本發(fā)明涉及激光通信領(lǐng)域，特別涉及星載激光通信廣角指向裝置及方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星激光通信與現(xiàn)有的射頻通信相比具有通信速率高、通信容量大、功耗低、體積小、重量輕、抗干擾和高保密性等諸多的優(yōu)勢，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)星間高碼率通信的最佳方案，已經(jīng)在軍用和民用領(lǐng)域受到廣泛的重視。然而衛(wèi)星激光通信時衛(wèi)星之間相對位置不固定，而且終端之間相對運(yùn)動速度也較大所以需要配置衛(wèi)星跟瞄系統(tǒng)。目前的衛(wèi)星跟瞄系統(tǒng)采用衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整或者通過l型臂經(jīng)緯，儀或者旋轉(zhuǎn)雙棱鏡結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)控制其旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)整個終端移動部分的轉(zhuǎn)動(如歐空局的silex系統(tǒng))。這種系統(tǒng)需要多個光束偏轉(zhuǎn)鏡、很多其它光學(xué)器件以及轉(zhuǎn)臺等設(shè)備共同完成光束指向控制，使得整個系統(tǒng)十分復(fù)雜，增加了體積和質(zhì)量，并且可靠性下降，不利于星上使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有衛(wèi)星跟瞄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，不利于星上使用；為解決所述問題，本發(fā)明提供星載激光通信廣角指向裝置及方法。

本發(fā)明提供的星載激光通信廣角指向裝置，包括：第一衛(wèi)星、第二衛(wèi)星、光源發(fā)射端、出射激光捕捉裝置；還包括：反射裝置，所述反射裝置為凹面反射鏡；所述光源發(fā)射端包括入射光源和電光偏轉(zhuǎn)晶體組合體；所述光源發(fā)射端與反射裝置安裝于第一衛(wèi)星的安裝平臺；所述出射激光捕捉裝置安裝于第二衛(wèi)星；所述光源發(fā)射端發(fā)射的激光信號在所述反射裝置表面反射后，入射到出射激光捕捉裝置。

進(jìn)一步，所述入射光源發(fā)射平行光，入射光未偏轉(zhuǎn)時，沿凹面反射鏡的光軸入射，入射光束偏轉(zhuǎn)時，反射光束的偏轉(zhuǎn)角度為：其中，為入射光束初始偏轉(zhuǎn)角，ρ為曲面反射鏡反射點(diǎn)處的曲率，電光偏轉(zhuǎn)晶體位于光軸上，l為電光偏轉(zhuǎn)晶體與凹面反射鏡之間的距離。

進(jìn)一步，10≤ρl≤100。

進(jìn)一步，電光偏轉(zhuǎn)晶體為砷化鎵、碲化鎘或者摻鎂鈮酸鋰晶體中的任意一種。

進(jìn)一步，所述電光偏轉(zhuǎn)晶體安裝于可移動裝置，所述可移動裝置具有沿垂直光軸的方向移動的自由度。

進(jìn)一步，所述入射光源發(fā)射平行光，入射光未偏轉(zhuǎn)時，平行于凹面反射鏡的光軸入射，入射光束偏轉(zhuǎn)時，反射光束的偏轉(zhuǎn)角度為其中，為入射光束初始偏轉(zhuǎn)角，l為電光偏轉(zhuǎn)晶體與凹面反射鏡之間的距離在光軸方向的投影，d為電光偏轉(zhuǎn)晶體在垂直光軸方向移動的距離，r為凹面反射鏡的半徑。

本發(fā)明還提供所述的星載激光通信廣角指向裝置的廣角指向方法，包括：步驟一、計(jì)算出射激光捕捉裝置相對于光源發(fā)射端的方位角；步驟二、調(diào)整入射光束初始偏轉(zhuǎn)角和電光偏轉(zhuǎn)晶體垂直凹面反射鏡光軸方向的位置二者中的任意一個或者兩個，使得反射光束的偏轉(zhuǎn)角度大于或者等于所述方位角。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括：

激光通信時，光源發(fā)射端出射出激光入射到凹面反射鏡，根據(jù)snell定律，出射光束的反射角與入射光束的入射角相同；入射角和反射角將隨著曲面反射鏡上反射點(diǎn)處的位置變化或者曲率變化而變化?？梢愿鶕?jù)需要來設(shè)置合適的反射鏡的曲率半徑。在衛(wèi)星相對位置確定的條件下，通過調(diào)整入射激光的位置，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的激光指向；同時，選擇凹面鏡可以實(shí)現(xiàn)激光光束匯聚指向，在遠(yuǎn)距離傳輸時降低光斑尺寸，增加激光通信的傳輸距離。

本發(fā)明所述的激光通信指向裝置，無需大型的轉(zhuǎn)臺或者設(shè)計(jì)位置精密的反射板進(jìn)行多次反射，結(jié)構(gòu)簡單；僅僅通過微調(diào)入射激光的入射角就能實(shí)現(xiàn)全天域的指向，大大簡化了星載激光通信設(shè)備的復(fù)雜度，為實(shí)現(xiàn)小型化遠(yuǎn)距離星載激光通信提供支持。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施所提供星載激光通信廣角指向方法的原理示意圖；

圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例所提供星載激光通信廣角指向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例所提供星載激光通信廣角指向裝置電光偏轉(zhuǎn)晶體移動方向示意圖；

圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例所提供星載激光通信快速廣角指向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例所提供星載激光通信快速廣角指向裝置安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

下文中，結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)作進(jìn)一步闡述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施所提供星載激光通信廣角指向方法中，控制入射光束產(chǎn)生微小的偏轉(zhuǎn)角入射到半徑為r，曲率為ρ(ρ＝1/r)，圓心為c點(diǎn)的曲面反射鏡。入射點(diǎn)p處的入射角為θ，根據(jù)反射定律，出射光束pp`相對于初始入射光線oo`的偏轉(zhuǎn)角當(dāng)入射偏轉(zhuǎn)角

很小的情況下其中l(wèi)為激光光源偏轉(zhuǎn)點(diǎn)到曲面反射鏡定點(diǎn)的距離?？梢钥吹?，當(dāng)入射偏轉(zhuǎn)角較小的情況下，出射偏轉(zhuǎn)角的大小主要是取決于凹面鏡曲率ρ和l的變化。

當(dāng)ρ和l變大時，出射偏轉(zhuǎn)角將相應(yīng)變大，原理上可以通過設(shè)計(jì)凹面鏡使得偏轉(zhuǎn)很小的角度獲取激光光線大角度的偏轉(zhuǎn)，但如果ρ很大時，相應(yīng)的凹面反射鏡半徑將會變小，加工難度較大；同時激光通信在傳輸信息時有一定大小的光斑，需要凹面反射鏡上有著足夠大的反射面才能保證光斑不同區(qū)域偏轉(zhuǎn)角一致，這就要求凹面反射鏡的曲率不能過大。另一方面，衛(wèi)星尺寸結(jié)構(gòu)有限，限制了l的大小?？紤]到系統(tǒng)的可實(shí)施性，設(shè)置ρl可在10～100之間，這就使得當(dāng)入射偏轉(zhuǎn)角最大1度時，系統(tǒng)出射偏轉(zhuǎn)角可達(dá)到100度的偏轉(zhuǎn)角，基本可以覆蓋足夠大的區(qū)域，從而解決了星載激光通信設(shè)備覆蓋范圍不夠大的瓶頸問題。此外，這種大范圍激光通信技術(shù)不需要擺鏡、轉(zhuǎn)臺類的機(jī)械部件，系統(tǒng)簡單可靠，特別適合使用在衛(wèi)星等航天設(shè)備之中。

圖2所示為本發(fā)明第一實(shí)施例所提供的星載激光通信廣角指向裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是本發(fā)明實(shí)施例所提供星載激光通信快速廣角指向裝置安裝示意圖。結(jié)合圖5和圖2，第一實(shí)施例所提供的星載激光通信廣角指向裝置包括：第一衛(wèi)星105、第二衛(wèi)星(未示出)、光源發(fā)射端103、出射激光捕捉裝置(未示出)；還包括：反射裝置，所述反射裝置為凹面反射鏡102；所述光源發(fā)射端103包括入射光源和電光偏轉(zhuǎn)晶體101的組合體；所述光源發(fā)射端與反射裝置安裝于第一衛(wèi)星的安裝平臺；所述出射激光捕捉裝置安裝于第二衛(wèi)星；所述光源發(fā)射端發(fā)射的激光信號在所述反射裝置表面反射后，入射到出射激光捕捉裝置。

表1所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的星載激光通信廣角指向裝置相對于傳統(tǒng)激光通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。具體地，該圖表示出所公開的廣角指向裝置相對于傳統(tǒng)激光通信指向裝置的特征的優(yōu)點(diǎn)。一個優(yōu)點(diǎn)涉及發(fā)明系統(tǒng)的尺寸、質(zhì)量與功耗。對于這些特征，所公開的廣角指向裝置尺寸僅為小于10cm，質(zhì)量小于0.5kg，功耗小于0.5w。與之相對應(yīng)的常規(guī)激光通信指向系統(tǒng)尺寸一般為10cm·10cm·10cm，質(zhì)量大于5kg且功耗大于20w。第二個優(yōu)點(diǎn)涉及到系統(tǒng)的指向方位，公開的廣角指向系統(tǒng)其指向方位可達(dá)90°·90°以上，而常規(guī)激光通信指向系統(tǒng)一般指向方位小于60°·60°。第三個優(yōu)點(diǎn)涉及到指向速度，公開的廣角指向裝置指向時間小于10s，而常規(guī)激光通信指向系統(tǒng)一般指向時間要大于1分鐘。第四個優(yōu)點(diǎn)涉及到系統(tǒng)的壽命，在太空環(huán)境中轉(zhuǎn)臺一般壽命為轉(zhuǎn)動50000次左右，而電光晶體可以遠(yuǎn)超100000次加載電信號。

表1

繼續(xù)參考圖1，激光在產(chǎn)生后經(jīng)過校正整形后通過電光偏轉(zhuǎn)晶體101產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，電光偏轉(zhuǎn)晶體101可以是砷化鎵、碲化鎘或者摻鎂鈮酸鋰晶體中的任意一種。凹面反射鏡102是球形反射鏡，其半徑為r，曲率為ρ。激光的光軸為oo’，經(jīng)過球面反射鏡的球心c，電光偏轉(zhuǎn)晶體在光軸oo’上到球面反射鏡之間的距離為l。當(dāng)電光偏轉(zhuǎn)晶體101加上電壓時，激光通過電光偏轉(zhuǎn)晶體101將會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。隨著加載在電光偏轉(zhuǎn)晶體101上的電壓增大，入射偏轉(zhuǎn)角將會隨之增大，相應(yīng)的出射偏轉(zhuǎn)角θ也會增大，從而實(shí)現(xiàn)出射角大偏轉(zhuǎn)角度的目標(biāo)。根據(jù)上文中所述公式可以根據(jù)與目標(biāo)衛(wèi)星之間的距離方位選擇合適的偏轉(zhuǎn)角，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)凹面反射鏡的曲率半徑和偏轉(zhuǎn)位置與曲面反射鏡之間的距離。具體到本實(shí)施例中，可以根據(jù)衛(wèi)星平臺的結(jié)構(gòu)和布局，結(jié)合第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星的相對位置，先設(shè)定凹面反射鏡的曲率半徑和偏轉(zhuǎn)位置與曲面反射鏡之間的距離，然后在通信過程中，根據(jù)第一衛(wèi)星和第二衛(wèi)星的相對位置，調(diào)整電光偏轉(zhuǎn)晶體101上的電壓，從而調(diào)整入射偏轉(zhuǎn)角，進(jìn)一步調(diào)整偏轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)廣角指向通信。

在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，電光偏轉(zhuǎn)晶體101處于可移動裝置上，結(jié)合參考圖3和圖4，電光偏轉(zhuǎn)晶體可沿光軸oo`移動，也可以垂直光軸oo`沿著oy方向或者oz方向移動。反射鏡102保持固定。當(dāng)偏轉(zhuǎn)晶體101沿著oo’移動時，距離l將會變化，從而使得激光光束偏轉(zhuǎn)角γ發(fā)生變化?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)晶體101相對曲面反射鏡102的相對位置來調(diào)節(jié)光束偏轉(zhuǎn)角度變化率。當(dāng)偏轉(zhuǎn)晶體101沿著oy方向或者oz方向移動時，如圖4所示，當(dāng)晶體移動距離為d時，若晶體不加電，此時激光偏轉(zhuǎn)角為如果在晶體上加電，使得通過晶體的激光光束有的偏轉(zhuǎn)角，則此時系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)角由圖4可以看出，其中s是odc的長度，可以得出：

即可以通過調(diào)整晶體移動距離和入射偏轉(zhuǎn)角來獲得較大的出射偏轉(zhuǎn)角。

凹面反射鏡102可以設(shè)置不同曲率半徑的凹球面，這樣可以選擇不同的入射偏轉(zhuǎn)角獲取不同的偏轉(zhuǎn)變化率。

本發(fā)明還提供采用所述星載激光通信廣角指向裝置的星載激光通信廣角指向方法。

綜上，本發(fā)明用于星載激光通信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)大范圍指向通信。本發(fā)明實(shí)施所提供星載激光通信廣角指向裝置及方法，將出射的激光光束改變微小偏轉(zhuǎn)或者位移，入射到一個空間曲面的不同位置，形成不同的入射角。根據(jù)snell定律，出射光束的出射角和入射光束的入射角相同且一起連續(xù)變化。通過設(shè)計(jì)調(diào)整空間曲面的曲率大小和與入射光的相對位置，能對反射角的大小進(jìn)行調(diào)整，這樣就實(shí)現(xiàn)了大范圍指向的激光通信。激光指向范圍和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。出射激光可以向除了被衛(wèi)星遮擋的下方等其它方向偏轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)最大2π的球面?zhèn)鬏?，而不需要衛(wèi)星調(diào)姿。激光傳輸過程中光斑將會變大，通過凹面鏡104匯聚作用，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的光斑減小，在長距離激光通信中，接收端將會捕獲較小的激光光斑，獲取較高的通信信噪比。

本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。