一种光路可切换的无信标激光通信系统及方法与流程

1.本发明涉及激光通信领域，具体涉及一种光路可切换的无信标激光通信系统及方法。


背景技术：

2.对于星地、星间、空地等空间激光通信系统，其通信终端主要依靠捕获、瞄准、跟踪(atp)技术来建立通信链路。通常，激光通信atp系统会使用信标光来扫描对方不确定区域，其较大的发散角可使捕获与跟踪过程变得相对容易，但是，信标光与信号光通常为两个不同波段的激光，通信终端要为信标光的发射和接收设计一套完整的含有光学收发天线、电子学控制、信号处理的分系统，这使得激光通信终端结构复杂、体积重量较大、功耗较高，复杂的结构会增加装调的难度，对光路的调校误差要求极高，尤其对于星地、星间等超远距离的激光通信应用场景，微小的装配误差将会被超比例放大，给atp过程造成非常恶劣的影响，同时，对于卫星等航天器应用平台，可分配资源有限，对于载荷的体积、重量、功耗都有严格的限制，由激光通信信标光分系统带来的体积、重量、功耗问题，也会使激光通信载荷应用受限。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种光路可切换的无信标激光通信系统及方法，以解决传统空间激光通信终端因使用信标光进行atp和使用信号光进行数据传输而导致结构复杂、体积较大重量较大以及功耗较高的技术问题，为只利用信号光进行atp和数据传输提供硬件基础。
4.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种光路可切换的无信标激光通信系统，无信标激光通信系统包括二维伺服转台以及安装在所述二维伺服转台上的信号光捕获与跟踪装置、信号光收发装置以及光路切换分时复用机构；所述信号光捕获与跟踪装置包括信号光捕获与跟踪探测器以及信号光捕获与粗跟踪镜头，所述信号光捕获与跟踪探测器与所述信号光捕获与粗跟踪镜头相对设置并在光路上连通，所述信号光捕获与跟踪探测器的信号输出端与所述二维伺服转台电连接；所述光路切换分时复用机构用于在捕获与粗跟踪的过程中避开所述信号光捕获与跟踪探测器与所述信号光收发装置之间的光路；所述光路切换分时复用机构还用于在精跟踪的过程中阻断所述信号光捕获与跟踪探测器与所述信号光捕获与粗跟踪镜头之间的光路，并连通所述信号光收发装置与所述信号光捕获与跟踪探测器之间的光路。
5.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
6.进一步，所述信号光捕获与粗跟踪镜头的接收视场大小与无信标激光通信系统的捕获不确定区域大小相匹配。
7.进一步，所述信号光收发装置包括信号光收发一体光学天线、快速反射镜、二向色分光镜、部分分光片、信号光发射激光器和信号光接收探测器；所述二向色分光镜的光路包
括信号光接收透射光路和信号光发射反射光路，所述部分分光片的光路包括透射光路和反射光路；所述信号光收发一体光学天线、所述快速反射镜、所述二向色分光镜和所述部分分光片依次相对设置并在光路上依次连通，且所述部分分光片位于所述二向色分光镜的信号光接收透射光路上；所述信号光发射激光器与所述二向色分光镜相对设置并在光路上连通，且所述信号光发射激光器位于所述二向色分光镜的信号光发射反射光路上；所述信号光接收探测器与所述部分分光片相对设置并在光路上连通，且所述信号光接收探测器位于所述部分分光片的反射光路上；当在精跟踪的过程中，所述光路切换分时复用机构位于所述信号光捕获与跟踪探测器与所述信号光捕获与粗跟踪镜头之间的光路中，并将所述信号光捕获与跟踪探测器与所述信号光捕获与粗跟踪镜头之间的光路阻断，且将所述部分分光片的透射光路引入至所述信号光捕获与跟踪探测器中。
8.进一步，在所述部分分光片中，所述透射光路分得的信号光强度小于所述反射光路分得的信号光强度。
9.进一步，所述光路切换分时复用机构包括反射镜、聚焦镜组和驱动机构，所述反射镜和所述聚焦镜组均安装所述驱动机构上，且所述驱动机构用于驱动所述反射镜和所述聚焦镜组运动。
10.进一步，所述聚焦镜组位于所述反射镜的反射面一侧；当在精跟踪的过程中，所述反射镜位于所述信号光捕获与跟踪探测器与所述信号光捕获与粗跟踪镜头之间的光路中，且所述反射镜的非反射面与所述信号光捕获与粗跟踪镜头相对，所述反射镜的反射面分别与所述部分分光片以及所述信号光捕获与跟踪探测器相对，所述聚焦镜组位于所述反射镜与所述信号光捕获与跟踪探测器之间。
11.基于上述一种光路可切换的无信标激光通信系统，本发明还提供一种光路可切换的无信标激光通信方法。
12.一种光路可切换的无信标激光通信方法，利用上述所述的光路可切换的无信标激光通信系统进行激光通信，包括以下步骤，
13.在激光通信的初始阶段，控制光路切换分时复用机构避开信号光捕获与跟踪探测器与信号光收发装置之间的光路；
14.控制信号光捕获与粗跟踪镜头在捕获不确定区域内扫描，使所述信号光捕获与粗跟踪镜头捕获到信号光；
15.当所述信号光捕获与粗跟踪镜头捕获到信号光后，将捕获到的信号光成像至所述信号光捕获与跟踪探测器上，进入目标粗跟踪状态；
16.在目标粗跟踪阶段，控制所述信号光捕获与跟踪探测器根据所述信号光捕获与粗跟踪镜头捕获到的信号光，解算出入射信号光方位；
17.根据所述信号光捕获与跟踪探测器解算出的入射信号光方位，驱动二维伺服转台转动，使无信标激光通信系统指向对方发射出的信号光的入射方向，完成目标粗跟踪，并进入目标精跟踪状态；
18.在进入目标精跟踪状态时，控制所述光路切换分时复用机构阻断所述信号光捕获与跟踪探测器与所述信号光捕获与粗跟踪镜头之间的光路，并连通信号光收发装置与所述信号光捕获与跟踪探测器之间的光路；
19.在目标精跟踪阶段中，利用所述信号光收发装置接收信号光，并通过所述光路切
换分时复用机构将接收到的信号光传输至所述信号光捕获与跟踪探测器中，实现基于信号光的目标精跟踪；
20.在目标精跟踪的工作状态达到稳定时，通过所述信号光收发装置进行数据传输，直至通信结束。
21.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
22.进一步，所述光路切换分时复用机构的初始状态为避开信号光捕获与跟踪探测器与信号光收发装置之间的光路；
23.当通信结束后，控制所述光路切换分时复用机构避开信号光捕获与跟踪探测器与信号光收发装置之间的光路。
24.进一步，在通信过程中，若信号光丢失，则控制所述光路切换分时复用机构避开信号光捕获与跟踪探测器与信号光捕获与粗跟踪镜头之间的光路，并使无信标激光通信系统重新进入捕获与粗跟踪状态，且重复激光通信建链动作，直至通信链路再次成功建立。
25.进一步，若在激光通信的初始阶段具备进入目标精跟踪状态的条件，则控制所述光路切换分时复用机构阻断所述信号光捕获与跟踪探测器与所述信号光捕获与粗跟踪镜头之间的光路，并连通所述信号光收发装置与所述信号光捕获与跟踪探测器之间的光路，使无信标激光通信系统进入精跟踪模式，直至通信结束。
26.本发明的有益效果是：本发明一种光路可切换的无信标激光通信系统及方法利用信号光完成了激光通信的捕获、对准、跟踪以及通信数据传输，在激光通信的全过程中均未使用除信号光之外的其他波段激光作为信标光来辅助建链，大大简化了激光通信终端的系统结构，降低了体积重量和功耗，可使激光通信终端在更多场景下进行更灵活的应用，有助于激光通信技术的推广。另外，在本发明中引入光路切换分时复用机构，实现了粗、精跟踪状态的灵活切换，充分的利用信号光完成整个atp及通信过程，有效的整合了载荷资源。
附图说明
27.图1为本发明一种光路可切换的无信标激光通信系统的结构示意图；
28.图2为本发明一种光路可切换的无信标激光通信系统在捕获与粗跟踪状态时的结构示意图；
29.图3为本发明一种光路可切换的无信标激光通信系统在精跟踪状态时的结构示意图；
30.图4为光路切换分时复用机构通过旋转避开信号光捕获与粗跟踪镜头光路的示意图；
31.图5为光路切换分时复用机构通过平移避开信号光捕获与粗跟踪镜头光路的示意图；
32.图6为本发明一种光路可切换的无信标激光通信方法的流程图；
33.图7为粗跟踪阶段信号光斑在信号光捕获与跟踪探测器视场中的位置示意图；
34.图8为精跟踪阶段信号光斑在信号光捕获与跟踪探测器视场中的位置示意图。
35.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
36.1、二维伺服转台；2、信号光捕获与跟踪装置，21、信号光捕获与跟踪探测器，22、信号光捕获与粗跟踪镜头；3、信号光收发装置，31、信号光收发一体光学天线，32、快速反射
镜，33、二向色分光镜，34、部分分光片，35、信号光发射激光器，36、信号光接收探测器；4、光路切换分时复用机构，41、反射镜，42、聚焦镜组。
具体实施方式
37.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
38.如图1、图2和图3所示，一种光路可切换的无信标激光通信系统，无信标激光通信系统包括二维伺服转台1以及安装在所述二维伺服转台1上的信号光捕获与跟踪装置2、信号光收发装置3以及光路切换分时复用机构4；所述信号光捕获与跟踪装置2包括信号光捕获与跟踪探测器21以及信号光捕获与粗跟踪镜头22，所述信号光捕获与跟踪探测器21与所述信号光捕获与粗跟踪镜头22相对设置并在光路上连通，所述信号光捕获与跟踪探测器21的信号输出端与所述二维伺服转台1电连接；所述光路切换分时复用机构4用于在捕获与粗跟踪的过程中避开所述信号光捕获与跟踪探测器21与所述信号光收发装置3之间的光路；所述光路切换分时复用机构4还用于在精跟踪的过程中阻断所述信号光捕获与跟踪探测器21与所述信号光捕获与粗跟踪镜头22之间的光路，并连通所述信号光收发装置3与所述信号光捕获与跟踪探测器21之间的光路。
39.具体的：
40.信号光捕获与粗跟踪镜头22接收信号光用于捕获与粗跟踪，要求在信号光波段有较高透过率，不低于99％是比较理想的情况。所述信号光捕获与粗跟踪镜头22的接收视场大小与无信标激光通信系统的捕获不确定区域大小相匹配，此处的匹配为相等或略小于或略大于，总之，所述信号光捕获与粗跟踪镜头22的接收视场大小与无信标激光通信系统的捕获不确定区域大小的面积差值在预设要求精度的范围内。
41.信号光捕获与跟踪探测器21在信号光波长处有较高的响应度，当前激光通信的信号光波长多为c波段，在该波段处有较高响应度的ingaas焦平面探测器可用在此处，但此处不限于使用ingaas焦平面探测器，其他具有同样效果，或成像探测效果更优的探测器也可使用，比如碲镉汞探测器、t2sl超晶格探测器等。
42.二维伺服转台1主要完成无信标激光通信系统的初始指向与粗跟踪任务。信号光捕获与跟踪探测器21在信号光捕获与粗跟踪的过程中，将捕获的信号光进行方位解算，并将解算结果传输给二维伺服转台1，二维伺服转台1根据方位解算结果转动，使无信标激光通信系统指向入射光方位。
43.在本具体实施例中：所述信号光收发装置3包括信号光收发一体光学天线31、快速反射镜32、二向色分光镜33、部分分光片34、信号光发射激光器35和信号光接收探测器36；所述二向色分光镜33的光路包括信号光接收透射光路和信号光发射反射光路，所述部分分光片34的光路包括透射光路和反射光路；所述信号光收发一体光学天线31、所述快速反射镜32、所述二向色分光镜33和所述部分分光片34依次相对设置并在光路上依次连通，且所述部分分光片34位于所述二向色分光镜33的信号光接收透射光路上；所述信号光发射激光器35与所述二向色分光镜33相对设置并在光路上连通，且所述信号光发射激光器35位于所述二向色分光镜33的信号光发射反射光路上；所述信号光接收探测器36与所述部分分光片34相对设置并在光路上连通，且所述信号光接收探测器36位于所述部分分光片34的反射光
路上；当在精跟踪的过程中，所述光路切换分时复用机构4位于所述信号光捕获与跟踪探测器21与所述信号光捕获与粗跟踪镜头22之间的光路中，并将所述信号光捕获与跟踪探测器21与所述信号光捕获与粗跟踪镜头22之间的光路阻断，且将所述部分分光片34的透射光路引入至所述信号光捕获与跟踪探测器21中。
44.具体的：
45.信号光收发一体光学天线31用于信号光的接收及发射。
46.快速反射镜32用于精跟踪。
47.二向色分光镜33用于透射接收的信号光，反射发射的信号光。
48.在所述部分分光片34中，所述透射光路分得的信号光强度小于所述反射光路分得的信号光强度。部分分光片34将大部分信号光反射给信号光接收探测器36，将小部分信号光进行透射给信号光捕获与跟踪探测器21，用于精跟踪。例如，部分分光片34将90％的信号光反射给信号光接收探测器36，将10％的信号光进行透射给信号光捕获与跟踪探测器21；本发明中的部分分光片34的反射率与透射率的比值可以根据实际需要合理设置，并不限于此处所举实例的9:1。
49.信号光发射激光器35用于发射经调制的载波激光(即信号光)。
50.信号光接收探测器36将光信号转变为电信号，用于系统后续的数据处理。
51.在本具体实施例中：所述光路切换分时复用机构4包括反射镜41、聚焦镜组42和驱动机构，所述反射镜41和所述聚焦镜组42均安装所述驱动机构上，且所述驱动机构用于驱动所述反射镜41和所述聚焦镜组42运动。具体的，所述聚焦镜组42位于所述反射镜41的反射面一侧；当在精跟踪的过程中，所述反射镜41位于所述信号光捕获与跟踪探测器21与所述信号光捕获与粗跟踪镜头22之间的光路中，且所述反射镜41的非反射面与所述信号光捕获与粗跟踪镜头22相对，所述反射镜41的反射面分别与所述部分分光片34以及所述信号光捕获与跟踪探测器21相对，所述聚焦镜组42位于所述反射镜41与所述信号光捕获与跟踪探测器21之间。
52.在本发明中，主要通过光路切换分时复用机构4来实现捕获与粗跟踪状态以及精跟踪状态之间的切换，在上述实施方式的说明中，是通过图2和图3所示的位置变化来说明光路切换分时复用机构4的变化状态的，即通过旋转的方式来切换位置。需要说明的是，图3所示的光路切换分时复用机构4的位置并不是唯一的，任何能避开信号光捕获与粗跟踪镜头22的光路的位置都是可行的，如图4所示，可以是角α范围的任一位置。这种旋转的方式也不是唯一的，也可以通过平移的方式来改变光路切换分时复用机构4的位置，如图5所示，可将光路切换分时复用机构4平移到位置a或b，以能避开信号光捕获与粗跟踪镜头22的光路为准。
53.基于上述一种光路可切换的无信标激光通信系统，本发明还提供一种光路可切换的无信标激光通信方法。
54.如图6所示，一种光路可切换的无信标激光通信方法，利用上述所述的光路可切换的无信标激光通信系统进行激光通信，包括以下步骤，
55.在激光通信的初始阶段，控制光路切换分时复用机构4避开信号光捕获与跟踪探测器21与信号光收发装置3之间的光路；
56.控制信号光捕获与粗跟踪镜头22在捕获不确定区域内扫描，使所述信号光捕获与
粗跟踪镜头22捕获到信号光；
57.当所述信号光捕获与粗跟踪镜头22捕获到信号光后，将捕获到的信号光成像至所述信号光捕获与跟踪探测器21上，进入目标粗跟踪状态；
58.在目标粗跟踪阶段，控制所述信号光捕获与跟踪探测器21根据所述信号光捕获与粗跟踪镜头22捕获到的信号光，解算出入射信号光方位；
59.根据所述信号光捕获与跟踪探测器21解算出的入射信号光方位，驱动二维伺服转台1转动，使无信标激光通信系统指向对方发射出的信号光的入射方向，完成目标粗跟踪，并进入目标精跟踪状态；
60.在进入目标精跟踪状态时，控制所述光路切换分时复用机构4阻断所述信号光捕获与跟踪探测器21与所述信号光捕获与粗跟踪镜头22之间的光路，并连通信号光收发装置3与所述信号光捕获与跟踪探测器21之间的光路；
61.在目标精跟踪阶段中，利用所述信号光收发装置3接收信号光，并通过所述光路切换分时复用机构4将接收到的信号光传输至所述信号光捕获与跟踪探测器21中，实现目标精跟踪；
62.在目标精跟踪的工作状态达到稳定时，通过所述信号光收发装置3进行数据传输，直至通信结束。
63.在本具体实施例中：所述光路切换分时复用机构4的初始状态为避开信号光捕获与跟踪探测器21与信号光收发装置3之间的光路；
64.当通信结束后，控制所述光路切换分时复用机构4避开信号光捕获与跟踪探测器21与信号光收发装置3之间的光路。
65.在本具体实施例中：在通信过程中，若信号光丢失，则控制所述光路切换分时复用机构4避开信号光捕获与跟踪探测器21与信号光收发装置3之间的光路，并使无信标激光通信系统重新进入捕获与粗跟踪状态，且重复激光通信建链动作，直至通信链路再次成功建立。
66.在本具体实施例中：若在激光通信的初始阶段具备进入目标精跟踪状态的条件，则控制所述光路切换分时复用机构4阻断所述信号光捕获与跟踪探测器21与所述信号光捕获与粗跟踪镜头22之间的光路，并连通所述信号光收发装置3与所述信号光捕获与跟踪探测器21之间的光路，使无信标激光通信系统进入精跟踪模式，直至通信结束。
67.本发明的工作原理如下：
68.在激光通信的初始阶段，信号光捕获与跟踪探测器21以及信号光捕获与粗跟踪镜头22组成捕获与粗跟踪单元，信号光捕获与粗跟踪镜头22的探测视场与无信标激光通信系统的捕获不确定区相等。在无信标激光通信系统工作的初始阶段，光路切换分时复用机构4的初始位置如图2所示。
69.此时，通信双方互相发射信号光，在捕获不确定区域内进行扫描，一旦信号光覆盖到无信标激光通信系统，则信号光捕获与粗跟踪镜头22可在第一时间捕获到信号光，即完成了捕获，并将捕获到的信号光成像到信号光捕获与跟踪探测器21上，进入粗跟踪阶段。此时，信号光斑位于信号光捕获与跟踪探测器21视场的a区域，如图7所示，a区域也称为粗跟踪区域，由信号光捕获与跟踪探测器21完成入射信号光方位解算，形成驱动信号给到二维伺服转台1，带动无信标激光通信系统指向信号光的入射方向。
70.在二维伺服转台1的驱动下，无信标激光通信系统会快速的指向信号光入射方向，此过程中，信号光斑位置会在信号光捕获与跟踪探测器21的视场中不断地变化，变化趋势是逐渐接近图7所示的b区域，最终移动到如图8所述的b区域中，无信标激光通信系统进入精跟踪阶段。b区域称为精跟踪区，b区域对应的接收视场与信号光收发一体光学天线31的接收视场相当。
71.图7和图8中，整个方框包围的区域代表信号光捕获与跟踪探测器21的视场；方框内的圆所包围的区域为b区域，也称为精跟踪区域；方框内除b区域之外的区域为a区域，也称为粗跟踪区域；圆形黑点代表信号光斑。
72.当信号光捕获与跟踪探测器21检测到信号光斑进入b区域时，会向光路切换分时复用机构4发送一个指令，光路切换分时复用机构4随即切换到如图3所示的位置，系统进入精跟踪模式，此时，精跟踪与信号接收共光路，信号光捕获与跟踪探测器21接收的光由来自信号光捕获与粗跟踪镜头22切换为来自收发一体光学天线31，发一体光学天线31的视场相对于信号光捕获与粗跟踪镜头22更小，焦距更长，可与信号光捕获与跟踪探测器21进行参数匹配，满足精跟踪要求。
73.当精跟踪状态稳定，跟踪误差达到了激光通信数据传输的要求，表明激光通信链路建立成功，开始进入数据传输阶段(通信双方通过信号光发射激光器36和信号光接收探测器37实现数据通信)，直至本次通信任务结束。此时，无信标激光通信系统恢复初始状态，光路切换分时复用机构4回到如图2所示的初始位置，等待下一个通信阶段的开始。
74.在通信过程中，如遇到外界干扰，通信链路被破坏，造成光信号丢失，则光路切换分时复用机构4返回如图2所示的初始位置，重新进入捕获与粗跟踪状态，重复激光通信建链动作，直至通信链路再次成功建立。
75.需要说明的时，在初始捕获阶段，会存在一种情况，即通信双方在一开始就完成了精准指向，信号光斑直接出现在信号光捕获与跟踪探测器21的精跟踪区内，则系统可跨过粗跟踪阶段，此时无信标激光通信系统可直接向光路切换分时复用机构4发送动作指令，切换光路进入精跟踪模式，直至通信结束。
76.本发明充分的利用信号光完成了激光通信的捕获、对准、跟踪以及通信数据传输，在激光通信的全过程中均未使用除信号光之外的其他波段激光作为信标光来辅助建链，大大简化了激光通信终端的系统结构，降低了体积重量和功耗，可使激光通信终端在更多场景下进行更灵活的应用，有助于激光通信技术的推广，为只利用信号光进行atp和数据传输提供硬件基础。另外，在本发明中引入光路切换分时复用机构，实现了粗、精跟踪状态的灵活切换，充分的利用信号光完成整个atp及通信过程，有效的整合了载荷资源。
77.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。