專(zhuān)利名稱(chēng)：一種激光接收及回波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及一種激光通信或目標(biāo)識(shí)別中激光接收及回波裝置。
背景技術(shù)：
激光通信是利用激光束作為載體進(jìn)行通信的一種通信方式?；镜募す馔ㄐ畔到y(tǒng)由發(fā)射機(jī)(詢問(wèn)方)、接收機(jī)(應(yīng)答方)和空間大氣信道組成。激光目標(biāo)識(shí)別實(shí)質(zhì)上是在特定條件下的一種激光通信，基本的激光目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)也由發(fā)射機(jī)(詢問(wèn)方)、接收機(jī)(應(yīng)答方)和空間大氣信道組成。激光通信或激光目標(biāo)識(shí)別中、詢問(wèn)方發(fā)出的詢問(wèn)光束經(jīng)應(yīng)答方接收天線(一般為光學(xué)透鏡組成的接收裝置)接收后，需將詢問(wèn)光束一分為二，一部分被應(yīng)答方的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和信息處理部分的探測(cè)器接收，并經(jīng)應(yīng)答方光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和信息處理部分的信號(hào)放大及處理電路解調(diào)出詢問(wèn)方的信息；另一部分將被應(yīng)答方的回波裝置沿原路返回作為回波光束，回波光束被調(diào)制后，“攜帶”上應(yīng)答方的信息，射向詢問(wèn)方的接收透鏡，經(jīng)詢問(wèn)方的探測(cè)器和信號(hào)放大處理電路后，解調(diào)出應(yīng)答方的信息，從而完成激光通信和激光目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。
激光通信系統(tǒng)或激光目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)答方式的不同，分為有源應(yīng)答系統(tǒng)和無(wú)源應(yīng)答系統(tǒng)兩種方式。有源應(yīng)答是指應(yīng)答方具有自己的激光光源，利用自己的激光光源發(fā)出的光作為回波光束，回波光束經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后，“攜帶”應(yīng)答方的信息返回詢問(wèn)方的接收系統(tǒng)，從而完成激光通信和激光目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。因?yàn)橛性磻?yīng)答需要知道詢問(wèn)方的位置，就必須對(duì)詢問(wèn)方進(jìn)行目標(biāo)跟蹤和瞄準(zhǔn)，而目標(biāo)的跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)難度大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)困難，所以有源應(yīng)答技術(shù)難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，通常用得較少。無(wú)源應(yīng)答是指應(yīng)答方?jīng)]有自己的激光光源，它不是依靠激光器作光源向詢問(wèn)方發(fā)射回波光束，而是用基于光學(xué)方法的回波裝置將詢問(wèn)方的光束沿原路返回，并在原路返回的回波光束上加載應(yīng)答方信息，從而完成激光通信和激光目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。無(wú)源應(yīng)答不需要對(duì)詢問(wèn)方進(jìn)行目標(biāo)跟蹤和瞄準(zhǔn)，而是直接利用沿原路返回的回波光束就可確定詢問(wèn)方的位置，原詢問(wèn)光束經(jīng)過(guò)回波裝置就可得到沿原路返回的回波光束；同時(shí)無(wú)源應(yīng)答不需要用激光器作光源，使接收機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，可靠性高。在激光通信和激光目標(biāo)識(shí)別中，都需要性能優(yōu)良的應(yīng)答機(jī)，而無(wú)源應(yīng)答接收機(jī)在一定的條件下比有源應(yīng)答接收機(jī)有更大的優(yōu)勢(shì)，所以，無(wú)源應(yīng)答接收機(jī)將廣泛用于激光通信和激光目標(biāo)識(shí)別技術(shù)中。而激光接收及回波裝置是無(wú)源應(yīng)答接收機(jī)的的重要部分之一，所以激光接收及回波裝置的設(shè)計(jì)有重要意義。
激光接收及回波裝置的兩個(gè)重要問(wèn)題為回波方向和回波光束的功率。在激光通信和激光目標(biāo)識(shí)別技術(shù)中，要完成通信或目標(biāo)識(shí)別任務(wù)，應(yīng)答方(被詢問(wèn)方)返回的回波光束在到達(dá)詢問(wèn)方時(shí)必須能夠被詢問(wèn)方的光學(xué)接收系統(tǒng)所接收，否則，將不能完成通信或目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。這就要求應(yīng)答方的回波裝置將詢問(wèn)光束返回時(shí)，必須沿原詢問(wèn)光方向而不能偏離，同時(shí)要保證回波光束的中心與詢問(wèn)光束的中心間的距離等于詢問(wèn)方的發(fā)射透鏡中心與接收透鏡中心之間的距離。另一個(gè)重要問(wèn)題是回波光束的功率問(wèn)題。即使回波光束能夠被詢問(wèn)方的接收透鏡接收，但如果回波光束的功率太低，加上長(zhǎng)距離傳輸?shù)拇髿鈸p耗和背景輻射的影響，回波信號(hào)到達(dá)詢問(wèn)方探測(cè)器上的信噪比將會(huì)很小，這樣詢問(wèn)方將無(wú)法完成回波信號(hào)的探測(cè)，也就無(wú)法完成激光通信或激光目標(biāo)識(shí)別。因此，除了要求詢問(wèn)方發(fā)射高功率的詢問(wèn)光束外，還要求系統(tǒng)的每個(gè)部分都盡最大可能減小光能量的損耗。
通常人們要得到與原方向平行返回的回波光束，就會(huì)想到用直角棱鏡，的確用直角棱角可以得到嚴(yán)格平行的回波光束，但是在有些實(shí)際問(wèn)題中它有一定的局限性。
近年來(lái)，許多人在激光通信和激光目標(biāo)識(shí)別方面進(jìn)行了有益的探索。如長(zhǎng)春理工大學(xué)的尹福昌教授所研制的一種激光接收及回波裝置，如圖1所示，它由5個(gè)透鏡、1個(gè)直角棱鏡和光調(diào)制器組成，其中，一部分詢問(wèn)光經(jīng)透鏡1、透鏡2、透鏡3組成的整個(gè)裝置的接收部分后輸入接收機(jī)的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和信息處理部分，另一部分詢問(wèn)光經(jīng)透鏡4、透鏡5和直角棱鏡組成的回波裝置后形成回波光束并經(jīng)光調(diào)制器調(diào)制后沿原路返回(見(jiàn)文獻(xiàn)尹福昌，張錦風(fēng)，“激光敵我識(shí)別”光子學(xué)報(bào)，1995.Vol.24，No.3.)。
該激光接收及回波裝置前方需用兩個(gè)透鏡作接收天線來(lái)接收詢問(wèn)方發(fā)射的光束，一部分最終射向應(yīng)答方光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理部分的光電探測(cè)器，另一部分被接收后經(jīng)直角棱鏡產(chǎn)生回波光束。這種方案的不足之處是光能量損耗較大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。因?yàn)樵谶@個(gè)系統(tǒng)中共需要5個(gè)凸透鏡和一個(gè)直角棱鏡，從能量損失的角度來(lái)看，由于發(fā)射的詢問(wèn)光束是一個(gè)整體光束，所以在兩個(gè)接收透鏡的縫隙必然有一部分光不能被接收不到而損失掉；同時(shí)5個(gè)透鏡和直角棱鏡對(duì)光能量也有損耗。因?yàn)樵儐?wèn)方所發(fā)出的詢問(wèn)光束的功率本身就不很高，要使回波光束有足夠高的功率而能被詢問(wèn)方的探測(cè)器接收到，并有較高的信噪比，就必須對(duì)應(yīng)答機(jī)的激光接收及回波裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種激光接收及回波裝置，它具有使回波光束沿詢問(wèn)光原路平行地返回、光能量損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)。該裝置還能夠提高詢問(wèn)方探測(cè)器的信噪比或在足夠高的信噪比條件下可以增大通信和識(shí)別的距離。
本發(fā)明述的一種激光接收及回波裝置，由3個(gè)凸透鏡、一個(gè)分光板、一個(gè)平面反射鏡組成。三個(gè)凸透鏡相互平行放置，其中心線重合在一起，且透鏡2位于透鏡1和透鏡3之間；分光板位于透鏡2和透鏡3之間，其所在平面與透鏡中心線呈45度夾角；平面反射鏡置于分光板旁邊，其所在平面與分光板相互垂直，使得回波光束能夠沿詢問(wèn)光束的方向平行地返回。
本發(fā)明的工作原理是用一個(gè)口徑比較大的凸透鏡1做接收天線，透鏡1和透鏡2組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，將寬光束變?yōu)檎馐?，該窄光束?jīng)分光板分為透射光和反射光，其中透射光射向接收機(jī)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換及信息處理部分的光電探測(cè)器，反射光經(jīng)平面反射鏡反射形成回波光束后沿詢問(wèn)光方向平行地返回。
在透鏡3和探測(cè)器之間，可以加入光闌和濾光片進(jìn)行空間和頻率上的濾波，以減小雜散光和背景輻射產(chǎn)生的噪聲，從而提高應(yīng)答方的探測(cè)信噪比。
分光板的反射率和透射率可以根據(jù)實(shí)際通信或識(shí)別的距離以及詢問(wèn)方發(fā)出的詢問(wèn)光束的功率而定。分光板的透過(guò)率和反射率可通過(guò)在玻璃基片上鍍多層高反射膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。
平面反射鏡的方向與分光板的方向垂直，目的是為了保證回波光束與原詢問(wèn)光束平行返回詢問(wèn)方，平面鏡將分光板反射來(lái)的光束沿詢問(wèn)光束的方向反射回詢問(wèn)方形成回波光束，平面鏡的反射率越高越好，這里希望最好能達(dá)到100％。所以，平面反射鏡最好采用高反射率的平面反射鏡，高反射率的平面反射鏡的高反射率也可通過(guò)在玻璃基片上鍍多層高反射膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在平面反射鏡前方可以放置一個(gè)光調(diào)制器，對(duì)回波光束進(jìn)行調(diào)制，即在回波光束上加上應(yīng)答方一定的信息。光調(diào)制器的加入應(yīng)保證不改變回波光束的方向。光調(diào)制器可用拉曼奈斯聲光調(diào)制器。
下面對(duì)技術(shù)背景中所述技術(shù)方案和本發(fā)明所述技術(shù)方案的探測(cè)器上接收到的光功率和回波光束功率進(jìn)行比較。
1)技術(shù)背景中所述技術(shù)方案(采用直角棱鏡的方案)設(shè)入射的詢問(wèn)光束功率為P0，兩個(gè)透鏡縫隙對(duì)詢問(wèn)光的損耗率為S，透鏡的透過(guò)率為η1，直角棱鏡的透過(guò)率為η2，兩個(gè)透鏡接收的光功率比為 則應(yīng)答方(被詢問(wèn)方)探測(cè)器上接收到的光功率為
P1=(1-S)P0mm+nη13---(1)]]>到達(dá)應(yīng)答方調(diào)制器上的回波光束功率為P2=(1-S)P0nm+nη12η2---(2)]]>2)本發(fā)明所述技術(shù)方案同樣設(shè)入射的詢問(wèn)光束功率為P0，透鏡的透過(guò)率為η1，高反射平面鏡的反射率為100％，分光板對(duì)光的透射率和反射率之比為 則應(yīng)答方(被詢問(wèn)方)探測(cè)器上接收到的光功率為P1′=P0η13mm+n---(3)]]>到達(dá)應(yīng)答方調(diào)制器上的回波光束功率為p2′=P0η12nm+n---(4)]]>以上兩種方案在應(yīng)答方探測(cè)器上的光功率比為P1′P1=P0η13mm+n(1-S)P0mm+nη13=11-S---(5)]]>透鏡的透過(guò)率一般可達(dá)到99％以上，前一種方案的兩個(gè)透鏡能夠間的損耗率估計(jì)可達(dá)10％，所以兩種方案在應(yīng)答方探測(cè)器上的光功率比為P1′P1=1(1-S)=11-0.1=1.1>1---(6)]]>同樣，兩種方案的回波光束到達(dá)應(yīng)答方調(diào)制器上的功率比為P2′P2=P0η12nm+n(1-S)P0nm+nη12η2=1(1-S)η2---(7)]]>直角棱鏡對(duì)光的透過(guò)率為95％，前一種方案的兩個(gè)透鏡間的損耗率估計(jì)可達(dá)10％，則兩種方案的回波光束到達(dá)應(yīng)答方調(diào)制器上的功率比為P2′P2=1(1-S)η2=1(1-0.1)×0.095=1.13>1---(8)]]>
從以上兩種方案的比較中可見(jiàn)本發(fā)明所述技術(shù)方案無(wú)論在應(yīng)答方的探測(cè)器上還是在應(yīng)答方的調(diào)制器上都可以得到比現(xiàn)有技術(shù)方案高的光功率，因此本方案的設(shè)計(jì)可以提高詢問(wèn)方和應(yīng)答方的探測(cè)信噪比，同時(shí)在足夠高的信噪比條件下，它還可以增大激光通信和激光目標(biāo)識(shí)別的距離。
另外，和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述技術(shù)方案減少了透鏡數(shù)量和簡(jiǎn)化了光路，使其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，整個(gè)裝置體積可以更加小。
綜上，本發(fā)明所述技術(shù)方案具有使回波光束沿詢問(wèn)光原路平行地返回、光能量損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)，尤其是可以提高回波光束的功率，從而達(dá)到提高詢問(wèn)方探測(cè)器的信噪比或在足夠高的信噪比條件下，可以增大通信和識(shí)別的距離。


圖1是現(xiàn)有用于激光通信或激光目標(biāo)識(shí)別的激光接收及回波裝置結(jié)構(gòu)原理圖，其中，1、2、3、4、5均為凸透鏡，1和4的口徑較大，2、3、5的口徑較小，6為直角棱鏡，7為光調(diào)制器。
圖2為本發(fā)明所述的激光接收及回波裝置結(jié)構(gòu)原理圖，其中，1、2、3為凸透鏡，1的口徑較大，2、3的口徑較小，8為分光板，10為光闌，11為濾光片，9為平面反射鏡，7為調(diào)制器。
具體實(shí)施例方式
整個(gè)激光接收及回波裝置如圖2所示，其組成和位置關(guān)系與發(fā)明內(nèi)容技術(shù)方案部分相同，在此不再詳述。
3個(gè)凸透鏡的透過(guò)率均取99％以上，透鏡2和透鏡3的口徑取1cm，分光板的反射率取95％，投射率取5％。透鏡1的口徑可根據(jù)詢問(wèn)方發(fā)射的詢問(wèn)光的峰值功率以及識(shí)別的距離而定，當(dāng)詢問(wèn)方發(fā)出的詢問(wèn)光的峰值功率P＝15W，大氣的能見(jiàn)度為15Km，損耗系數(shù)為α＝0.2，發(fā)射系統(tǒng)的光學(xué)透過(guò)率τt＝0.95，接收系統(tǒng)的光學(xué)透過(guò)率為τr＝0.98，通信和識(shí)別距離Z＝500m～1000m時(shí)，透鏡1的口徑可取d＝6cm，即透鏡面積As＝(3×10-2)2π，此時(shí)，當(dāng)z＝1000m時(shí)，到達(dá)分光板上的光功率為Pr=4PtτtAsηrcosθπZ2θt2e-αz]]>
=4×15×0.95×(3×10-2)π×0.98×e-0.2π×10002×(1.5×10-3)]]>＝18.3mW則到達(dá)應(yīng)答方探測(cè)器的光功率為Pr1＝0.05×0.99Pr＝0.91mW到達(dá)應(yīng)答方調(diào)制器上的光功率為PR2＝0.95×Pr＝17.4mW當(dāng)通信和識(shí)別距離Z＝500m時(shí)，到達(dá)應(yīng)答方分光板上的光功率為Pr′=4PtτtAsηrcosθπZ2θt2e-αz]]>=4×15×0.95×(3×10-2)π×0.98×e-0.2π×5002×(1.5×10-3)]]>＝73.2mW則到達(dá)應(yīng)答方探測(cè)器上的光功率為Pr1’＝0.05×0.99×Pr’＝3.6mW到達(dá)應(yīng)答方調(diào)制器上的光功率為Pr2’＝0.95×Pr2＝69.5mW從上面的計(jì)算可看出，在上面給出的條件下，當(dāng)通信和識(shí)別距離在500m～1000m之間時(shí)，若透鏡1的口徑為6cm，則回波光功率和應(yīng)答方探測(cè)器上的光功率都足夠高，可以完成激光通信和激光目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種激光接收及回波裝置，由3個(gè)凸透鏡、一個(gè)分光板(8)、一個(gè)平面反射鏡(9)組成，其特征是，三個(gè)凸透鏡相互平行放置，其中心線重合在一起，且透鏡(2)位于透鏡(1)和透鏡(3)之間；分光板位于透鏡(2)和透鏡(3)之間，其所在平面與透鏡中心線呈45度夾角；平面反射鏡(9)置于分光板(8)旁邊，其所在平面與分光板相互垂直，使得回波光束能夠沿詢問(wèn)光束的方向平行地返回。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光接收及回波裝置，其特征是，所述3個(gè)凸透鏡中，透鏡(1)的口徑大于透鏡(2)和透鏡(3)的口徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光接收及回波裝置，其特征是，所述分光板(8)的反射率為95％，投射率為5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光接收及回波裝置，其特征是，所述平面反射鏡為高反射率平面反射鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光接收及回波裝置，其特征是，在所述透鏡(3)的后面可以加入光闌(10)和濾光片(11)，對(duì)詢問(wèn)光束進(jìn)行空間和頻率上的濾波，以減小雜散光和背景輻射產(chǎn)生的噪聲，從而提高應(yīng)答方的探測(cè)信噪比。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種激光接收及回波裝置，其特征是，在所述平面反射鏡前方可以放置一個(gè)光調(diào)制器(7)，對(duì)回波光束進(jìn)行調(diào)制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光接收及回波裝置，其特征是，所述光調(diào)制器可用拉曼奈斯聲光調(diào)制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的一種激光接收及回波裝置，其特征是，所述透鏡(1)的口徑為6厘米；所述透鏡(2)和透鏡(3)的口徑為1厘米。
全文摘要
一種激光接收及回波裝置，由3個(gè)平行放置且中心線重合的凸透鏡、一個(gè)分光板、一個(gè)平面反射鏡組成，詢問(wèn)光經(jīng)透鏡1接收后經(jīng)透鏡2變成窄光束，然后通過(guò)分光板將其分為透射光和反射光，透射光到達(dá)接收機(jī)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與信息處理部分的探測(cè)器；反射光經(jīng)平面反射鏡反射后形成回波光束并沿詢問(wèn)光的方向平行地返回。裝置中還可以加入光闌和濾光片，對(duì)詢問(wèn)光束進(jìn)行空間和頻率上的濾波，以減小雜散光和背景輻射產(chǎn)生的噪聲，從而提高應(yīng)答方的探測(cè)信噪比；加入調(diào)制器對(duì)回波光束進(jìn)行調(diào)制。本發(fā)明的激光接收及回波裝置具有光能量損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)。同時(shí)它能夠提高信噪比，增大通信和識(shí)別距離。
文檔編號(hào)H04B10/10GK1710836SQ20051002092
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月23日
發(fā)明者楊亞培, 張向前, 謝康, 饒建珍, 戴基智, 劉永智 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)