用于发射经调制的载波激光(即信号光)。

信号光接收探测器37将信号光转变为电信号，用于系统后续的数据处理。

本实用新型的工作原理如下：

信号光捕获与粗跟踪探测器21和信号光捕获与粗跟踪镜头22组成信号光捕获与粗跟踪装置，信号光捕获与粗跟踪镜头22的接收视场大小不低于单波段激光通信系统的捕获不确定区域，在激光通信的初始阶段，通信双方在一开始即向对方发射信号光，在捕获不确定区域内进行扫描，一旦单波段激光通信系统被信号光覆盖，则信号光捕获与粗跟踪探测器21即可在第一时间探测到信号光斑，即完成了捕获。

图2和图3中，整个方框包围的区域代表信号光捕获与粗跟踪探测器21的视场；方框内的圆所包围的区域为B区域，也称为精跟踪区域；方框内除B区域之外的区域为A区域，也称为粗跟踪区域；圆形黑点代表信号光斑。

信号光捕获与粗跟踪探测器21在捕获到信号光时，信号光斑应位于信号光捕获与粗跟踪探测器21视场的A区域，如图2所示，当A区域出现信号光斑时，信号光捕获与粗跟踪探测器21立即进行入射信号光的方位解算，二维伺服转台1根据信号光捕获与粗跟踪探测器21的方位解算结果，驱动单波段激光通信系统指向入射光方位，进入精跟踪阶段。

在二维伺服转台1的驱动下，单波段激光通信系统会快速的指向信号光入射方向，此过程中，信号光斑位置会在信号光捕获与粗跟踪探测器21的视场中不断变化，变化趋势是逐渐接近图2所示的B区域，该区域称为精跟踪区。

如图3所示，当信号光斑进入信号光捕获与粗跟踪探测器21的精跟踪区后，单波段激光通信系统进入精跟踪模式，此时，信号光同时会被信号光精跟踪探测器35接收，由信号光精跟踪探测器35与快速反射镜32共同完成精跟踪动作，此时，二维伺服转台1停止运动，信号光捕获与粗跟踪探测器21进入监视状态。

当精跟踪状态稳定，跟踪误差达到了激光通信数据传输的要求，表明激光通信链路建立成功，开始进入数据传输阶段(通信双方通过信号光发射激光器36和信号光接收探测器37实现数据通信)，直至本次通信任务结束。

在通信过程中，如遇到外界干扰，通信链路被破坏，比如对准误差较大，信号光超出了信号光精跟踪探测器35的接收视场，此时，在信号光捕获与粗跟踪探测器21中，光斑偏离精跟踪区B，再次进入粗跟踪区A，则二维伺服转台1立即开始工作，重复粗跟踪动作，直至通信链路再次成功建立；如信号光直接丢失，信号光捕获与粗跟踪探测器21也无法探测到信号光斑，则单波段激光通信系统直接恢复到初始工作状态，重新进行捕获，直至链路再次成功建立。

需要说明的是，在初始捕获阶段，会存在一种情况，即通信双方在一开始就完成了精准指向，信号光斑直接出现在信号光捕获与粗跟踪探测器21的精跟踪区内，则系统可跨过粗跟踪阶段，直接切换到精跟踪状态，启动信号光精跟踪探测器35及快速反射镜32开始进入精跟踪模式，直至通信结束。

本实用新型充分的利用信号光完成了激光通信的捕获、对准、跟踪以及通信数据传输，在激光通信的全过程中均未使用除信号光之外的其他波段激光作为信标光来辅助建链，大大简化了激光通信终端的系统结构，降低了体积重量和功耗，可使激光通信终端在更多场景下进行更灵活的应用，有助于激光通信技术的推广，为只利用信号光进行ATP和数据传输提供硬件基础。

另外，还需要说明的是：在本实用新型中，探测器对信号光捕获后输出最原始的光电信号，方位解算通过探测器后端的信号处理模块来完成，本实用新型保护探测器及其前端部分；另外，二维伺服转台1根据方位解算结果驱动单波段激光通信系统指向入射光方位也是二维伺服转台1的固有功能，因此，本实用新型不涉及计算机程序的改进，本实用新型旨在保护各硬件以及各硬件之间的连接关系。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于信号光的单波段激光通信系统，其特征在于：单波段激光通信系统包括二维伺服转台(1)以及安装在所述二维伺服转台(1)上的信号光捕获与粗跟踪装置(2)以及信号光精跟踪与收发装置(3)，且所述信号光捕获与粗跟踪装置(2)与所述二维伺服转台(1)电连接。

2.根据权利要求1所述的基于信号光的单波段激光通信系统，其特征在于：所述信号光捕获与粗跟踪装置(2)包括信号光捕获与粗跟踪探测器(21)以及设置在所述信号光捕获与粗跟踪探测器(21)的信号光接收端上的信号光捕获与粗跟踪镜头(22)，所述信号光捕获与粗跟踪探测器(21)的信号输出端与所述二维伺服转台(1)电连接。

3.根据权利要求2所述的基于信号光的单波段激光通信系统，其特征在于：所述信号光捕获与粗跟踪镜头(22)的接收视场大于或等于所述单波段激光通信系统的捕获不确定区域。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于信号光的单波段激光通信系统，其特征在于：所述信号光精跟踪与收发装置(3)包括信号光收发一体光学天线(31)、快速反射镜(32)、二向色分光镜(33)、部分分光片(34)、信号光精跟踪探测器(35)、信号光发射激光器(36)和信号光接收探测器(37)；所述二向色分光镜(33)的光路包括信号光接收透射光路和信号光发射反射光路，所述部分分光片(34)的光路包括透射光路和反射光路；所述信号光收发一体光学天线(31)、所述快速反射镜(32)、所述二向色分光镜(33)、所述部分分光片(34)和所述信号光精跟踪探测器(35)依次相对设置并在光路上依次连通，且所述部分分光片(34)位于所述二向色分光镜(33)的信号光接收透射光路上，所述信号光精跟踪探测器(35)位于所述部分分光片(34)的透射光路上；所述信号光发射激光器(36)与所述二向色分光镜(33)相对设置并在光路上连通，且所述信号光发射激光器(36)位于所述二向色分光镜(33)的信号光发射反射光路上；所述信号光接收探测器(37)与所述部分分光片(34)相对设置并在光路上连通，且所述信号光接收探测器(37)位于所述部分分光片(34)的反射光路上。

5.根据权利要求4所述的基于信号光的单波段激光通信系统，其特征在于：在所述部分分光片(34)中，所述透射光路分得的信号光强度小于所述反射光路分得的信号光强度。

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