一种适应不同工作距离的激光通信光学装置的制作方法

本发明的一种激光通信光学装置，可满足不同工作距离下激光终端的对接试验要求，特别是近距离对接试验，属于激光通信领域。

背景技术：

激光通信系统以激光作为信号的载波，通过对激光载波的调制来传输信息，实现信息交换。激光用于通信的波束发散角很小，具有很好的抗干扰和抗截获性能，可以极大地提高通信系统的安全性；同时，在传输同样高码率条件下，它还具有体积小、重量轻、功耗低的优势。通常激光通信系统都具有信标、信号发射和信标、信号接收的功能，要求光学装置同样具备相同的功能，而实验室的光学集成测试平台，它通常由大型的平行光管、大口径平面反射镜、分光镜、折转镜、不同波段激光器、不同波段探测器、伺服机构等设备组成，设备之间相互分立、占用空间较大，不能满足室外激光对接要求。为了满足激光通信系统的室外对接要求，在保证光学装置的技术指标前提下，需要优化光学装置的结构形式，减重其重量，便于光学装置的携带。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，具备信标收发和信号收发功能的光学装置；在对接工作距离为5m-10km条件下，快速实现有效口径大于100mm激光终端的通信对接试验要求，且结构紧凑、便于携带，增加了本发明的实用性。

本发明的技术解决方案是：一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，包括：接收望远镜、精扫描组件、分光镜、捕跟接收组件、折转镜、通信接收组件、第一信号/信标发射组件、第二信号/信标发射组件、瞄准器、壳体；接收望远镜、第一信号/信标发射组件、第二信号/信标发射组件、瞄准组件安装壳体的同一侧板上；接收望远镜的光轴、第一信号/信标发射组件的光轴、第二信号/信标发射组件的光轴、瞄准器的光轴相互平行；接收望远镜的光轴分别与捕跟接收组件的光轴、通信接收组件的光轴垂直；精扫描组件、分光镜、折转镜分别与接收望远镜的光轴呈45°夹角；瞄准器发射激光束；接收望远镜接收信号光与信标光，经过精扫描组件反射，信标光透过分光镜进入捕跟接收组件，信号光经分光镜反射到折转镜上，并通过折转镜反射到通信接收组件；第一信号/信标发射组件、第二信号/信标发射组件发射信号光和信标光。

所述第一信号/信标发射组件的有效口径为10mm，焦距为40mm，信号发散角为500urad。

所述第二信号/信标发射组件的有效口径为10mm，焦距为40mm，信号发散角为5mrad。

所述精扫描组件的反射镜镜面处于接收望远镜的出瞳位置处，精扫描组件的机械扫描范围为-10mrad～10mrad，反射镜口径为1英寸。

所述捕跟接收组件的有效口径为50mm，视场角为100mrad，焦距为56mm。

所述通信接收组件的有效口径为15mm，视场角为300urad，焦距为53mm。

所述折轴镜或分光镜的口径为39mm。

所述瞄准器发射的激光束的波长为532nm。

所述第一信号/信标发射组件或第二信号/信标发射组件与光纤的接口采用标准的FC/APC形式。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用接收通道、发射通道分离式设计，且具备信标收发和信号收发功能，与收发通道共光路的结构形式相比，避免收发通道共光路引入的隔离度问题，降低了本发明的装调难度。

(2)本发明的光学透射式接收望远镜、发射组件等有效口径小，且所有光学元件可作为独立模块，集成在一个壳体内，相比于各光学设备分离式的光学系统测试平台，结构紧凑、重量轻、便于携带。

(3)本发明满足有效口径大于100mm激光终端主从式的通信对接试验要求，作为被动方，采用2个发射组件切换方式和绿光瞄准器，可满足对接距离为5m-10km，且5m-5km和5km-10km两档的要求，减少激光对接试验的难度，增加了本发明的应用性。

附图说明

图1为本发明的光路示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明瞄准机构与二维转台粗对准结构示意图；

图4为本发明的基准面示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的激光通信光学装置光路图。一种适应不同工作距离的激光通信光学装置，包括接收望远镜1、精扫描组件2、分光镜3、捕跟接收组件4、折轴镜5、通信接收组件6、第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8和瞄准器9。如图2所示，接收望远镜1、第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8和瞄准器9的光轴平行，接收望远镜1与捕跟接收组件4、通信接收组件6的光轴垂直，通过45°放置的分光镜3、精扫描组件2和折轴镜5对接收光束分光或改变光轴方向，保证了本发明的发射光束、接收光束光轴平行。精扫描组件2由反射镜和二维转动机构组成；瞄准器9由准直器实现，激光器通过光纤连接准直器，第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8由准直器实现，信号、信标激光光束耦合进同一根光纤，并通过准直器发射；捕跟接收组件4由倒置准直器和捕跟探测器实现，接收、会聚信标光到捕跟探测器的探测面上；通信接收组件6也由倒置准直器实现，接收、会聚信号光并耦合进入光纤。

在激光对接试验过程中，本发明适用于主从扫描式的捕跟策略且作为被动方。图3所示，首先控制二维转台10转动，带动瞄准器9的方位、俯仰角变化，使发射的绿色(532nm波长)激光束覆盖对接终端，直到瞄准器9的光轴与对接终端的光轴尽可能重合进行对准，完成粗对准，然后保持本发明的姿态不变；根据对接试验的距离，选择第一信号/信标发射组件7或第二信号/信标发射组件8出射光束，同时接收对接终端的发射光束，并控制具有大扫描机械范围(-10mrad～10mrad)精扫描组件2的反射镜姿态，使信标光束经过接收望远镜1、精扫描组件2、分光镜3，成像在捕跟接收组件4的捕跟探测器的中心位置处，捕跟链路建立，最后接收的信号光，经过接收望远镜1、精扫描组件2、分光镜3、折转镜5和通信接收组件6耦合进入光纤与通信接收机的光混平器相互作用，实现激光通信。在捕跟链路建立过程中，通过控制精扫描组件2弥补粗对准引入的发射、接收光轴偏差，可以方便、快速地完成激光链路的建立。

如图4所示，本发明采用宽光谱透射式接收望远镜1、瞄准器9和第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8安装在壳体10的一个基准面，其中第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8与接收通道分离，保证发射组件的激光不被捕跟接收组件4或通信接收组件6探测到，避免因收发共光路引入的隔离度问题。通常卫星激光终端的有效口径通常大于100mm，本发明采用接收望远镜1的有效口径为50mm，放大倍率为5，其口径大于卡塞-格伦光学天线的中心遮挡，第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8有效口径约为10mm，第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8、瞄准器9与接收望远镜1近相切式紧密排布，结合光学透镜和机械结构尺寸，外包络小于100mm。采用透射式接收望远镜1的形式，对入射光进行压缩光束，降低了望远镜的加工难度。

如图4所示，本发明的信标发射和信号发射共用一个光学组件，采用波分复用器将2根光纤的调制信号光、捕跟信标光束耦合到同1根光纤中，通过发射组件进行发射。第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8都与光纤的接口采用标准的FC/APC形式连接，可以插拔光缆，便于携带。本发明在满足捕跟、通信链路建立的情况下，减少了1个发射组件，优化了光学装置的结构，减轻了光学装置的重量。

第一信号/信标发射组件7和第二信号/信标发射组件8，有效口径D约为10mm，若通信波长λ为1550nm，理论发散角约为378urad，发散较小，可满足5m-10km距离的通信试验激光链路建立要求。小于10km的对接距离，光束按照菲涅尔衍射原理传播，激光光束有一定的发散角。根据几何光学成像原理，控制激光光纤头与信号/信标发射组件焦点位置关系，当两者的相对位置不重合，即产生了一定的离焦量，可增大信号/信标发射组件出射激光束的发散角。若离焦量为d光学支路焦距为f，数值孔径为NA，则发射角变化量为Δθ，满足根据不同通信试验距离的要求，可确定发射组件发射角大小，结合发射组件视场角和像质，采用高精度、不同厚度垫圈可以得到特定的离焦量，可得到需要的发散角。为避免在对接过程中调节发射组件，同时降低远距离激光对接试验的难度，保证光斑大小为米量级，便于激光捕跟链路的快速建立，根据发散角与离焦量变化公式，本发明采用2个光学参数相同的发射组件，焦距为40mm，发散角不同，其中第一信号/信标发射组件7的信号发散角为500urad、第二信号/信标发射组件8的信号发散角为5mrad，通过信号/信标发射组件的切换，可分别满足5m～5km、5km～10km的对接距离。

如图2所示，本发明涉及的光学接收通道主要包含精扫描组件2、分光镜3、折轴镜5、捕跟接收组件4和通信接收组件6。精扫描组件2的反射镜镜面处于接收望远镜1的出瞳位置处，本发明采用的精扫描组件2的机械扫描范围为-10mrad～10mrad，反射镜口径为1英寸。本发明采用的捕跟接收组件4的倒置准直器在接收望远镜1出瞳位置的较近的距离处，它有效口径小但可捕获大发射角的激光光束，通常视场角为百毫弧度量级，倒置准直器的有效口径为50mm，视场角100mrad，焦距56mm。通信接收支路6的视场小，通常为百微弧度量级，本发明采用的通信接收组件6有效口径为15mm，视场角300urad，焦距53mm，经过折轴镜5反射的激光光束，对通信接收组件6的有效口径影响较小，本发明采用折轴镜5和分光镜3的口径为39mm。第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8、瞄准器9与接收望远镜1近相切式紧密排布，精扫描组件2的电接口以及各光学组件的光接口都采用可插拔的方式。

采用接收通道、发射通道分离式设计，光学接收通道主要包含精扫描组件2、捕跟接收组件4和通信接收组件6，发射通道由第一信号/信标发射组件7、第二信号/信标发射组件8和瞄准器9组成，具备信标收发和信号收发功能。光学接收望远镜1、信号/信标发射组件口径小，因此本发明结构形式清楚、空间排列紧凑，相比于各分离式光学设备组合的光学系统测试平台，更利于实现小型化、模块化、轻量化、易便携。

信号和信标发射共用一个光学组件，且采用标准的FC/APC形式与光纤连接，2个不同发散角的发射组件相互切换，进行工作距离的选择，满足有效口径大于100mm激光终端的通信对接试验要求，对接距离为5m～5km、5m～10km，极大地减少激光对接试验的难度，增加了光学装置的应用性

本发明的原理：激光通信对接过程，接收的信号光与信标光通过接收望远镜1进入接收通道，经过精扫描组件2反射，信标光透过分光镜3进入捕跟接收组件4，信号光经分光镜3反射到折转镜5上，并反射到通信接收组件6；第一信号/信标发射组件7或第二信号/信标发射组件8发射信号光和信标光，其中出射信号光束、信标光束、接收信号光束、信标光束和瞄准激光束光轴平行。

本发明说明书未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。