CN104104435A - 无线激光通信传输方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线激光通信传输方法及***，其中，该***包括光源激光器、次镜和主镜，并在光源激光器与次镜之间依次设置第一光调制器、第二光调制器和分束镜；所述第一光调制器，对来自光源激光器的激光束进行光强调制，调制成光强中空的激光光束，传输到所述第二光调制器；所述第二光调制器，对来自第一光调制器的激光束进行位相调制，将等位相面调制到一个平面，将调制后的激光束传输到所述分束镜；所述分束镜，将来自所述第二光调制器的激光束透传到所述次镜；所述次镜，将来自所述分束镜的激光束反射到所述主镜；所述主镜，将来自所述次镜的激光束进行反射后发射出去。本发明方案能够提高进行无线激光信号发射的发射效率。

Description

无线激光通信传输方法及***

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及无线激光通信传输方法及***。

背景技术

目前，自由空间无线激光通信***由于其成本低、保密性好、便于快速组网等优势，已成为军事和航天通信领域中的一个重要分支。

参见图1，为现有技术无线激光通信传输***的结构示意图，其包括光源激光器、主镜和次镜；

所述次镜，接收来自所述光源激光器的激光束，反射到所述主镜；

所述主镜，将来自所述次镜的激光束进行反射后发射出去。

主镜和次镜同轴，无线激光通信***也常成为反射式望远镜***，图1的无线激光通信***具体为马克苏脱附-卡塞格林式望远镜。光源激光器发出的光束为高斯光束，为了能够提高通信距离，须尽量扩大高斯光束的束腰半径，进而压缩发散角，这样就需要采用大口径无线激光通信***，即图中R的值较大。

由于反射式望远镜***具有无透射损失、不产生色差且易于加工大口径的原因，成为目前在自自由空间光通信***中广泛使用的光学天线。在具有上述优点的同时，反射式望远镜***由于大多采用主镜和次镜同轴的结构，造成很大一部分光被遮挡的现象，有时甚至可以挡光50%以上，这对于提高通信距离非常不利，须通过***改造加以解决。

图1所示的反射式光学天线由于次镜的遮挡，会有一部分光不能发射出去以被接收光学天线收到，具体参见图2所示的发射示意图；这样就降低了发光效率，对于远距离自由空间激光通信不利。具体分析如下：

此时光源激光器发射的激光束为高斯光束，高斯光束的光强可以表示为：

$I(\mathrm{\ρ},z)=I_0\left[{\frac{W_0}{W\left(z\right)}]}^2\exp \right[-\frac{{2\mathrm{\ρ}}^2}{W^2\left(z\right)}]---\left(1\right)$

其中，I₀表示中心光强度，W₀表示有效截面半径，I₀和W₀都为常量，ρ、z为变量，z为图1中所示的光轴方向，ρ为径向轴，也就是垂直于z轴的平面上的半径轴，W（z）表示z处的束腰半径；

高斯光束的截面光功率可以表示为：

$P={\∫}_0^{\∞}I(\mathrm{\ρ},z)2\mathrm{\π\ρd\ρ}---\left(2\right)$

将（1）代入（2），得到在束腰处的光功率，在束腰处的光功率可视为发射到次镜上的激光束的光功率，表示为：

$P=\frac{1}{2}{I}_0\left(\mathrm{\π}{W}_0^2\right)$

环型孔径的高斯光束的光强，也就是经过图1的主镜发射出去的高斯光束的光强，表示为：

$P^{\′}={\∫}_r^{R}I(\mathrm{\ρ},z)2\mathrm{\π\ρd\ρ}=P(e^{-\frac{{2r}^2}{W{\left(z\right)}^2}}-e^{-\frac{{2R}^2}{W{\left(z\right)}^2}})$

因此，卡塞格林望远镜发射效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{P^{\′}}{P}=e^{-\frac{{2r}^2}{W{\left(z\right)}^2}}-e^{-\frac{{2R}^2}{W{\left(z\right)}^2}}$

对于r/R=1/3，R=100mm的***而言，计算得到望远镜发射效率，参见图3为束腰半径与发射效率之间的曲线关系图。从图中可以看出即使选取合适的束腰半径，卡塞格林望远镜发射效率最大只能达到72%，有将近30%的能量损失掉。

在接收端同样存在遮光问题，如图4所示。携带信号的光束到达接收光学天线，首先被主镜反射会聚到次镜上，再经次镜反射到达探测器，经解调电路提取出信息，完成通信。但是如图4所示虚线部分光束被次镜遮挡，不能最终到达探测器，也就变成了链路损耗。

因此，采用传统的基于反射式光学天线的自由空间激光通信***，在发射端和接收端都会由于反射式光学天线的固有缺点，会损耗掉很大一部分光能量，这在远距离自由空间激光通信中是非常不利的，是亟待解决的问题。

综上所述，现有无线激光通信传输方法至少存在以下缺陷：由于次镜的遮挡，导致进行无线激光信号发射的发射效率较低。

发明内容

本发明提供了一种无线激光通信传输***，该***能够提高进行无线激光信号发射的发射效率。

本发明提供了一种无线激光通信传输方法，该方法能够提高进行无线激光信号发射的发射效率。

一种无线激光通信传输***，该***包括光源激光器、次镜和主镜，该***还在光源激光器与次镜之间依次设置第一光调制器、第二光调制器和分束镜；

所述第一光调制器，对来自光源激光器的激光束进行光强调制，调制成光强中空的激光光束，传输到所述第二光调制器；

所述第二光调制器，对来自所述第一光调制器的激光束进行位相调制，将等位相面调制到一个平面，将调制后的激光束传输到所述分束镜；

所述分束镜，将来自所述第二光调制器的激光束透传到所述次镜；

所述次镜，将来自所述分束镜的激光束反射到所述主镜；

所述主镜，将来自所述次镜的激光束进行反射后发射出去。

一种无线激光通信传输方法，该方法包括：

第一光调制器对来自光源激光器的激光束进行光强调制，调制成光强中空的激光光束，传输到第二光调制器；

第二光调制器对来自第一光调制器的激光信号的位相调制，将等位相面调制到一个平面，将调制后的激光束传输到分束镜；

分束镜将来自第二光调制器的激光束透传到次镜；

次镜将来自分束镜的激光束反射到主镜；

主镜将来自次镜的激光束进行反射后发射出去。

从上述方案可以看出，本发明对光源激光器产生的高斯光束进行调制，调制成光束中空的激光束；具体地，在光源激光器与次镜之间依次设置第一光调制器、第二光调制器和分束镜，第一光调制器对来自光源激光器的激光束进行光强调制，调制成光强中空的激光光束，传输到所述第二光调制器；第二光调制器对来自第一光调制器的激光信号的位相调制，将等位相面调制到一个平面，将调制后的激光束传输到所述分束镜；所述分束镜，将来自所述第二光调制器的激光束透传到所述次镜。这样，由于发射到次镜的为中空的激光束，也就是光束中心位置的光强几乎为零，这样，即使中心被遮挡，但由于中心光束为空不会对发射效率产生影响，进而解决了现有的技术问题，提高进行无线激光信号发射的发射效率。

附图说明

图1为现有技术中无线激光通信传输***的结构示意图；

图2为现有技术中无线激光通信传输***进行激光信号发射的示意图；

图3为现有技术中无线激光通信传输***进行激光信号发射的发射效率示意图；

图4为现有技术中无线激光通信传输***进行激光信号接收的示意图；

图5为本发明无线激光通信传输***的结构示意图；

图6为本发明无线激光通信传输方法的示意性流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。

光源激光器产生的光束为高斯光束，采用高斯光束在自由空间进行传输时，将因次镜遮挡而导致光束发射效率较低。如果能将高斯光束进行调制，调制成光束中空的激光束，且该光能在自由空间中传输；这样，即使中心被遮挡，但由于中心光束强度为零不会对发射效率产生影响，进而解决了现有的技术问题。

参见图5，为本发明无线激光通信传输***的结构示意图，该***包括光源激光器、次镜和主镜，其特征在于，该***还在光源激光器与次镜之间依次设置第一光调制器、第二光调制器和分束镜；

所述第一光调制器，对来自光源激光器的激光束进行光强调制，调制成光强中空的激光光束，传输到所述第二光调制器；

所述第二光调制器，对来自第一光调制器的激光束进行位相调制，将等位相面调制到一个平面，将调制后的激光束传输到所述分束镜；

所述分束镜，将来自所述第二光调制器的激光束透传到所述次镜；

所述次镜，将来自所述分束镜的激光束反射到所述主镜；

所述主镜，将来自所述次镜的激光束进行反射后发射出去。

进一步地，为了整个***更紧凑，可采用收发一体式结构。对于这种情况，该***还包括探测器；

所述主镜，接收空间传输的光强中空的激光束，反射到所述次镜；

所述次镜，接收来自所述主镜的激光束，进行反射后传输到所述分束镜；

所述分束镜，接收来自所述次镜的激光束，进行反射后发射到所述探测器；

所述探测器，接收来自所述分束镜的激光束，转换成电信号。

所述第二光调制器输出的是中空的激光束，例如为TEM₁₀模式的一阶高斯光束。经过第二光调制器调制后的光束为TEM₁₀模式的一阶高斯光束，采用TEM₁₀模式的一阶高斯光束作为自由空间激光通信传输光束。与高斯光束一样，TEM₁₀一阶高斯光束模式也是麦克斯韦方程的自由空间解析解，也可以在空气中传播，传播规律与高斯光束类似。

TEM₁₀模式的一阶高斯光束光强分布如下式所示：

$I(\mathrm{\ρ},z)=I_0{\left[\frac{W_c\mathrm{\ρ}}{W\left(z\right)}\right]}^2\exp [-\frac{2{\mathrm{\ρ}}^2}{W^2\left(z\right)}]$

W（z）在这里同样表示z处的束腰半径。分析TEM₁₀模式的一阶高斯光束的在具体某一截面处的光强分布图，可以获知，光强分布的中心有一中空圆形光斑，即这部分光强几乎为零，该圆形光斑以外的光强较强。也就是，该光束非常适用于反射式光学天线传输，可以解决反射式望远镜遮挡高斯光束的问题。

图5中的两个光调制器都是位相调制类型，即光束透过后光振幅不变，而可以使光强和位相发生改变。所述第一光调制器和第二光调制器，具体如空间光调制器或相位板。光调制器1主要完成在其后某一平面上光强分布为中空，所述某一平面为垂直z轴的某一平面；而光调制器2主要起到位相补偿作用，具体地使等位相面调制到一个平面，这样可以保障出射光束不但在光强分布上满足TEM₁₀模式要求，而且位相分布也满足要求，可以保证光束在空气中自由传播很远距离。

在第一光调制器和第二光调制器中输入一定的位相值，可使激光束经过第一光调制器和第二光调制器后形成TEM₁₀模式的一阶高斯光束；输入的位相值可采用现有的位相恢复算法（具体算法过程例如可请参阅文献：Cong W X,Chen N X,Gu B Y.“Beamshaping and its solution with the use of an optimization method”,Appl.Opt.,1998,Vol.37,Page:4500-4503.）计算得到。位相恢复算法为已有计算位相值的算法，具体包括G-S算法、Y-G算法等，这里不过多赘述。

采用图5所示的收发一体结构，光源激光器发出的基模高斯光束经第一光调制器和第二光调制器调制后，变为TEM₁₀模式的一阶高斯光束，该光束透过分束镜投射到光学天线次镜上，由于该光束中间部分能量几乎为零，所以被次镜反射回来重新穿过主镜开孔的光能量几乎为零，近乎全部光被次镜反射到主镜，再经主镜反射后变为平行光束出射，这样光学天线就在不损失光能量的情况下完成发射过程。在接收端，由于传输过来的光束仍为TEM₁₀模式的一阶高斯光束，经合理选择各光束参数，能够保证如图4所示的虚线部分的光近乎能量为零，而所有光能量都处于实线光线区域内，经过光学天线主镜和次镜反射，再经分束镜反射聚焦到探测器上，完成接收过程。这样，采用图5所示的空间激光通信***，发射和接收过程中光学天线的遮光问题可以得到解决。

参见图6，为本发明无线激光通信传输方法的示意性流程图，其包括以下步骤：

步骤601，第一光调制器对来自光源激光器的激光束进行光强调制，调制成光强中空的激光光束，传输到第二光调制器。

步骤602，第二光调制器对来自第一光调制器的激光信号的位相调制，将等位相面调制到一个平面，将调制后的激光束传输到分束镜。

步骤603，分束镜将来自第二光调制器的激光束透传到次镜。

步骤604，次镜将来自分束镜的激光束反射到主镜。

步骤605，主镜将来自次镜的激光束进行反射后发射出去。

较佳地，该方法还进一步包括：

主镜接收空间传输的光强中空的激光束，反射到次镜；

次镜接收来自主镜的激光束，进行反射后传输到分束镜；

分束镜接收来自次镜的激光束，进行反射后发射到探测器；

探测器接收来自分束镜的激光束，转换成电信号。

采用本发明方案，能够提高自由空间激光通信***中反射式光学天线的发射和接收效率，增加自由空间激光通信距离并改善通信质量。

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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种无线激光通信传输***，该***包括光源激光器、次镜和主镜，其特征在于，该***还在光源激光器与次镜之间依次设置第一光调制器、第二光调制器和分束镜；

所述第一光调制器，对来自光源激光器的激光束进行光强调制，调制成光强中空的激光光束，传输到所述第二光调制器；

所述第二光调制器，对来自所述第一光调制器的激光束进行位相调制，将等位相面调制到一个平面，将调制后的激光束传输到所述分束镜；

所述分束镜，将来自所述第二光调制器的激光束透传到所述次镜；

所述次镜，将来自所述分束镜的激光束反射到所述主镜；

所述主镜，将来自所述次镜的激光束进行反射后发射出去。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，该***还包括探测器；

所述主镜，接收空间传输的光强中空的激光束，反射到所述次镜；

所述次镜，接收来自所述主镜的激光束，进行反射后传输到所述分束镜；

所述分束镜，接收来自所述次镜的激光束，进行反射后发射到所述探测器；

所述探测器，接收来自所述分束镜的激光束，转换成电信号。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述第二光调制器输出的激光束为TEM₁₀模式的一阶高斯光束。

4.如权利要求1、2或3所述的***，其特征在于，所述第一光调制器和第二光调制器都为空间光调制器或相位板。

5.一种基于权利要求1***进行无线激光通信传输方法，其特征在于，该方法包括：

第一光调制器对来自光源激光器的激光束进行光强调制，调制成光强中空的激光光束，传输到第二光调制器；

第二光调制器对来自第一光调制器的激光信号的位相调制，将等位相面调制到一个平面，将调制后的激光束传输到分束镜；

分束镜将来自第二光调制器的激光束透传到次镜；

次镜将来自分束镜的激光束反射到主镜；

主镜将来自次镜的激光束进行反射后发射出去。

6.如权利要求5的方法，其特征在于，该方法还包括：

主镜接收空间传输的光强中空的激光束，反射到次镜；

次镜接收来自主镜的激光束，进行反射后传输到分束镜；

分束镜接收来自次镜的激光束，进行反射后发射到探测器；

探测器接收来自分束镜的激光束，转换成电信号。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第二光调制器传输到分束镜的激光束为TEM10模式的一阶高斯光束。

8.如权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，所述第一光调制器和第二光调制器都为空间光调制器或相位板。