申请/专利权人：武汉华中天经通视科技有限公司

申请日：2018-12-08

公开（公告）日：2021-02-23

公开（公告）号：CN109491071B

主分类号：G02B23/04(20060101)

分类号：G02B23/04(20060101);G02B26/08(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.02.23#授权;2019.04.12#实质审查的生效;2019.03.19#公开

摘要：本发明公开了一种多波长共孔径激光收发光机装置，包括用于光束压缩的伽利略望远镜组，用于将接收到的信标光和信源光按波长进行分光，一部分进行信标定位探测通道，另一部分进入通信收发通道的前置分光镜，用于快速修正发射、接收光束指向的高速振镜，用于将接收到的信源光和发射的信源光按波长进行高隔离度分光的后置分光镜，用于通信光的耦合接收的通信接收耦合单元，用于通信光的发射的通信光发射光学系统。本发明采用共孔径的信标探测跟踪、信源收发通信一体化的设计模式，具有结构紧凑，体积小，控制精度高的优点，适用于激光通信小型化优化，现已成功应用于小型化机载激光通信设备的研制。

主权项：1.一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的伽利略望远镜组（1）、前置分光镜（2）、信标探测通道（3）、振镜组（4）、后置分光镜（5）、通信接收耦合单元（6）和通信光发射光学系统（7）；还包括高速光斑偏差测量通道，采用高灵敏度PSD器件探测信标光光斑位置量；所述的伽利略望远镜组（1）用于压缩扩束激光信号；所述的前置分光镜（2）用于透射波长为1530.33nm和1550.12nm的通信收发光束，分离波长为808nm的信标光并反射到信标探测通道（3）进行处理；前置分光镜（2）设置多层介质膜作为分光膜，反射率优于98%，透射率优于99%；所述的信标探测通道（3）采用位置敏感探测器，用于滤除光束中808nm之外的干扰光；所述的振镜组（4）用于对通信收发光束进行快速二维偏转；所述的后置分光镜（5）用于分离接收的通信收发光束：将波长为1530.33nm的通信光反射到通信接收耦合单元（6），透射波长为1550.12nm的通信光后经振镜组（4）偏转、前置分光镜（2）透射、伽利略望远镜组（1）再进行扩束压缩后发射出去；所述的通信接收耦合单元（6）的信源接收通道采用窄带滤光；所述的通信光发射光学系统（7）采用光纤准直器对信源激光器单模光纤（9um）输出光束进行准直。

全文数据：一种多波长共孔径激光收发光机装置技术领域本发明专利属于光通信技术领域，具体涉及一种适用于动平台无线光通信的光机装置。背景技术在点对点的移动平台无线光通信技术领域，往往采用两种及以上的独立通道分别用于跟踪和通信，光机传感器占用体积大，多光轴平行性标校复杂，稳定性差。尤其是在机载平台上，传统的架构往往不能满足体积、功耗、重量的要求。这种情况下，采用共孔径，多通道合一的方式，整合收发光学通道，兼顾跟踪与通信，可大幅缩减设备体积、重量和功耗；同时，可通过材料和结构构型设计来保证多个光轴的一致性，光轴的稳定性与多个独立的光学通道相比更易于控制。目前国内还未有类似的装置报道。发明内容本发明在于根据现有技术的不足，提供一种多波长共孔径激光收发光机装置，通过将信标探测、通信收发整合到单一孔径，实现实时信标探测和通信高精度收发的统一控制。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多波长共孔径激光收发光机装置，包括沿光轴方向依次设置的伽利略望远镜组、前置分光镜、信标探测通道、振镜组、后置分光镜、通信接收耦合单元和通信光发射光学系统；所述的伽利略望远镜组用于压缩扩束激光信号，对接收光学通道而言为光束压缩，对发射光学通道而言为扩束；所述的前置分光镜用于透射波长为1530.33nm和1550.12nm的通信收发光束，同时将光束中808nm的信标光分离出来，反射到信标探测通道进行处理；所述的信标探测通道用于滤除光束中808nm之外的干扰光，隔离反射过来的干扰光和环境中的背景光；所述的振镜组用于对通信收发光束进行快速二维偏转；所述的后置分光镜用于分离接收的通信收发光束：将波长为1530.33nm的通信光反射到通信接收耦合单元，透射波长为1550.12nm的通信光后经振镜组偏转、前置分光镜透射、伽利略望远镜组再进行扩束压缩发散角后发射出去；所述的通信接收耦合单元的信源接收通道采用窄带滤光；所述的通信光发射光学系统采用光纤准直器对信源激光器单模光纤（9um）输出光束进行准直。所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，还包括高速光斑偏差测量通道，采用高灵敏度PSD器件探测信标光光斑位置量，用于快速测量目标偏差，给出跟瞄补偿计算量。所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其振镜组设置在驱动器控制的高速二维平台上。所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其伽利略望远镜组倍率为12.5倍。所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其前置分光镜设置多层介质膜作为分光膜，反射率优于98%，透射率优于99%。所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其探测通道采用位置敏感探测器。所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其后置分光镜反射面的法线与透射光路光轴呈6～10°夹角。所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其通信接收耦合单元通过前置的多级窄带滤光片增加通信收发激光的隔离度，采用非球面透镜，耦合到单模光纤，便于后续的放大和接收处理。所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其光纤准直器采用焦距为3.6～4.8mm的准直镜，用于控制光束输出发散角在0.15～0.2mrad之间。所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其通信光发射光学系统采用MOPA体制的1550nm激光光源，采用光纤耦合输出，通过耦合镜输出至后置分光镜。本发明的有益效果是：本发明整合了两收一发共计三个光路，信标光采用808nm的近红外激光，通信收发光采用短波红外激光，将信标探测和通信收发三个光路整合到单一输入输出口径。本发明光机装置三个不同波长的光路共用同一望远镜组，采用望远系统进行光束压缩或扩束，利于接收探测和压缩发射光束发散角。本发明通信收发共用光路上设置了振镜组，用于对通信收发光束进行快速二维偏转，使其可以适应高机动运动平台。本发明的通信收发光选用符合ITU-TG.692标准的1550.12nm及1530.33nm两种波长，结合高隔离度的后置分光镜来避免通信收发共光路存在的自发干扰。本发明通信收发光路上设置的后置分光镜采用6～8°夹角布置，利于减小P波、S波反射的差异，增强透射和反射波长的隔离度。附图说明图1为本发明的光路设计图；图2为本发明装置的整体组成示意图；图3为本发明伽利略望远镜组的结构示意图；图4为本发明信标探测通道的结构示意图；图5为本发明通信接收耦合单元的结构示意图；图6为本发明1530接收组的结构示意图。图中各附图标记为：1—伽利略望远镜组，2—前置分光镜，3—信标探测通道，4—振镜组，5—后置分光镜，6—通信接收耦合单元，7—通信光发射光学系统。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明。参照图1至图6所示，本发明公开的一种多波长共孔径激光收发光机装置，由沿光轴方向依次设置的伽利略望远镜组1、前置分光镜2、信标探测通道3、振镜组4、后置分光镜5、通信接收耦合单元6和通信光发射光学系统7等七部分组成。其中振镜组4、后置分光镜5、通信接收耦合单元6（1530接收组）、通信光发射光学系统7（光纤准直组）组成后置通信收发分光组。还包括高速光斑偏差测量通道，采用高灵敏度PSD器件探测信标光光斑位置量，用于快速测量目标偏差，给出跟瞄补偿计算量；光学系统设计将光斑大小控制在20微米左右，探测器能同步输出信号频率信息。图中内侧粗虚线表示的光束为信标光接收光路，中间粗实线表示的光束为信源发射光路，发射1550.12nm的信源光，外侧细虚线表示的光束为信源探测光路，接收1530.33nm的信源光。本发明整个光机装置整合了两收（808nm信标探测光和1530.33nm信源探测光）一发（1550.12nm的信源发射光）总共三个光路，一路为信标探测光路，用于通信目标的实时定位，为通信设备提供跟踪闭环所需的目标偏差信息；另两路为通信收发光路，用于通信信息传输；为将信标探测和通信收发三个光路整合到单一输入输出口径，根据当前的激光器件水平和相关国际标准，信标光采用808nm的近红外激光；通信收发采用短波红外激光，同时，为避免通信收发共光路存在的自发干扰，选用符合ITU-TG.692标准的1550.12nm及1530.33nm两种波长。通信收发光路中设置了共用振镜组4用于同时补偿接收和发射光路偏离，保持通信链路的稳定。光机装置的各部分功能为：所述的伽利略望远镜组1用于对所有收发激光信号的光束压缩或扩束，对接收光学通道而言为光束压缩，对发射光学通道而言为扩束；光学系统倍率为12.5倍，光学材料选用低热胀系统的微晶玻璃，结构件材料则选用与微晶玻璃配合良好的殷钢。所述的前置分光镜2用于将光束中波长为808nm的信标光分离出来，反射到信标探测通道3进行处理，而波长为1530.33nm和1550.12nm的光透射；前置分光镜2的分光膜设计为多层介质膜，分光膜系的设计上根据三个波长的不同，反射808nm激光，透射1550nm和1530nm激光，隔离度不低于20dB，而且反射率优于98%，透射率优于99%。所述的808nm信标探测通道3用于隔离反射过来的干扰光和环境中的背景光，通过增加±20nm窄带滤光片，滤除808nm中心波长之外的干扰光；探测器采用位置敏感探测器，信标接收后组光学系统经优化设计，将光斑弥散圆控制在20um左右，可提高位置探测的精度。所述的振镜组4用于对通信收发光束进行快速二维偏转，使其可以适应运动平台；该振镜组4具有二维反射角度调整能力，具有很高的闭环控制频率和控制精度，振镜偏转范围±1°，在振镜控制算法上，根据偏差量，使用PI控制率进行控制。振镜镀制高反膜，对所有的波长的激光发射率优于98％。所述的后置分光镜5用于将通信收发光束分离，接收的1530.33nm的通信光反射到通信接收耦合单元6，接收的1550.12nm的通信光透射，经振镜组4偏转、前置分光镜2透射、伽利略望远镜组1再进行扩束压缩发散角后发射出去。后置分光镜5分光膜系的设计上根据收发波长的不同，透射1550.12nm激光，反射1530.33nm的激光，反射率优于99％，透射率优于97%，隔离度不低于30dB，为减小P波、S波反射的差异，增强反射效果，后置分光镜5反射面法线与透射光路光轴呈8°～10°夹角布置。所述的通信接收耦合单元6，前置多级窄带滤光片，用于增加通信收发激光的隔离度；通信接收耦合镜采用非球面透镜，耦合到单模光纤，便于后续的放大和接收处理；所述的通信光发射光学系统7，采用光纤准直器对信源激光器单模光纤（9um）输出光束进行准直，准直镜焦距3.6～4.8mm，用于控制光束输出发散角在0.15～0.2mrad之间。本发明装置将跟瞄用信标光接收和通信用收发通道整合成单一孔径，减少了前端光学系统物理通道，可大幅缩减激光通信设备体积、重量，实现紧凑式结构；同时由于采用单一孔径的通信收发天线，可有效提高信源光束收发定位精度，提高系统通信质量。本发明可在一个光学通道中进行信标探测和信源收发，抗自干扰可靠工作，特别适用于对任务载荷有重量、功耗、体积限制的移动平台无线光通信系统。本发明用于激光通信系统探测通信目标，并进行共孔径信源光收发，可有效缩减现有激光通信系统的尺寸、重量和功耗，扩大激光通信系统的搭载平台，适用范围。

权利要求：1.一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的伽利略望远镜组（1）、前置分光镜（2）、信标探测通道（3）、振镜组（4）、后置分光镜（5）、通信接收耦合单元（6）和通信光发射光学系统（7）；所述的伽利略望远镜组（1）用于压缩扩束激光信号；所述的前置分光镜（2）用于透射波长为1530.33nm和1550.12nm的通信收发光束，分离波长为808nm的信标光并反射到信标探测通道（3）进行处理；所述的信标探测通道（3）用于滤除光束中808nm之外的干扰光；所述的振镜组（4）用于对通信收发光束进行快速二维偏转；所述的后置分光镜（5）用于分离接收的通信收发光束：将波长为1530.33nm的通信光反射到通信接收耦合单元（6），透射波长为1550.12nm的通信光后经振镜组（4）偏转、前置分光镜（2）透射、伽利略望远镜组（1）再进行扩束压缩后发射出去；所述的通信接收耦合单元（6）的信源接收通道采用窄带滤光；所述的通信光发射光学系统（7）采用光纤准直器对信源激光器单模光纤（9um）输出光束进行准直。2.根据权利要求1所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于，还包括高速光斑偏差测量通道，采用高灵敏度PSD器件探测信标光光斑位置量。3.根据权利要求2所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于，所述的振镜组（4）设置在驱动器控制的高速二维平台上。4.根据权利要求1或2或3所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于，所述的伽利略望远镜组（1）倍率为12.5倍。5.根据权利要求1或2或3所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于，所述的前置分光镜（2）设置多层介质膜作为分光膜，反射率优于98%，透射率优于99%。6.根据权利要求1或2或3所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于，所述的探测通道（3）采用位置敏感探测器。7.根据权利要求1或2或3所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于，所述的后置分光镜（5）反射面的法线与透射光路光轴呈6～10°夹角。8.根据权利要求1或2或3所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于，所述的通信接收耦合单元（6）通过前置的多级窄带滤光片增加通信收发激光的隔离度，采用非球面透镜，耦合到单模光纤，便于后续的放大和接收处理。9.根据权利要求1或2或3所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于，所述的光纤准直器采用焦距为3.6～4.8mm的准直镜，用于控制光束输出发散角在0.15～0.2mrad之间。10.根据权利要求9所述的一种多波长共孔径激光收发光机装置，其特征在于，所述的通信光发射光学系统（7）采用MOPA体制的1550nm激光光源，通过耦合镜输出至后置分光镜（5）。

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