CN109889252B - 星间激光通信系统 - Google Patents

Abstract

一种星间激光通信系统，可应用于自由空间激光通信中。该系统装置的原理是在发射光路中，强度调制的激光经45°反射镜后，通过收发共用光路发射出去；在接收光路中，接收到的信号光首先通过收发共用光路，再经滤光片后入射到光电探测单元上，实现位置解算以及通信信号的提取。收发共用光路由前光楔、后光楔、收发透镜以及中孔反射镜组成。其中，通过前光楔和后光楔的协同旋转实现激光通信链路的建立；收发透镜的作用是对接收到的平行光进行聚焦以及对发射光进行准直输出；中孔反射镜主要实现收发光路的分离。本发明的特点是采用收发同轴的设计方案，减小了体积同时提高了系统的稳定性。利用发射波长和接收波长不同的方式，增加了系统的隔离度。并且利用旋转双光楔的方式，使得光束的偏向角达到±30°。

Description

星间激光通信系统

技术领域

本发明属于星间激光通信组网的应用领域，特别适用于资源限制严重的微小卫星之间的小型化、紧凑型以及轻量化的高速率、双向数据传输，具体是一种星间激光通信系统。

背景技术

传统的射频通信由于受其频段的限制，使其通信速率很难突破1Gbps。空间激光通信技术已经成为解决射频通信速率瓶颈最有效的手段之一。目前高速星间激光通信链路一般采取相干激光通信体制，其通信灵敏度高、通信速率高，但技术复杂，资源消耗大。相比于相干通信体制，基于强度调制-直接探测的方案，虽然其通信灵敏度低、通信速率低。但是因其技术简单，资源消耗小的特点，使其更加适用于资源限制严重的微小卫星上。

发明内容

本发明专利的目的是突破传统射频通信速率的瓶颈，提供一种在资源受限严重的微小卫星间实现高速双向数据通信的系统装置。该系统采用单个光电探测单元同时实现光束位置和通信数据的解算，使用双光楔实现光束指向的控制，同时利用收发同轴的方式减小了系统的体积。

本发明的基本原理是在发射光路中，强度调制的激光经45°反射镜后，通过收发共用光路发射出去；在接收光路中，接收到的信号光首先通过收发共用光路，再经滤光片后入射到光电探测单元上，实现位置解算以及通信信号的提取。收发共用光路由双光楔、收发透镜以及中孔反射镜组成。其中，双光楔的作用是对接收和发射光进行指向控制；收发透镜的作用是对接收到的平行光进行聚焦以及对发射光进行准直输出；中孔反射镜主要实现收发光路的分离。

本发明技术解决方案如下

一种星间激光通信系统，其特点在于：包括激光器驱动单元，半导体激光器，第一泵浦激光器，第一波分复用器，第一光纤放大器，第二泵浦激光器，第二波分复用器，第二光纤放大器，45°反射镜，中孔反射镜，收发透镜，前光楔，后光楔，太阳滤光片，后光楔电机，前光楔电机，滤光片，光电探测单元，位置解算单元，信号处理单元和主控单元；

在发射光路中，所述的主控单元产生所需的调制电信号经激光器驱动单元后调制所述的半导体激光器，半导体激光器输出的光和第一泵浦激光器输出的光经第一波分复用器合束后通过第一光纤放大器实现光信号的第一级放大，第一级放大的光信号和第二泵浦激光器输出的光经第二波分复用器合束后通过第二光纤放大器实现光信号的第二级放大，第二级放大后的光信号经过45°反射镜反射后无衰减的通过中孔反射镜的中空部分，形成发射光束经所述的收发透镜准直输出后依次经过前光楔和后光楔，通过控制前光楔电机转动前光楔和通过控制后光楔电机转动后光楔，改变发射光束的指向，使发射光束经所述的太阳滤光片透射；

在接收光路中，所述的太阳滤光片将背景光中的杂散光滤除，使接收光束经太阳滤光片透射后，依次经过后光楔前光楔，通过控制前光楔电机转动前光楔和通过控制后光楔电机转动后光楔，改变接收光束的指向，使接收光束经收发透镜透射后以汇聚的光束入射到中孔反射镜上，经中孔反射镜反射后，入射到滤光片，经该滤光片透射后，入射到光电探测单元上，经光电探测单元转换为电信号输出；

所述的信号处理单元接收电信号并解算出通信信号，主控单元接收信号处理单元解算出的通信信号，所述的位置解算单元接收电信号并解算出入射光束的位置信号，前光楔电机和后光楔电机接收位置解算单元解算出的入射光束位置进而驱动前光楔和后光楔。

所述的中孔反射镜、收发透镜、前光楔以及后光楔构成收发共用光路，所述的中孔反射镜为环形平面镜，空心内环用于透射发射光束，外环用于将接收到的信号光反射到光电探测单元上。

所述的光电探测单元输出的四路信号分别输入到位置解算单元和信号处理单元，解调出通信信号和入射光束的位置信号。

所述的前光楔和后光楔的材料为单晶硅，旋转前光楔和后光楔，使出射光束偏转。

发射光束和接收光束采用两个不同波段的方式，通过滤光片滤掉发射光束以及背景光等杂散光对光电探测单元的干扰。

所述的收发透镜的焦距为125mm，对应的光电探测器的接收视场角为6mrad。

所述的半导体激光器为带单模尾纤的模拟带宽为10G的直接调制半导体激光器。

所述的光电探测单元实现的位置与通信信号的解算，是指将光电探测单元的信号同时输入到位置解算单元和信号恢复单元，其中位置解算单元根据输入的信号计算出X轴和Y轴方向上的脱靶量Δx和Δy，进而解算出入射光束的位置；信号恢复单元根据输入的信号以过采样的方式，解调出数字信号。

所述的收发同轴光路由前光楔、后光楔、非球面透镜以及中孔反射镜组成。其中，前光楔和后光楔所用的材料都是单晶硅，出射光束的最大偏向角为±30°，方位角为360°。非球面透镜的有效直径为60mm，焦距为125mm。

本发明的优点在于

1、由于传统的星间通信采用射频通信的方式，但是由于受其频段的影响，使其通信速率很难突破1Gbps。同时，射频波段的电磁波方向性差。所以如果采用射频波段进行星间通信会导致通信速率低、保密性差。此发明采用激光通信的方式，实现保密性强、高速率的星间通信。

2、由于使用一个光电探测单元同时实现光束位置和通信数据的解算，再配合上双光楔实现对光束指向的控制，使得该激光通信系统装置的体积大大减小。功耗也随之降低。

3、使用发射激光波长与接收激光波长分离的方式，使得在长距离激光通信距离下，大大降低了由系统杂散光带来的噪声的影响。

附图说明

图1为本发明星间激光通信系统的结构框图。

图中：1—激光器驱动单元、2—半导体激光器、3—第一泵浦激光器、4—第一波分复用器、5—第一光纤放大器、6—第二泵浦激光器、7—第二波分复用器、8—第二光纤放大器、9—45°反射镜、10—中孔反射镜、11—收发透镜、12—前光楔、13—后光楔、14—太阳滤光片、15—后光楔电机、16—前光楔电机、17—滤光片、18—光电探测单元、19—位置解算单元、20—信号处理单元、21—主控单元。

具体实施方式

下面结合实施案例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。请参阅示意图，示意图是本发明一种星间激光通信系统的示意图，由图可见一种星间激光通信系统，包括激光器驱动单元，1540nm半导体激光器，第一泵浦激光器，第一波分复用器，第一光纤放大器，第二泵浦激光器，第二波分复用器，第二光纤放大器，45°反射镜，中孔反射镜，收发透镜，前光楔，后光楔，太阳滤光片，后光楔电机，前光楔电机，滤光片，光电探测单元，位置解算单元，信号处理单元，主控单元，上述元部件的位置关系如下：

在发射光路中，所述的主控单元产生所需的调制电信号经激光器驱动单元后调制半导体激光器，半导体激光器输出的光和第一泵浦激光器输出的光经第一波分复用器合束后通过第一光纤放大器实现光信号的第一级放大，第一级放大的光信号和第二泵浦激光器输出的光经第二波分复用器合束后通过第二光纤放大器实现光信号的第二级放大，放大后的光信号经过45°反射镜反射后无衰减的通过中孔反射镜的中空部分，通过中孔反射镜的发射光束经收发透镜准直输出后入射到前光楔和后光楔，通过控制前光楔电机转动前光楔和控制后光楔电机转动后光楔，改变发射光束的指向后再经太阳滤光片透射；

在接收光路中，所述的太阳滤光片将背景光中的杂散光滤除只透过信号光，经过后光楔和前光楔，通过控制前光楔电机转动前光楔和控制后光楔电机转动后光楔，改变接收光束的指向，经光束指向调整的接收信号光通过收发透镜后以汇聚的光束入射到中孔反射镜上，经中孔反射镜反射后，入射到滤光片，经该滤光片透射后，入射到光电探测单元上，经光电探测单元转换为电信号输出，所述的位置解算单元和信号处理单元接收电信号。其中，位置解算单元根据接收到的电信号解算出入射光束的方向、信号处理单元根据接收到的电信号解算出通信信号。

光电探测单元输出的光电信号同时输入给位置解算单元和通信数据解算单元。其中，位置解算单元根据输入的光电信号解算出当前入射光束的指向，通过电机驱动板驱动前光楔电机和后光楔电机进而转动前光楔和后光楔，实现激光通信链路的建立；在输入光功率为60nW时，数据解算单元解调出数字信号的误码率为1E-6，可实现距离为3000km的星间激光通信。

所述的半导体激光器为带单模尾纤的模拟带宽为10G的直接调制半导体激光器，通过信号调制引脚来调制激光器的输出强度。

所述的收发同轴光路由前光楔、后光楔、收发透镜以及中孔反射镜组成。其中前光楔和后光楔的材料在1.5μm波段附近的折射率为3.42，其楔角都为5.683°，其对应的出射光束的偏转角为±30°，方位角为360°。非球面透镜的有效直径为60mm，焦距为125mm。

所述的直调激光器输出的光信号经过第一光纤放大器和第二光纤放大器两级放大后，输出的光功率为2W，调制对比度为17dB。

本发明一种小型化的星间激光通信系统装置工作时,具体操作步骤如下：

1.通过调整半导体激光器2输出光纤头、45°反射镜9、中孔反射镜10、收发透镜11以及光电探测单元18的位置，使得整个光路满足收发同轴的要求。

2.通过旋转前光楔12和后光楔13。标定出双光楔的零位。随后，标定出双光楔处于零位状态下，横截面X轴、Y轴与光电探测单元18的X轴、Y轴之间的旋转角度关系。

3.通过激光器驱动单元1调制半导体激光器2，调节预放泵浦激光器3的驱动电流使通过预放掺铒光纤放大器5后的输出功率为150mW；调节主放泵浦激光器6的驱动电流使通过主放掺铒光纤放大器8后的输出功率为2W，输出信号的对比度为17dB。

4.根据注入的位置信息，调节前光楔12和后光楔13，使出射光束指向目标的位置(Φ，Θ)。根据，

Φ＝arccos(a₂-a₃*cos(α₂))、

得到前光楔(12)旋转角θ₁和后光楔(13)旋转的角度θ₂:

θ₁＝Θ-Ψ₀+(Δθ)₀

θ₂＝Θ-Ψ₀

其中：

α₁、α₂分别代表前光楔12和后光楔13的楔角；n代表它们的折射率；Δθ＝θ₁-θ₂。由上述几式可以得到出射光束指向(Φ，Θ)与前光楔12和后光楔13转角θ₁、θ₂之间的对应关系。

5.将光电探测单元18输出的四路光电信号(V₁、V₂、V₃、V₄)输入到位置解算单元19中，位置解算单元(19)根据输入的信号计算出X轴和Y轴方向上的脱靶量Δx和Δy，跟据；

其中，R和r分别代表输入到光电探测器上环形光斑的外环半径和内环半径。根据上式可计算出光电探测单元18上光斑的质心位置(x₀,y₀)。通过闭环反馈控制来旋转前光楔12和后光楔13，将光电探测单元18上的光斑稳定在中心，保持激光通信链路的稳定。

6.将光电探测单元18输出的四路光电信号(V₁、V₂、V₃、V₄)输入到信号处理单元20中，信号处理单元20将输入的四路光电信号进行相加后，设置判决阈值，解调出数字信号。

7.通过发射固定的伪随机码，测试通信链路的误码率参数，进而评价整个系统的性能。

Claims (5)

1.一种星间激光通信系统，其特征在于：包括激光器驱动单元(1)，半导体激光器(2)，第一泵浦激光器(3)，第一波分复用器(4)，第一光纤放大器(5)，第二泵浦激光器(6)，第二波分复用器(7)，第二光纤放大器(8)，45°反射镜(9)，中孔反射镜(10)，收发透镜(11)，前光楔(12)，后光楔(13)，太阳滤光片(14)，后光楔电机(15)，前光楔电机(16)，滤光片(17)，光电探测单元(18)，位置解算单元(19)，信号处理单元(20)和主控单元(21)；

在发射光路中，所述的主控单元(21)产生所需的调制电信号经激光器驱动单元(1)后调制所述的半导体激光器(2)，半导体激光器(2)输出的光和第一泵浦激光器(3)输出的光经第一波分复用器(4)合束后通过第一光纤放大器(5)实现光信号的第一级放大，第一级放大的光信号和第二泵浦激光器(6)输出的光经第二波分复用器(7)合束后通过第二光纤放大器(8)实现光信号的第二级放大，第二级放大后的光信号经过45°反射镜(9)反射后无衰减的通过中孔反射镜(10)的中空部分，形成发射光束经所述的收发透镜(11)准直输出后依次经过前光楔(12)和后光楔(13)，通过控制前光楔电机(16)转动前光楔(12)和通过控制后光楔电机(15)转动后光楔(13)，改变发射光束的指向，使发射光束经所述的太阳滤光片(14)透射；

在接收光路中，所述的太阳滤光片(14)将背景光中的杂散光滤除，使接收光束经太阳滤光片(14)透射后，依次经过后光楔(13)和前光楔(12)，通过控制前光楔电机(16)转动前光楔(12)和通过控制后光楔电机(15)转动后光楔(13)，改变接收光束的指向，使接收光束经收发透镜(11)透射后以汇聚的光束入射到中孔反射镜(10)上，经中孔反射镜(10)反射后，入射到滤光片(17)，经该滤光片(17)透射后，入射到光电探测单元(18)上，经光电探测单元(18)转换为电信号输出；所述的光电探测单元(18)输出的四路信号分别输入到位置解算单元(19)和信号处理单元(20)，解调出通信信号和入射光束的位置信号；所述的发射光束和接收光束采用两个不同波段；

所述的信号处理单元(20)接收电信号并解算出通信信号，主控单元(21)接收信号处理单元(20)解算出的通信信号，所述的位置解算单元(19)接收电信号并解算出入射光束的位置信号，前光楔电机(16)和后光楔电机(15)接收位置解算单元(19)解算出的入射光束位置进而驱动前光楔(12)和后光楔(13)。

2.根据权利要求1所述的星间激光通信系统，其特征在于，所述的中孔反射镜(10)、收发透镜(11)、前光楔(12)以及后光楔(13)构成收发共用光路，所述的中孔反射镜(10)为环形平面镜，空心内环用于透射发射光束，外环用于将接收到的信号光反射到光电探测单元上。

3.根据权利要求1所述的星间激光通信系统，其特征在于，所述的前光楔(12)和后光楔(13)的材料为单晶硅，旋转前光楔(12)和后光楔(13)，使出射光束偏转。

4.根据权利要求1所述的星间激光通信系统，其特征在于，发射光束和接收光束采用两个不同波段的方式，通过滤光片(17)滤掉发射光束以及背景光等杂散光对光电探测单元(18)的干扰。

5.根据权利要求1所述的星间激光通信系统，其特征在于，所述的收发透镜(11)的焦距为125mm，对应的光电探测单元(18)的接收视场角为6mrad。

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