CN115996088B - 一种星载激光通信终端的在轨自标校装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自由空间光通信领域中一种星载激光通信终端的在轨自标校装置与方法。包括角锥、粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜、超前瞄准镜、发射透镜、信号发射激光器、滤光片、分光镜、信号聚焦镜、信号接收探测器、跟踪聚焦镜、跟踪接收探测器。通过转动粗指向机构对准角锥，将信号发射激光返回到自身信号接收系统中，通过信号接收功率和跟踪探测器上光斑质心位置，判断信号发射光路、信号接收光路以及跟踪接收光路等各光轴之间的平行度，从而实现终端光轴偏差的在轨自标校。本发明无需通过地面光学通信系统或者其它在轨卫星激光通信终端配合，也无需通过信标光或额外的激光光源配合，能够满足星载激光通信终端实现在轨自标校的要求。

Description

一种星载激光通信终端的在轨自标校装置与方法

技术领域

本发明涉及自由空间光通信领域，具体是指星载激光通信终端的在轨自标校装置与方法。

背景技术

与微波通信相比，自由空间激光通信主要优点是传输容量大、安全保密、抗干扰能力强、通信时延小、功耗低等，而星间激光通信不受大气湍流影响，成为自由空间光通信领域发展的热点。近几年我国在星间激光通信领域得到了快速发展，开展了“鸿云”、“鸿雁”、“行云”、“天地一体化网络”、“北斗”、“微厘”等多个激光通信及组网项目的试验验证。美国、欧洲、日本等国也已经开展了多次星间激光链路通信实验。

在星载激光通信领域，通信终端的信号发射光路、信号接收光路以及跟踪接收光路等光轴需要保持平行。随着通信距离不断增加，要求信号发散角越来小，以保证通信链路功率余量。信号发散角变小至几十微弧度，要求各光路的平行度在十微弧度以内。由于星载激光通信终端在运输、发射以及在轨运行等过程中受到振动和冲击，使各光轴之间的平行度受到严重影响，因此各光路的平行度在轨标校非常重要。随着商业航天的发展，对激光通信终端的成本、重量以及可靠性等提出来严苛的要求，目前“微厘”、“星网”等重大项目对星载激光通信终端提出了无信标发射以及粗跟踪接收光路，因此对激光通信终端在轨自标校的体制提出了更高要求。

在现有技术中CN202011291747（一种空间激光通信终端的在轨自校准装置及其校准方法）利用转轴活动连接有框架对全光反射棱镜切换进行信标收发和信号收发的自标校。缺点为：利用转轴活动连接有框架对准全光反射棱镜，存在额外的切换装置，降低系统的可靠性，切换精度低，同时存在信标发射光路进行自标校。

在现有技术中CN201811554230（一种卫星光通信终端在轨标定及收发同轴度校正装置及方法）利用外标校发射支路、信号内标校发射支路、信标内标校发射支路、标校反射器等对信号发射光路、信号接收光路和跟踪光路进行标校。缺点为：存在信标外标校发射支路包括信标激光和信号激光，也存在信标内标校发射支路，装置器件多，方法复杂。

在现有技术中CN202210141497（一种星载激光通信机的在轨自标校装置及其标校方法）利用将光开关打开至接收光路或发射光路，然后通过角锥反射到接收光路对光功率进行探测和跟瞄光路对光斑质心位置进行探测和补偿，从而实现接收光路、发射光路与跟瞄光路的同轴自标较。缺点为：存在标校激光器、光开关以及光纤耦合器等，装置器件多，方法复杂。

在现有技术中CN202111508835（一种新型激光通信系统光学自标校装置及方法）和专利CN201810945384（一种光通信系统的光轴自校准装置及方法）等利用标校激光通过分光镜或者角锥反射到接收光路和跟踪光路，从而实现接收光路、发射光路与跟踪光路的同轴自标校。缺点为：装置器件多，方法复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种星载激光通信终端的在轨自标校装置与方法，无需信标激光或其它激光源，直接利用信号激光，通过自标校光路的链路功率余量计算，设置合适的信号发射激光功率，不仅解决了星载激光通信终端的在轨平行度自标校问题，同时也降低自标校装置的重量、功耗以及成本。

本发明采用的技术方案为：

一种星载激光通信终端的在轨自标校装置，包括角锥、粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜、超前瞄准镜、发射透镜、信号发射激光器、滤光片、分光镜、信号聚焦镜、信号接收探测器、跟踪聚焦镜和跟踪接收探测器；

信号发射激光器发射激光依次经过发射透镜、超前瞄准镜、分色镜、快速反射镜、主扩束系统和粗指向机构入射至角锥，然后经过角锥全反射回依次经过粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜和滤光片到达分光镜，分光镜将激光分成两束，一路通过信号聚焦镜耦合至信号接收探测器，信号接收探测器进行信号接收功率探测，另一路通过跟踪聚焦镜聚焦至跟踪接收探测器，跟踪接收探测器提取和处理光斑质心。

进一步的，所述角锥的通光口径与自标校光路链路功率余量有关，自标校光路的链路功率余量与信号激光器在轨标校时允许发射的最大功率、自标校光路来回的损耗以及信号接收探测器的灵敏度有关。

进一步的，所述角锥为反射式角锥或角锥棱镜，角锥安装在粗指向机构能正入射的位置，角锥通过粗指向机构的角度控制实现对入射光线的正入射，满足角锥全反射容忍度角度条件，角锥为全反射状态；所述粗指向机构为二维转台或者二维摆镜。

进一步的，所述主扩束系统采用离轴反射式、同轴反射式或者透射式扩束系统，如果为透射式扩束系统，则主扩束系统需消除激光发射波长与接收波长的色差。

进一步的，所述快速反射镜是压电控制系统或二维振镜控制系统。

进一步的，所述信号发射激光器为光纤耦合输出的激光器或空间光输出的激光器。

进一步的，所述发射透镜，如果信号发射激光器为光纤耦合输出的激光器，则发射透镜为准直镜，如果为空间光输出的激光器，则发射透镜为扩束镜组。

进一步的，所述超前瞄准镜是压电控制系统或二维振镜控制系统，所述信号接收探测器为APD探测器或接收光纤，所述跟踪接收探测器为CCD探测器或四象限光电探测器。

一种星载激光通信终端的在轨自标校方法，包括以下步骤：

步骤1，检查在轨自标校装置的初始参数，包括信号发射激光器、信号接收探测器、跟踪接收探测器、快速反射镜、超前瞄准镜以及粗指向机构的参数，并确定信号激光发射的功率值，打开信号发射激光器，并控制粗指向机构对准角锥；

步骤2，信号发射激光器发射激光依次经过发射透镜、超前瞄准镜、分色镜、快速反射镜、主扩束系统和粗指向机构入射至角锥，然后经过角锥全反射回依次经过粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜和滤光片到分光镜，分光镜将反射激光分成两束，一路光束通过信号聚焦镜直接耦合至信号接收探测器或者间接耦合进信号接收光纤再进入信号接收探测器，另一路光束通过跟踪聚焦镜聚焦至跟踪接收探测器；

步骤3，调整超前瞄准镜指向参数，使得信号接收探测器接收到最大功率值并在接收视场中心，记录并更改此时超前瞄准镜指向参数，完成信号发射光路与信号接收光路的光轴平行度标校；

步骤4，信号发射光路与信号接收光路的光轴平行度标校后，当跟踪接收探测器出现光斑时，记录并提取光斑质心坐标，将原来标定的光斑质心坐标与提取的光斑质心坐标进行对比，得到对应信号发射光路光轴与跟踪接收光路光轴的偏差量，利用得到的偏差量对跟瞄偏差进行修正，并更改原跟踪点为新的跟踪点，完成信号发射光路与跟踪接收光路的光轴平行度标校。

本发明相比背景技术的优点为：

本发明无需信标激光或其它激光源，直接利用信号激光，通过自标校光路的链路功率余量计算，设置合适的信号发射激光功率，不仅实现星载激光通信终端的在轨平行度自标校，同时降低自标校装置的重量、功耗以及成本。

附图说明

图1为本发明实现原理图。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明。

本发明中的星载激光通信终端的在轨自标校装置与方法不仅适用于强度调制激光通信系统、也适用于相干激光通信系统。

如图1所示，一种星载激光通信终端的在轨自标校装置，包括角锥、粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜、超前瞄准镜、发射透镜、信号发射激光器、滤光片、分光镜、信号聚焦镜、信号接收探测器、跟踪聚焦镜和跟踪接收探测器；

信号发射激光器发射激光依次经过发射透镜、超前瞄准镜、分色镜、快速反射镜、主扩束系统和粗指向机构入射至角锥，然后经过角锥全反射回依次经过粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜和滤光片到达分光镜，分光镜将激光分成两束，一路通过信号聚焦镜耦合至信号接收探测器，信号接收探测器进行信号接收功率探测，另一路通过跟踪聚焦镜聚焦至跟踪接收探测器，跟踪接收探测器提取和处理光斑质心。

其中，所述角锥的通光口径与自标校光路链路功率余量有关，一般为5mm~28mm，其综合角差小于1″；自标校光路的链路功率余量与信号激光器在轨标校时允许发射的最大功率、自标校光路来回的损耗以及信号接收探测器的灵敏度有关；所述角锥可以是反射式角锥，也可以是角锥棱镜；角锥安装在粗指向机构能正入射的位置，但不影响正常的激光通信链路。

其中，所述角锥通过粗指向机构的角度控制实现对入射光线的正入射，满足角锥全反射容忍度角度条件，角锥为全反射状态，此时进行在轨自标校；当标校完成后，改变粗指向机构角度指向，实现与对端星载激光通信终端的扫描捕获跟踪以及建链过程。

其中，所述粗指向机构可实现光束指向的低速度粗精度控制，精度约100urad以内，带宽10Hz~200Hz，可以是二维转台或者二维摆镜等。

其中，所述主扩束系统采用离轴或同轴反射式或者透射式扩束系统。如果为透射式扩束系统，则主扩束系统需要消除激光发射波长与接收波长的色差。

其中，所述快速反射镜可实现光束指向的快速精确控制，精度约5urad以内，带宽1kHz~10kHz，可以是压电控制系统或二维振镜控制系统。

其中，所述信号发射激光器为光纤耦合输出的激光器或空间光输出的激光器。信号发射激光器在自标校状态时，发射合适光功率，稍微高于信号接收探测器和跟踪探测器的灵敏度即可，不允许发射大功率激光，避免信号光返回损坏信号激光器。

其中，所述发射透镜，如果信号发射激光器为光纤耦合输出的激光器，则发射透镜为准直镜；如果为空间光输出的激光器，则发射透镜为扩束镜组。

其中，所述超前瞄准镜可实现光束指向低速控制，精度约5urad以内，带宽10Hz~100Hz，可以是压电控制系统或二维振镜控制系统。

其中，所述信号接收探测器为APD探测器或接收光纤。

其中，所述跟踪接收探测器为CCD探测器或四象限光电探测器。

一种星载激光通信终端的在轨自标校方法，包括以下步骤：

步骤1，检查在轨自标校装置的初始参数，包括信号发射激光器、信号接收探测器、跟踪接收探测器、快速反射镜、超前瞄准镜以及粗指向机构的参数，并确定信号激光发射的功率值，打开信号发射激光器，并控制粗指向机构对准角锥；

步骤2，信号发射激光器发射激光依次经过发射透镜、超前瞄准镜、分色镜、快速反射镜、主扩束系统和粗指向机构入射至角锥，然后经过角锥全反射回依次经过粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜、滤光片到分光镜，分光镜将反射激光分成两束，一路光束通过信号聚焦镜直接耦合至信号接收探测器或者间接耦合进信号接收光纤再进入信号接收探测器，另一路光束通过跟踪聚焦镜聚焦至跟踪接收探测器；

步骤3，调整超前瞄准镜指向参数，使得信号接收探测器接收到最大功率值并在接收视场中心，记录并更改此时超前瞄准镜指向参数，完成信号发射光路与信号接收光路的光轴平行度标校；

步骤4，当跟踪接收探测器出现光斑时，记录并提取光斑质心坐标，将原来标定的光斑质心坐标与提取的光斑质心坐标进行对比，得到对应信号发射光路光轴与跟踪接收光路光轴的偏差量，利用得到的偏差量对跟瞄偏差进行修正，并更改原跟踪点为新的跟踪点，完成信号发射光路与跟踪接收光路的光轴平行度标校。

Claims (6)

1.一种星载激光通信终端的在轨自标校装置，其特征在于，包括角锥、粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜、超前瞄准镜、发射透镜、信号发射激光器、滤光片、分光镜、信号聚焦镜、信号接收探测器、跟踪聚焦镜和跟踪接收探测器；

信号发射激光器发射激光依次经过发射透镜、超前瞄准镜、分色镜、快速反射镜、主扩束系统和粗指向机构入射至角锥，然后经过角锥全反射回依次经过粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜和滤光片到达分光镜，分光镜将激光分成两束，一路通过信号聚焦镜耦合至信号接收探测器，信号接收探测器进行信号接收功率探测，另一路通过跟踪聚焦镜聚焦至跟踪接收探测器，跟踪接收探测器提取和处理光斑质心；

其中，所述角锥的通光口径与自标校光路链路功率余量成设定关系，自标校光路的链路功率余量与信号激光器在轨标校时允许发射的最大功率、自标校光路来回的损耗以及信号接收探测器的灵敏度成设定关系；

其中，所述角锥为反射式角锥或角锥棱镜，角锥安装在粗指向机构能正入射的位置，角锥通过粗指向机构的角度控制实现对入射光线的正入射，满足角锥全反射容忍度角度条件，角锥为全反射状态；所述粗指向机构为二维转台或者二维摆镜；其中，所述主扩束系统采用离轴反射式、同轴反射式或者透射式扩束系统，如果为透射式扩束系统，则主扩束系统需消除激光发射波长与接收波长的色差。

2.根据权利要求1所述的一种星载激光通信终端的在轨自标校装置，其特征在于，所述快速反射镜是压电控制系统或二维振镜控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种星载激光通信终端的在轨自标校装置，其特征在于，所述信号发射激光器为光纤耦合输出的激光器或空间光输出的激光器。

4.根据权利要求3所述的一种星载激光通信终端的在轨自标校装置，其特征在于，所述发射透镜，如果信号发射激光器为光纤耦合输出的激光器，则发射透镜为准直镜，如果为空间光输出的激光器，则发射透镜为扩束镜组。

5.根据权利要求1所述的一种星载激光通信终端的在轨自标校装置，其特征在于，所述超前瞄准镜是压电控制系统或二维振镜控制系统，所述信号接收探测器为APD探测器或接收光纤，所述跟踪接收探测器为CCD探测器或四象限光电探测器。

6.一种基于权利要求1所述在轨自标校装置实现的星载激光通信终端的在轨自标校方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，检查在轨自标校装置的初始参数，包括信号发射激光器、信号接收探测器、跟踪接收探测器、快速反射镜、超前瞄准镜以及粗指向机构的参数，并确定信号激光发射的功率值，打开信号发射激光器，并控制粗指向机构对准角锥；

步骤2，信号发射激光器发射激光依次经过发射透镜、超前瞄准镜、分色镜、快速反射镜、主扩束系统和粗指向机构入射至角锥，然后经过角锥全反射回依次经过粗指向机构、主扩束系统、快速反射镜、分色镜和滤光片到分光镜，分光镜将反射激光分成两束，一路光束通过信号聚焦镜直接耦合至信号接收探测器或者间接耦合进信号接收光纤再进入信号接收探测器，另一路光束通过跟踪聚焦镜聚焦至跟踪接收探测器；

步骤3，调整超前瞄准镜指向参数，使得信号接收探测器接收到最大功率值并在接收视场中心，记录并更改此时超前瞄准镜指向参数，完成信号发射光路与信号接收光路的光轴平行度标校；

步骤4，信号发射光路与信号接收光路的光轴平行度标校后，当跟踪接收探测器出现光斑时，记录并提取光斑质心坐标，将原来标定的光斑质心坐标与提取的光斑质心坐标进行对比，得到对应信号发射光路光轴与跟踪接收光路光轴的偏差量，利用得到的偏差量对跟瞄偏差进行修正，并更改原跟踪点为新的跟踪点，完成信号发射光路与跟踪接收光路的光轴平行度标校。

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