一種雷射通信系統的製作方法
2023-05-01 09:58:56 2
專利名稱：一種雷射通信系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射雷達技術，特別涉及一種雷射通信系統。
背景技術：
由於雷射具有波長極短、頻率極高的優點，加之雷射的相干性、單色性和方向性好等特點，因此，雷射通信系統與其他通信系統相比，具有以下優點(1)通信容量大，雷射通信系統可利用的帶寬是無線電射頻波段的105倍，雷射通信的調製帶寬可達到40(ibit/S ；系統尺寸、質量和功耗明顯降低，由於雷射波長很短，系統所用的器件尺寸明顯減小，質量和功耗也隨之降低，比如一個15. 24cm的光學發射天線的有效增益為122dB，而一個Mm 的射頻天線的有效增益僅為60dB左右；(3)各通信鏈路間的電磁幹擾小，由於雷射通信系統使用雷射作為光源，其發散角很小，能量集中在很窄的光束中，這就意味著和鄰近的通信鏈路幹擾將會減小；(4)保密性強，由於雷射光束的發散角很小，較難對通信信息進行偵聽和幹擾。圖1為現有的雷射通信系統的結構示意圖。現結合圖1，對現有的雷射通信系統的結構進行說明，具體如下現有的雷射通信系統包含相同的兩個子系統，每一個子系統都包含光信號生成裝置、分束鏡13、光收發天線14、瞄準、捕獲及跟蹤(AcquisitioruPointing and Tracking, APT)系統15、濾波器16、光電探測器17及信號處理裝置18 ；其中，光信號生成裝置包含雷射器10、信號源11和調製器12 ；光收發天線14可採用現有的反射式望遠鏡。如圖1所示， 若現有的雷射通信系統包含的一個子系統用於信號發送，則現有的雷射通信系統包含的另一個子系統用於信號接收，比如用於信號發送的子系統中，雷射器10出射用以作為載波的雷射；調製器12將信號源11產生的信號調製到作為載波的雷射上，並出射至分束鏡13 ； 分束鏡13透射調製器12輸出的攜帶信號的雷射至光收發天線14 ；光收發天線14將攜帶信號的雷射，經光信道傳輸至用於信號接收的子系統。用於信號接收的子系統中，光收發天線14接收攜帶信號的雷射，輸出攜帶信號的雷射至分束鏡13 ；分束鏡13反射攜帶信號的雷射至濾波器16 ；濾波器16對接收到的攜帶信號的雷射進行濾波，取出噪聲，並輸出處理後的攜帶信號的雷射至光電探測器17 ；光電探測器17將接收到的處理後的攜帶信號的雷射轉換成電信號，並輸出至信號處理裝置18 ；信號處理裝置18對接收到的電信號進行解調、濾波和放大，獲得信號並輸出。現有的雷射通信系統中的APT系統15用於對光收發天線14的位置進行調整，建立用於信號發送的子系統包含的光收發天線14、與用於信號接收的子系統包含的光收發天線14之間的對準，以便保證發射和接收之間傳輸的攜帶信號的雷射的能量最強。由於雷射通信為了實現遠距離高速率通信，必須保證發射雷射束有較小的束散角，甚至要達到微弧度量級，這就對通信雙方光學天線的對準提出了較高的要求。而現有的雷射通信系統包含的APT系統是通過APT系統內部的電機及機械轉臺來實現光收發天線14 轉動的，由於光收發天線14及機械轉臺的轉動慣量較大，較難實現更快速度、更高頻率的轉動，這就造成了通信雙方的通信鏈路較難實現連續通信；同時，APT系統包含的用於進行瞄準和跟蹤的系統雖然能夠實現快速跟蹤，但由於視場和變動範圍較小，對於較大幅度的振動難以調整，因此，現有的雷射通信系統還有待進一步改進。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種雷射通信系統，該系統能夠實現快速捕獲， 建立可連續通信的通信鏈路，降低大幅度振動對通信鏈路的影響，提高通信鏈路的穩定性。為達到上述目的，本發明的技術方案具體是這樣實現的一種雷射通信系統，該系統包含光信號生成裝置、光電探測器和與光電探測器連接的信號處理裝置，該系統還包含全向光收發天線，用於接收外部的攜帶信號的雷射，調整攜帶信號的雷射的光路； 用於接收第一分光子系統透射的待發送的攜帶信號的雷射，調整待發送的攜帶信號的雷射的光路，將待發送的攜帶信號的雷射變為平行光出射；第一分光子系統，用於將全向光收發天線出射的攜帶信號的雷射的一部分反射至跟蹤子系統，另一部分透射至第一聚焦子系統；用於將第一聚焦子系統出射的待發送的攜帶信號的雷射透射至全向光收發天線；第一聚焦子系統，用於對第一分光子系統透射的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射；用於接收第二分光子系統反射的待發送的攜帶信號的雷射，將待發送的攜帶信號的雷射透射至第一分光子系統；跟蹤子系統，用於採集第一分光子系統反射的攜帶信號的雷射的位置圖像，根據位置圖像和圖像採集的中心點計算一偏移量，並根據偏移量控制第一聚焦子系統的位置；第二分光子系統，用於將第一聚焦子系統透射的聚焦後的攜帶信號的雷射的一部分透射至光電探測器；用於將光信號生成裝置出射的待發送的攜帶信號的雷射反射至第一聚焦子系統。上述系統中，所述全向光收發天線包含呈圓柱狀的外殼、正多稜錐反射鏡和N個第一會聚透鏡；所述N為大於2的整數；所述N個第一會聚透鏡環繞鑲嵌於所述外殼的柱形側面，相鄰兩個第一會聚透鏡間的距離相同，且所述N個第一會聚透鏡的光心所在平面與所述外殼的底面平行；所述N個第一會聚透鏡中的任一第一會聚透鏡用於接收外部的攜帶信號的雷射， 將攜帶信號的雷射會聚後，透射至正多稜錐反射鏡；所述N個第一會聚透鏡中的任一第一會聚透鏡用於將所述正多稜錐反射鏡反射的待發送的攜帶信號的雷射變為平行光出射；所述正多稜錐反射鏡裝設於所述外殼中，其底面平行且靠近所述外殼的頂面，其頂點靠近所述外殼的底面，其錐面個數為N，每一個錐面與一個第一會聚透鏡相對，且每一個錐面與相對的第一會聚透鏡間的距離相同；所述正多稜錐反射鏡包含的任一錐面用於將該錐面相對的第一會聚透鏡出射的攜帶信號的雷射反射至所述第一分光子系統；所述正多稜錐反射鏡包含的任一錐面用於將所述第一分光子系統透射的待發送的攜帶信號的雷射反射至與該錐面相對的第一會聚透鏡。上述系統中，所述第一分光子系統為一個第一分束鏡；
所述第一分束鏡與所述正多稜錐反射鏡的底面間的夾角為θ ；所述θ大於0且小於90° ；所述第一分束鏡用於將所述正多稜錐反射鏡反射的攜帶信號的雷射的一部分反射至跟蹤子系統，另一部分透射至第一聚焦子系統；用於將第一聚焦子系統出射的待發送的攜帶信號的雷射透射至所述正多稜錐反射鏡的錐面上。上述系統中，所述第一分光子系統包含N個第二分束鏡；所述N個第二分束鏡中每一個第二分束鏡與所述正多稜錐反射鏡的一個錐面相對，且與相對的錐面間的夾角為α ；所述α大於0且小於90° ；所述N個第二分束鏡中的任一第二分束鏡用於將其相對的所述正多稜錐反射鏡的錐面反射的攜帶信號的雷射的一部分反射至跟蹤子系統，另一部分頭透射至第一聚焦子系統；用於將第一聚焦子系統出射的待發送的攜帶信號的雷射透射至與其相對的所述正多稜錐反射鏡的錐面。上述系統中，所述跟蹤子系統包含第二會聚透鏡，與所述第一分束鏡的夾角為90° -Θ ；用於對所述第一分束鏡反射的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射；第一探測器，用於採集第二會聚透鏡透射的聚焦後的攜帶信號的雷射的位置圖像，輸出位置圖像至第一誤差提取模塊；第一誤差提取模塊，對位置圖像進行分析，並計算聚焦後的攜帶信號的雷射所在位置相對於所述第一探測器的圖像採集的中心點的偏移量，輸出偏移量至第一驅動模塊；第一驅動模塊，根據偏移量調整所述第一聚焦子系統的位置，以使得所述第一聚焦子系統聚焦後的攜帶信號的雷射經所述第二分光子系統透射後，入射至所述光電探測器的中心區域。上述系統中，所述跟蹤子系統包含N個跟蹤控制裝置，所述N個跟蹤控制裝置中的每一個跟蹤控制裝置與一個第二分束鏡相對；所述N個跟蹤控制裝置中的每一個跟蹤控制裝置採集與其相對的第二分束鏡反射的攜帶信號的雷射的位置圖像，根據位置圖像和圖像採集的中心點計算一偏移量，根據偏移量控制第一聚焦子系統的位置。
上述系統中，所述跟蹤控制裝置包含第三會聚透鏡，與相對的第二分束鏡的夾角為90° -α ；用於對其相對的第二分束鏡反射的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射；第二探測器，用於採集與其相對的第三會聚透鏡透射的聚焦後的攜帶信號的雷射的位置圖像，輸出位置圖像至第二誤差提取模塊；第二誤差提取模塊，對位置圖像進行分析，並計算聚焦後的攜帶信號的雷射所在位置相對於所述第二探測器的圖像採集的中心點的偏移量，輸出偏移量至第二驅動模塊；第二驅動模塊，根據偏移量調整所述第一聚焦子系統的位置，以使得所述第一聚焦子系統聚焦後的攜帶信號的雷射經所述第二分光子系統透射後，入射至所述光電探測器的中心區域。上述系統中，所述第二分光子系統為一個第三分束鏡，所述第三分束鏡與所述正多稜錐反射鏡的底面間的夾角為θ ；所述θ大於0且小於90° ；所述第三分束鏡用於將攜帶信號的雷射透射至光電探測器；用於將待發送的攜帶信號的雷射反射至第一聚焦子系統。上述系統中，所述第二分光子系統包含N個第四分束鏡，所述N個第四分束鏡中每一個第四分束鏡與所述正多稜錐反射鏡的一個錐面相對，且與相對的錐面間的夾角為α ；所述α大於0且小於90° ；所述N個第四分束鏡中的任一第四分束鏡，用於將其相對的所述正多稜錐反射鏡的錐面反射的攜帶信號的雷射經第一分光子系統和第一聚焦子系統透射的部分雷射，透射至所述光電探測器；用於將所述光信號生成裝置出射的待發送的攜帶信號的雷射反射至所述第一聚焦子系統。上述系統中，所述第一聚焦子系統為一個第一空間光調製器；所述第一空間光調製器包含的光線入射平面與所述正多稜錐的底面平行；所述第一空間光調製器的光線入射平面包含N個聚焦子區域，所述N個聚焦子區域中的一個聚焦子區域與所述正多稜錐反射鏡的一個錐面相對；所述N個聚焦子區域中的任一聚焦子區域用於對相對的錐面反射的攜帶信號的雷射經第一分光子系統透射的部分雷射進行聚焦和透射；用於接收第二分光子系統反射的待發送的攜帶信號的雷射，將待發送的攜帶信號的雷射透射至第一分光子系統。較佳地，所述第二分光子系統與所述光信號生成裝置之間，還裝設有一個第二聚焦子系統；所述第二聚焦子系統用於將光信號生成裝置出射的待發送的攜帶信號的雷射進行聚焦，將聚焦後的待發送的攜帶信號的雷射透射至第二分光子系統。上述系統中，所述第二分光子系統為一個第二空間光調製器。由上述的技術方案可見，本發明提供了一種雷射通信系統，該系統的全向光收發天線接收外部的攜帶信號的雷射，調整攜帶信號的雷射的光路，並通過第一分光子系統反射一部分雷射至跟蹤子系統，透射一部分雷射至第一聚焦子系統；將接收到的第一分光子系統透射的待發送的攜帶信號的雷射變為平行光出射；跟蹤子系統採集第一分光子系統反射的攜帶信號的雷射的位置圖像，根據位置圖像和圖像採集的中心點計算一偏移量，並根據偏移量控制第一聚焦子系統的位置，以使得第一聚焦子系統透射的雷射經第二分光子系統入射至光電探測器。本發明的跟蹤子系統不再採用現有的APT系統，而是根據計算的偏移量快速地調整第一聚焦子系統的位置，以實現快速地捕獲，同時，全向光收發天線能夠對任意方向的攜帶信號的雷射進行接收，全向光收發天線與跟蹤子系統的結合，實現了建立可連續通信的通信鏈路；同時，利用空間光調製器作為第一聚焦子系統，實現了大視場和高速率的目標跟蹤，克服了移動目標間通信過程中顛簸和振動的影響，提高了通信鏈路的穩定性。
圖1為現有的雷射通信系統的結構示意圖。圖2為本發明雷射通信系統實施例一的結構示意圖。圖3為本發明雷射通信系統實施例二的結構示意圖。
圖4(a)為本發明雷射通信系統的光學天線的立體圖。圖4(b)為本發明雷射通信系統的光學天線的俯視圖。圖4(c)為本發明全向光收發天線包含的正多稜錐反射鏡的結構示意圖。圖5為本發明雷射通信系統的空間光調製器的分區示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案、及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例， 對本發明進一步詳細說明。圖2為本發明雷射通信系統實施例一的結構示意圖。圖4(a)為本發明雷射通信系統的光學天線的立體圖。圖4(b)為本發明雷射通信系統的光學天線的俯視圖。圖4(c) 為本發明全向光收發天線包含的正多稜錐反射鏡的結構示意圖。圖5為本發明雷射通信系統的空間光調製器的分區示意圖。現結合圖2、圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)和圖5，對本發明雷射通信系統的實施例一進行說明，具體如下本發明的雷射通信系統包含全向光收發天線20、第一分光子系統21、跟蹤子系統22、第一聚焦子系統23、第二分光子系統M、光信號生成裝置25、光電探測器17及信號處理器裝置18。其中，光信號生成裝置25用於產生待發送的攜帶信號的雷射，其結構與現有的光信號生成裝置(圖1中未示出)相同，即包含雷射器10、信號源11和調製器12，在下述實施例中，不再對光信號生成裝置的結構進行贅述；光電探測器17及信號處理器裝置18與現有的雷射通信系統相同，在下述實施例中，不再對光電探測器17及信號處理裝置18的結構進行贅述。全向光收發天線20用於接收外部的攜帶信號的雷射，調整攜帶信號的雷射的光路，以使得攜帶信號的雷射入射至第一分光子系統21 ；用於接收第一分光子系統21透射的待發送的攜帶信號的雷射，調整待發送的攜帶信號的雷射的光路，將待發送的攜帶信號的雷射變為平行光出射。第一分光子系統21用於將全向光收發天線20出射的攜帶信號的雷射的一部分反射至跟蹤子系統22，另一部分透射至第一聚焦子系統23 ；用於將第一聚焦子系統23出射的待發送的攜帶信號的雷射透射至全向光收發天線20。第一聚焦子系統23用於對第一分光子系統21透射的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射，以使得聚焦後的攜帶信號的雷射經第二分光子系統M透射後，入射至光電探測器 17 ；用於接收第二分光子系統M反射的待發送的攜帶信號的雷射，將待發送的攜帶信號的雷射透射至第一分光子系統21。跟蹤子系統22用於採集第一分光子系統21反射的攜帶信號的雷射的位置圖像， 根據位置圖像和圖像採集的中心點計算一偏移量，並根據偏移量控制第一聚焦子系統23 的位置。第二分光子系統M用於將第一聚焦子系統透射的聚焦後的攜帶信號的雷射的一部分透射至光電探測器17 ；用於將光信號生成裝置25出射的待發送的攜帶信號的雷射反射至第一聚焦子系統23。本實施例中的雷射通信系統還可進一步包含一個第二聚焦子系統26，該第二聚焦子系統沈裝設於光信號生成裝置25與第二分光子系統M之間，用於將光信號生成裝置25 出射的待發送的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射，以使得第二分光子系統M將待發送的攜帶信號的雷射反射至第一聚焦子系統23。具體地，本實施例的第二聚焦子系統沈可採用一個第二空間光調製器，該第二空間光調製器所包含的光線入射平面與信號生成裝置25 包含的光線出射平面平行。其中，本實施例的全向光收發天線20包含正多稜錐反射鏡200、N個第一會聚透鏡201和外殼202 ；其中，N為大於2的整數，且與正多稜錐反射鏡200包含的錐面個數相寸。外殼202成圓柱狀，將其靠近第一分光子系統21的端面設為底面，則另一端面為頂面；外殼202的底面具有一開口，以使得雷射通過。N個第一會聚透鏡201鑲嵌於外殼202的柱形側面上，且相鄰兩個第一會聚透鏡 201間的距離相同，且N個第一會聚透鏡201的光心所在平面與外殼202的兩端面平行。具體地，N個第一會聚透鏡201環繞鑲嵌於外殼202的柱形側面上，任意相鄰兩個第一會聚透鏡201的光心間的距離相通，N個第一會聚透鏡201的光心共圓，且該圓所在平面與外殼 202的兩端面平行；每一個第一會聚透鏡201可作為全向光收發天線20的一個光學窗口， 該光學窗口的視場為360° /N，比如圖4(a)和圖4(b)所示的全向光收發天線包含8個第一會聚透鏡201，若每一個第一會聚透鏡201作為全向光收發天線20的光學窗口，則每一個光學窗口的視場為45°。正多稜錐反射鏡200裝設於外殼202中，正多稜錐反射鏡200的底面平行且靠近於外殼202的頂面，其頂點靠近外殼202的底面，其包含的N個錐面中每一個錐面與一個第一會聚透鏡201相對，且每一個錐面與相對的第一會聚透鏡201間的距離相同。具體地，正多稜錐反射鏡200的底面可鑲嵌於外殼202的頂面上，其每一個錐面面積不小於第一會聚透鏡201出射的攜帶信號的雷射的光斑的面積；比如圖4(b)和圖4(c)所示的全向光收發天線的正多稜錐反射鏡200為正八稜錐反射鏡，其錐面和底面的夾角為45°。全向光收發天線20包含的任一第一會聚透鏡201用於接收外部的攜帶信號的雷射，將攜帶信號的雷射會聚後，透射至正多稜錐反射鏡200中與該第一會聚透鏡201相對的錐面上；任一第一會聚透鏡201用於將與其相對的正多稜錐反射鏡200的錐面反射的待發送的攜帶信號的雷射變為平行光出射。正多稜錐反射鏡200包含的任一錐面用於將任一第一會聚透鏡201出射的攜帶信號的雷射反射至第一分光子系統21 ；任一錐面用於將第一分光子系統21透射的待發送的攜帶信號的雷射反射至與該錐面相對的第一會聚透鏡201。其中，本實施例的第一分光子系統21為一個第一分束鏡210，其裝設於全向光收發天線20與第一會聚子系統23之間，與全向光收發天線20包含的正多稜錐反射鏡201的底面間的夾角為θ ； θ為大於0且小於90°。第一分束鏡210用於將全向光收發天線20的正多稜錐反射鏡200反射的攜帶信號的雷射的一部分反射至跟蹤子系統22，另一部分透射至第一聚焦子系統23 ；用於將第一聚焦子系統23出射的待發送的攜帶信號的雷射透射至全向光收發天線20的正多稜錐反射鏡200所包含的錐面上。第一分束鏡210的透光與反光之比可根據需要進行選擇，在此不再贅述。
其中，本實施例的跟蹤子系統22包含第二會聚透鏡221、第一探測器222、第一誤差提取模塊223和第一驅動模塊224。第二會聚透鏡221與第一分束鏡210的夾角為90° - θ，換句話說，第二會聚透鏡 221的主光軸與第一會聚透鏡201的主光軸平行；第二會聚透鏡221用於對第一分束鏡210 反射的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射，以使得聚焦後的攜帶信號的雷射入射至第一探測器222。其中，經第二會聚透鏡221聚焦後的攜帶信號的雷射在第一探測器222的圖像採集平面形成一光斑。第一探測器222用於採集第二會聚透鏡透射的聚焦後的攜帶信號的雷射的位置圖像，輸出位置圖像至第一誤差提取模塊223。第一探測器222可以是由現有的電荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)組成的用於進行圖像採集的陣列，或是由現有的互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)組成的用於進行圖像採集的陣列，在此不再對第一探測器222的具體結構進行贅述。第一誤差提取模塊223對獲取的位置圖像進行分析，計算聚焦後的攜帶信號的雷射所形成的光斑相對於第一探測器222的圖像採集的中心點的偏移量，輸出偏移量至第一驅動模塊224。具體地，入射至本發明雷射通信系統的攜帶信號的雷射所在的入射軸為目標視軸，光電探測器17接收雷射的入射軸為天線視軸，攜帶信號的雷射所在的入射軸為該雷射通信系統與進行通信的另一系統間連線；目標視軸偏離天線視軸時，位置圖像中包含的聚焦後的攜帶信號的雷射所形成的光斑偏離第一探測器222的圖像採集的中線點，換句話說，攜帶信號的雷射無法通過第一聚焦子系統23和第二分光子系統M，進入光電探測器 17中，因此，需要對第一聚焦子系統23的位置進行調整，已使得目標視軸與天線視軸重合， 進而使攜帶信號的雷射以儘可能大的能量入射至光電探測器17中。第一驅動模塊2M根據偏移量調整第一聚焦子系統23的位置，以使得第一聚焦子系統23聚焦後的攜帶信號的雷射經第二分光子系統M後，入射至光電探測器17。具體地， 第一驅動模塊2M根據偏移量反向調整第一聚焦子系統23的位置，以使得目標視軸與天線視軸重合。其中，本發明的第一聚焦子系統23為一個第一空間光調製器；該第一空間光調製器包含的光線入射平面與正多稜錐反射鏡200的底面平行，且光線入射平面包含N個聚焦子區域，N個聚焦子區域與正多稜錐反射鏡200的一個錐面相對，以使得正多稜錐反射鏡 200的錐面反射的攜帶信號的雷射通過相對的聚焦子區域改變光路，進而經第二分光子系統M透射至光電探測器17中。比如圖5所示的第一空間光調製器包含的光線入射平面被劃分為8個聚焦子區域，每個聚焦子區域根據其所對的錐面和相對於光電探測器17的位置，被設置了不同的光路調整參數，具體設置光路調整參數的內容屬於現有技術，在此不再贅述。第一空間光調製器包含的N個聚焦子區域中的任一聚焦子區域用於對相對的錐面反射的攜帶信號的雷射經第一分光子系統21透射的部分雷射進行聚焦和透射，調整攜帶信號的雷射的光路，以使得經該聚焦子區域透射的雷射經第二分光子系統M透射後，入射至光電探測器17;用於接收第二分光子系統M反射的待發送的攜帶信號的雷射，將待發送的攜帶信號的雷射透射至第一分光子系統21，以使得通過第一分光子系統21透射的待發送的攜帶信號的雷射入射至該聚焦子區域相對的錐面。
其中，本實施例的第二分光子系統M為一個第三分束鏡MO ；第三分束鏡240與正多稜錐反射鏡200的底面間的夾角為θ，換句話說，第三分束鏡240與第一分束鏡210平行；所述θ為大於0且小於90°。第三分束鏡240用於將第一聚焦子系統23透射的攜帶信號的雷射透射至光電探測器17，用於將光信號生成裝置25出射的待發送的攜帶信號的雷射反射至第一聚焦子系統23。第一分束鏡210的透光與反光之比可根據需要進行選擇， 在此不再贅述。圖3為本發明雷射通信系統實施例二的結構示意圖。本實施的雷射通信系統與實施例一的系統相比，僅是第一分光子系統21、跟蹤子系統和第二分光子系統M的內部結構不同，並且該實施例包含的光信號生成裝置25的個數為N。現結合圖3，僅對實施例二與實施例一不同的結構進行說明，具體如下其中，本實施例的第一分光子系統21包含N個第二分束鏡310，每一個第二分束鏡 310與正多稜錐反射鏡200的一個錐面相對，且與相對的錐面間的夾角為α ；所述α為大於0且小於90°。N個第二分束鏡310中的任一第二分束鏡310用於將其相對的正多稜錐反射鏡 200的錐面反射的攜帶信號的雷射的一部分反射至跟蹤子系統，另一部分頭透射至第一聚焦子系統23 ；用於將第一聚焦子系統23出射的待發送的攜帶信號的雷射透射至與其相對的正多稜錐反射鏡200的錐面。比如若該系統採用的是正八稜錐反射鏡，則第一分光子系統21包含8個第二分束鏡310，且每一個第二分束鏡310的位置由其相對的錐面反射的光斑所在位置確定，以錐面反射的光斑位於第二分束鏡310的中心為最佳。其中，本實施例的系統所包含的跟蹤子系統包含N個跟蹤控制裝置32 ；每一個跟蹤控制裝置32與一個第二分束鏡310相對。N個跟蹤控制裝置32中的每一個跟蹤控制裝置32採集與其相對的第二分束鏡310反射的攜帶信號的雷射的位置圖像，根據位置圖像和圖像採集的中心點計算一偏移量，根據偏移量控制第一聚焦子系統23的位置。其中，跟蹤控制裝置32包含第三會聚透鏡321、第二探測器322、第二誤差提取模塊323和第二驅動模塊324。第三會聚透鏡321與相對的第二分束鏡310的夾角為90° - θ，換句話說，第三會聚透鏡321的主光軸與第一會聚透鏡201的主光軸平行；第三會聚透鏡321用於對其相對的第二分束鏡310反射的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射，以使得聚焦後的攜帶信號的雷射入射至第二探測器322。其中，經第三會聚透鏡321聚焦後的攜帶信號的雷射在第二探測器322的圖像採集平面形成一光斑。第二探測器322用於採集與其相對的第三會聚透鏡321透射的聚焦後的攜帶信號的雷射的位置圖像，輸出位置圖像至第二誤差提取模塊323。第二探測器322可以是由現有的電荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)組成的用於進行圖像採集的陣列，或是由現有的互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)組成的用於進行圖像採集的陣列，在此不再對其具體結構進行贅述。第二誤差提取模塊323對獲取的位置圖像進行分析，計算聚焦後的攜帶信號的雷射所形成的光斑相對於第二探測器322的圖像採集的中心點的偏移量，輸出偏移量至第二驅動模塊324。具體地，入射至本發明雷射通信系統的攜帶信號的雷射所在的入射軸為目標視軸，光電探測器17接收雷射的入射軸為天線視軸，攜帶信號的雷射所在的入射軸為該雷射通信系統與進行通信的另一系統間連線；目標視軸偏離天線視軸時，位置圖像中包含的聚焦後的攜帶信號的雷射所形成的光斑偏離第二探測器322的圖像採集的中線點，換句話說，攜帶信號的雷射無法通過第一聚焦子系統23和第二分光子系統M，進入光電探測器 17中，因此，需要對第一聚焦子系統23的位置進行調整，已使得目標視軸與天線視軸重合， 進而使攜帶信號的雷射以儘可能大的能量入射至光電探測器17中。第二驅動模塊3M根據偏移量調整第一聚焦子系統23的位置，以使得第一聚焦子系統23聚焦後的攜帶信號的雷射經第二分光子系統M後，入射至光電探測器17。具體地， 第二驅動模塊3M根據偏移量反向調整第一聚焦子系統23的位置，以使得目標視軸與天線視軸重合。其中，本實施例的第二分光子系統M包含N個第四分束鏡340。N個第四分束鏡340中每一個第四分束鏡340與正多稜錐反射鏡200的一個錐面相對，且與相對的錐面間的夾角為α ；所述α為大於0且小於90° ；N個第四分束鏡340中的任一第四分束鏡340用於將其相對的正多稜錐反射鏡 200的錐面反射的攜帶信號的雷射，經第一分光子系統21和第一聚焦子系統23透射的部分雷射，透射至光電探測器17 ；用於將光信號生成裝置25出射的待發送的攜帶信號的雷射反射至第一聚焦子系統23，以使得待發送的攜帶信號的雷射經第一聚焦子系統23和第一分光子系統21，透射至與該第四分束鏡340相對的正多稜錐反射鏡200的錐面。以上僅為本發明的兩個較佳實施例，用實施例二中的N個第二分束鏡310替換實施例一的第一分束鏡210，相應地，用實施例二的N個跟蹤控制裝置32替換實施例一的跟蹤子系統22，則形成本發明的實施例三。同理，用實施例二中的N個第四分束鏡340替換實施例一中的第三分束鏡對0，相應地，用實施例二的N個光信號生成裝置25替換實施例一中的一個光信號生成裝置25和第二聚焦子系統226，則形成本發明的實施例四。根據上述實施例一和實施例二的說明，可得到實施例三和實施例四的具體結構，在此不再進行贅述。本發明的上述較佳實施例中，利用全向光收發天線實現了 360°收發信號，利用第一聚焦子系統和跟蹤子系統實現了快速的捕獲和跟蹤；由於本系統無需採用現有的APT系統中的複雜的機械轉臺來進行對準和捕獲，降低了建立通信鏈路所耗費的時間；由於利用空間光調製器作為第一聚焦子系統，實現了大視場和高速率的目標跟蹤，克服了移動目標間通信過程中顛簸和振動的影響，提高了通信鏈路的穩定性。綜上所述，以上為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種雷射通信系統，該系統包含光信號生成裝置、光電探測器和與光電探測器連接的信號處理裝置，其特徵在於，該系統還包含全向光收發天線，用於接收外部的攜帶信號的雷射，調整攜帶信號的雷射的光路；用於接收第一分光子系統透射的待發送的攜帶信號的雷射，調整待發送的攜帶信號的雷射的光路，將待發送的攜帶信號的雷射變為平行光出射；第一分光子系統，用於將全向光收發天線出射的攜帶信號的雷射的一部分反射至跟蹤子系統，另一部分透射至第一聚焦子系統；用於將第一聚焦子系統出射的待發送的攜帶信號的雷射透射至全向光收發天線；第一聚焦子系統，用於對第一分光子系統透射的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射；用於接收第二分光子系統反射的待發送的攜帶信號的雷射，將待發送的攜帶信號的雷射透射至第一分光子系統；跟蹤子系統，用於採集第一分光子系統反射的攜帶信號的雷射的位置圖像，根據位置圖像和圖像採集的中心點計算一偏移量，並根據偏移量控制第一聚焦子系統的位置；第二分光子系統，用於將第一聚焦子系統透射的聚焦後的攜帶信號的雷射的一部分透射至光電探測器；用於將光信號生成裝置出射的待發送的攜帶信號的雷射反射至第一聚焦子系統。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述全向光收發天線包含呈圓柱狀的外殼、正多稜錐反射鏡和N個第一會聚透鏡；所述N為大於2的整數；所述N個第一會聚透鏡環繞鑲嵌於所述外殼的柱形側面，相鄰兩個第一會聚透鏡間的距離相同，且所述N個第一會聚透鏡的光心所在平面與所述外殼的底面平行；所述N個第一會聚透鏡中的任一第一會聚透鏡用於接收外部的攜帶信號的雷射，將攜帶信號的雷射會聚後，透射至正多稜錐反射鏡；所述N個第一會聚透鏡中的任一第一會聚透鏡用於將所述正多稜錐反射鏡反射的待發送的攜帶信號的雷射變為平行光出射；所述正多稜錐反射鏡裝設於所述外殼中，其底面平行且靠近所述外殼的頂面，其頂點靠近所述外殼的底面，其錐面個數為N，每一個錐面與一個第一會聚透鏡相對，且每一個錐面與相對的第一會聚透鏡間的距離相同；所述正多稜錐反射鏡包含的任一錐面用於將該錐面相對的第一會聚透鏡出射的攜帶信號的雷射反射至所述第一分光子系統；所述正多稜錐反射鏡包含的任一錐面用於將所述第一分光子系統透射的待發送的攜帶信號的雷射反射至與該錐面相對的第一會聚透鏡。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述第一分光子系統為一個第一分束鏡； 所述第一分束鏡與所述正多稜錐反射鏡的底面間的夾角為θ ；所述θ大於0且小於90° ；所述第一分束鏡用於將所述正多稜錐反射鏡反射的攜帶信號的雷射的一部分反射至跟蹤子系統，另一部分透射至第一聚焦子系統；用於將第一聚焦子系統出射的待發送的攜帶信號的雷射透射至所述正多稜錐反射鏡的錐面上。
4.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述第一分光子系統包含N個第二分束鏡；所述N個第二分束鏡中每一個第二分束鏡與所述正多稜錐反射鏡的一個錐面相對，且與相對的錐面間的夾角為α ；所述α大於0且小於90° ；所述N個第二分束鏡中的任一第二分束鏡用於將其相對的所述正多稜錐反射鏡的錐面反射的攜帶信號的雷射的一部分反射至跟蹤子系統，另一部分頭透射至第一聚焦子系統；用於將第一聚焦子系統出射的待發送的攜帶信號的雷射透射至與其相對的所述正多稜錐反射鏡的錐面。
5.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述跟蹤子系統包含第二會聚透鏡，與所述第一分束鏡的夾角為90° -Θ ；用於對所述第一分束鏡反射的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射；第一探測器，用於採集第二會聚透鏡透射的聚焦後的攜帶信號的雷射的位置圖像，輸出位置圖像至第一誤差提取模塊；第一誤差提取模塊，對位置圖像進行分析，並計算聚焦後的攜帶信號的雷射所在位置相對於所述第一探測器的圖像採集的中心點的偏移量，輸出偏移量至第一驅動模塊；第一驅動模塊，根據偏移量調整所述第一聚焦子系統的位置，以使得所述第一聚焦子系統聚焦後的攜帶信號的雷射經所述第二分光子系統透射後，入射至所述光電探測器的中心區域。
6.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述跟蹤子系統包含N個跟蹤控制裝置， 所述N個跟蹤控制裝置中的每一個跟蹤控制裝置與一個第二分束鏡相對；所述N個跟蹤控制裝置中的每一個跟蹤控制裝置採集與其相對的第二分束鏡反射的攜帶信號的雷射的位置圖像，根據位置圖像和圖像採集的中心點計算一偏移量，根據偏移量控制第一聚焦子系統的位置。
7.根據權利要求6所述的系統，其特徵在於，所述跟蹤控制裝置包含第三會聚透鏡，與相對的第二分束鏡的夾角為90° -α ；用於對其相對的第二分束鏡反射的攜帶信號的雷射進行聚焦和透射；第二探測器，用於採集與其相對的第三會聚透鏡透射的聚焦後的攜帶信號的雷射的位置圖像，輸出位置圖像至第二誤差提取模塊；第二誤差提取模塊，對位置圖像進行分析，並計算聚焦後的攜帶信號的雷射所在位置相對於所述第二探測器的圖像採集的中心點的偏移量，輸出偏移量至第二驅動模塊；第二驅動模塊，根據偏移量調整所述第一聚焦子系統的位置，以使得所述第一聚焦子系統聚焦後的攜帶信號的雷射經所述第二分光子系統透射後，入射至所述光電探測器的中心區域。
8.根據權利要求2至7任一權利要求所述的系統，其特徵在於，所述第二分光子系統為一個第三分束鏡，所述第三分束鏡與所述正多稜錐反射鏡的底面間的夾角為θ ；所述θ大於0且小於 90° ；所述第三分束鏡用於將攜帶信號的雷射透射至光電探測器；用於將待發送的攜帶信號的雷射反射至第一聚焦子系統。
9.根據權利要求2至7任一權利要求所述的系統，其特徵在於，所述第二分光子系統包含N個第四分束鏡，所述N個第四分束鏡中每一個第四分束鏡與所述正多稜錐反射鏡的一個錐面相對，且與相對的錐面間的夾角為α ；所述α大於0且小於90° ；所述N個第四分束鏡中的任一第四分束鏡，用於將其相對的所述正多稜錐反射鏡的錐面反射的攜帶信號的雷射經第一分光子系統和第一聚焦子系統透射的部分雷射，透射至所述光電探測器；用於將所述光信號生成裝置出射的待發送的攜帶信號的雷射反射至所述第一聚焦子系統。
10.根據權利要求1至7任一權利要求所述的系統，其特徵在於，所述第一聚焦子系統為一個第一空間光調製器；所述第一空間光調製器包含的光線入射平面與所述正多稜錐的底面平行；所述第一空間光調製器的光線入射平面包含N個聚焦子區域，所述N個聚焦子區域中的一個聚焦子區域與所述正多稜錐反射鏡的一個錐面相對；所述N個聚焦子區域中的任一聚焦子區域用於對相對的錐面反射的攜帶信號的雷射經第一分光子系統透射的部分雷射進行聚焦和透射；用於接收第二分光子系統反射的待發送的攜帶信號的雷射，將待發送的攜帶信號的雷射透射至第一分光子系統。
11.根據權利要求1至7任一權利要求所述的系統，其特徵在於，所述第二分光子系統與所述光信號生成裝置之間，還裝設有一個第二聚焦子系統；所述第二聚焦子系統用於將光信號生成裝置出射的待發送的攜帶信號的雷射進行聚焦，將聚焦後的待發送的攜帶信號的雷射透射至第二分光子系統。
12.根據權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述第二分光子系統為一個第二空間光調製器。
全文摘要
本發明提供了一種雷射通信系統，該系統的全向光收發天線接收外部的攜帶信號的雷射，調整攜帶信號的雷射的光路，並通過第一分光子系統反射一部分雷射至跟蹤子系統，透射一部分雷射至第一聚焦子系統；將接收到的第一分光子系統透射的待發送的攜帶信號的雷射變為平行光出射；跟蹤子系統採集第一分光子系統反射的攜帶信號的雷射的位置圖像，根據位置圖像和圖像採集的中心點計算一偏移量，並根據偏移量控制第一聚焦子系統的位置，以使得第一聚焦子系統透射的雷射經第二分光子系統入射至光電探測器。採用本發明的系統，能夠實現快速捕獲，建立可連續通信的通信鏈路，降低大幅度振動對通信鏈路的影響，提高通信鏈路的穩定性。
文檔編號H04B10/10GK102185654SQ20111011130
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者劉明, 劉洋, 牛春暉, 董鵬 申請人:北京國科環宇空間技術有限公司