一種適應(yīng)不同工作距離的激光通信光學(xué)裝置的制作方法

本發(fā)明的一種激光通信光學(xué)裝置，可滿足不同工作距離下激光終端的對(duì)接試驗(yàn)要求，特別是近距離對(duì)接試驗(yàn)，屬于激光通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光通信系統(tǒng)以激光作為信號(hào)的載波，通過對(duì)激光載波的調(diào)制來傳輸信息，實(shí)現(xiàn)信息交換。激光用于通信的波束發(fā)散角很小，具有很好的抗干擾和抗截獲性能，可以極大地提高通信系統(tǒng)的安全性；同時(shí)，在傳輸同樣高碼率條件下，它還具有體積小、重量輕、功耗低的優(yōu)勢(shì)。通常激光通信系統(tǒng)都具有信標(biāo)、信號(hào)發(fā)射和信標(biāo)、信號(hào)接收的功能，要求光學(xué)裝置同樣具備相同的功能，而實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)集成測(cè)試平臺(tái)，它通常由大型的平行光管、大口徑平面反射鏡、分光鏡、折轉(zhuǎn)鏡、不同波段激光器、不同波段探測(cè)器、伺服機(jī)構(gòu)等設(shè)備組成，設(shè)備之間相互分立、占用空間較大，不能滿足室外激光對(duì)接要求。為了滿足激光通信系統(tǒng)的室外對(duì)接要求，在保證光學(xué)裝置的技術(shù)指標(biāo)前提下，需要優(yōu)化光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)形式，減重其重量，便于光學(xué)裝置的攜帶。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適應(yīng)不同工作距離的激光通信光學(xué)裝置，具備信標(biāo)收發(fā)和信號(hào)收發(fā)功能的光學(xué)裝置；在對(duì)接工作距離為5m-10km條件下，快速實(shí)現(xiàn)有效口徑大于100mm激光終端的通信對(duì)接試驗(yàn)要求，且結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶，增加了本發(fā)明的實(shí)用性。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種適應(yīng)不同工作距離的激光通信光學(xué)裝置，包括：接收望遠(yuǎn)鏡、精掃描組件、分光鏡、捕跟接收組件、折轉(zhuǎn)鏡、通信接收組件、第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件、瞄準(zhǔn)器、殼體；接收望遠(yuǎn)鏡、第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件、瞄準(zhǔn)組件安裝殼體的同一側(cè)板上；接收望遠(yuǎn)鏡的光軸、第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件的光軸、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件的光軸、瞄準(zhǔn)器的光軸相互平行；接收望遠(yuǎn)鏡的光軸分別與捕跟接收組件的光軸、通信接收組件的光軸垂直；精掃描組件、分光鏡、折轉(zhuǎn)鏡分別與接收望遠(yuǎn)鏡的光軸呈45°夾角；瞄準(zhǔn)器發(fā)射激光束；接收望遠(yuǎn)鏡接收信號(hào)光與信標(biāo)光，經(jīng)過精掃描組件反射，信標(biāo)光透過分光鏡進(jìn)入捕跟接收組件，信號(hào)光經(jīng)分光鏡反射到折轉(zhuǎn)鏡上，并通過折轉(zhuǎn)鏡反射到通信接收組件；第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件發(fā)射信號(hào)光和信標(biāo)光。

所述第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件的有效口徑為10mm，焦距為40mm，信號(hào)發(fā)散角為500urad。

所述第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件的有效口徑為10mm，焦距為40mm，信號(hào)發(fā)散角為5mrad。

所述精掃描組件的反射鏡鏡面處于接收望遠(yuǎn)鏡的出瞳位置處，精掃描組件的機(jī)械掃描范圍為-10mrad～10mrad，反射鏡口徑為1英寸。

所述捕跟接收組件的有效口徑為50mm，視場角為100mrad，焦距為56mm。

所述通信接收組件的有效口徑為15mm，視場角為300urad，焦距為53mm。

所述折軸鏡或分光鏡的口徑為39mm。

所述瞄準(zhǔn)器發(fā)射的激光束的波長為532nm。

所述第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件或第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件與光纖的接口采用標(biāo)準(zhǔn)的FC/APC形式。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明采用接收通道、發(fā)射通道分離式設(shè)計(jì)，且具備信標(biāo)收發(fā)和信號(hào)收發(fā)功能，與收發(fā)通道共光路的結(jié)構(gòu)形式相比，避免收發(fā)通道共光路引入的隔離度問題，降低了本發(fā)明的裝調(diào)難度。

(2)本發(fā)明的光學(xué)透射式接收望遠(yuǎn)鏡、發(fā)射組件等有效口徑小，且所有光學(xué)元件可作為獨(dú)立模塊，集成在一個(gè)殼體內(nèi)，相比于各光學(xué)設(shè)備分離式的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、便于攜帶。

(3)本發(fā)明滿足有效口徑大于100mm激光終端主從式的通信對(duì)接試驗(yàn)要求，作為被動(dòng)方，采用2個(gè)發(fā)射組件切換方式和綠光瞄準(zhǔn)器，可滿足對(duì)接距離為5m-10km，且5m-5km和5km-10km兩檔的要求，減少激光對(duì)接試驗(yàn)的難度，增加了本發(fā)明的應(yīng)用性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的光路示意圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)與二維轉(zhuǎn)臺(tái)粗對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的基準(zhǔn)面示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的激光通信光學(xué)裝置光路圖。一種適應(yīng)不同工作距離的激光通信光學(xué)裝置，包括接收望遠(yuǎn)鏡1、精掃描組件2、分光鏡3、捕跟接收組件4、折軸鏡5、通信接收組件6、第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8和瞄準(zhǔn)器9。如圖2所示，接收望遠(yuǎn)鏡1、第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8和瞄準(zhǔn)器9的光軸平行，接收望遠(yuǎn)鏡1與捕跟接收組件4、通信接收組件6的光軸垂直，通過45°放置的分光鏡3、精掃描組件2和折軸鏡5對(duì)接收光束分光或改變光軸方向，保證了本發(fā)明的發(fā)射光束、接收光束光軸平行。精掃描組件2由反射鏡和二維轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成；瞄準(zhǔn)器9由準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)，激光器通過光纖連接準(zhǔn)直器，第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8由準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)，信號(hào)、信標(biāo)激光光束耦合進(jìn)同一根光纖，并通過準(zhǔn)直器發(fā)射；捕跟接收組件4由倒置準(zhǔn)直器和捕跟探測(cè)器實(shí)現(xiàn)，接收、會(huì)聚信標(biāo)光到捕跟探測(cè)器的探測(cè)面上；通信接收組件6也由倒置準(zhǔn)直器實(shí)現(xiàn)，接收、會(huì)聚信號(hào)光并耦合進(jìn)入光纖。

在激光對(duì)接試驗(yàn)過程中，本發(fā)明適用于主從掃描式的捕跟策略且作為被動(dòng)方。圖3所示，首先控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)10轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)瞄準(zhǔn)器9的方位、俯仰角變化，使發(fā)射的綠色(532nm波長)激光束覆蓋對(duì)接終端，直到瞄準(zhǔn)器9的光軸與對(duì)接終端的光軸盡可能重合進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，完成粗對(duì)準(zhǔn)，然后保持本發(fā)明的姿態(tài)不變；根據(jù)對(duì)接試驗(yàn)的距離，選擇第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7或第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8出射光束，同時(shí)接收對(duì)接終端的發(fā)射光束，并控制具有大掃描機(jī)械范圍(-10mrad～10mrad)精掃描組件2的反射鏡姿態(tài)，使信標(biāo)光束經(jīng)過接收望遠(yuǎn)鏡1、精掃描組件2、分光鏡3，成像在捕跟接收組件4的捕跟探測(cè)器的中心位置處，捕跟鏈路建立，最后接收的信號(hào)光，經(jīng)過接收望遠(yuǎn)鏡1、精掃描組件2、分光鏡3、折轉(zhuǎn)鏡5和通信接收組件6耦合進(jìn)入光纖與通信接收機(jī)的光混平器相互作用，實(shí)現(xiàn)激光通信。在捕跟鏈路建立過程中，通過控制精掃描組件2彌補(bǔ)粗對(duì)準(zhǔn)引入的發(fā)射、接收光軸偏差，可以方便、快速地完成激光鏈路的建立。

如圖4所示，本發(fā)明采用寬光譜透射式接收望遠(yuǎn)鏡1、瞄準(zhǔn)器9和第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8安裝在殼體10的一個(gè)基準(zhǔn)面，其中第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8與接收通道分離，保證發(fā)射組件的激光不被捕跟接收組件4或通信接收組件6探測(cè)到，避免因收發(fā)共光路引入的隔離度問題。通常衛(wèi)星激光終端的有效口徑通常大于100mm，本發(fā)明采用接收望遠(yuǎn)鏡1的有效口徑為50mm，放大倍率為5，其口徑大于卡塞-格倫光學(xué)天線的中心遮擋，第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8有效口徑約為10mm，第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8、瞄準(zhǔn)器9與接收望遠(yuǎn)鏡1近相切式緊密排布，結(jié)合光學(xué)透鏡和機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸，外包絡(luò)小于100mm。采用透射式接收望遠(yuǎn)鏡1的形式，對(duì)入射光進(jìn)行壓縮光束，降低了望遠(yuǎn)鏡的加工難度。

如圖4所示，本發(fā)明的信標(biāo)發(fā)射和信號(hào)發(fā)射共用一個(gè)光學(xué)組件，采用波分復(fù)用器將2根光纖的調(diào)制信號(hào)光、捕跟信標(biāo)光束耦合到同1根光纖中，通過發(fā)射組件進(jìn)行發(fā)射。第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8都與光纖的接口采用標(biāo)準(zhǔn)的FC/APC形式連接，可以插拔光纜，便于攜帶。本發(fā)明在滿足捕跟、通信鏈路建立的情況下，減少了1個(gè)發(fā)射組件，優(yōu)化了光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)，減輕了光學(xué)裝置的重量。

第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7和第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8，有效口徑D約為10mm，若通信波長λ為1550nm，理論發(fā)散角約為378urad，發(fā)散較小，可滿足5m-10km距離的通信試驗(yàn)激光鏈路建立要求。小于10km的對(duì)接距離，光束按照菲涅爾衍射原理傳播，激光光束有一定的發(fā)散角。根據(jù)幾何光學(xué)成像原理，控制激光光纖頭與信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件焦點(diǎn)位置關(guān)系，當(dāng)兩者的相對(duì)位置不重合，即產(chǎn)生了一定的離焦量，可增大信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件出射激光束的發(fā)散角。若離焦量為d光學(xué)支路焦距為f，數(shù)值孔徑為NA，則發(fā)射角變化量為Δθ，滿足根據(jù)不同通信試驗(yàn)距離的要求，可確定發(fā)射組件發(fā)射角大小，結(jié)合發(fā)射組件視場角和像質(zhì)，采用高精度、不同厚度墊圈可以得到特定的離焦量，可得到需要的發(fā)散角。為避免在對(duì)接過程中調(diào)節(jié)發(fā)射組件，同時(shí)降低遠(yuǎn)距離激光對(duì)接試驗(yàn)的難度，保證光斑大小為米量級(jí)，便于激光捕跟鏈路的快速建立，根據(jù)發(fā)散角與離焦量變化公式，本發(fā)明采用2個(gè)光學(xué)參數(shù)相同的發(fā)射組件，焦距為40mm，發(fā)散角不同，其中第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7的信號(hào)發(fā)散角為500urad、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8的信號(hào)發(fā)散角為5mrad，通過信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件的切換，可分別滿足5m～5km、5km～10km的對(duì)接距離。

如圖2所示，本發(fā)明涉及的光學(xué)接收通道主要包含精掃描組件2、分光鏡3、折軸鏡5、捕跟接收組件4和通信接收組件6。精掃描組件2的反射鏡鏡面處于接收望遠(yuǎn)鏡1的出瞳位置處，本發(fā)明采用的精掃描組件2的機(jī)械掃描范圍為-10mrad～10mrad，反射鏡口徑為1英寸。本發(fā)明采用的捕跟接收組件4的倒置準(zhǔn)直器在接收望遠(yuǎn)鏡1出瞳位置的較近的距離處，它有效口徑小但可捕獲大發(fā)射角的激光光束，通常視場角為百毫弧度量級(jí)，倒置準(zhǔn)直器的有效口徑為50mm，視場角100mrad，焦距56mm。通信接收支路6的視場小，通常為百微弧度量級(jí)，本發(fā)明采用的通信接收組件6有效口徑為15mm，視場角300urad，焦距53mm，經(jīng)過折軸鏡5反射的激光光束，對(duì)通信接收組件6的有效口徑影響較小，本發(fā)明采用折軸鏡5和分光鏡3的口徑為39mm。第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8、瞄準(zhǔn)器9與接收望遠(yuǎn)鏡1近相切式緊密排布，精掃描組件2的電接口以及各光學(xué)組件的光接口都采用可插拔的方式。

采用接收通道、發(fā)射通道分離式設(shè)計(jì)，光學(xué)接收通道主要包含精掃描組件2、捕跟接收組件4和通信接收組件6，發(fā)射通道由第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7、第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8和瞄準(zhǔn)器9組成，具備信標(biāo)收發(fā)和信號(hào)收發(fā)功能。光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡1、信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件口徑小，因此本發(fā)明結(jié)構(gòu)形式清楚、空間排列緊湊，相比于各分離式光學(xué)設(shè)備組合的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，更利于實(shí)現(xiàn)小型化、模塊化、輕量化、易便攜。

信號(hào)和信標(biāo)發(fā)射共用一個(gè)光學(xué)組件，且采用標(biāo)準(zhǔn)的FC/APC形式與光纖連接，2個(gè)不同發(fā)散角的發(fā)射組件相互切換，進(jìn)行工作距離的選擇，滿足有效口徑大于100mm激光終端的通信對(duì)接試驗(yàn)要求，對(duì)接距離為5m～5km、5m～10km，極大地減少激光對(duì)接試驗(yàn)的難度，增加了光學(xué)裝置的應(yīng)用性

本發(fā)明的原理：激光通信對(duì)接過程，接收的信號(hào)光與信標(biāo)光通過接收望遠(yuǎn)鏡1進(jìn)入接收通道，經(jīng)過精掃描組件2反射，信標(biāo)光透過分光鏡3進(jìn)入捕跟接收組件4，信號(hào)光經(jīng)分光鏡3反射到折轉(zhuǎn)鏡5上，并反射到通信接收組件6；第一信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件7或第二信號(hào)/信標(biāo)發(fā)射組件8發(fā)射信號(hào)光和信標(biāo)光，其中出射信號(hào)光束、信標(biāo)光束、接收信號(hào)光束、信標(biāo)光束和瞄準(zhǔn)激光束光軸平行。

本發(fā)明說明書未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識(shí)。