CN111510212A - 一种空地激光通信链路激光捕获导引装置 - Google Patents

Abstract

一种空地激光通信链路激光捕获导引装置，涉及一种激光通信技术，为了实现链路的快速建立和异常中断后的快速恢复问题。本发明的导引光发射天线和导引光接收天线分别设置在激光通信终端主天线上，并且导引光发射天线的光束出瞳方向与激光通信终端主天线的内部光束出瞳方向一致，导引光接收天线的接收视场方向与激光通信终端主天线的接收视场方向一致。有益效果为有效地解决了扫描耗时，捕获成功率低、通信中断后难恢复等问题，提高了空地激光通信终端的捕获性能，为空地通信技术领域带来了革命性创新。

Description

一种空地激光通信链路激光捕获导引装置

技术领域

本发明涉及一种激光通信技术。

背景技术

空地激光通信一般指飞行器与地面两点之间的激光通信信息互传，具有通信数据率高、抗干扰、保密性好等优点，且不受微波频段许可限制，具有广阔的应用前景。由于飞行器位置和站台处于实时动态变化中，空地激光通信链路的相对角度和角速度也在实时改变，对于链路的快速建立提出了较大挑战。

激光通信链路的捕获主要用于链路的初始建立和异常中断后的恢复，是指两个链路的终端根据双方位置和姿态信息，进行相互对准、扫描和光信号探测的全过程。目前激光通信终端普遍采用内部的导引光和捕获跟踪探测器，通过二维转台扫描完成链路捕获；对于空地激光链路，捕获不确定角范围一般可达2°左右，而终端导引光发散角一般在0.05°左右，捕跟探测器视场角在0.2度左右，相差10至40倍；对于二维双向空间扫描，理论上最大需要10*10*40*40＝160000场的扫描探测才能完成激光光束捕获，按每场50ms估算，最大捕获时间2个小时以上，严重影响激光通信在空地通信技术领域的应用。

发明内容

本发明的目的是为了实现链路的快速建立和异常中断后的快速恢复，提出了一种空地激光通信链路激光捕获导引装置。

本发明所述的一种空地激光通信链路激光捕获导引装置，该激光捕获导引装置包括导引光发射天线和导引光接收天线；

所述导引光发射天线和导引光接收天线分别设置在激光通信终端主天线上，并且导引光发射天线的光束出瞳方向与激光通信终端主天线的内部光束出瞳方向一致，导引光接收天线的接收视场方向与激光通信终端主天线的接收视场方向一致。

本发明所述的一种空地激光通信链路激光捕获导引装置在激光通信链路建立初期起到预先瞄准与捕获的作用，当激光通信终端内部通信链路建立完成后出现异常中断时，进行快速响应重启瞄准与捕获功能，确保重新能够恢复通信链路，保证通信功能的稳定性。

本发明的有益效果是利用导引光发射天线的导引光发射束散角大以及导引光接收天线接收视域宽的特点，有效地解决了扫描耗时，捕获成功率低、通信中断后难恢复等问题，提高了空地激光通信终端的捕获性能，为空地通信技术领域带来了革命性创新。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种空地激光通信链路激光捕获导引装置的结构示意图；

图2为具体实施方式一中引入一种空地激光通信链路激光捕获导引装置后的激光通信终端工作流程图；

图3为具体实施方式二中导引光发射天线的结构示意图；

图4为具体实施方式三中导引光接收天线的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种空地激光通信链路激光捕获导引装置，该激光捕获导引装置包括导引光发射天线2和导引光接收天线3；

所述导引光发射天线2和导引光接收天线3分别设置在激光通信终端主天线1上，并且导引光发射天线2的光束出瞳方向与激光通信终端主天线1的内部光束出瞳方向一致，导引光接收天线3的接收视场方向与激光通信终端主天线1的接收视场方向一致。

在本实施方式中，该导引装置主要在激光通信链路建立初期起到预先瞄准与捕获的作用，当激光通信终端内部通信链路建立完成后出现异常中断时，进行快速响应重启瞄准与捕获功能，确保重新能够恢复通信链路，保证通信功能的稳定性。引入捕获导引装置的激光通信终端工作流程，如下图2所示；具体的工作流程包括以下步骤：

步骤一、激光通信终端上电自检：执行激光通信终端各个模块供电与状态检查，确保终端中设备的各项功能均正常；

步骤二、姿态、GPS信息获取与分析：通过无线信道可使对接的两套激光通信终端完成姿态、GPS位置数据的互通，再由导引装置的处理程序，分析得到两套终端导引装置相互瞄准的角度；

步骤三、导引装置执行预瞄准：利用步骤二中得到的瞄准角度信息，控制激光通信终端的伺服机构到达预定瞄准位置；

步骤四、导引装置执行扫描与捕获：在预定瞄准位置的基础上，扫描角度完全覆盖捕获不确定角，进行捕获；

步骤五、第一次判断是否导引捕获成功：若捕获成功，则执行步骤六；若捕获不成功，返回执行步骤二；

步骤六、导引装置跟踪：通过导引光接收天线2反馈得到的导引光位置信息，结合步骤二获取的姿态、GPS位置信息，控制激光通信终端的伺服机构进行跟踪；

步骤七、激光通信终端内部精跟踪与通信：由于捕获导引装置的光轴与激光通信终端内部光轴近乎同轴，所以当导引装置跟踪时，激光通信终端内部光信号即可进入精跟踪范围，并可立即进入精跟踪与通信模式；如果通信正常，则激光通信结束，否则执行步骤八；

步骤八、通信异常中断：由于飞行器位置和在台处于实时动态变化中，空地激光通信链路的相对角度和角速度也在实时改变，在精跟踪通信过程中可能出现信号丢失的情况；

步骤九、姿态、GPS信息重新获取与分析：通过无线信道可使对接的两套激光通信终端完成姿态、GPS位置数据的互通，再由导引装置的处理程序，分析得到两套终端导引装置相互瞄准的角度；

步骤十、导引装置执行再扫描与捕获：通过步骤九得到的最新姿态与GPS位置数据，由导引装置的处理程序分析得到与之前瞄准角度的偏差，再直接控制激光通信终端的伺服机构修正此角度，然后重新执行扫描与捕获；

步骤十一、第二次判断是否导引捕获成功：若捕获成功，则进入步骤十二；若捕获不成功，返回执行步骤九；

步骤十二、导引装置跟踪：通过导引光接收天线装置反馈得到的导引光位置信息，结合第9步骤中的姿态、GPS位置信息，控制激光通信终端的伺服机构进行跟踪；返回执行步骤七。

引入捕获导引装置与未引入捕获导引装置的激光通信终端工作性能对比结果，如下表1所示。

表1工作性能对比结果表

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种空地激光通信链路激光捕获导引装置进一步限定，在本实施方式中，所述导引光发射天线2包括光源201、多模光纤202、第一光束整形系统203和发射天线外壳204；

发射天线外壳204为一端开口的筒状结构，并且其开口端朝向与激光通信终端主天线1的内部光束出瞳方向相同；

第一光束整形系统203设置在发射天线外壳204内，并且第一光束整形系统203的光束出瞳方向与发射天线外壳204的开口端朝向方向相同；第一光束整形系统203的波前质量RMS≤1/10λ@632.8nm；

多模光纤202的一端连接在光源201的出光口处，多模光纤202的另一端穿过发射天线外壳204延伸至发射天线外壳204内，并且多模光纤202的另一端所处位置为第一光束整形系统203的焦点处。

在本实施方式中，第一光束整形系统203的有效口径为30mm；多模光纤202为大芯径多模光纤，多模光纤202的芯径为105μm，NA＝0.30，光学系统内部采用FC/PC接口；为防止波段复用带来的信号干扰情况，光源201为激光光源，其工作波长为808±5nm，最大输出功率为2W，光源201的工作波段区别于激光通信终端内部的光信号工作波段，中心波长偏离至少30nm；同时，通过超精密机械制造技术配合精研磨加工手段，控制多模光纤202的另一端所处的物理位置为第一光束整形系统203的焦点处，定位误差小于10μm；第一光束整形系统203采用镀增透介质膜的方式，提高光束发射能量透过率在85％以上，并通过光学设计与加工保证其波前质量RMS≤1/10λ@632.8nm；镀增透膜在808±5nm透过率为98％；通过光学装调最终保证导引光发射天线的光束的发散角约为4°，光纤安装定位误差小于10μm，导引光发射天线2的光轴与激光通信终端主天线1内部光轴的同轴度偏差在2μrad以内。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种空地激光通信链路激光捕获导引装置进一步限定，在本实施方式中，所述导引光接收天线3包括第二光束整形系统301、COMS302、信息处理系统303和接收天线外壳304；

接收天线外壳304为一端开口的筒状结构，并且其开口端朝向与激光通信终端主天线1的接收视场方向相同；

第二光束整形系统301和COMS302分别设置在接收天线外壳304内，并且第二光束整形系统301的接收视场方向与接收天线外壳304的开口端朝向方向相同；第二光束整形系统301的波像差质量RMS≤1/12λ@632.8nm，成像视场角为8°；COMS302的探测中心接收位置处于第二光束整形系统301的成像焦面处；

COMS302的信息处理输出端与信息处理系统303的信息处理输入端电连接；

信息处理系统303用于解析成像光斑靶向位置

在本实施方式中，第二光束整形系统301的有效口径为50mm，接收光波段为808±5nm；COMS302感光芯片分辨率1280px*1024px，接口USB3.0，像素位深度8bits，像元尺寸3.45*3.45μm；通过超精密机械制造技术配合精研磨加工手段，控制CMOS302的探测中心接收位置处于第二光束整形系统301成像焦面处，定位误差小于20μm；第二光束整形系统301采用窄带滤光镜配合镀增透介质膜的方式，降低背景光干扰，提高有效波段光束接收能量透过率在95％以上，并通过光学设计与加工保证光束整形系统波像差质量RMS≤1/12λ@632.8nm，成像视场角约为8°，窄带滤光中心波长808±5nm透过率峰值为95％，半峰值带宽8nm，截止波长200nm-1100nm；使用探测灵敏度优于-75dBm的COMS302器件，配备800Hz以上高响应的信息处理系统303，可快速解析成像光斑靶向位置，进而计算出瞄准捕获角度；最终通过光学装调保证导引光接收天线3的导引光接收视场中心与激光通信终端主天线1内部接收视场中心的同轴度偏差在10μrad以内。

Claims (3)

1.一种空地激光通信链路激光捕获导引装置，其特征在于，该激光捕获导引装置包括导引光发射天线(2)和导引光接收天线(3)；

所述导引光发射天线(2)和导引光接收天线(3)分别设置在激光通信终端主天线(1)上，并且导引光发射天线(2)的光束出瞳方向与激光通信终端主天线(1)的内部光束出瞳方向一致，导引光接收天线(3)的接收视场方向与激光通信终端主天线(1)的接收视场方向一致。

2.根据权利要求1所述的一种空地激光通信链路激光捕获导引装置，其特征在于，所述导引光发射天线(2)包括光源(201)、多模光纤(202)、第一光束整形系统(203)和发射天线外壳(204)；

发射天线外壳(204)为一端开口的筒状结构，并且其开口端朝向与激光通信终端主天线(1)的内部光束出瞳方向相同；

第一光束整形系统(203)设置在发射天线外壳(204)内，并且第一光束整形系统(203)的光束出瞳方向与发射天线外壳(204)的开口端朝向方向相同；第一光束整形系统(203)的波前质量RMS≤1/10λ@632.8nm；

多模光纤(202)的一端连接在光源(201)的出光口处，多模光纤(202)的另一端穿过发射天线外壳(204)延伸至发射天线外壳(204)内，并且多模光纤(202)的另一端所处位置为第一光束整形系统(203)的焦点处。

3.根据权利要求1所述的一种空地激光通信链路激光捕获导引装置，其特征在于，所述导引光接收天线(3)包括第二光束整形系统(301)、COMS(302)、信息处理系统(303)和接收天线外壳(304)；

接收天线外壳(304)为一端开口的筒状结构，并且其开口端朝向与激光通信终端主天线(1)的接收视场方向相同；

第二光束整形系统(301)和COMS(302)分别设置在接收天线外壳(304)内，并且第二光束整形系统(301)的接收视场方向与接收天线外壳(304)的开口端朝向方向相同；第二光束整形系统(301)的波像差质量RMS≤1/12λ@632.8nm，成像视场角为8°；COMS(302)的探测中心接收位置处于第二光束整形系统(301)的成像焦面处；

COMS(302)的信息处理输出端与信息处理系统(303)的信息处理输入端电连接；

信息处理系统(303)用于解析成像光斑靶向位置。

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