一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線，屬于空間激光通信技術領域。本發明提出的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線由廣角擴束鏡光學天線分系統、雙光楔粗跟蹤分系統、入射激光探測分系統和縮束光學分系統組成。該天線利用廣角擴束鏡實現對方位全周、俯仰大角度范圍內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，將大口徑光學天線接收到的光束口徑進行壓縮，減小后續系統的口徑，降低加工設計難度并有利于光學系統的輕小型化。本發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天線
技術領域
[0001]本發明涉及一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線，屬于空間激光通信技術領域。
【背景技術】
[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研究，并且在理論研究、仿真模擬、關鍵技術攻關、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。目前已經成功的激光通信演示驗證都是點對點的工作模式，發展趨勢是一點對多點以及多點間同時激光通信，從而實現空間激光通信組網。日本提出激光與微波通信結合的雙層低軌道全球通信組網方案，具體論證了在地球700公里和2000公里的低空中部署兩套衛星系統的可行性;衛星之間采用激光互聯技術進行信息傳遞，與地面的關口站的通信鏈路由上層衛星負責，采用激光鏈路；下層衛星負責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、對發展衛星移動通信的幾點思考.張乃通、劉會杰、初海彬.電氣電子教學學報.2002，第24卷第I期.2、深空測控通信技術發展趨勢分析.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.光子學報.2008，第37卷第2期。)，另外美國提出兩種空間激光通信組網的方法，其中一種方法是在反射元件放置多個收發端，通過調整收發端位置，實現不同點、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望遠結構，焦面處放置NXN的光纖陣列，提供較大的焦平面，實現單個光學望遠結構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)。這些關于激光通信組網構建具體系統的初步構想，不能應用于多點間大范圍空間激光通信組網，在技術上存在瓶頸，不具備廣泛的應用性。還有一篇中國專利“一種基于多元組合旋轉拋物面結構的一點對多點激光通信裝置”(專利號:ZL201010199217.1)采用旋轉拋物面作為光學天線，該種結構能量利用率低，接收口徑大，后續光學系統加工排布等實現較困難。另一篇專利“空間激光通信用大視場同心球面裝置”(專利申請號:201418004682.4)采用大視場同心球面裝置來實現多點同時激光通信，但其發射接收裝置需在像面上進行滑動以實現對目標的跟蹤，控制比較困難。另外一篇專利“一種多點激光通信用光學天線”(專利號:ZL201110141158.7)采用多反射精拼接光學天線來實現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。
【發明內容】
[0003]為了在多點激光通信系統中，實現對多個空間方位角很接近的目標同時進行空間激光通信，本發明提出了一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線。
[0004]—種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線，該裝置由廣角擴束鏡光學天線分系統(1)、雙光楔粗跟蹤分系統(2)、入射激光探測分系統(3)、卡式縮束分系統(4)組成。
[0005]廣角擴束鏡光學天線分系統(I)是通過將伽利略望遠鏡倒置使用來構造的，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過廣角擴束鏡光學天線分系統(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(2)由N個雙光楔(7)組成，放置于廣角擴束鏡光學天線分系統(I)出瞳處。
[0007]入射激光探測分系統(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天線分系統(I)外側，其光軸與廣角擴束鏡光學天線分系統(I)平行。
[0008]卡式縮束分系統(4)沿所述天線主軸方向放置于雙光楔粗跟蹤分系統(2)之后。
[0009]—種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學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天線分系統(I)和入射激光探測分系統(3)上，經透射式廣角擴束鏡(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(2)中。同時入射激光探測分系統(3)探測出入射激光的方向和光束個數，并將這些信息發送給雙光楔粗跟蹤分系統(2)，根據光束方向信息對相應的雙光楔(7)進行控制，讓其旋轉相應的角度，使得廣角擴束鏡光學天線分系統
(I)出瞳處的入射光經過雙光楔組偏折后，能夠平行于天線旋轉軸傳播進入卡式縮束分系統(4)，以完成對目標的粗跟蹤。根據光束個數對N個雙光楔(7)進行優化控制，使所有雙光楔組都能夠對與其相對應的入射光束進行適當的偏折，以提高系統的能量利用率。這樣就完成了對多個目標信號光的同時跟蹤，經雙光楔組偏折后的入射光平行于系統光軸進入到卡式縮束分系統(4)中，再由后續光學系統進行分離探測，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。根據光路可逆原理，后續激光通信系統中的發射系統根據待通信目標的方向發射激光束，經過卡式縮束分系統(4)后，入射到雙光楔粗跟蹤系統(2)中，由相對應的雙光楔(7)進行偏折，然后由廣角擴束鏡光學天線分系統(I)按照固定方向發射出去，這樣就完成了多點激光通信發射。
有益效果
[0010]本發明提出基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線能夠實現在水平方向全周、俯仰方向在設計視場角內的一點對多點的激光通信;與現有技術相比，本發明的有益效果是:由雙光楔組來實現對目標的粗跟蹤，因此相比于基于拋物面的光學天線，其可實現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，其跟蹤控制難度更小；同時采用卡式縮束分系統，將大口徑光學天線接收到的光束直徑進行壓縮，減小后續系統的口徑，降低加工設計難度并有利于光學系統的輕小型化;另外本光學天線可根據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，提高系統光能利用率，有利于系統資源合理優化配置。
【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廣角擴束鏡光學天線分系統，2雙光楔粗跟蹤分系統，3入射激光探測)分系統，4卡式縮束分系統。
[0012]圖2為光學天線分系統示意圖，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示意圖，此圖為雙光楔粗跟蹤分系統的俯視圖，其中7為雙光楔。
[0014]圖4為雙光楔示意圖，此圖為雙光楔的側面剖視圖，其中8單光楔。
[0015]圖5位入射激光探測分系統示意圖，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]光學天線分系統(I)采用透射式廣角擴束鏡(5)，用來接收不同通信目標發射的通信信號光，其工作范圍方位可達360，俯仰方向可達O?±80。不同通信目標發射的信號光經過光學天線分系統(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變化，因此可采用雙光楔粗跟蹤分系統
(2)實現對多個目標的同時粗跟蹤。
[0017]雙光楔粗跟蹤分系統(2)由N對雙光楔(7)組成，如圖3，是雙光楔粗跟蹤分系統(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)的側面剖視圖，每一個三角代表一個單光楔(8)，當光束入射到每一對雙光楔(7)的時候，兩個單光楔(8)相對旋轉一定的角度來實現對光束的偏轉，達到偏轉光束的作用。每對雙光楔(7)實現對一個目標的跟蹤，整個系統可同時實現N個目標的粗跟蹤。當每對雙光楔(7)對所有的目標都實現了穩定的粗跟蹤后，各目標信號光均平行于系統旋轉軸向后續系統傳播。由于各信號光到雙光楔粗跟蹤分系統(2)的入射角和目標個數都需要提前確定，因此在光學天線旁平行放置入射激光探測分系統(3)。
[0018]入射激光探測分系統(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天線分系統(I)外側，其光軸與廣角擴束鏡光學天線分系統(I)平行。激光探測相機(10)對所有目標信號光均能響應，根據光斑位置就可以確定信號光入射角度，給雙光楔(7)驅動指令使其偏轉合適的角度，使信號光平行于系統旋轉軸進入卡式縮束分系統(4)的視場內。根據確定的目標個數，給各雙光楔(7)分配粗跟蹤任務，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，以盡可能提高系統光能利用率。
[0019]卡式縮束分系統(4)對經過光學天線分系統(I)和雙光楔粗跟蹤分系統(2)的光束進行縮束。然后后續光學系統進行分離探測，這樣就完成了多點激光通信接收;根據光路可逆原理，后續激光通信系統中的發射系統根據待通信目標的方向發射激光束，經過卡式縮束分系統(4)后，入射到雙光楔粗跟蹤系統(2)中，由相對應的雙光楔(7)進行偏折，然后由廣角擴束鏡光學天線分系統(I)按照固定方向發射出去，這樣就完成了多點激光通信發射。
【主權項】
1.一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線，其特征在于，該裝置由廣角擴束鏡光學天線分系統(I)、雙光楔粗跟蹤分系統(2)、入射激光探測分系統(3)、卡式縮束分系統(4)組成。2.根據權利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線，其特征在于，廣角擴束鏡光學天線分系統(I)是通過將伽利略望遠鏡倒置使用來構造的，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過廣角擴束鏡光學天線分系統(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.根據權利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線，其特征在于，雙光楔粗跟蹤分系統(2 )由N個雙光楔(7 )組成，放置于廣角擴束鏡光學天線分系統(I)出瞳處。4.根據權利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線，其特征在于，入射激光探測分系統(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天線分系統(I)外側，其光軸與廣角擴束鏡光學天線分系統(I)平行。5.根據權利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線，其特征在于，卡式縮束分系統(4)沿所述天線主軸方向放置于雙光楔粗跟蹤分系統(2)之后。6.根據權利I所述的一種基于廣角擴束鏡的多點激光通信用光學天線，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天線分系統(I)和入射激光探測分系統(3)上，經透射式廣角擴束鏡(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(2)中，同時入射激光探測分系統(3)探測出入射激光的方向和光束個數，并將這些信息發送給雙光楔粗跟蹤分系統(2)，根據光束方向信息對相應的雙光楔(7)進行控制，讓其旋轉相應的角度，使得廣角擴束鏡光學天線分系統(I)出瞳處的入射光經過雙光楔組偏折后，能夠平行于天線旋轉軸傳播進入卡式縮束分系統(4)，以完成對目標的粗跟蹤，根據光束個數對N個雙光楔(7)進行優化控制，使所有雙光楔組都能夠對與其相對應的入射光束進行適當的偏折，以提高系統的能量利用率，這樣就完成了對多個目標信號光的同時跟蹤，經雙光楔組偏折后的入射光平行于系統光軸進入到卡式縮束分系統(4)中，再由后續光學系統進行分離探測，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，根據光路可逆原理，后續激光通信系統中的發射系統根據待通信目標的方向發射激光束，經過卡式縮束分系統(4)后，入射到雙光楔粗跟蹤系統(2)中，由相對應的雙光楔(7)進行偏折，然后由廣角擴束鏡光學天線分系統(I)按照固定方向發射出去，這樣就完成了多點激光通信發射。
【文檔編號】H04B10/116GK105827310SQ201610168447
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月23日
【發明人】江倫, 張立中, 王超
【申請人】長春理工大學