一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線，屬于空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線由廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)、雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)、入射激光探測分系統(tǒng)和縮束光學(xué)分系統(tǒng)組成。該天線利用廣角擴束鏡實現(xiàn)對方位全周、俯仰大角度范圍內(nèi)的目標信號進行接收，利用雙光楔組對多個目標進行同時跟蹤，采用卡式縮束系統(tǒng)，將大口徑光學(xué)天線接收到的光束口徑進行壓縮，減小后續(xù)系統(tǒng)的口徑，降低加工設(shè)計難度并有利于光學(xué)系統(tǒng)的輕小型化。本發(fā)明有利于對空間方位很接近的多個通信目標同時進行激光通信。
【專利說明】
一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線，屬于空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]空間激光通信與其它無線通信相比，具有不需要頻率許可證、頻率寬、成本低廉、保密性好、抗電磁干擾等優(yōu)點。世界上許多國家已投入大量資金和人力開展空間激光通信技術(shù)研究，并且在理論研究、仿真模擬、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、原理樣機研制和多種鏈路的演示試驗方面取得了多項成果。目前已經(jīng)成功的激光通信演示驗證都是點對點的工作模式，發(fā)展趨勢是一點對多點以及多點間同時激光通信，從而實現(xiàn)空間激光通信組網(wǎng)。日本提出激光與微波通信結(jié)合的雙層低軌道全球通信組網(wǎng)方案，具體論證了在地球700公里和2000公里的低空中部署兩套衛(wèi)星系統(tǒng)的可行性;衛(wèi)星之間采用激光互聯(lián)技術(shù)進行信息傳遞，與地面的關(guān)口站的通信鏈路由上層衛(wèi)星負責(zé)，采用激光鏈路；下層衛(wèi)星負責(zé)與小型地面站和移動用戶的通信，采用微波鏈路。(參考文獻:1、對發(fā)展衛(wèi)星移動通信的幾點思考.張乃通、劉會杰、初海彬.電氣電子教學(xué)學(xué)報.2002，第24卷第I期.2、深空測控通信技術(shù)發(fā)展趨勢分析.林墨.2005，第24卷第3期.3、星地光通信多點地面接收方案的初步研究.張誠，顧聞博等.光子學(xué)報.2008，第37卷第2期。)，另外美國提出兩種空間激光通信組網(wǎng)的方法，其中一種方法是在反射元件放置多個收發(fā)端，通過調(diào)整收發(fā)端位置，實現(xiàn)不同點、不同距離的空間激光通信采(美國專利號:6445496B1)，另一種方法是利用R-C望遠結(jié)構(gòu)，焦面處放置NXN的光纖陣列，提供較大的焦平面，實現(xiàn)單個光學(xué)望遠結(jié)構(gòu)的一點對多點空間激光通信采用探測器陣列與焦面耦合擴大接收視場的方案(美國專利號:6912360B1)。這些關(guān)于激光通信組網(wǎng)構(gòu)建具體系統(tǒng)的初步構(gòu)想，不能應(yīng)用于多點間大范圍空間激光通信組網(wǎng)，在技術(shù)上存在瓶頸，不具備廣泛的應(yīng)用性。還有一篇中國專利“一種基于多元組合旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)的一點對多點激光通信裝置”(專利號:ZL201010199217.1)采用旋轉(zhuǎn)拋物面作為光學(xué)天線，該種結(jié)構(gòu)能量利用率低，接收口徑大，后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)加工排布等實現(xiàn)較困難。另一篇專利“空間激光通信用大視場同心球面裝置”(專利申請?zhí)?201418004682.4)采用大視場同心球面裝置來實現(xiàn)多點同時激光通信，但其發(fā)射接收裝置需在像面上進行滑動以實現(xiàn)對目標的跟蹤，控制比較困難。另外一篇專利“一種多點激光通信用光學(xué)天線”(專利號:ZL201110141158.7)采用多反射精拼接光學(xué)天線來實現(xiàn)一點對多點激光通信，上述五種專利不能對兩個空間方位角很接近的目標同時進行空間激光通信。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了在多點激光通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)對多個空間方位角很接近的目標同時進行空間激光通信，本發(fā)明提出了一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線。
[0004]—種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線，該裝置由廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(1)、雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)、入射激光探測分系統(tǒng)(3)、卡式縮束分系統(tǒng)(4)組成。
[0005]廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)是通過將伽利略望遠鏡倒置使用來構(gòu)造的，其視場角較大，方位可達360，俯仰方向可達O?±80，不同角度的入射光經(jīng)過廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)后以平行光出射，且在天線出瞳處重疊，但出射方向不同。
[0006]雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)由N個雙光楔(7)組成，放置于廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)出瞳處。
[0007]入射激光探測分系統(tǒng)(3)由入射激光探測鏡頭(9)和入射激光探測相機(10)組成，放置于廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)外側(cè)，其光軸與廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)平行。
[0008]卡式縮束分系統(tǒng)(4)沿所述天線主軸方向放置于雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)之后。
[0009]—種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線的工作過程如下:
從空間不同方向的入射激光光束入射到廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)和入射激光探測分系統(tǒng)(3)上，經(jīng)透射式廣角擴束鏡(5)擴束后為平行光，并且在鏡頭出瞳(6)處重疊，然后以不同的角度入射到雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)中。同時入射激光探測分系統(tǒng)(3)探測出入射激光的方向和光束個數(shù)，并將這些信息發(fā)送給雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)，根據(jù)光束方向信息對相應(yīng)的雙光楔(7)進行控制，讓其旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，使得廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)
(I)出瞳處的入射光經(jīng)過雙光楔組偏折后，能夠平行于天線旋轉(zhuǎn)軸傳播進入卡式縮束分系統(tǒng)(4)，以完成對目標的粗跟蹤。根據(jù)光束個數(shù)對N個雙光楔(7)進行優(yōu)化控制，使所有雙光楔組都能夠?qū)εc其相對應(yīng)的入射光束進行適當(dāng)?shù)钠郏蕴岣呦到y(tǒng)的能量利用率。這樣就完成了對多個目標信號光的同時跟蹤，經(jīng)雙光楔組偏折后的入射光平行于系統(tǒng)光軸進入到卡式縮束分系統(tǒng)(4)中，再由后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)進行分離探測，這樣就完成了多點激光通信接收;對于多個空間方位角很接近的通信目標，可利用一個雙光楔對一個通信目標進行跟蹤與通信，從而實現(xiàn)對多個空間方位角很接近的目標同時進行空間激光通信。根據(jù)光路可逆原理，后續(xù)激光通信系統(tǒng)中的發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)待通信目標的方向發(fā)射激光束，經(jīng)過卡式縮束分系統(tǒng)(4)后，入射到雙光楔粗跟蹤系統(tǒng)(2)中，由相對應(yīng)的雙光楔(7)進行偏折，然后由廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)按照固定方向發(fā)射出去，這樣就完成了多點激光通信發(fā)射。
有益效果
[0010]本發(fā)明提出基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線能夠?qū)崿F(xiàn)在水平方向全周、俯仰方向在設(shè)計視場角內(nèi)的一點對多點的激光通信;與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:由雙光楔組來實現(xiàn)對目標的粗跟蹤，因此相比于基于拋物面的光學(xué)天線，其可實現(xiàn)對空間方位角很近的兩個目標同時通信;相比與大視場同心球面裝置，其跟蹤控制難度更??；同時采用卡式縮束分系統(tǒng)，將大口徑光學(xué)天線接收到的光束直徑進行壓縮，減小后續(xù)系統(tǒng)的口徑，降低加工設(shè)計難度并有利于光學(xué)系統(tǒng)的輕小型化;另外本光學(xué)天線可根據(jù)目標多少靈活確定跟蹤方案，在目標較少的情況下，可利用多個雙光楔跟蹤同一目標，提高系統(tǒng)光能利用率，有利于系統(tǒng)資源合理優(yōu)化配置。
【附圖說明】
[0011]圖1為一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線示意圖，此圖也是說明書摘要附圖，其中:I廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)，2雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)，3入射激光探測)分系統(tǒng)，4卡式縮束分系統(tǒng)。
[0012]圖2為光學(xué)天線分系統(tǒng)示意圖，其中5透射式廣角擴束鏡，6為天線出瞳。
[0013]圖3為雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)示意圖，此圖為雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)的俯視圖，其中7為雙光楔。
[0014]圖4為雙光楔示意圖，此圖為雙光楔的側(cè)面剖視圖，其中8單光楔。
[0015]圖5位入射激光探測分系統(tǒng)示意圖，其中9為激光探測鏡頭，10為激光探測相機。
【具體實施方式】
[0016]光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)采用透射式廣角擴束鏡(5)，用來接收不同通信目標發(fā)射的通信信號光，其工作范圍方位可達360，俯仰方向可達O?±80。不同通信目標發(fā)射的信號光經(jīng)過光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)中的透射式廣角擴束鏡(5)擴束之后，以平行光出射，并且在天線出瞳(6)處重疊，但各信號光出射方向不同。出射光線的入射角度相對較小，由目標范圍角的一百多度降為十幾度。由于俯仰在小角度范圍內(nèi)變化，因此可采用雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)
(2)實現(xiàn)對多個目標的同時粗跟蹤。
[0017]雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)由N對雙光楔(7)組成，如圖3，是雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)的俯視圖，每一個圓圈代表一對雙光楔(7)。圖4所不，代表雙光楔(7)的側(cè)面剖視圖，每一個三角代表一個單光楔(8)，當(dāng)光束入射到每一對雙光楔(7)的時候，兩個單光楔(8)相對旋轉(zhuǎn)一定的角度來實現(xiàn)對光束的偏轉(zhuǎn)，達到偏轉(zhuǎn)光束的作用。每對雙光楔(7)實現(xiàn)對一個目標的跟蹤，整個系統(tǒng)可同時實現(xiàn)N個目標的粗跟蹤。當(dāng)每對雙光楔(7)對所有的目標都實現(xiàn)了穩(wěn)定的粗跟蹤后，各目標信號光均平行于系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸向后續(xù)系統(tǒng)傳播。由于各信號光到雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)的入射角和目標個數(shù)都需要提前確定，因此在光學(xué)天線旁平行放置入射激光探測分系統(tǒng)(3)。
[0018]入射激光探測分系統(tǒng)(3)由入射激光探測鏡頭(9)和激光探測相機(10)組成，放置于廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)外側(cè)，其光軸與廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)平行。激光探測相機(10)對所有目標信號光均能響應(yīng)，根據(jù)光斑位置就可以確定信號光入射角度，給雙光楔(7)驅(qū)動指令使其偏轉(zhuǎn)合適的角度，使信號光平行于系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸進入卡式縮束分系統(tǒng)(4)的視場內(nèi)。根據(jù)確定的目標個數(shù)，給各雙光楔(7)分配粗跟蹤任務(wù)，在目標較少的情況下，可以用兩個甚至三個雙光楔(7)跟蹤同一個目標，以盡可能提高系統(tǒng)光能利用率。
[0019]卡式縮束分系統(tǒng)(4)對經(jīng)過光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)和雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)的光束進行縮束。然后后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)進行分離探測，這樣就完成了多點激光通信接收;根據(jù)光路可逆原理，后續(xù)激光通信系統(tǒng)中的發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)待通信目標的方向發(fā)射激光束，經(jīng)過卡式縮束分系統(tǒng)(4)后，入射到雙光楔粗跟蹤系統(tǒng)(2)中，由相對應(yīng)的雙光楔(7)進行偏折，然后由廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)按照固定方向發(fā)射出去，這樣就完成了多點激光通信發(fā)射。
【主權(quán)項】
1.一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線，其特征在于，該裝置由廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)、雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)、入射激光探測分系統(tǒng)(3)、卡式縮束分系統(tǒng)(4)組成。2.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線，其特征在于，廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)是通過將伽利略望遠鏡倒置使用來構(gòu)造的，其視場角較大，方位可達360，俯仰方向可達O?±80，不同角度的入射光經(jīng)過廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)后以平行光出射，且在天線出瞳處重疊，但出射方向不同。3.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線，其特征在于，雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2 )由N個雙光楔(7 )組成，放置于廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)出瞳處。4.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線，其特征在于，入射激光探測分系統(tǒng)(3)由入射激光探測鏡頭(9)和入射激光探測相機(10)組成，放置于廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)外側(cè)，其光軸與廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)平行。5.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線，其特征在于，卡式縮束分系統(tǒng)(4)沿所述天線主軸方向放置于雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)之后。6.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線，其特征在于，一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學(xué)天線的工作過程如下: 從空間不同方向的入射激光光束入射到廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)和入射激光探測分系統(tǒng)(3)上，經(jīng)透射式廣角擴束鏡(5)擴束后為平行光，并且在鏡頭出瞳(6)處重疊，然后以不同的角度入射到雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)中，同時入射激光探測分系統(tǒng)(3)探測出入射激光的方向和光束個數(shù)，并將這些信息發(fā)送給雙光楔粗跟蹤分系統(tǒng)(2)，根據(jù)光束方向信息對相應(yīng)的雙光楔(7)進行控制，讓其旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，使得廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)出瞳處的入射光經(jīng)過雙光楔組偏折后，能夠平行于天線旋轉(zhuǎn)軸傳播進入卡式縮束分系統(tǒng)(4)，以完成對目標的粗跟蹤，根據(jù)光束個數(shù)對N個雙光楔(7)進行優(yōu)化控制，使所有雙光楔組都能夠?qū)εc其相對應(yīng)的入射光束進行適當(dāng)?shù)钠?，以提高系統(tǒng)的能量利用率，這樣就完成了對多個目標信號光的同時跟蹤，經(jīng)雙光楔組偏折后的入射光平行于系統(tǒng)光軸進入到卡式縮束分系統(tǒng)(4)中，再由后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)進行分離探測，這樣就完成了多點激光通信接收;對于多個空間方位角很接近的通信目標，可利用一個雙光楔對一個通信目標進行跟蹤與通信，從而實現(xiàn)對多個空間方位角很接近的目標同時進行空間激光通信，根據(jù)光路可逆原理，后續(xù)激光通信系統(tǒng)中的發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)待通信目標的方向發(fā)射激光束，經(jīng)過卡式縮束分系統(tǒng)(4)后，入射到雙光楔粗跟蹤系統(tǒng)(2)中，由相對應(yīng)的雙光楔(7)進行偏折，然后由廣角擴束鏡光學(xué)天線分系統(tǒng)(I)按照固定方向發(fā)射出去，這樣就完成了多點激光通信發(fā)射。
【文檔編號】H04B10/116GK105827310SQ201610168447
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】江倫, 張立中, 王超
【申請人】長春理工大學(xué)