一种小型紫外激光卫星通信装置的制作方法

本发明具体涉及一种小型紫外激光卫星通信装置，属于卫星通信装置技术领域。

背景技术：

激光通信具有通信容量大、传输距离远、抗干扰、保密性好等优点，将改变现有的通信体制，给空间信息传输领域带来革命性变化。根据卫星的质量，通常将小于1000kg的卫星成为广义的小卫星。其中，将500-1000kg的卫星称为小卫星，100-500kg的卫星成为微小卫星，10-100kg的卫星成为显微卫星，小于10kg的称为纳米卫星。随着卫星技术的不断发展，人们在要求降低卫星成本、减小风险的同时，波切需要加快卫星开发研制周期。小卫星采用高度集成化技术和自动化技术，可以快速实现从设计、制造、发射、在轨运行全过程，对于今后的卫星空间组网，采用小卫星平台，具有投资小、见效快等不可替代优势。

目前，国内外已有多项利用质量200kg左右的微小卫星进行空间组网的计划，由于激光通信终端的天线口径远小于微波通信终端，是建立微小卫星间星间链路首选技术手段。在微小卫星激光通信网络系统中，每个卫星平台至少安装4套激光通信终端，为此要求激光通信终端重量在5-10kg范围内。为了实现较远距离激光通信，一般要求将激光光束准直到20微弧度左右。对于现有的1550nm红外波段激光通信终端，考虑到衍射发射极限条件，天线口径应在15cm以上，对应的终端重量20kg左右，显然与微小卫星激光通信网络系统要求差距较大，是目前激光通信技术在该领域应用的主要难题之一。

目前自由空间激光通信的波长大都集中在800nm、1064nm、1550nm红外波段，由于太阳背景辐射强，噪声干扰大，星际通信传输效率低、接收和发射天线口径大，载荷困难，在一定程度上影响了自由空间通信的质量和效率。对于激光通信，波长越短则准直发射性能越好，因此，采用紫外激光(波长～375nm)替代现有的近红外波段激光，有利于终端实现更为小型化的结构，进而实现轻量化，将是未来卫星激光通信的重要发展方向。

技术实现要素：

本发明针对现有采用红外波段激光光源卫星通信装置存在的星际通信传输效率低、接收和发射天线口径大，载荷困难，在一定程度上影响了自由空间通信的质量和效率的问题，以及针对未来激光通信终端组网的小型化轻量化终端需求，提出了一种利用紫外激光作为信号光源的卫星通信装置，可在同等激光发射准直要求下，缩小发射天线口径，显著降低激光终端重量。

本发明提出一种小型紫外激光卫星通信装置包括光学天线、分光棱镜、滤光片、聚焦透镜、紫外光探测器、发射整形透镜和紫外激光器，所述紫外激光器发射激光经过发射整形透镜整形处理，然后发射到分光棱镜上，分成两束光，其中一束光透过分光棱镜经滤光片过滤杂散光，聚焦透镜会聚，最后打到紫外光探测器上，另一束光经分光棱镜反射，被光学天线扩束，最后发射出去。

优选地，所述光学天线的口径为40mm，视域为2mrad，放大倍率为6，材料为熔石英。

优选地，所述分光棱镜的口径为10mm，材料为熔石英，工作波段为375nm，对p线偏振光透射率t≥99.9％，对s线偏振光反射率r≥99.9％。

优选地，所述滤光片的口径为8mm，材料熔石英，工作波段为375nm±0.5nm，透过率t≥95％，附近±20nm波段的透过率t≤0.1％。

优选地，所述接收聚焦透镜的口径为8mm，焦距为20mm，工作波长为375nm，要求镀375nm增透膜。

优选地，所述紫外光探测器的型号为镓芯光电，gan紫外传感器gs-abc-2835m，波长范围为210nm～380nm，光敏面直径为0.15mm，响应率为0.2ma/mw。

优选地，所述紫外光探测器放置在接收聚焦透镜的焦点上，将激光信号转换为电信号。

优选地，所述发射整形透镜的口径为8mm，焦距为24mm，工作波长375nm，要求镀375nm增透膜。

优选地，所述紫外激光器的型号为omicron，150/500-375-mm，发射的紫外激光波长为375nm，调制速率为150mbps，功率为200mw。

优选地，进行卫星间激光通信的最大工作距离可达1000km，通信数据率100mbp。

发明所述的小型紫外激光卫星通信装置的工作原理为：

紫外激光信号经空间光路准直发射后，可作为激光通信终端的发射光束，同样要求将激光光束准直到20微弧度左右，采用375nm左右的紫外波段后，可将天线口径控制在4cm以内，为进一步降低终端重量，采用了同波段偏振分光技术，并且信号光同时作为捕获跟踪信标光，终端收发光路大大简化，对应终端重量7kg左右，满足微小卫星激光通信网络系统多终端同时装星要求。

本发明提出一种小型紫外激光卫星通信装置的有益效果为：

1、本发明所述的小型紫外激光卫星通信装置采用紫外光源替代现有普遍使用的红外光源，在同样准直要求下，实现了天线口径显著减小。

2、本发明所述的小型紫外激光卫星通信装置空间光信号采用了同波段偏振分光技术，并且信号光同时作为捕获跟踪信标光，终端收发光路大大简化。

3、本发明所述的小型紫外激光卫星通信装置，主要优点是光学天线口径和重量小，根据波长同比理论，天线的增益反比于波长的平方，正比于天线口径的平方，如要获得相同天线增益，天线口径和波长的比值需保持不变。紫外激光通信时，天线尺寸和透射元件重量可大幅降低，以400nm波段为例估算，天线尺寸约为800nm波段的50％，重量约为800nm波段的12.5％(透射元件)，尺寸约为1550nm波段的26％，重量小于1550nm波段的17％(透射元件)。

4、本发明所述的小型紫外激光卫星通信装置，通信距离可达1000km以上，通信数据率100mbps，终端质量仅为7kg，功耗30w，与现有近红外激光通信终端相比，该终端具有体积小、重量轻和功耗低的特点，可满足微小卫星平台的搭载。

5、本发明所述的小型紫外激光卫星通信装置可以应用于星间、星地和地面水平无线激光通信链路，具有体积小、重量轻、保密性好等优点，可确保微小卫星平台同时安装多套终端，进行空间网络互连。

附图说明

图1是本发明一种小型紫外激光卫星通信装置的光路示意图；

图中：1-光学天线、2-分光棱镜、3-滤光片、4-接收聚焦透镜、5-紫外光探测器、6-发射整形透镜、7-紫外激光器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种小型紫外激光卫星通信装置包括光学天线1、分光棱镜2、滤光片3、接收聚焦透镜4、紫外光探测器5、发射整形透镜6和紫外激光器7，所述光学天线1设置在通信装置的最前端，入射光束依次经过光学天线1收集压缩，分光棱镜2透射，滤光片3过滤杂散光，接收聚焦透镜4会聚，最后打到紫外光探测器5上；所述紫外激光器7发射激光经过发射整形透镜6整形处理，经分光棱镜2反射，被光学天线1扩束，最后发射出去。

所述小型紫外激光卫星通信装置中的小型是指终端较小，可应用于小卫星

所述光学天线1的口径为40mm，视域为2mrad，放大倍率为6，材料为熔石英。

所述分光棱镜2的口径为10mm，材料为熔石英，工作波段为375nm，对p线偏振光透射率t≥99.9％，对s线偏振光反射率r≥99.9％。

所述滤光片3的口径为8mm，材料熔石英，工作波段为375nm±0.5nm，透过率t≥95％，附近±20nm波段的透过率t≤0.1％。

所述接收聚焦透镜4的口径为8mm，焦距为20mm，工作波长为375nm，要求镀375nm增透膜。

所述紫外光探测器5的型号为镓芯光电，gan紫外传感器gs-abc-2835m，波长范围为210nm～380nm，光敏面直径为0.15mm，响应率为0.2ma/mw。

所述紫外光探测器5放置在接收聚焦透镜4的焦点上，将激光信号转换为电信号。

所述发射整形透镜6的口径为8mm，焦距为24mm，工作波长375nm，要求镀375nm增透膜。

所述紫外激光器7的型号为omicron，150/500-375-mm，发射的紫外激光波长为375nm，调制速率为150mbps，功率为200mw。

进行卫星间激光通信的最大工作距离可达1000km，通信数据率100mbp。

所述光学天线1放置在光学系统最前端，收发光路共用。在接收光路中光学天线1增加接收探测器入射光强度，提高系统信噪比；在发射光路里光学天线1用来将激光束口径放大，光束发散角压缩，增加对方终端接收光路的入射光强度。

所述分光棱镜2是将收发光路分离的重要器件，接收光路经过分光棱镜2透射，发射光路经过分光棱镜反射，光束分离是通过偏振隔离的，隔离效率高。

所述滤光片3主要是滤波作用，滤掉背景光，消除背景光对接收探测器的影响，提高接收系统信噪比。

所述接收聚焦透镜4将光学天线1收集的信号光束聚焦到紫外光探测器5光敏面上。

所述紫外光探测器5放置在接收聚焦透镜4的焦点上，将激光信号转换为电信号。

所述发射整形透镜6将紫外激光器7发射出的激光束整形为平行光束。

所述紫外激光器7放置在发射整形透镜6的焦点上。

本发明所述的小型紫外激光卫星通信装置接收系统工作过程如下：

入射光束经过光学天线1收集压缩、经过分光棱镜2透射、滤光片3过滤杂散光、聚焦透镜4会聚，最后打到紫外光探测器5上。

紫外激光器7发射光束耦合到光学系统，经过发射整形透镜6整形处理，分光棱镜2反射(反射角90度)，光学天线1扩束，最后发射出去。

紫外光探测器5中，通过光束分束实现同一个紫外波段激光分别用于链路捕跟和链路通信。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。