CN2626141Y - 扫频激光信标收发器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了扫频激光信标收发器，由激光信标发射器和信标接收器组成，信标接收器采用法拉第效应器件滤光，其特征在于，激光信标发射器采用扫频式半导体激光信标发射器，扫频式半导体激光信标发射器由恒温控制器、直流驱动器、扫频驱动器、单片机、半导体激光器、准直透镜、分束片、原子蒸汽泡、光电探测器、减法器、过零比较器组成；与现有技术相比本实用新型具有功耗低，输出效率高，容易实现大功率信标激光发射，频移补偿量可调，有多种原子可供选择，可降低原子滤光器对工作条件的要求，使其工作带宽更窄，接收效率达到90％，接收视场扩大3倍，容易实现信标信号的接收检测和提取，结构简单、调试方便，自动化程度高，运行可靠等优点。

Description

扫频激光信标收发器

技术领域：

本实用新型涉及激光信标，尤其涉及激光信标收发器。

背景技术：

激光信标是空间激光通信系统中的重要组成部分和前提条件，是通信双方建立沟通的桥梁，尤其是在卫星激光通信中，由于通信激光束的发散度很小，信标是卫星赖以寻找对方的重要标志。美国在90年代中后期发明的原子信标用于STRV-2卫星，该原子信标由信标发射激光器和信标接收器两部分组成，由于在信标接收器中的滤光器采用了法拉第效应器件，其接收带宽比普通滤光片窄2个数量级，因此实现了在低功率发射信标条件下的大视场接收，既大大减小了通信双方的搜索和捕获时间，又提高了搜索和捕获的成功率，但是正由于接收带宽很窄，所以两颗高速运动的卫星之间发生的激光多普勒频移，使得信标激光的频率落在原子滤光器的透射频带之外，从而使信标接收器不能接收到信标激光信号。目前采用的技术是：激光器的双频发射和原子滤光器的多峰透射接收，此方法技术上虽然简单，但利用的是两个发射激光频率对接收原子滤光器四个透射峰的配合性补偿，因此存在着不同多普勒频移下透射率改变的缺点，且个别多普勒频移点处还可能出现透射死点影响整体捕获性能。另外这种多普勒频移补偿技术的最大频移补偿量一般只有±10GHz左右，但低轨-低轨卫星激光通信的频移往往超过±10GHz，因此，现有信标系统的多普勒频移补偿技术不能满足许多卫星激光通信的多普勒频移补偿的要求。

发明内容：

本实用新型的目的是，提供扫频激光信标收发器，该收发器输出频率扫描的激光，且其频率中心以原子跃迁谱线为基准，扫描的频率范围根据卫星间的多普勒频移量调节；信标接收器中采用超窄带的原子法拉第效应器件进行滤光。本实用新型的信标激光频率具有很好的长期稳定性，实现了更大的多普勒频移量补偿，接收端的透射率提高到90％，并且没有频移死区。

为了实现上述目的，本实用新型的采用如下技术方案：

扫频激光信标收发器，由激光信标发射器和信标接收器组成，信标接收器采用法拉第效应器件滤光，激光信标发射器采用扫频式半导体激光信标发射器，扫频式半导体激光信标发射器由恒温控制器、直流驱动器、扫频驱动器、单片机、半导体激光器、准直透镜、分束片、原子蒸汽泡、光电探测器、减法器、过零比较器组成；直流驱动器输出的直流电流和扫频驱动器输出的三角波扫描电流一并注入到半导体激光器中，半导体激光器置于恒温控制器的保温箱中内，准直透镜置于半导体激光器前，其距离为准直透镜的焦距，分束片与准直透镜的光轴呈45°放置，由分束片分出的激光束穿过原子蒸汽泡可垂直照射到光电探测器上，光电探测器获得的信号和扫频驱动器的三角波信号一并送入减法器，减法器产生的共振吸收信号送入过零比较器，通过过零比较器整形后得到TTL脉冲信号，将此TTL脉冲信号送入单片机，单片机根据扫频中心的偏差获得一个直流误差信号，由此误差信号去调整直流驱动器的输出电流的大小。使激光扫描的中心频率稳定在两个共振吸收线的正中间。

本实用新型的优点和效果：

在扫频激光信标收发器中，扫频式半导体激光信标发射器是以原子蒸汽泡作为频率基准源，长期稳定性好，功耗低，信标激光器的输出效率高，容易实现多个半导体激光器联合工作以实现大功率信标激光发射，频移补偿量可根据需要调节，且有多种原子可供选择，至于半导体激光器在大范围内扫描频率所造成个别频段的频率局部不连接现象，在原子滤光器具有一定带宽(通常为数GHz)的条件下，并不影响其在多普勒频率补偿中的应用效果。此外，由于此技术对信标接收滤光器的透射谱型没有特殊要求，不但降低了对原子滤光器工作条件的要求，还可以使其工作在更窄带宽状态，接收效率达到90％，接收视场扩大3倍；由于光电探测器获得的是与法拉第效应器件透射谱型相关的脉动信号，因此可以更容易实现信标信号的接收检测和提取，并在获取的信号中总能包括法拉第效应器件的透射峰。扫频激光信标收发器结构简单，调试方便，自动化程度高，运行更可靠。这种多普勒频移补偿技术可用于多种原子(钠、钾、铷、铯之一)控制的卫星激光通信信标系统。

附图说明：

图1是扫频激光信标收发器结构示意图；

其中：1为信标发射激光器、2为信标接收器、3为恒温控制器、4为直流驱动器、5为扫频驱动器、6为单片机、7为半导体激光器、8为准直透镜、9为分束片、10为原子蒸汽泡、11为光电探测器、12为光阑、13为法拉第效应器件、14为四象限光电探测器、15为恒温控制器、16为接收望远镜、17为减法器、18为过零比较器。

图2是扫频激光信标收发器工作原理图；

其中：19正向最大频移量、20信标激光器输出的扫频频率、21信标激光器输出的中心频率、22反向最大频移量、23原子蒸汽泡的共振吸收曲线、24对原子吸收曲线整形后的曲线、25半导体激光器中的扫频电流、26半导体激光器中的偏直电流。

图3是实际获得的铯原子蒸汽泡的共振吸收曲线。

图4是铯原子信标接收器实际接收到的信标信号。

具体实施方式：

下面结合附图，对本实用新型作进一步的说明。

由图1所知，本实用新型由激光信标发射器和信标接收器2组成，激光信标发射器采用扫频式半导体激光信标发射器1，信标接收器2采用法拉第效应器件13滤光。扫频式半导体激光信标发射器1输出频率扫描的激光，且其频率中心以原子跃迁谱线为基准。

扫频式半导体激光信标发射器1由恒温控制器3、直流驱动器4、扫频驱动器5、单片机6、半导体激光器7、准直透镜8、分束片9、原子蒸汽泡10、光电探测器11、减法器17、过零比较器18组成。其中直流驱动器4输出的直流电流和扫频驱动器5输出的三角波扫描电流一并注入到半导体激光器7中，半导体激光器7置于恒温控制器3的保温箱中内，准直透镜8置于半导体激光器7前，其距离为准直透镜8的焦距，分束片9与准直透镜8的光轴呈45°放置，由分束片9分出的激光束穿过原子蒸汽泡10可垂直照射到光电探测器11上，光电探测器11获得的信号和扫频驱动器5的三角波信号一并送入减法器17，减法器17产生的共振吸收信号送入过零比较器18，通过过零比较器18整形后得到TTL脉冲信号，将此TTL脉冲信号送入单片机6，单片机6根据扫频中心的偏差获得一个直流误差信号，由此误差信号去调整直流驱动器4的输出电流的大小。

本实用新型的工作原理为：

半导体激光器7选用Frankfurt IDL40型号，恒温控制器3给半导体激光器7提供一个温度波动小于0.01℃的工作环境，直流驱动器4给半导体激光器7注入电流波动小于0.1mA的直流偏置电流26，使激光输出特定频率f，扫频驱动器5提供一个三角波扫频电流25，同时注入到半导体激光器7中，使半导体激光器7的输出频率以f为频率中心21，在正向最大频移量19和反向最大频移量22之间呈三角波形20扫描，扫描范围为(f-Δf，f+Δf)，通过调节三角波扫频电流25的幅度可以调节Δf的大小，从而实现任意频移量的补偿。

半导体激光器7的频率扫描中心是以原子谱线为基准进行稳频的。半导体激光器7的输出激光首先经过准直透镜8变成平行光，经分束片9对输出激光取样，取样激光经原子蒸汽泡10，经光电探测器11获得该原子的共振吸收曲线23，共振吸收曲线23经减法器17减去因扫描电流25所造成的光强度影响，然后经过零比较器18整形，最后获得了整形后的原子共振吸收线24(图3是实际获得的铯原子蒸汽泡的共振吸收曲线)，将此信号送入单片机6，单片机6根据整形后的原子共振吸收线24和扫描电流信号，在扫描上升过程中，从过零点时开始计时，得到扫描中心距共振吸收脉冲之间的时间间隔T1，在扫描下降过程中，从过零点时开始计时，得到扫描中心距共振吸收脉冲之间的时间间隔T2，若T1＝T2说明激光输出频率中心正好位于原子的两个共振吸收峰中间，若T1≠T2说明激光输出频率中心不在原子的两个共振吸收峰中间，然后根据T1和T2的差值调整直流驱动器4，改变对半导体激光器7注入的偏置电流的大小，从而调整激光的扫描中心频率，使其稳定在两个共振吸收线的正中间。

信标接收器由接收望远镜16、光阑12、法拉第效应器件13、四象限光电探测器14和恒温控制器15组成。其中光阑12置于接收望远镜16内部焦点处，法拉第效应器件13紧靠接收望远镜16的目镜放置，四象限光电探测器14密封安装在法拉第效应器件13的光输出口，恒温控制器15连接到法拉第效应器件13上。

接收望远镜16的接收视场可以通过光阑12进行调节，接收到的信标激光信号经法拉第效应器件13进行滤光，恒温控制器15可以控制法拉第效应器件13的工作温度在60～100℃之间，并由此调节其透射带宽，温度越低透射带宽越小，滤光效果越好，可以在保证一定信噪比的前提下，增大接收视场，于是，更容易接收到通信对方的信标信号。图4是选用铯原子蒸汽泡稳频和铯原子法拉第效应器件进行滤光时，由信标接收器实际接收到的信标信号。

Claims (4)

1、扫频激光信标收发器，由激光信标发射器和信标接收器(2)组成，信标接收器(2)采用法拉第效应器件(13)滤光，其特征在于，激光信标发射器采用采用扫频式半导体激光信标发射器(1)，扫频式半导体激光信标发射器(1)由恒温控制器(3)、直流驱动器(4)、扫频驱动器(5)、单片机(6)、半导体激光器(7)、准直透镜(8)、分束片(9)、原子蒸汽泡(10)、光电探测器(11)、减法器(17)、过零比较器(18)组成；其中直流驱动器(4)输出的直流电流和扫频驱动器(5)输出的三角波扫描电流一并注入到半导体激光器(7)中，半导体激光器(7)置于恒温控制器(3)的保温箱中内，准直透镜(8)置于半导体激光器(7)前，其距离为准直透镜(8)的焦距，分束片(9)与准直透镜(8)的光轴呈45°放置，由分束片(9)分出的激光束穿过原子蒸汽泡(10)可垂直照射到光电探测器(11)上，光电探测器(11)获得的信号和扫频驱动器(5)的三角波信号一并送入减法器(17)，减法器(17)产生的共振吸收信号送入过零比较器(18)，通过过零比较器(18)整形后得到TTL脉冲信号，将此TTL脉冲信号送入单片机(6)，单片机(6)根据扫频中心的偏差获得一个直流误差信号，由此误差信号去调整直流驱动器(4)的输出电流的大小。

2、根据权利要求1所述的扫频激光信标收发器，其特征在于，所述的恒温控制器(3)提供温度波动小于0.01℃的工作环境，所述的直流驱动器4输出的电流波动小于0.1mA。

3、根据权利要求1所述的扫频激光信标收发器，其特征在于，所述的采用法拉第效应器件(13)滤光的信标接收器(2)中的恒温控制器(15)控制法拉第效应器件(13)的工作温度在60～100℃之间，温度波动小于0.1℃。

4、根据权利要求1所述的扫频激光信标收发器，其特征在于，所述的单片机(6)根据扫频中心的偏差获得一个直流误差信号，由此误差信号去调整直流驱动器(4)的输出电流大小的方法为：单片机(6)根据整形后的原子共振吸收线(24)和扫描电流信号，在扫描上升过程中，从过零点时开始计时，得到扫描中心距共振吸收脉冲之间的时间间隔T1，在扫描下降过程中，从过零点时开始计时，得到扫描中心距共振吸收脉冲之间的时间间隔T2，若T1＝T2说明激光输出频率中心正好位于原子的两个共振吸收峰中间，若T1≠T2说明激光输出频率中心不在原子的两个共振吸收峰中间，然后根据T1和T2的差值调整直流驱动器(4)的输出电流，使半导体激光器的输出频率中心稳定在两个共振吸收线的正中间。

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