一种运动平台激光通信终端的紧凑型轻量化设计方法

本发明涉及光束控制领域，尤其涉及一种运动平台激光通信终端的紧凑轻量型设计方法。

背景技术：

激光通信一直以来都是通信领域的研究热点，激光通信以激光为载体，具有传输速率快，体积小，抗干扰能力强、保密性高等特点。而运动平台激光通信终端作为天地一体化的激光通信网络的重要节点，对载荷的尺寸、重量和功耗有更严格的要求。

目前在激光通信中主要采用万向架、反射镜等传统机械扫描装置。万向架可进行大角度的旋转，但体积大、动态响应能力差；反射镜响应速度快，但偏转角度较小，对振动敏感。旋转双棱镜作为光束指向控制装置，具有结构紧凑、指向精度高、可实现大口经光束进行大角度偏转，损耗小、造价便宜等优点，在激光通信中有良好的应用途径。在先技术(专利号：201710450647.8)提出基于旋转双闪耀光栅的二维光束偏转的方法，可以减小旋转双棱镜的体积、重量，但具有较强的衍射效应，影响光束传输效率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：由于运动平台激光通信终端对载荷有严格的尺寸、重量和功耗要求，传统的机械扫描装置如万向架、反射镜等很难实现结构紧凑轻便，大角度光束偏转的要求。传统的旋转双棱镜虽然能够做到结构紧凑，光束大角度偏转的要求，但随着口径的增大，体积以及重量也会增大。

本发明采用的技术方案为：一种运动平台激光通信终端的紧凑轻量型设计方法，将运动平台激光通信中的旋转双棱镜光束扫描装置，通过精密切割或多块棱镜拼接而成周期锯齿状旋转双棱镜光束扫描装置。在增大口径的同时能保证整个装置结构紧凑轻量化。

一种运动平台激光通信终端的紧凑轻量型设计方法，所述结构包括周期性第一锯齿状旋转棱镜，第二锯齿状旋转棱镜，第一电机，第二电机，分光镜，捷联惯性测量单元，快反镜，探测器，缩束器，激光发射器。

周期性锯齿状旋转双棱镜可以使得系统体积和质量减少，使得整个系统结构紧凑轻量化。电机的主要作用是带动周期性第一锯齿状旋转棱镜和第二锯齿状旋转棱镜独立绕轴转动。

分光镜主要是通过本地通信终端发射出的光束，与远端通信终端解调后的光束波长不一致，从而使得发射光束与解调后的光束分离开来。

捷联惯性测量单元可以测得平台的三轴加速度和速度，通过坐标变换的方式将平台振动解算到棱镜的旋转轴和快反镜的偏转方向上，从而实现振动的抑制。

快反镜通过偏转角度使得光束能够进行快速小角度偏转，让光束稳定高速精确到达目标位置。

探测器在运动平台激光通信终端中主要是探测来自通信过程中远端通信终端解调后的光束。

缩束器主要是保证本地通信终端光斑发出的较大光束能够限制在成像设备中，以及远端通信终端发出的较弱光束能够被探测器所探测到。

本发明在激光通信过程中对光束的控制主要有以下几个方面：

第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜垂直于发射光束传播方向平行放置。第一电机、第二电机放置在第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜边缘，带动第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜独立绕轴转动。将缩束器平行放置在锯齿状旋转双棱镜的正前方，保证光斑较大的光束和较弱的光束都能通过锯齿状旋转双棱镜从而被探测到。

本地通信终端发出的光束通过分光镜、快反镜、缩束器后到达锯齿状旋转双棱镜上，第一电机、第二电机通过给定指令带动第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜独立绕轴转动。第一电机、第二电机接收的指令通过期望探测器探测到目标的方位角和偏转角得到。具体为通过发射光束的方位角偏转角，以及期望目标的方位角和偏转角，再通过旋转双棱镜中的非近轴光线追迹法反向解得第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜的偏转角度，由第一电机、第二电机带动第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜转动，使得光束按照期望的方位角偏转角出射。

在采用非近轴光线追迹法反解第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜的旋转角度时，已知旋转双棱镜的折射率n1、n2，顶角α1、α2，期望光束出射方位角θ，偏转角φ。光束出射的偏转角只与旋转双棱镜中第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜的旋转角度θ1、θ2有关。可以根据期望偏转角求出旋转双棱镜中第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜的相对偏转角|δθ|。

采用非近轴光线追迹法反解时，已知期望偏转角φ，固定旋转双棱镜中的一块棱镜不动，转动另一块棱镜，使得两棱镜夹角达到下式所表示的值：

其中，

固定两棱镜夹角|δθ|不变，同时转动第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜，使得出射光束的方位角达到期望值。还可以通过一阶近似法求解第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜的旋转角度。

在周期性锯齿状旋转双棱镜中每一小部分的棱镜顶角相同，周期性锯齿状旋转双棱镜的光线反解法也可采用一阶近似法或非近轴光线追迹法，根据期望光束出射偏转角和方位角得到第一锯齿状旋转棱镜、第二锯齿状旋转棱镜的旋转角度。值得注意的是周期性锯齿状旋转双棱镜在锯齿交接处会损耗掉一部分光线。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)将传统旋转双棱镜设计成周期性锯齿状结构，可以使得系统体积和质量减小，在保证实现大口经光束进行大角度偏转时，也能使得整个系统结构紧凑轻量化。

(2)周期性锯齿状旋转双棱镜结构简单，造价便宜，能有效避免光束衍射，增加光束传输效率。

(3)旋转双棱镜与快反镜、捷联惯性测量单元的结合可以提高光束的指向精度，加快响应，同时有效抑制装置振动。

附图说明

图1是本发明运动平台激光通信终端紧凑轻量化结构示意图。

图中附图标记含义为：1为激光发射器；2为探测器；3为分光镜；4为快反镜；5为缩束器；6为第一电机；7为第二电机；8为第一锯齿状旋转棱镜；9为第二锯齿状旋转棱镜；10为捷联惯性测量单元。

具体实施方式

本发明公开提出的一种运动平台激光通信终端紧凑型轻量化设计方法，理论结构简单，能实现光束大角度偏转，在增大口径的同时，保证设备结构体积重量满足要求，为运动平台激光通信终端结构紧凑轻量化提供了有效的途径。

图1为运动平台激光通信终端紧凑型轻量化结构示意图，其中包括激光发射器1、探测器2、分光镜3、快反镜4、缩束器5、第一电机6、第二电机7、第一锯齿状旋转棱镜8、第二锯齿状旋转棱镜9、捷联惯性测量单元10。图1中虚线表示本地通信终端发出光束到达远端通信终端的路径，点划线表示远端通信终端发出的光束到达本地探测器上的路径。

在运动平台激光通信终端紧凑型轻量化结构中，激光发射器1发射出携带信息的激光光束。发射光束通过分光镜3后反射到快反镜4上，快反镜4通过偏转角度使得光束快速进行小角度偏转，偏转后的光束能够稳定高速精确到达缩束器5上。缩束器5能将发射出的携带信息的大光斑激光光束限制在整个成像设备中，发射光束通过缩束器5后到达锯齿状旋转双棱镜。第一锯齿状旋转棱镜8和第二锯齿状旋转棱镜9分别通过第一电机6、第二电机7带动独立绕轴转动，第一锯齿状旋转棱镜8和第二锯齿状旋转棱镜9的偏转角度由预先给定的出射光束方位角和俯仰角通过非近轴光线追迹法精确求解得出。通过锯齿状旋转双棱镜折射后的携带信息的激光光束到达远端通信终端，在远端通信终端通过解调得到原光束信息。此时解调后的光束与本地通信终端发射出的光束波长不同，通过分光镜3可以将解调后的光束与发射出的光束分别开来，保证本地探测器探测到的为解调后的原光束信息。解调后的光束通过锯齿状旋转双棱镜后按原光路返回，结合快反镜，使得光束能够稳定快速精确到达本地探测器上。在运动平台激光通信终端中，捷联惯性测量单元10通过加速度计和陀螺仪可以测得平台的三轴加速度和速度，并通过坐标变换的方式将平台振动解算到棱镜的旋转轴和快反镜4的偏转方向上，从而实现平台振动的抑制。

给定期望光束在远端通信终端的出射方位角θ，偏转角φ，激光发射器1发出的激光光束通过分光镜3、缩束器5到达第一锯齿状旋转棱镜8上，第一电机6通过给定指令带动第一锯齿状旋转棱镜8旋转角度θ1，光束通过第一锯齿状旋转棱镜8后折射到第二锯齿状旋转棱镜9上，第二电机7通过给定指令带动第二锯齿状旋转棱镜9旋转角度θ2，光束通过第二锯齿状旋转棱镜9折射后按期望角度出射。第一锯齿状旋转棱镜8、第二锯齿状旋转棱镜9的旋转角度θ1、θ2由以下方法给出：

第一锯齿状旋转棱镜8和第二锯齿状旋转棱镜9的相对旋转角度|δθ|与周期性锯齿状旋转双棱镜顶角α1、α2，折射率n1、n2和期望出射光束偏转角φ相关：

其中

保持第一锯齿状旋转棱镜8和第二锯齿状旋转棱镜9的相对旋转角度不变，同时转动第一锯齿状旋转棱镜8和第二锯齿状旋转棱镜9，使出射光束的方位角达到期望方位角θ。

在本例中对传统旋转双棱镜的加工精度较为严格，通过整块旋转双棱镜切割成周期性锯齿状旋转双棱镜时，需要做到切割面光滑平整，减少损耗。通过多块旋转双棱镜拼接成周期性锯齿状旋转双棱镜时，要做到拼接处密接严实。