CN111464237A - 一种微波光信号无线激光传输装置及传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种微波光信号无线激光传输装置及传输方法，属于微波光信号传输技术领域。解决了现有技术中两个相对运动的平台间无法进行微波光信号远距离无线激光传输的问题。它包括第一跟踪单元、第二跟踪单元、对准单元、信号发射光纤和信号接收光纤，所述第一跟踪单元与第二跟踪单元互联，所述第二跟踪单元与对准单元相连，所述信号发射光纤与第二跟踪单元相连，所述对准单元与信号接收光纤相连，所述第一跟踪单元内设置有光学天线。它主要用于微波光信号远距离无线激光传输。
Description
技术领域
本发明属于微波光信号传输技术领域，特别是涉及一种微波光信号无线激光传输装置及传输方法。
背景技术
微波光子学是随着半导体激光器、光速光电调制器探测器、集成光学、光纤光学和微波技术的不断发展，出现的一种将微波与光学两门学科优势结合起来的新兴交叉学科。在微波光子学中的微波光信号是把光学技术应用于微波***中，利用光学***特有的低损耗，大带宽等优势进行微波信号的传输和处理。现有的微波光子学***中，通常采用光纤进行点对点信号传输，而对于两个存在相对运动的平台间，利用光纤无法进行微波光信号远距离无线激光传输，使得微波光子学技术的应用受到了限制。微波光信号远距离无线激光传输主要难点是在两个高速运行的平台间实现光束的精密对准，以及将空间光传输损耗控制在一定范围内。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种微波光信号无线激光传输装置及传输方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种微波光信号无线激光传输装置，它包括第一跟踪单元、第二跟踪单元、对准单元、信号发射光纤和信号接收光纤，所述第一跟踪单元与第二跟踪单元互联，所述第二跟踪单元与对准单元相连，所述信号发射光纤与第二跟踪单元相连，所述对准单元与信号接收光纤相连，所述第一跟踪单元内设置有光学天线。
更进一步的，所述第一跟踪单元通过两个旋转台按照T字型组合成经纬仪结构，所述第二跟踪单元和对准单元均为二维摆镜结构。
更进一步的，所述信号发射光纤输出微波光信号，微波光信号依次经过第一透镜组、第一分光片和第二跟踪单元后，进入光学天线，通过光学天线准直发射，所述光学天线接收入射光束，入射光束依次通过第二跟踪单元、第一分光片和第一反射镜后，由第二分光片分成两部分空间光，一部分空间光依次经过第一滤光片和第二透镜组成像到QD探测器上；另一部分空间光依次经过对准单元、第二滤光片和第三透镜组耦合至信号接收光纤中。
更进一步的，所述第一跟踪单元对光束的2π空间瞄准跟踪控制，控制精度50μrad以内。
更进一步的，所述第二跟踪单元控制范围±200μrad，控制精度3μrad以内。
更进一步的，所述对准单元控制范围±10μrad，控制精度1μrad以内。
更进一步的，所述光学天线口径为150mm，放大倍率为15。
更进一步的，所述信号发射光纤和信号接收光纤均采用1550nm波段的单模光纤，纤径9μm，数值口径0.14。
本发明还提供了一种微波光信号无线激光传输装置的传输方法，它包括以下步骤：
步骤一：两个链路的无线激光传输装置根据位置和姿态信息进行初步对准，互相发射光信号；
步骤二：两个链路的无线激光传输装置相互进行扫描捕获，在一定的范围内搜索对方光信号；
步骤三：两个链路的无线激光传输装置均捕获到对方的光信号后，利用第一跟踪单元和第二跟踪单元对光信号进行跟踪，确保光束指向角度在控制范围内；
步骤四：利用对准单元进一步提高接收光信号的控制精度；
步骤五：跟踪和对准稳定后，开始进行微波光信号无线激光传输。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有技术中两个相对运动的平台间无法进行微波光信号远距离无线激光传输的问题。
本发明可用于两个移动平台之间的通信链路，可将微波信号直接加载到激光上进行高速传输，具有天线体积小、抗电磁干扰和保密性好等优点，可实现微波光信号远距离低损耗空间动态传输。本发明通过三级复合光束控制单元联合工作，可实现发射光束控制精度3μrad以内，接收光束控制精度1μrad以内。当微波光信号远距离无线激光传输装置采用150mm直径光学收发天线时，可实现微波光信号的无线通信距离50km以上。本发明可应用于地面点对点通信***，包括固定平台、车载平台、机载平台和船载平台等之间的通信链路，实现微波光信号的远距离无线激光传输，通信数据率高、终端体积小、抗电磁干扰和保密性好。
附图说明
图1为本发明所述的一种微波光信号无线激光传输装置结构框图；
图2为本发明所述的一种微波光信号无线激光传输装置传输示意图。
1-第一跟踪单元，2-第二跟踪单元，3-对准单元，4-信号发射光纤，5-信号接收光纤，6-光学天线，7-第一透镜组，8-第一分光片，9-第一反射镜，10-第二分光片，11-第一滤光片，12-第二透镜组，13-QD探测器，14-第二滤光片，15-第三透镜组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-2说明本实施方式，一种微波光信号无线激光传输装置，它包括第一跟踪单元1、第二跟踪单元2、对准单元3、信号发射光纤4和信号接收光纤5，所述第一跟踪单元1与第二跟踪单元2互联，所述第二跟踪单元2与对准单元3相连，所述信号发射光纤4与第二跟踪单元2相连，所述对准单元3与信号接收光纤5相连，所述第一跟踪单元1内设置有光学天线6。
本实施例第一跟踪单元1、第二跟踪单元2和对准单元3组成三级复合光束控制单元，可实现微波光信号远距离低损耗空间动态传输。第一跟踪单元1用于补偿两链路平台间的大角度相对运动，第二跟踪单元2用于补偿链路平台自身的小角度抖动，对准单元3用于在第一跟踪单元1和第二跟踪单元2联合工作的基础上，进一步提升空间光耦合至光纤的对准精度。
如图1所示，微波光信号有线传输设备间通过光纤进行信号发射和接收，对于微波光信号发射，有线传输设备通过信号发射光纤4将信号传送至无线激光传输装置空间光路，入射到空间光准直光路和光学天线后，以空间光的形式发射到对面终端。对于微波光信号接收，空间光经光学天线6和聚焦光路后，耦合至信号接收光纤5。
第一跟踪单元1同时对发射信号光和接收信号光进行控制，所述第一跟踪单元1通过两个旋转台按照T字型组合成经纬仪结构，用于承载整个装置以实现大角度范围光束控制，可实现光束的2π空间瞄准跟踪控制，控制精度可在50μrad以内；所述第二跟踪单元2和对准单元3均为二维摆镜结构，第二跟踪单元2也同时对发射信号光和接收信号光进行控制，可在第一跟踪单元1光束控制的基础上，进一步提高光束控制精度，控制范围±200μrad，控制精度3μrad以内(3σ)；对准单元3只对接收信号光进行控制，可在第二跟踪单元2光束控制的基础上，进一步提高接收信号光对准控制精度，以确保空间光到信号接收光纤5的耦合接收效率，所述对准单元3控制范围±10μrad，控制精度1μrad以内(3σ)。
在空间光束发射过程中，信号发射光纤4输出微波光信号，微波光信号依次经过第一透镜组7、第一分光片8和第二跟踪单元2后，进入光学天线6，通过光学天线6准直发射。在空间光束接收过程中，入射光束由光学天线6入射至终端内部光路，光学天线6接收入射光束，入射光束依次通过第二跟踪单元2、第一分光片8和第一反射镜9后，由第二分光片10分成两部分空间光，一部分空间光依次经过第一滤光片11和第二透镜组12成像到QD探测器13上，用于光束捕获和跟踪；另一部分空间光依次经过对准单元3、第二滤光片14和第三透镜组15耦合至信号接收光纤5中，用于微波光信号传输。
优选的，第一跟踪单元1选择德国PI公司的两个V-610型的旋转台按照T字型组合成经纬仪结构，转台最小位移27微弧度，行程可覆盖半球角度范围瞄准要求。光学天线6选用卡塞格伦结构，口径为150mm，放大倍率为15，主镜和次镜均镀反射膜，对1530-1560nm波段激光的发射率大于99％。第二跟踪单元2选用德国PI公司型号为S-330.2SL的二维摆镜，采用闭环控制，偏摆范围±1mrad，工作频率+/-0.2mrad@1kHz。信号发射光纤4和信号接收光纤5均采用1550nm波段的单模光纤，纤径9μm，数值口径0.14。QD探测器13选用康冠光电的KG-PD-1G型模拟光电探测器，带宽1GHz。对准单元3选用德国PI公司型号为S-331K003的二维摆镜，采用闭环控制，偏摆范围±0.25mrad，工作频率+/-0.1mrad@2kHz。装置的上位控制通过计算机实现，CPU为i74630K，主板ASUSX79-DELUXE，硬盘SAMSUNGSSD840PRO256GB，内存为金士顿16GB。
本实施例为一种微波光信号无线激光传输装置的传输方法，它包括以下步骤：
步骤一：两个链路的无线激光传输装置根据位置和姿态信息进行初步对准，互相发射光信号；
步骤二：两个链路的无线激光传输装置相互进行扫描捕获，在一定的范围内搜索对方光信号；
步骤三：两个链路的无线激光传输装置均捕获到对方的光信号后，利用第一跟踪单元1和第二跟踪单元2对光信号进行跟踪，确保光束指向角度在控制范围内；
步骤四：利用对准单元3进一步提高接收光信号的控制精度；
步骤五：跟踪和对准稳定后，开始进行微波光信号无线激光传输。
以采用150mm直径光学天线6为例，估算无线激光传输装置的通信距离。设计信号光发散角为30μrad，对于1μrad(3σ)的接收光束跟踪精度，对应空间光至单模光纤损耗为-4dB，在要求空间光传输损耗控制在-17dB内时，微波光信号的无线通信距离可以在50km以上。
以上对本发明所提供的一种微波光信号无线激光传输装置及传输方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种微波光信号无线激光传输装置，其特征在于：它包括第一跟踪单元(1)、第二跟踪单元(2)、对准单元(3)、信号发射光纤(4)和信号接收光纤(5)，所述第一跟踪单元(1)与第二跟踪单元(2)互联，所述第二跟踪单元(2)与对准单元(3)相连，所述信号发射光纤(4)与第二跟踪单元(2)相连，所述对准单元(3)与信号接收光纤(5)相连，所述第一跟踪单元(1)内设置有光学天线(6)。
2.根据权利要求1所述的一种微波光信号无线激光传输装置，其特征在于：所述第一跟踪单元(1)通过两个旋转台按照T字型组合成经纬仪结构，所述第二跟踪单元(2)和对准单元(3)均为二维摆镜结构。
3.根据权利要求1所述的一种微波光信号无线激光传输装置，其特征在于：所述信号发射光纤(4)输出微波光信号，微波光信号依次经过第一透镜组(7)、第一分光片(8)和第二跟踪单元(2)后，进入光学天线(6)，通过光学天线(6)准直发射，所述光学天线(6)接收入射光束，入射光束依次通过第二跟踪单元(2)、第一分光片(8)和第一反射镜(9)后，由第二分光片(10)分成两部分空间光，一部分空间光依次经过第一滤光片(11)和第二透镜组(12)成像到QD探测器(13)上；另一部分空间光依次经过对准单元(3)、第二滤光片(14)和第三透镜组(15)耦合至信号接收光纤(5)中。
4.根据权利要求1所述的一种微波光信号无线激光传输装置，其特征在于：所述第一跟踪单元(1)对光束的2π空间瞄准跟踪控制，控制精度50μrad以内。
5.根据权利要求1所述的一种微波光信号无线激光传输装置，其特征在于：所述第二跟踪单元(2)控制范围±200μrad，控制精度3μrad以内。
6.根据权利要求1所述的一种微波光信号无线激光传输装置，其特征在于：所述对准单元(3)控制范围±10μrad，控制精度1μrad以内。
7.根据权利要求1所述的一种微波光信号无线激光传输装置，其特征在于：所述光学天线(6)口径为150mm，放大倍率为15。
8.根据权利要求1所述的一种微波光信号无线激光传输装置，其特征在于：所述信号发射光纤(4)和信号接收光纤(5)均采用1550nm波段的单模光纤，纤径9μm，数值口径0.14。
9.一种如权利要求1所述的微波光信号无线激光传输装置的传输方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：两个链路的无线激光传输装置根据位置和姿态信息进行初步对准，互相发射光信号；
步骤二：两个链路的无线激光传输装置相互进行扫描捕获，在一定的范围内搜索对方光信号；
步骤三：两个链路的无线激光传输装置均捕获到对方的光信号后，利用第一跟踪单元(1)和第二跟踪单元(2)对光信号进行跟踪，确保光束指向角度在控制范围内；
步骤四：利用对准单元(3)进一步提高接收光信号的控制精度；
步骤五：跟踪和对准稳定后，开始进行微波光信号无线激光传输。
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