一种收发共口径大视场轻小型激光通信光端机的制作方法

1.本发明涉及到通信光端机技术领域，特别涉及一种收发共口径大视场轻小型激光通信光端机。


背景技术：

2.无线激光通信具有载波频率高、通信速度快、无需申请通信频率、信号通过特定路径直接指向、保密性好、不易受干扰、可适用于复杂电磁环境等特点，军事和民用领域得到广泛的关注和应用。近些年无线光通信技术发展迅速，通信速率以及应用场景不断丰富，如星地通信、高空高速空基通信，轻小型无人机对地通信、组网，室内可见光(li-fi)物联等等。
3.无线光通信以大气为信道，或在真空中传输，不使用光纤引导，需保障通信链路稳定维持。为解决这一问题，携带信号的激光载波可以以大角度发射，且接收天线也以大角度接收，从而克服通信双方在相对移动或终端振动时链路中断问题，例如li-fi技术、水下激光通信技术。然而，激光功率密度会随其发散角的增大急剧下降，在这种技术体制下，激光发射功率限制了其通信距离。在窄光束通信的技术体制下，由于激光的指向性好，功率密度在较远距离下也能保证，但链路的稳定维持需跟踪伺服机构。星地、星间、空空、空地的信号搜跟一般采用面阵探测器配合大范围转向天线和大靶面小角度快反镜进行信标光粗精两级跟踪，以保证链路维持。两级信标光跟踪体制跟踪精度高，但重量体积大，结构、控制复杂，不利于激光通信终端的小型化。


技术实现要素：

4.根据上述提出的技术问题，本发明提供了一种收发共口径大视场轻小型激光通信光端机，其采用学天线系统采用两轴准静态mems 反射镜代替机械结构进行光束扫描，具有体积小、质量轻、低功耗、高响应速度、高扫描频率等优点。
5.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
6.一种收发共口径大视场轻小型激光通信光端机，包括激光发射单元、mems反射镜扫描单元以及跟踪和接收通信单元；
7.所述激光发射单元用于发射调制后的光信号，用户数据通过驱动电路将信号调制到激光信号；激光器光源采用恒定功率发射，然后经由信号调制器调制好激光信号，最后经过光纤放大器edfa实现信号功率的放大，实现大功率和高速率的信号发射；
8.所述mems反射镜扫描单元，通过两轴准静态mems反射镜进行光束扫描；准直后的激光入射mems反射镜，经一次反射后进入正透镜组，光束口径被压缩后入射负透镜组最终以平行光的形式发射；其中，正透镜组为一个双胶合透镜，负透镜组为单个双凹透镜；
9.所述跟踪和接收通信单元，包括两个四象限探测器；其中，第一四象限探测器用于一级扫描捕获，将光信号转换为电信号后先进行放大，提取目标光斑质心，缩小不确定区域；第二四象限探测器用于二级扫描捕获和通信，接收到的光信号转换为电信号并放大后
分成两路，一路信号经过解调、解码处理，恢复出用户数据信号；另一路信号用于目标光斑质心提取，再通过扫描捕获跟踪控制模块进行激光信号的捕获和跟踪。
10.进一步的，所述激光发射单元主要由激光器和驱动电路组成；所述驱动电路包括随机数生成模块、rs编解码模块和调制解调模块；利用随机数生成模块模拟激光通信所传输的数据，使用rs编解码技术增强系统的抗干扰能力，调制解调模块用于实现对信号的调制和解调。
11.进一步的，所述的mems反射镜扫描单元，是基于mems反射镜、伽利略望远镜组成的收发共口径复用单元。
12.进一步的，所述跟踪与接收通信单元，包括四象限探测器、光电检测单元、伺服控制单元和通信解调单元组成，通过以加减法电路为主的电子学处理手段分别完成通信和跟踪功能。
13.进一步的，跟踪与接收通信单元利用四象限探测器同时完成跟踪与通信的复用技术的流程如下：
14.当信号光经过调制后，由光学天线发射，在空间链路传输后被接收端光学天线将能量接收到，通过内部中继光路耦合到四象限探测器的光敏面上；经过互阻抗放大和二级放大后，四个象限产生的信号分别进入x轴偏移量、y轴偏移量解算和信号求和解算单元，经过数据处理后的信号被高速a/d转换模块采集送入为微控制器中，微控制器负责计算快速倾斜振镜执行量，通过d/a转化为模拟电压最终驱动快速倾斜振镜偏转完成光斑实时跟踪；在光斑跟踪时，求和信号的数据经过通信处理单元恢复出通信数据，同时完成四象限探测器对信号光的跟踪与通信功能的复用，实现单探测器的多任务执行，降低光端机体积和功耗，实现光端机的轻小型化。
15.本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
16.1)采用两轴准静态mems反射镜代替机械结构进行光束扫描，在大幅拓宽搜跟角度的同时，降低了系统的体积、质量、功耗，通过合理设置双光楔的速度差和初始相位差，在最大光束偏转角范围内实现高响应速度、高扫描频率等优点。
17.2)基于mems反射镜的激光发射和信号接收采用共口径的体制，将发射光路倒置即可获得信号接收光路，可将指向范围扩大3倍，且大幅降低全视场畸变，节省了系统空间，降低了系统的重量和功耗，降低了系统装调难度以及光轴平行度检测难度。
附图说明
18.图1为本发明实施例的小型激光通信终端原理框图。
19.图2为本发明基于mems反射镜和正负透镜组合的伽利略式望远镜的扫描范围扩增原理。
20.图3为本发明正负透镜组合的初始结构优化结果示意图。
21.图4为本发明加入圆锥系数后的正负透镜组合优化结果示意图。
具体实施方式
22.下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介
绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.mems(micro-electro-mechanical)反射镜应用于体小质轻，应用于搜、跟系统能实现swap(size,weight and power)的大幅缩减。 mems反射镜一般是芯片形式，片上封装的毫米级口径反射面被静电、电磁、电热或压电执行器驱动，实现两轴偏转。其有两种工作形态，谐振态mems反射镜在一定角度范围内以较高频率(khz量级)摆动，扫描整个区域，在激光雷达领域应用较为广泛；除此之外，一些mems 反射镜还可在准静态下工作，对整个区域扫描完成后，通过反馈信号对区域内某个目标进行闭环跟踪，这种类型器件可应用于无线光通信的搜、跟系统。
25.综上所述，为实现轻量化、小型化无线光通信终端，利用mems 反射镜和四象限探测器实现大范围搜跟、通信的链路系统，以倒置伽利略式望远镜为天线，大幅拓宽搜跟角度，以低swap为主要特点，是目前无线激光通信终端中较为独特的形式，具备多平台应用前景。
26.小型激光通信终端捕获对准原理框图如图1所示，激光发射模块将用户数据通过调制驱动电路将信号调制到激光信号。扫描主要是通过高带宽的mems反射镜和光学天线将发射激光信号进行40
°×
60
°
的大范围扫描，便于接收端进行捕获。信号光收发光路集成了信号光发射、信号光接收和捕获跟踪三个功能，通过微型反射镜调节光轴指向。其中的光学天线将接收到的光信号耦合到两个四象限探测器，四象限探测器1用于一级扫描捕获，将光信号转换为电信号后先进行放大，提取目标光斑质心，缩小不确定区域；四象限探测器2用于二级扫描捕获和通信，因此接收到的光信号转换为电信号并放大后分成两路，一路信号经过解调、解码等处理，恢复出用户数据信号，另一路信号用于目标光斑质心提取，再通过扫描捕获跟踪控制模块进行激光信号的捕获和跟踪。整个过程分为如下几步：
27.(1)一级扫描捕获的不确定区域为40
°×
60
°
，使用四象限探测器1作为接收器件，四象限探测器视场为36
°
(物方半视场)，主端机以螺旋光栅扫描方式采用0.16
°
步长扫描整个不确定区域。从端机保持凝视，探测到主端机的信号光后，调整光轴，指向主端机。
28.(2)主端机扫描完成后，返回中心零位，从端机以相同方式扫描整个不确定区域，主端机保持凝视，探测到从端机的信号光后，调整光轴，指向从端机。
29.(3)主、从端机分别完成扫描后，不确定区域得以缩小，扫描完成后的不确定区域大小取决于四象限探测器的细分能力，进入二级扫描捕获。
30.(4)在二级扫描捕获中，依然使用四象限探测器作为接收器件，主端机以步长0.16
°
扫描整个4
°×6°
二级扫描捕获视场。从端机保持凝视，探测到主端机的信号光后进一步调整光轴，精确指向主端机。
31.(5)主端机扫描完成后，从端机以相同方式扫描整个二级扫描捕获视场，主端机保持凝视，探测到从端机的信号光后进一步调整光轴，精确指向从端机。
32.(6)完成两级扫描后，进入跟踪、通信阶段。
33.下面为一更具体的说明：
34.本系统为双工单元，由激光发射单元、mems反射镜扫描单元、跟踪和接收通信单元三部分组成，三部分的具体实施方案如图1所示。其中mems反射镜扫描单元的光学组件重点在光学系统设计，伺服组件着重器件选型；激光发射单元与跟踪和接收通信单元着重于方
案的选择与设计。
35.1、mems反射镜扫描单元
36.本发明使用两轴准静态mems反射镜代替机械结构进行光束扫描，扫描模块，具有体积小、重量轻、低功耗、响应速度快、扫描频率高等优点。
37.mems反射镜两个轴的机械偏角范围均为
±5°
，倾斜45
°
放置反射光的光学偏角范围为
±
10
°
；两轴的角度分辨率为14bit，也就意味着mems反射镜的反射光最小角步进为0.0012
°
。使用光学望远系统可以将扫描范围扩展到40
°×
60
°
，望远系统有两种常用的结构，分别是开普勒式和伽利略式，开普勒式望远系统由两个正透镜组构成，伽利略式由一个正透镜组和一个负透镜组构成，这两种系统角放大能力都由两个透镜组的焦距倍数决定，而系统总长约为两透镜组的焦距之和。相同角放大能力的情况下，正负透镜组合的伽利略式系统总长更短，有利于小型化、轻量化总体设计。因此本发明中使用伽利略式望远系统，其放大原理如图2所示。
38.准直后的激光入射mems反射镜，经一次反射后进入正透镜组，光束口径被压缩后入射负透镜组最终以平行光的形式发射。正透镜组的焦距大小是负透镜大小的三倍，以此实现3倍角放大率。
39.参照图3和图4，在初始结构中，正透镜组为一个双胶合透镜，负透镜组为单个双凹透镜，其前表面曲率较大，后表面曲率较小。使用 amag操作数控制角放大率并进行简单优化后得到如图2所示结果。对于双胶合透镜而言，球差、彗差基本全部得到校正，残余场曲、像散、畸变也较小；在负组中，由于视场角较大，前后表面都将产生很大的枕形畸变。
40.畸变的产生一方面会影响无线光通信终端的搜索范围，尤其桶形畸变，产生桶形畸变会导致搜索范围变小；另一方面，畸变会引起定位误差，为信号光搜索带来难度。为校正畸变，给负组透镜的前后两面加入圆锥系数，使用dist操作数针对畸变进行进一步优化，进一步优化完成。在重新优化后的结构中，正组和负组中的像差自校正。进一步优化前后等效口径不变，在点列图中，黑线圆表示2mrad的衍射极限，出射光除畸变外的几何像差已经完全校正到衍射极限以内，最大畸变为-0.7％，畸变得到极大改善。
41.2、激光发射单元
42.激光通信发射单元用来产生具有要求频率和能量的激光，并以光束的形式向空间辐射光能量，在空间形成所需要的的探测视场，同时给出通信、测距信号。
43.激光通信发射单元由激光器和驱动电路组成，激光器光源采用恒定功率发射，然后经由信号调制器调制好激光信号，最后经过光纤放大器edfa实现信号功率的放大，实现大功率和高速率的信号发射。
44.激光器是通过控制光纤放大器来实现功率大小的控制，激光源输出的恒定功率的光经过信号调制器进行调制，经由光纤放大器放大功率后进行发射。通信光功率控制主要是驱动控制泵浦激光器电流的强弱来实现光纤放大器放大功率的大小。
45.驱动电路是通过监控主机发出控制命令给单片机进行对通信光系统各参数实时控制，其温控部分也为自动监测控制。驱动电路包括随机数生成模块、编码解码模块和调制解调模块。
46.在实际通信系统中，发送端发送的信息基本是随机的。本发明采用m序列作为发送信息，该序列是通信中常用的二进制pn序列，可以很好的验证通信系统的性能。m序列也称
为最大长度线性移位寄存器序列，它是由一个线性回馈的n级移位寄存器生成的。
47.为了增强系统的抗干扰能力，本发明在对发送数据流进行调制之前利用rs编码技术对其进行编码和解码。rs编码码的基本思想就是选择一个适合的生成多项式g(x)，并且使得每个信息段计算得到的码字多项式都是g(x)的倍式，即使得码字多项式除以生成多项式所得到的余式为零。rs解码模块就是根据系统接收码元多项式，找出码元发生错误的位置和错误值，然后从接收码元中将错误值除去，便可得到发送端发送的码元，最终实现纠错功能。
48.在信息的调制解调中，本发明采用ppm调制格式。ppm的每一个码元包含两个bit的信息，因此共有四种取值。每个码元需要用四个脉冲时隙来表示，四个时隙内有且仅有一个时隙信号为“1”，对应led发光，其他时隙内led不发光。在ppm调制中，先将原始的串行数据按照2倍的时钟频率将其转换为2位并行数据，将其依次存入锁存器中，当每存完4位数据后，对锁存器中的值进行判断，按照下图中的对应关系，输出对应的ppm信号序列。ppm解调的实现首先需要提取ppm信号的位同步时钟信号和帧同步时钟信号，用以确定脉冲位置。在得到脉冲位置后，利用锁存器和并串转换实现信号的译码。在得到位同步时钟和帧同步时钟后，利用计数器对同步时钟进行计数，当接收信号为高电平时将将计数器的值输出，然后利用并串变换就可以实现ppm逆映射。
49.3、跟踪和接收通信单元
50.本发明采用四象限探测器作为接收单元的核心光处理元件。四象限探测器的光敏面一般为pin型或apd型结构，圆形光敏面被均匀划分为了4个独立的扇形区域，中间为十字线死区；当目标光束通过接收镜头在四象限光敏面上形成光斑分布时，光斑被分为4部分，每一部分的光强经过相应象限的转化后变为电信号输出；四路信号经过和差电路或者直差电路后就能确定出目标光斑的光强中心。
51.四象限探测器对光斑的跟踪是通过检测光斑在光敏面上的能量变化实现的。四象限探测器的几何坐标与光学系统的坐标平行，以探测器中心为坐标原点，入射光斑被四象限探测器分割为四个部分，各个部分在探测器上的面积分别为i1、i2、i3、i4。如果光斑的能量服从均匀分布，则各象限上的接收到的光功率与光斑在各象限上的分布面积成正比。因此，当光斑的中心相对于探测器中心产生偏移时，偏移量是各象限上的面积、各象限上的光功率、各象限上产生的光生电流等物理参数的函数。利用解算后得到的角分量，经过换算后转换为模拟信号驱动快速倾斜振镜，使其对信号光的俯仰与方位偏转角度进行控制，从而对光斑的实现跟踪。
52.基于象限探测器的跟踪和通信一体化单元整体组成，当信号光携带调制信息经过光学系统耦合到四象限探测器光敏面时，探测器的各象限通道会对光信号产生响应，经过互阻抗放大器将各通道光生电流转化为电压信号，在经过二级放大后，进入加法器求得和信号，目的是将探测器产生的能量最大化，提高检测灵敏度。再经过单端转差分电路和限幅放大器调整信号动态范围，最终进入数据时钟恢复信后将时钟与数据恢复出来送给后续判决电路，完成信号解调。
53.本实施例的具体参数如表1所示：
54.表1大视场扫描捕获光学天线整体参数
[0055][0056][0057]
综上所述，利用四象限探测器同时完成跟踪与通信的复用技术的流程如下：当信号光经过调制后，由光学天线发射，在空间链路传输后被接收端光学天线将能量接收到，通过内部中继光路耦合到四象限探测器的光敏面上。经过互阻抗放大和二级放大后，四个象限产生的信号分别进入x轴偏移量、y轴偏移量解算和信号求和解算单元，经过数据处理后的信号被高速a/d转换模块采集送入为微控制器中，微控制器负责计算快速倾斜振镜执行量，通过d/a转化为模拟电压最终驱动快速倾斜振镜偏转完成光斑实时跟踪。在光斑跟踪时，求和信号的数据经过通信处理单元恢复出通信数据，同时完成四象限探测器对信号光的跟踪与通信功能的复用，实现单探测器的多任务执行，降低光端机体积和功耗，实现光端机的轻小型化。