一种通信测角一体化的空间激光通信装置

技术领域

本发明属于空间激光通信技术领域，更具体地，涉及一种通信测角一体化的空间激光通信装置。

背景技术

自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSO)技术是以激光作为信息载波，实现在自由空间内通信的无线通信技术。空间光通信具有安全性好、通信速率高、传输速度快、波段选择方便、信息容量大等优点，其终端系统体积小、重量轻、功耗低、施工简单、灵活机动性高，在军事和民用领域均具有重大的战略需求与应用价值。

传统的空间激光通信装置主要包含激光器、云台、CCD相机、快速反射镜、四象限探测器等。在光束捕获对准过程中主要分为粗捕获过程、精确对准过程，分别由粗跟踪单元和精跟踪单元执行相应工作。其主要缺点在于光束设计中需要分出一部分光入射四象限探测器或其他光电探测设备，来精确测量光束入射角度，大大增加了光路的复杂程度，以及装置整体的重量和成本。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种通信测角一体化的空间激光通信装置，用以解决传统空间激光通信设备由于使用四象限探测器等探测设备来测量光束入射角度所导致的光路的复杂度、装置整体的重量及成本均较高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种通信测角一体化的空间激光通信装置，包括：

多芯光纤模块，包括一根中心光纤和均匀环绕中心光纤的M根非中心光纤，用于接收聚焦后的入射光；其中，各非中心光纤纤芯的端面处于同一平面D、且围成一个以点O为圆心的圆形区域；中心光纤的端面与非中心光纤的端面相互平行，且不位于同一平面，以使入射光光斑覆盖中心光纤所在位置以及至少一个非中心光纤所在位置；

光束入射角计算模块，用于基于圆形区域内多个非平行的径向方向上的光斑径向偏移量，解算得到入射光的入射角度；

其中，对任一径向方向，光斑径向偏移量为该径向方向上入射光光斑的中心点相对于点O的偏移量，基于入射光在径向方向上移动时功率比系数呈线性变化的特性，对实时获取的该径向方向上的功率比系数进行比例映射得到；其中，功率比系数为

当M为偶数时，功率点为圆形区域上的非中心光纤中心点，在一种可选实施方式下，其上的光功率通过采用探测器对该非中心光纤中的光功率进行探测得到；

当M为奇数时，功率点为圆形区域上的非中心光纤中心点以及与非中心光纤中心点关于点O对称的虚拟点；与非中心光纤中心点关于点O对称的功率点处的光功率基于圆形区域上入射光光斑的高斯分布特性，根据任意三个非中心光纤中心点处的光功率计算得到。在一种可选实施方式下，非中心光纤中心点处的光功率通过采用探测器对该非中心光纤中的光功率进行探测得到。

进一步优选地，第i个径向方向上的光斑径向偏移量为：

其中，K

进一步优选地，光束入射角计算模块采用方式一或者方式二计算入射光的入射角度；

在方式一下，光束入射角计算模块基于任意两个非平行的径向方向上的光斑径向偏移量，获取平面D上入射光光斑的位置，进而得到入射光的入射角度；

在方式二下，光束入射角计算模块通过对所有非平行的径向方向两两进行组合，并基于每一种组合下的两个径向方向上的光斑径向偏移量，得到平面D上入射光光斑的位置后求平均值，作为平面D上入射光光斑的最终位置，进而得到入射光的入射角度。

进一步优选地，以点O为原点建立直角坐标系，直角坐标系的Y轴正方向为任意功率点所在的径向方向，直角坐标系的X轴正方向为将Y轴正方向顺时针旋转90°后得到；平面D上入射光光斑的位置以直角坐标系下平面D上入射光光斑的中心点相对于点O的偏移量来表示，具体为：

其中，Δx

在方式一下，入射光的入射角度θ

在方式二下，入射光的入射角度θ

其中，θ

进一步优选地，光束入射角计算模块基于入射光光束在任意两个非平行的径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的两个平面上的投影与轴向方向的夹角，得到入射光的入射角度；

或者，光束入射角计算模块通过对所有非平行的径向方向两两进行组合，并基于入射光光束在每一种组合下的两个非平行的径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的两个平面上的投影与轴向方向的夹角，得到入射光的入射角度后求平均值，作为入射光最终的入射角度；

其中，入射光光束在任一径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的平面上的投影与轴向方向的夹角基于该径向方向上的光斑径向偏移量计算得到。

进一步优选地，入射光光束在第i个径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的平面上的投影与轴向方向的夹角θ

其中，f为聚焦焦距。

进一步优选地，上述空间激光通信装置，还包括透镜，用于将平行光光束聚焦至多芯光纤模块；

透镜中心到中心光纤端面的距离为透镜焦距。

进一步优选地，上述空间激光通信装置，还包括：

扇入扇出模块，用于将多芯光纤模块中的各纤芯进行空间解复用，使得各纤芯通过M+1根光纤扇出，从而将多芯光纤模块输出的通信光束和探测光束进行分束；其中，通信光束和探测光束分别为耦合进中心光纤和非中心光纤的入射光；

扇入扇出模块扇出的非中心光纤与光束入射角计算模块相连。

进一步优选地，上述空间激光通信装置，还包括：调制解调模块；

调制解调模块与扇入扇出模块扇出的中心光纤相连，用于当空间激光通信装置作为发送端时，对本地通信激光进行调制，并经由中心光纤进行发射；当空间激光通信装置作为接收端时，对经由中心光纤输入的通信光束进行解调。

进一步优选地，上述空间激光通信装置用于实现全双工通信；其中，调制解调模块包括：

信号调制模块，用于当空间激光通信装置作为发送端时，对本地通信激光进行调制，并经由中心光纤进行发射；

信号解调模块，用于当空间激光通信装置作为接收端时，对经由中心光纤输入的通信光束进行解调；

环形器，用于将输入至信号解调模块的通信光束和信号调制模块输出的调制后的光束合路至中心光纤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供了一种通信测角一体化的空间激光通信装置，使用多芯光纤以共光学支路方式同时进行光束入射角计算和激光通信，包括多芯光纤模块和光束入射角计算模块，其中，多芯光纤的中心位置光纤用于通信，非中心光纤用于光束偏离角度的测量；本发明通过实时获取多个非平行的径向方向上的功率比系数，并基于入射光在径向方向上移动时功率比系数呈线性变化的特性，对所得功率比系数进行比例映射，从而得到多个非平行的径向方向上的光斑径向偏移量，进而解算得到入射光的入射角度，可以在光束处于非最佳对准情形下，利用照射到非中心纤芯中的光功率进行光束偏差角度的探测。以共光学支路的方式在通信的同时完成对光束指向偏差的计算，避免了非共支路方式的光束能量损耗，且使装置更加紧凑，大大降低了光路的复杂度、装置整体的重量及成本。

2、本发明所提供的通信测角一体化的空间激光通信装置，采用环形器设计，实现收发光束共路，使得系统可以在同一个激光通信链路上进行全双工通信。

附图说明

图1为本发明提供的非中心光纤数为偶数时的多芯光纤模块的截面示意图；

图2为本发明提供的非中心光纤数为奇数时的多芯光纤模块的截面示意图；

图3为本发明实施例1提供的通信测角一体化的空间激光通信装置示意图；

图4为本发明实施例2提供的通信测角一体化的空间激光通信系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，本发明提供了一种通信测角一体化的空间激光通信装置，使用多芯光纤，并将中心位置处的光纤作为通信光纤，非中心位置处的光纤作为探测光纤，对入射光束相对中心光纤的偏移进行测量，以实现光束入射角度测量与通信共光支路，解决了传统空间激光通信设备中使用四象限探测器等光电探测设备来测量光束入射角度所带来的光路分路、光功率损耗、设备加重、成本高昂等问题。

具体地，本发明所提供的空间激光通信装置，包括：多芯光纤模块和光束入射角计算模块。

其中，多芯光纤模块包括一根中心光纤和均匀环绕中心光纤的M根非中心光纤，用于接收聚焦后的入射光；其中，各非中心光纤纤芯的端面处于同一平面D、且围成一个以点O为圆心的圆形区域。

需要说明的是，在空间光耦合场景中，对于光纤的耦合效率，其主要影响因素由三个方面导致，分别为轴向移动误差、径向移动误差以及入射角度误差。光纤的耦合效率P的计算公式如下：

其中，A＝(kωT)

在θ趋近于零时，将该耦合效率计算公式带入功率比系数计算公式可以理论推导得出功率比系数和光斑径向位移的关系公式。通过matlab软件可绘制出功率比系数的变化曲线，曲线的部分区域可以近似为线性关系。与此同时，通过ZEMAX光学设计软件对光纤耦合效率进行仿真，只改变光束在光纤端面处的入射角度，并使入射角度在-0.8°～0.8°范围内变化时，光纤耦合效率改变不明显，此时，光纤耦合效率的主要影响因素是光斑照射在光纤端面的位置和大小。由此可以看出，在光束在小角度范围偏转时，光纤端面处的入射角对光纤耦合效率的影响很小。对上述耦合效率计算公式而言，可以消去含有θ变量的项。

对应的，当入射光束偏转角度在-0.8°～0.8°范围内变化时，此时，可在探测光纤上观测到规律性变化趋势。以七芯光纤为例，当入射光斑垂直于非中心光纤和中心的连线运动时，如图1多芯光纤截面图所示，光纤编号为0～6。记各非中心光纤接收功率分别为P

需要说明的是，中心光纤的端面与非中心光纤的端面相互平行，且不位于同一平面，二者间隔一定的距离，以使入射光光斑在线性区域内移动时覆盖中心光纤所在位置以及至少一个非中心光纤所在位置，从而保证能够同时实现通信及角度测量；其中，中心光纤的端面相对于非中心光纤的端面可以向外凸出，也可以向内凹陷，只要保证入射光束在线性区域内偏移任何角度时，入射光光斑能够覆盖中心光纤所在位置以及至少一个非中心光纤所在位置即可。具体地，本实施例中，相邻的两根光纤中心点之间的间距为41.5μm。中心光纤端面与非中心光纤端面之间的的间距根据实际使用的光束波长、透镜焦距等参数确定。经过多组测试仿真，当中心光纤端面与非中心光纤端面之间的距离控制在0.4mm～0.65mm时，通过探测光纤可以解算出光束入射角度，且通信光纤和探测光纤的接受功率都在可接受范围。设计时需保证入射到非中心光纤端面的光斑直径不小于非中心光纤中心点之间的间距d，以保证光斑位置在线性区域内移动时，都至少有一个探测光纤可以接收到光功率信号，以避免在光束在零度角附近入射时存在盲区。

光束入射角计算模块用于基于圆形区域内多个非平行的径向方向上的光斑径向偏移量，解算得到入射光的入射角度，以作为入射光偏移的补偿信息。基于所得入射光的入射角度对入射光偏移的补偿，可以将光束对准到通信光纤中心，实现利用多芯光纤进行光束角度测量并通信的一体化功能。

具体地，对任一径向方向，光斑径向偏移量为该径向方向上入射光光斑的中心点相对于点O的偏移量，基于入射光在径向方向上移动时功率比系数呈线性变化的特性，对实时获取的该径向方向上的功率比系数进行比例映射得到；其中，功率比系数为

由于入射光束的偏转角度被控制在使得各径向方向上的功率比系数均在对应径向方向上线性变化的±θ

其中，K

进一步地，在一种可选实施方式下，光束入射角计算模块基于任意两个非平行的径向方向上的光斑径向偏移量，获取平面D上入射光光斑的位置，进而得到入射光的入射角度。

具体地，基于光斑在两个径向方向上相对于点O的偏移量，结合解析几何，显然可以确定其在这两个方向所构成的平面的位置；为了方便表示，一般通过建立坐标式的方式，来获取平面上入射光光斑的位置的表达式；需要说明的是并不拘泥于具体的坐标系类型，下面以直角坐标系为例进行说明，具体地，以点O为原点建立直角坐标系，直角坐标系的Y轴正方向为任意功率点所在的径向方向，直角坐标系的X轴正方向为将Y轴正方向顺时针旋转90°后得到；平面D上入射光光斑的位置以直角坐标系下平面D上入射光光斑的中心点相对于点O的偏移量来表示。

对于2N+1根多芯光纤而言记非中心光纤为1～2N，标定方法如下，改变入射光束的入射角度θ，测量得到各功率点处的光功率P

对于2N根多芯光纤而言，记非中心光纤为1～2N-1。标定方法如下，改变入射光束的入射角度θ，测量得到P

对上述两种情况进行综合，得到基于非平行的第i个径向方向和第j个径向方向上的光斑径向偏移量计算得到的平面D上入射光光斑的中心点相对于点O在水平方向上和垂直方向上的偏移量分别为：

/>

其中，S

具体地，在本实施方式下，以7芯光纤为例，如图1所示，定义光纤1、4连接线为a方向，光纤2、5连接线为b方向，光纤3、6连接线为c方向，

进一步地，在一种可选实施方式下，为减小测试误差，综合所有非平行径向方向上的功率点进行光斑坐标的求解，具体地，光束入射角计算模块通过对所有非平行的径向方向两两进行组合，并基于每一种组合下的两个径向方向上的光斑径向偏移量，得到平面D上入射光光斑的位置后求平均值，作为平面D上入射光光斑的最终位置，进而得到入射光的入射角度。

以当M＝2N为例，对N个非平行径向方向上的光纤两两组合，求解出

以7芯光纤为例，可求得三个光斑坐标(Δx

进一步地，在一种可选实施方式下，光束入射角计算模块基于入射光光束在任意两个非平行的径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的两个平面上的投影与轴向方向的夹角，得到入射光的入射角度；其中，入射光光束在任一径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的平面上的投影与轴向方向的夹角基于该径向方向上的光斑径向偏移量计算得到；具体地，入射光光束在第i个径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的平面上的投影与轴向方向的夹角θ

其中，f为聚焦焦距。

进一步地，在一种可选实施方式下，光束入射角计算模块通过对所有非平行的径向方向两两进行组合，并基于入射光光束在每一种组合下的两个非平行的径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的两个平面上的投影与轴向方向的夹角，得到入射光的入射角度后求平均值，作为入射光最终的入射角度，以减小测试误差。其中，入射光光束在任一径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的平面上的投影与轴向方向的夹角基于该径向方向上的光斑径向偏移量计算得到；具体地，入射光光束在第i个径向方向与中心光纤的轴向方向所构成的平面上的投影与轴向方向的夹角θ

其中，f为聚焦焦距。

进一步地，在一种可选实施方式下，上述空间激光通信装置，还包括聚焦模块，用于对平行光进行聚焦后，得到聚焦后的入射光，并传输至多芯光纤模块；

其中，聚焦模块可以为聚焦透镜，也可以为透镜组。当聚焦模块为聚焦透镜时，透镜中心到中心光纤端面的距离为透镜焦距，即聚焦焦距。当聚焦模块为透镜组时，透镜组几何中心到中心光纤端面的距离为透镜焦距，即聚焦焦距。

为了更好的理解本发明的技术方案，下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明：

实施例1、

一种通信测角一体化的空间激光通信装置，如图3所示，除了包括上述多芯光纤模块1和光束入射角计算模块4，还包括：扇入扇出模块2、调制解调模块3和聚焦透镜5；

其中，聚焦模块5用于对平行光进行聚焦后，得到聚焦后的入射光，并传输至多芯光纤模块；透镜中心到中心光纤端面的距离为透镜焦距f。

扇入扇出模块2用于将多芯光纤模块1中的各纤芯进行空间解复用，使得各纤芯通过M+1根光纤(可以为单模光纤、少模光纤、多模光纤等)扇出，从而将多芯光纤模块1输出的通信光束和探测光束进行分束；其中，通信光束和探测光束分别为耦合进中心光纤11和非中心光纤12的入射光；扇入扇出模块2扇出的非中心光纤12与光束入射角计算模块4相连。

具体地，扇入扇出模块2，即多芯光纤扇入扇出模块，是一种实现多芯光纤与若干扇出光纤高效率耦合的器件，在多芯光纤的各项应用中实现空分信道解复用功能。该模块采用拉锥工艺，能够实现多芯光纤与若干扇出光纤的低插入损耗，低芯间串扰，高回波损耗的光功率耦合。本实施例中，扇入扇出模块2采用七通道结构，配合多芯光纤模块1构建该装置的核心功能，实现通信测角一体化的目标。

调制解调模块3与扇入扇出模块2扇出的中心光纤11相连，用于当空间激光通信装置作为发送端时，对本地通信激光进行调制，并经由中心光纤11进行发射；当空间激光通信装置作为接收端时，对经由中心光纤11输入的通信光束进行解调。

具体地，调制解调模块3包括：信号调制模块32、信号解调模块33和环形器31，以使空间激光通信装置用于实现全双工通信。其中，信号调制模块32用于当空间激光通信装置作为发送端时，对本地通信激光进行调制，并经由中心光纤11进行发射；信号解调模块33用于当空间激光通信装置作为接收端时，对经由中心光纤11输入的通信光束进行解调；环形器31用于将输入至信号解调模块33的通信光束和信号调制模块32输出的调制后的光束合路至中心光纤，以实现在同一激光链路下的全双工通信。

实施例2、

一种通信测角一体化的空间激光通信系统，如图4所示，该系统由两个终端设备组成，每个终端设备均包括粗捕获探测模块、光束指向控制模块、反射镜、快速反射镜、光收发模块、以及实施例1中所述的空间激光通信装置。具体地，第一终端设备1包括：第一粗捕获探测模块10、第一光束指向控制模块11、第一光收发模块12、第一多芯光纤模块13、第一光纤扇入扇出模块14、第一调制解调模块15和第一光束入射角计算模块16；其中，第一光束指向控制模块11包括第一反射镜111和第一快速反射镜112；第一多芯光纤模块13包括第一通信光纤131和第一探测光纤组132。第二终端设备2包括：第二粗捕获探测模块20、第二光束指向控制模块21、第二光收发模块22、第二多芯光纤模块23、第二光纤扇入扇出模块24、第二调制解调模块25和第二光束入射角计算模块16；其中，第二光束指向控制模块21包括第二反射镜211和第二快速反射镜212；第二多芯光纤模块23包括第二通信光纤231和第二探测光纤组232。

两端设备通过粗捕获探测模块对目标进行初始定位，由调制解调模块来进行光束的发射和接收，发射光束经过多芯光纤模块，光收发模块后，经反射镜传输至光束指向控制模块，使光束指向另一侧的设备。接收光束经过光收发模块进入多芯光纤模块。耦合进中心光纤的光作为通信光纤被激光通信调制与解调模块接收。为耦合进中心光纤的光，将被非中心光纤接收，用多芯光纤扇入扇出模块对光纤进行分束后进入光束入射偏离角度测量模块。根据解算结果对光束指向进行校正。

在实际应用设备前，需要对设备进行标定，通过实验手段找出探测光纤接收功率的比值随入射角度线性变化的区域，并记录呈线性变化的最大偏差范围，将其作为标定值。

将两个终端安装至两地或待建立通信的移动对象上，开启双端设备。首先由粗捕获探测模块锁定对侧目标在空间中的方位，基于相关图像处理算法解析目标相对于本机的方位角，根据获取的方位角光束指向控制模块输出控制信号操作大视场快速发射镜进行粗指向。

双端粗指向过程均完成后，多芯光纤模块的探测光纤可以接收到入射光束，根据当前的接收功率以及标定得到的参数，可计算在探测光纤端面的光斑位置。计算过程中需要先求解K

综上所述，本发明公开了一种应用在空间激光通信场景下，使用多芯光纤以共光学支路方式同时进行入射光束偏离角度测量和激光通信的一体化方法及装置，其中，多芯光纤的中心位置光纤用于通信，非中心光纤用于光束偏离角度的测量，中心光纤的端面位于透镜的焦点位置，非中心光纤的端面偏离焦点一定距离。该设备主要特点在于光束在非最佳对准情形下，利用照射到非中心纤芯中的光功率进行光束偏差角度的探测。该种装置以共光学支路的方式在通信的同时完成对光束指向偏差的计算，避免了非共支路方式的光束能量损耗，使装置更加紧凑。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。