CN116990982B - 一种用于激光通信的空间光传输装置及装调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于激光通信的空间光传输装置及装调方法，属于光信号转动传输技术领域，解决激光通信空间光传输过程存在的机械结构不稳定，检测和装调过程复杂、资源利用不充分以及可靠性低的技术问题。本发明通过对待测准直器、装调准直器、激光器、环形器、基准棱镜、平面镜、光功率计、经纬仪、六维调整架等的合理应用，将待测准直器的指向角度基准和径向位移基准分别转移到平面镜和装调准直器上，避免了准直器指向角度误差和径向位移误差相互耦合对光功率计示数的影响，实现了对准直器光路的高精度测量。本发明的装置具有结构紧凑、装调精度高、光学检测简单且抗振动能力强等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光信号转动传输技术领域，特别涉及一种用于激光通信的空间光传输装置及装调方法。
背景技术
激光光纤在传输过程中光纤两端做连续旋转运动时常规激光光纤将产生较大光损耗或有可能导致光纤损坏。如果选用光纤滑环则会对旋转运动产生额外阻力矩，且探头经过长时间摩擦会有磨损，对***寿命和可靠性产生影响。用于激光通信的空间光传输装置一般以发射端和接收端两部分组成，光纤中的激光信号可通过发射端准直器转换成空间光，而接收端准直器将空间光耦合到光纤当中，从而完成信号传输。在激光通信***传输过程中只要将空间光传输装置发射端准直器和接收端准直器光路对准，即可完成高效激光传输的目标。
一般用于航天或其它高可靠领域的装置往往讲究更高可靠性，激光通信用空间光传输装置设计有备份光路，当主份光路损耗变大或发生故障时可切换到备份光路中，进一步提高***可靠性、减少维护成本。假设发射端安装在旋转轴上，接收端装在静止的桌面或其它平台上，如果用常规方法显然无法保证主、备份两条光路的收、发共四套准直器相互遮挡问题，其中一条光路的准直器会影响到另一条光路。
由于准直器的装调精度对收发光路的耦合效率影响较大，且准直器指向角度误差和径向位移误差会相互耦合同时对光功率计示数产生影响，而只通过观察光功率计示数的常规装调方法无法判断光功率损耗是由准直器指向角度误差引起还是由径向位移误差引起。
发明内容
本发明要解决现有技术中激光通信空间光传输过程存在的准直器指向角度误差和径向位移误差会相互耦合，无法判断光功率损耗来源的技术问题，提供一种用于激光通信的空间光传输装置及装调方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种用于激光通信的空间光传输装置，包括：发射端和接收端；
所述发射端和/或所述接收端分别包括：主份准直器、基准棱镜、主份准直器固定架、固定架、备份准直器固定架、备份准直器；
其中，所述主份准直器与主份准直器固定架通过第三螺钉固定在所述固定架上；所述备份准直器与备份准直器固定架通过第一螺钉固定在所述固定架上；所述固定架通过第二螺钉固定在所述发射端和/或所述接收端的连接件上；
所述主份准直器通过调节第一光路调整垫片和第一径向调节顶丝调节准直器光路指向和位置；所述备份准直器通过调节第二光路调整垫片和第二径向调节顶丝调节准直器光路指向和位置；固定架通过调节第三光路调整垫片和第三径向调节顶丝调节发射端或接收端光路指向和位置；
主份和备份光路之间的切换，通过滚珠丝杠、导轨滑块、滑块连接件的配合，移动45°反射镜的平移来实现。
在上述技术方案中，该空间光传输装置设有机构控制单元，所述机构控制单元通过检测光栅尺反馈，精确判断所述45°反射镜的位置，并通过对电机的控制实现所述45°反射镜位置的高精度闭环控制，位置重复精度在±0.1mm以内。
一种用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，该用于激光通信的空间光传输装置包括：发射端和接收端；
所述发射端和/或所述接收端分别包括：主份准直器、基准棱镜、主份准直器固定架、固定架、备份准直器固定架、备份准直器；
其中，所述主份准直器与主份准直器固定架通过第三螺钉固定在所述固定架上；所述备份准直器与备份准直器固定架通过第一螺钉固定在所述固定架上；所述固定架通过第二螺钉固定在所述发射端和/或所述接收端的连接件上；
所述主份准直器通过调节第一光路调整垫片和第一径向调节顶丝调节准直器光路指向和位置；所述备份准直器通过调节第二光路调整垫片和第二径向调节顶丝调节准直器光路指向和位置；固定架通过调节第三光路调整垫片和第三径向调节顶丝调节发射端或接收端光路指向和位置；
主份和备份光路之间的切换，通过滚珠丝杠、导轨滑块、滑块连接件的高精度配合，移动45°反射镜的平移来实现；
该装调方法包括以下步骤：
步骤1：由待测的主份准直器和/或备份准直器、装调准直器、激光器、环形器、基准棱镜、第四平面镜、光功率计、经纬仪、六维调整架配合对装调基准进行拆分；
步骤2：将所述主份准直器和/或所述备份准直器光路的指向角度基准转移到第四平面镜上；
步骤3：将所述主份准直器和/或所述备份准直器光路的径向位移基准转移到装调准直器上，实现对准直器光路的装调。
在上述技术方案中，所述基准棱镜装调的方法包括以下步骤：
将固定架放置到气浮台上，用无尘布擦净机械基准面，安装基准棱镜并拧紧螺钉，将第一平面镜紧贴机械基准面，调整经纬仪视场使其视场内能同时瞄准基准棱镜和第一平面镜；
打开经纬仪的自准直灯，将经纬仪的焦距调至无穷远，观察经基准棱镜2和第一平面镜反射回的十字丝象，并根据两十字丝象的位置相应的研磨基准棱镜底座，重复此步骤最终使经基准棱镜和第一平面镜反射回的十字丝象重合，则基准棱镜的相应面与第一平面镜，误差优于±0.001°。
在上述技术方案中，所述45°反射镜装调的方法包括以下步骤：
将固定架放置到气浮台上，用无尘布擦净机械基准面，在备份准直器安装端面放置第二平面镜，调整经纬仪视场使其能同时瞄准45°反射镜和紧贴机械基准面的第三平面镜；
打开经纬仪的自准直灯，将经纬仪的焦距调至无穷远，观察经45°反射镜、第二平面镜和第三平面镜反射回的十字丝象，并根据两十字丝象的位置相应的研磨反射镜垫片，重复此步骤最终使两个十字丝象重合，则第二平面镜经45°反射镜反射后与第三平面镜的法线平行，误差优于±0.001°。
在上述技术方案中，准直器指向角度基准转移方法，包括以下步骤：
将固定架放置到气浮台上，将45°反射镜切出，使主份光路处于工作状态，将主份准直器与环形器及激光器和光功率计连接，打开激光器和光功率计，并在前端放置一个固定在二维调整台上的第四平面镜，第四平面镜通过二维调整台调节方位角和俯仰角；
主份准直器发出的激光光路与经第四平面镜反射后接收到的激光光路重合，此时光功率损耗最小，光功率计示数达到最大值；
从光功率计示数最大的位置开始，分别左右上下调整第四平面镜的方位角和俯仰角各偏转3′进行验证，观察光功率计示数：如偏转后光功率损耗值不对称，则根据结果继续调节第四平面镜的方位角和俯仰角；当四个方向偏转后的光功率损耗值均相差不大于1dB时，认为此时的光功率计示数最大值点为主份准直器光路的对称中心点，从而将主份准直器指向角度基准转移到第四平面镜上以通过经纬仪进行测量；
调整经纬仪视场使其能同时瞄准基准棱镜和第四平面镜，打开经纬仪的自准直灯，将经纬仪的焦距调至无穷远，观察经基准棱镜和第四平面镜反射回的十字丝象，并根据两十字丝象的位置相应的研磨主份准直器调整垫片，重复上述步骤最终使两个十字丝象重合，则主份准直器光路与第四平面镜垂直时的第四平面镜法线与基准棱镜的法线平行，误差优于±10″。
在上述技术方案中，所述准直器径向位移基准转移方法，包括以下步骤：
将固定架放置到气浮台上，将45°反射镜切出，使主份光路处于工作状态，在发射端和/或接收端前部，距主份准直器一定距离处放置装调准直器，装调准直器与六维调整架固定，并在六维调整架上放置棱镜和千分表，通过经纬仪瞄准棱镜和观察千分表读数测量装调准直器的指向角度变化和径向位移变化，避免六维调整架的空回造成误差；
将主份准直器光纤连接到激光器或光功率计上，装调准直器光纤连接到光功率计或激光器上，先用四周顶丝固定主份准直器，通过六维调整架调节装调准直器的光路指向和径向位移使光功率计示数达到最大值，而后从光功率计示数最大的位置开始，分别左右上下调整装调准直器的方位角和俯仰角各偏转3′，以及左右上下调整装调准直器的径向位移各偏移0.4mm进行验证，观察光功率计示数：如偏转和偏移后相应光功率损耗值不对称，则根据结果继续调节装调准直器的光路指向和径向位移；当四个方向角度偏转和四个方向位移偏转后相应的光功率损耗值均相差不大于1dB时，此时的光功率计示数最大值点为准直器光路的对称中心点，装调准直器光路与主份准直器光路重合，将主份准直器径向位移基准转移到装调准直器上，并以此位置为装调准直器位置原点；
保持固定架及装调准直器不动，将45°反射镜切入使备份光路工作，备份准直器光纤连接到激光器或光功率计上，通过调节备份准直器四周顶丝使光功率计示数达到最大值，而后从此位置开始，分别左右上下调整装调准直器的径向位移各偏移0.4mm进行验证，观察光功率计示数：如偏移后光功率损耗值不对称，则根据结果在将装调准直器调回位置原点后继续调节备份准直器四周顶丝；当四个方向位移偏移后的光功率损耗值均相差不大于1dB时，认为此时的光功率计示数最大值点为准直器光路的对称中心点，备份准直器光路经45°反射镜反射后与装调准直器光路和主份准直器光路重合，误差优于±0.05mm。
在上述技术方案中，所述发射端光路指向装调的方法包括以下步骤：
安装空间光传输单元发射端到旋转关节转子壳上，调整2台经纬仪的位置使其各自视场内能分别瞄准发射端基准棱镜相邻的两个面，打开2台经纬仪的自准直灯并将2台经纬仪的焦距调至无穷远分别瞄准发射端基准棱镜相邻的两个面；
通过修研发射端第三光路调整垫片使2台经纬仪瞄准基准棱镜相应面后俯仰轴示数同时达到90±0.001°以内。
在上述技术方案中，所述接收端光路指向装调的方法包括以下步骤：
安装空间光传输单元接收端到旋转关节定子轴上，调整2台经纬仪的位置使其各自视场内能分别瞄准接收端基准棱镜相邻的两个面，打开2台经纬仪的自准直灯并将2台经纬仪的焦距调至无穷远分别瞄准接收端基准棱镜相邻的两个面；
通过修研接收端光路调整垫片使2台经纬仪瞄准基准棱镜相应面后俯仰轴示数同时达到90±0.001°以内。
在上述技术方案中，所述发射端与所述接收端径向位移调节的方法包括以下步骤：
发射端主份准直器连接激光器，接收端主份准直器连接光功率计，调整发射端和接收端45°反射镜至切出状态，使发射端主份与接收端主份工作；
匀速旋转旋转关节转子壳，通过调节发射端径向顶丝和接收端径向顶丝，使旋转关节在旋转过程中光功率计的示数达到误差要求范围内，并找到空间光损耗最小位置，拧紧安装螺钉；
依次测量发射端主份准直器对准接收端主份准直器、发射端主份准直器对准接收端备份准直器、发射端备份准直器对准接收端主份准直器、发射端备份准直器对准接收端备份准直器这四种工作模式，记录各模式下的光功率损耗，若不满足要求则重复上述步骤重新调节发射端和接收端的径向位移，直至光功率损耗满足设计要求，发射端光路和接收端光路与旋转中心轴的重合。
本发明具有以下有益效果：
本发明的用于激光通信的空间光传输装置及装调方法，通过激光器、环形器、平面镜、光功率计、经纬仪、六维调整架等的合理应用，实现对装调基准的拆分，将待测准直器光路的指向角度基准转移到平面镜上、径向位移基准转移到装调准直器上，避免了准直器指向角度误差和径向位移误差相互耦合对光功率计示数的影响，从而提高了准直器光路的装调精度。
本发明解决了传统激光通信传输信号时，光纤两端发生连续旋转运动时无法有效传输信号的问题，并提出了一种高精度装调方法，将待测准直器的指向角度基准和径向位移基准分别转移到平面镜和装调准直器上，避免了准直器指向角度误差和径向位移误差相互耦合对光功率计示数的影响，发明了具有结构紧凑、设备装调精度高、光学检测简单且抗振动能力强等特点的一种用于激光通信的空间光传输装置。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的机械结构布局示意图。
图2为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的光路切换原理示意图。
图3为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的光路切换控制逻辑示意图。
图4为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的基准棱镜装配示意图。
图5为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的45°反射镜装调示意图。
图6为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的指向角度基准转移方法程序框图。
图7为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的准直器光路指向装调示意图。
图8为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的径向位移基准转移方法程序框图。
图9为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的主备份准直器径向位移调节示意图。
图10为本发明的用于激光通信的空间光传输装置的发射端光路指向装调示意图。
图中的附图标记表示为：
1-主份准直器；2-基准棱镜；3-第一径向调节顶丝；4-第三螺钉；5-第一光路调整垫片；6-主份准直器固定架；7-固定架；8-滚珠丝杠；9-导轨滑块；10-滑块连接件；11-第二螺钉；12-第三径向调节顶丝；13-第三光路调整垫片；14-第二径向调节顶丝；15-第一螺钉；16-备份准直器固定架；17-备份准直器；18-第二光路调整垫片；19- 45°反射镜；20-连接件；21-环形器；22-激光器；23-光功率计；24-第四平面镜；25-装调准直器；26-机械基准面；27-第一平面镜；28-第二平面镜；29-第三平面镜；30-旋转关节转子壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以详细说明。
如图1-10所示，本发明的用于激光通信的空间光传输装置，包括：发射端和接收端；发射端和/或接收端分别包括：主份准直器1、基准棱镜2、主份准直器固定架6、固定架7、备份准直器固定架16、备份准直器17。
其中，主份准直器1与主份准直器固定架6通过第三螺钉4固定在固定架7上；备份准直器17与备份准直器固定架16通过第一螺钉15固定在固定架7上；固定架7通过第二螺钉11固定在发射端和/或接收端的连接件20上；
主份准直器1通过调节第一光路调整垫片5和第一径向调节顶丝3调节准直器光路指向和位置；备份准直器17通过调节第二光路调整垫片18和第二径向调节顶丝14调节准直器光路指向和位置；固定架7通过调节第三光路调整垫片13和第三径向调节顶丝12调节发射端或接收端光路指向和位置；
主份和备份光路之间的切换，通过滚珠丝杠8、导轨滑块9、滑块连接件10的高精度配合，移动45°反射镜19的平移来实现。45°反射镜19上镀有对空间光通信谱段有较小吸收率的反射膜。
主份准直器1、主份准直器固定架6、固定架7、备份准直器固定架16以及备份准直器17的材料分别为：硬质铝合金、钛合金或者40Cr材料中的任意一种。
该空间光传输装置设有机构控制单元，机构控制单元通过检测光栅尺反馈，精确判断45°反射镜19的位置，并通过对电机的控制实现45°反射镜19位置的高精度闭环控制，位置重复精度在±0.1mm以内。该空间光传输装置的基频达到200Hz以上。
本发明的用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，包括以下的步骤：
步骤1：由待测的主份准直器1和/或备份准直器17、装调准直器25、激光器22、环形器21、基准棱镜2、第四平面镜24、光功率计23、经纬仪、六维调整架配合对装调基准进行拆分；主份准直器1，备份准直器17、激光器22和光功率计23与环形器21连接；第四平面镜24和装调准直器25分别固定在六维调整架上。
步骤2：将主份准直器1和/或备份准直器17光路的指向角度基准转移到第四平面镜24上；
步骤3：将主份准直器1和/或备份准直器17光路的径向位移基准转移到装调准直器25上，实现对准直器光路的高精度装调。主份准直器1光路的径向位移基准转移到装调准直器25上，再保持装调准直器25不动，切换到备份准直器17工作，通过顶丝调整备份准直器17的径向位移，当光功率计23示数达到最大值时，备份准直器17光路与装调准直器25光路重合，实现对准直器光路径向位移的高精度装调。具体的说，利用六维调整架调整第四平面镜24的方位角和俯仰角，当主份准直器1发出的激光光路与经第四平面镜24反射后接收到的激光光路重合，此时光功率损耗最小，光功率计23示数达到最大值。
下面结合附图对本发明做以进一步的详细说明。
在第一方面，本发明提供一种用于激光通信的空间光传输装置，如图1-10所示，该空间光传输装置由发射端和接收端两部分组成，其内部结构完全相同仅在对外接口稍有差别，如图1所示，通过合理的结构布局将主份准直器1、备份准直器17、45°反射镜19、导轨滑块9、滚珠丝杠8等高精度装配在高刚度、高强度的钛合金固定架上。
在本实施例中，所述空间光传输装置的光路切换原理图如图2所示，发射端（或接收端）主份准直器1与发射端（或接收端）固定架7几何中心轴（即旋转轴）重合，发射端（或接收端）主份准直器1和备份准直器17的光路夹角为90°，切换机构滑块连接件10上的45°反射镜19镜面与主、备光路之间夹角均为45°。备份准直器17发出（接收）的激光经过45°反射镜19反射后与发射端（或接收端）固定架7几何中心轴重合（即与主光路重合）。
在本实施例中，还设有切换机构，其具体形式为电机驱动蜗杆进而带动蜗轮，蜗轮通过滚珠丝杠8移动45°反射镜19、另外，45°反射镜19通过高精度导轨和滑块限制除水平方向移动外的其它自由度，使切换过程中的稳定度达到5″；另外通过蜗轮蜗杆的自锁属性精确定位45°反射镜19的位置，达到切换主备份光路的目的。
在本实施例中，还设有机构控制单元，其通过检测光栅尺反馈，精确判断45°反射镜19的位置，并通过驱动电机进行正转、反转和保持可实现45°反射镜19位置的高精度闭环控制，直线运动的位置重复精度在±0.1mm以内，并通过RS422总线接收驱动电机和光栅尺的参数，完成指令的解析和执行，传输给上一级***的外部单机，光路切换控制逻辑图如图3所示。
本发明的空间光传输装置通过模态分析、振动分析、热变形分析等在计算机辅助下设计，并限位设计、涂抹真空润滑脂等进一步增强产品适用性。
本发明中45°反射镜19上镀金膜（或其它对空间光通信谱段有较小吸收率的反射膜）。
本发明中主份和/或备份准直器光路指向调节通过修研第一光路调整垫片5和/或第二光路调整垫片18二面角实现，并通过均布第三螺钉4和/或第一螺钉15与发射端/接收端固定架7固定。
本发明中准直器光路径向调节通过四周第一径向调节顶丝3和/或第二径向调节顶丝14前后移动调整准直器光路的二维平面运动，使其与旋转轴重合。
本发明中通过修研发射端（或接收端）第三光路调整垫片13二面角调节发射端（或接收端）整体光路，使发射端（或接收端）光路与旋转轴（或其它要求的光路）平行。
本发明中通过发射端（或接收端）四周第三径向调节顶丝12前后移动调整发射端（或接收端）光路的二维平面运动，使其与旋转轴重合。
本发明中所述设备基频可达到200Hz以上，且经过航天级振动试验、冲击试验、热真空试验等环境试验后依然可以满足使用要求。
本发明所述的主要机械结构均采用高刚性的硬质铝合金、钛合金、40Cr等材料。
在第二方面，本发明还提供一种准直器高精度装调方法，适用于第一方面所提供的空间光传输装置，通过对准直器的指向角度基准和径向位移基准进行拆分，从而避免了准直器指向角度误差和径向位移误差相互耦合对光功率计示数的影响。
本发明中在发射端（或接收端）主份准直器1和备份准直器17指向角度和径向位移装调前，需先完成发射端（或接收端）基准棱镜装配和45°反射镜19装调。
本发明中需要说明的是，由于空间光传输装置发射端和接收端内部结构完全相同仅在对外接口稍有差别，因此发射端和接收端的装调方法相同。
本发明中在完成发射端和接收端各自的装调后，还需将发射端和接收端与旋转关节进行对接装调，包括对接装调前准备工作，发射端光路指向装调，接收端光路指向装调和发射端与接收端径向位移调节。
在本实施例中，所述基准棱镜2装调的方法包括以下步骤：
1. 如图4所示，将发射端（或接收端）固定架7放置到气浮台上，用无尘布擦净机械基准面26，安装基准棱镜2并拧紧螺钉，将第一平面镜27紧贴机械基准面26，调整经纬仪视场使其视场内能同时瞄准基准棱镜2和第一平面镜27；
2. 打开经纬仪的自准直灯，将经纬仪的焦距调至无穷远，观察经基准棱镜2和第一平面镜27反射回的十字丝象，并根据两十字丝象的位置相应的研磨基准棱镜2底座，重复此步骤最终使经基准棱镜2和第一平面镜27反射回的十字丝象重合，则基准棱镜2的相应面与第一平面镜27即机械基准面26平行，误差优于±0.001°。
在本实施例中，所述45°反射镜19装调的方法包括以下步骤：
1. 如图5所示，将发射端（或接收端）固定架7放置到气浮台上，用无尘布擦净机械基准面26，在备份准直器17安装端面放置第二平面镜28，调整经纬仪视场使其能同时瞄准45°反射镜19和紧贴机械基准面26的第三平面镜29；
2. 打开经纬仪的自准直灯，将经纬仪的焦距调至无穷远，观察经45°反射镜19、第二平面镜28和第三平面镜29反射回的十字丝象，并根据两十字丝象的位置相应的研磨反射镜垫片，重复此步骤最终使两个十字丝象重合，则第二平面镜28即备份准直器17安装端面的法线经45°反射镜19反射后与第三平面镜29即机械基准面26的法线平行，误差优于±0.001°。
在本实施例中，所述准直器指向角度基准转移方法程序框图如图6所示，包括以下步骤：
1. 如图7所示，以发射端主份准直器1为例，将发射端（或接收端）固定架7放置到气浮台上，将45°反射镜19切出，使主份光路处于工作状态，将主份准直器1与环形器21及激光器22和光功率计23连接，打开激光器22和光功率计23，并在前端放置一个固定在二维调整台上的第四平面镜24，第四平面镜24可通过二维调整台调节方位角和俯仰角；
2. 由于准直器在连接环形器21后可同时作为激光的发射和接收装置，当主份准直器1光路与第四平面镜24垂直时，即主份准直器1发出的激光光路与经第四平面镜24反射后接收到的激光光路重合，此时光功率损耗最小，光功率计23示数达到最大值；
3. 调节第四平面镜24的方位角和俯仰角，使光功率计23示数达到最大，由于主份准直器1在光路重合附近光功率损耗较低，光功率计23示数最大位置不是一点而是一个区间，因此不能仅凭光功率计23示数最大判断主份准直器1光路已与第四平面镜24法线平行，还需从光功率计23示数最大的位置开始，分别左右上下调整第四平面镜24的方位角和俯仰角各偏转3′进行验证，观察光功率计23示数。如偏转后光功率损耗值不对称，则根据结果继续调节第四平面镜24的方位角和俯仰角；当四个方向偏转后的光功率损耗值均相差不大于1dB时，可以认为此时的光功率计23示数最大值点为主份准直器1光路的对称中心点，即主份准直器1光路与第四平面镜24垂直，从而将主份准直器1指向角度基准转移到第四平面镜24上以通过经纬仪进行测量；
4. 调整经纬仪视场使其能同时瞄准基准棱镜2和第四平面镜24，打开经纬仪的自准直灯，将经纬仪的焦距调至无穷远，观察经基准棱镜2和第四平面镜24反射回的十字丝象，并根据两十字丝象的位置相应的研磨主份准直器1调整垫片，重复上述步骤最终使两个十字丝象重合，则主份准直器1光路与第四平面镜24垂直时的第四平面镜24法线与基准棱镜2的法线平行，误差优于±10″。
在本实施例中，所述准直器指向角度基准转移方法不受准直器径向位移误差的影响，且在装调备份准直器17光路指向角度时与装调主份准直器1光路指向角度时的区别仅在于45°反射镜19处于切入状态即备份光路工作。
在本实施例中，所述准直器径向位移基准转移方法程序框图如图8所示，包括以下步骤：
1. 如图9所示，将发射端（或接收端）固定架7放置到气浮台上，将45°反射镜19切出，使主份光路处于工作状态，在发射端（或接收端）前部，距主份准直器1长度为213mm处放置测试用的接收（发射）装调准直器25，装调准直器25与六维调整架固定，并在六维调整架上放置棱镜和千分表，通过经纬仪瞄准棱镜和观察千分表读数可精确测量装调准直器25的指向角度变化和径向位移变化，避免六维调整架的空回造成误差；
2. 将发射端（接收端）主份准直器1光纤连接到激光器22（或光功率计23）上，接收（发射）装调准直器25光纤连接到光功率计23（或激光器22）上，先用四周顶丝固定主份准直器1，通过六维调整架调节装调准直器25的光路指向和径向位移使光功率计23示数达到最大值，而后从光功率计23示数最大的位置开始，分别左右上下调整装调准直器25的方位角和俯仰角各偏转3′，以及左右上下调整装调准直器25的径向位移各偏移0.4mm进行验证，观察光功率计23示数。如偏转和偏移后相应光功率损耗值不对称，则根据结果继续调节装调准直器25的光路指向和径向位移；当四个方向角度偏转和四个方向位移偏转后相应的光功率损耗值均相差不大于1dB时，可以认为此时的光功率计23示数最大值点为准直器光路的对称中心点，即装调准直器25光路与主份准直器1光路重合，从而将主份准直器1径向位移基准转移到装调准直器25上，并以此位置为装调准直器25位置原点；
3. 保持发射端（或接收端）固定架7及装调准直器25不动，将45°反射镜19切入使备份光路工作，备份准直器17光纤连接到激光器22（光功率计23）上，通过调节备份准直器17四周顶丝使光功率计23示数达到最大值，而后从此位置开始，分别左右上下调整装调准直器25的径向位移各偏移0.4mm进行验证，观察光功率23计示数。如偏移后光功率损耗值不对称，则根据结果在将装调准直器25调回位置原点后继续调节备份准直器17四周顶丝；当四个方向位移偏移后的光功率损耗值均相差不大于1dB时，可以认为此时的光功率计23示数最大值点为准直器光路的对称中心点，则备份准直器17光路经45°反射镜19反射后与装调准直器25光路即主份准直器1光路重合，误差优于±0.05mm。
在本实施例中，所述对接装调前准备工作包括以下步骤：
1. 在旋转关节转子壳30上放置电子水平仪，并监测读数；
2. 控制旋转关节绕定子转动，每30°为一步，记录电子水平仪读数；
3. 根据电子水平仪读数调整旋转关节定子轴基座顶尖使旋转轴与大地垂直，精度优于±0.001°；
在本实施例中，所述发射端光路指向装调的方法包括以下步骤：
1. 如图10所示，安装空间光传输装置发射端到旋转关节转子壳30上，调整2台经纬仪的位置使其各自视场内能分别瞄准发射端基准棱镜2相邻的两个面，打开2台经纬仪的自准直灯并将2台经纬仪的焦距调至无穷远分别瞄准发射端基准棱镜2相邻的两个面；
2. 通过修研发射端第三光路调整垫片13使2台经纬仪瞄准基准棱镜2相应面后俯仰轴示数同时达到90±0.001°以内，保证了发射端光路与大地垂直，进而保证了发射端光路和旋转关节旋转轴平行。
在本实施例中，所述接收端光路指向装调的方法包括以下步骤：
1. 安装空间光传输单元接收端到旋转关节定子轴上，调整2台经纬仪的位置使其各自视场内能分别瞄准接收端基准棱镜2相邻的两个面，打开2台经纬仪的自准直灯并将2台经纬仪的焦距调至无穷远分别瞄准接收端基准棱镜2相邻的两个面；
2. 通过修研接收端光路调整垫片使2台经纬仪瞄准基准棱镜2相应面后俯仰轴示数同时达到90±0.001°以内，保证了接收端光路与大地垂直，进而保证了接收端光路和旋转关节旋转轴平行。
在本实施例中，所述发射端与接收端径向位移调节的方法包括以下步骤：
1. 发射端主份准直器1连接激光器22，接收端主份准直器1连接光功率计23，调整发射端和接收端45°反射镜19至切出状态，使发射端主份与接收端主份工作；
2. 匀速旋转旋转关节转子壳30，通过调节发射端径向顶丝和接收端径向顶丝，使旋转关节在旋转过程中光功率计23的示数达到误差要求范围内，并找到空间光损耗最小位置，拧紧安装螺钉；
3. 依次测量发射端主份准直器1对准接收端主份准直器1、发射端主份准直器1对准接收端备份准直器17、发射端备份准直器17对准接收端主份准直器1、发射端备份准直器17对准接收端备份准直器17这四种工作模式，记录各模式下的光功率损耗，若不满足要求则重复上述步骤重新调节发射端和接收端的径向位移，直至四种工作模式下的光功率损耗均满足设计要求，从而保证了发射端光路和接收端光路与旋转中心轴的重合。
本发明的用于激光通信的空间光传输装置及装调方法，通过激光器、环形器、平面镜、光功率计、经纬仪、六维调整架等的合理应用，实现对装调基准的拆分，将待测准直器光路的指向角度基准转移到平面镜上、径向位移基准转移到装调准直器上，避免了准直器指向角度误差和径向位移误差相互耦合对光功率计示数的影响，从而提高了准直器光路的装调精度。
本发明解决了传统激光通信传输信号时，光纤两端发生连续旋转运动时无法有效传输信号的问题，并提出了一种高精度装调方法，将待测准直器的指向角度基准和径向位移基准分别转移到平面镜和装调准直器上，避免了准直器指向角度误差和径向位移误差相互耦合对光功率计示数的影响，发明了具有结构紧凑、设备装调精度高、光学检测简单且抗振动能力强等特点的一种用于激光通信的空间光传输装置。
本发明中所述的装置不仅适用于激光通信***，也适用于其它需光学切换领域。
本发明中所述的装调方法不仅适用于空间光传输单元，也适用于其他需高精度测量准直器光路的领域。
在本申请所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，其特征在于，该用于激光通信的空间光传输装置包括：发射端和接收端；
所述发射端和/或所述接收端分别包括：主份准直器(1)、基准棱镜(2)、主份准直器固定架(6)、固定架(7)、备份准直器固定架(16)、备份准直器(17)；
其中，所述主份准直器(1)与主份准直器固定架(6)通过第三螺钉(4)固定在所述固定架(7)上；所述备份准直器(17)与备份准直器固定架(16)通过第一螺钉(15)固定在所述固定架(7)上；所述固定架(7)通过第二螺钉(11)固定在所述发射端和/或所述接收端的连接件(20)上；
所述主份准直器(1)通过调节第一光路调整垫片(5)和第一径向调节顶丝(3)调节准直器光路指向和位置；所述备份准直器(17)通过调节第二光路调整垫片(18)和第二径向调节顶丝(14)调节准直器光路指向和位置；固定架(7)通过调节第三光路调整垫片(13)和第三径向调节顶丝(12)调节发射端或接收端光路指向和位置；
主份和备份光路之间的切换，通过滚珠丝杠(8)、导轨滑块(9)、滑块连接件(10)的高精度配合，移动45°反射镜(19)的平移来实现；
该装调方法包括以下步骤：
步骤1：由待测的主份准直器(1)和/或备份准直器(17)、装调准直器(25)、激光器(22)、环形器(21)、基准棱镜(2)、第四平面镜(24)、光功率计(23)、经纬仪、六维调整架配合对装调基准进行拆分；
步骤2：将所述主份准直器(1)和/或所述备份准直器(17)光路的指向角度基准转移到第四平面镜(24)上；
步骤3：将所述主份准直器(1)和/或所述备份准直器(17)光路的径向位移基准转移到装调准直器(25)上，实现对准直器光路的装调。
2.根据权利要求1所述的用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，其特征在于，所述基准棱镜(2)装调的方法包括以下步骤：
将固定架(7)放置到气浮台上，用无尘布擦净机械基准面(26)，安装基准棱镜(2)并拧紧螺钉，将第一平面镜(27)紧贴机械基准面(26)，调整经纬仪视场使其视场内能同时瞄准基准棱镜(2)和第一平面镜(27)；
打开经纬仪的自准直灯，将经纬仪的焦距调至无穷远，观察经基准棱镜(2)和第一平面镜(27)反射回的十字丝象，并根据两十字丝象的位置相应的研磨基准棱镜(2)底座，重复此步骤最终使经基准棱镜(2)和第一平面镜(27)反射回的十字丝象重合，则基准棱镜(2)的相应面与第一平面镜(27)，误差优于±0.001°。
3.根据权利要求1所述的用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，其特征在于，所述45°反射镜(19)装调的方法包括以下步骤：
将固定架(7)放置到气浮台上，用无尘布擦净机械基准面(26)，在备份准直器(17)安装端面放置第二平面镜(28)，调整经纬仪视场使其能同时瞄准45°反射镜(19)和紧贴机械基准面(26)的第三平面镜(29)；
打开经纬仪的自准直灯，将经纬仪的焦距调至无穷远，观察经45°反射镜(19)、第二平面镜(28)和第三平面镜(29)反射回的十字丝象，并根据两十字丝象的位置相应的研磨反射镜垫片，重复此步骤最终使两个十字丝象重合，则第二平面镜(28)经45°反射镜(19)反射后与第三平面镜(29)的法线平行，误差优于±0.001°。
4.根据权利要求1所述的用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，其特征在于，准直器指向角度基准转移方法，包括以下步骤：
将固定架(7)放置到气浮台上，将45°反射镜(19)切出，使主份光路处于工作状态，将主份准直器(1)与环形器(21)及激光器(22)和光功率计(23)连接，打开激光器(22)和光功率计(23)，并在前端放置一个固定在二维调整台上的第四平面镜(24)，第四平面镜(24)通过二维调整台调节方位角和俯仰角；
主份准直器(1)发出的激光光路与经第四平面镜(24)反射后接收到的激光光路重合，此时光功率损耗最小，光功率计(23)示数达到最大值；
从光功率计(23)示数最大的位置开始，分别左右上下调整第四平面镜(24)的方位角和俯仰角各偏转3′进行验证，观察光功率计(23)示数：如偏转后光功率损耗值不对称，则根据结果继续调节第四平面镜(24)的方位角和俯仰角；当四个方向偏转后的光功率损耗值均相差不大于1dB时，认为此时的光功率计(23)示数最大值点为主份准直器(1)光路的对称中心点，从而将主份准直器(1)指向角度基准转移到第四平面镜(24)上以通过经纬仪进行测量；
调整经纬仪视场使其能同时瞄准基准棱镜(2)和第四平面镜(24)，打开经纬仪的自准直灯，将经纬仪的焦距调至无穷远，观察经基准棱镜(2)和第四平面镜(24)反射回的十字丝象，并根据两十字丝象的位置相应的研磨主份准直器(1)调整垫片，重复上述步骤最终使两个十字丝象重合，则主份准直器(1)光路与第四平面镜(24)垂直时的第四平面镜(24)法线与基准棱镜(2)的法线平行，误差优于±10″。
5.根据权利要求1所述的用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，其特征在于，所述准直器径向位移基准转移方法，包括以下步骤：
将固定架(7)放置到气浮台上，将45°反射镜(19)切出，使主份光路处于工作状态，在发射端和/或接收端前部，距主份准直器(1)一定距离处放置装调准直器(25)，装调准直器(25)与六维调整架固定，并在六维调整架上放置棱镜和千分表，通过经纬仪瞄准棱镜和观察千分表读数测量装调准直器(25)的指向角度变化和径向位移变化，避免六维调整架的空回造成误差；
将主份准直器(1)光纤连接到激光器(22)或光功率计(23)上，装调准直器(25)光纤连接到光功率计(23)或激光器(22)上，先用四周顶丝固定主份准直器(1)，通过六维调整架调节装调准直器(25)的光路指向和径向位移使光功率计(23)示数达到最大值，而后从光功率计(23)示数最大的位置开始，分别左右上下调整装调准直器(25)的方位角和俯仰角各偏转3′，以及左右上下调整装调准直器(25)的径向位移各偏移0.4mm进行验证，观察光功率计(23)示数：如偏转和偏移后相应光功率损耗值不对称，则根据结果继续调节装调准直器(25)的光路指向和径向位移；当四个方向角度偏转和四个方向位移偏转后相应的光功率损耗值均相差不大于1dB时，此时的光功率计(23)示数最大值点为准直器光路的对称中心点，装调准直器(25)光路与主份准直器(1)光路重合，将主份准直器(1)径向位移基准转移到装调准直器(25)上，并以此位置为装调准直器(25)位置原点；
保持固定架(7)及装调准直器(25)不动，将45°反射镜(19)切入使备份光路工作，备份准直器(17)光纤连接到激光器(22)或光功率计(23)上，通过调节备份准直器(17)四周顶丝使光功率计(23)示数达到最大值，而后从此位置开始，分别左右上下调整装调准直器(25)的径向位移各偏移0.4mm进行验证，观察光功率计(23)示数：如偏移后光功率损耗值不对称，则根据结果在将装调准直器(25)调回位置原点后继续调节备份准直器(17)四周顶丝；当四个方向位移偏移后的光功率损耗值均相差不大于1dB时，认为此时的光功率计(23)示数最大值点为准直器光路的对称中心点，备份准直器(17)光路经45°反射镜(19)反射后与装调准直器(25)光路和主份准直器(1)光路重合，误差优于±0.05mm。
6.根据权利要求1所述的用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，其特征在于，所述发射端光路指向装调的方法包括以下步骤：
安装空间光传输单元发射端到旋转关节转子壳(30)上，调整2台经纬仪的位置使其各自视场内能分别瞄准发射端基准棱镜(2)相邻的两个面，打开2台经纬仪的自准直灯并将2台经纬仪的焦距调至无穷远分别瞄准发射端基准棱镜(2)相邻的两个面；
通过修研发射端第三光路调整垫片(13)使2台经纬仪瞄准基准棱镜(2)相应面后俯仰轴示数同时达到90±0.001°以内。
7.根据权利要求1所述的用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，其特征在于，所述接收端光路指向装调的方法包括以下步骤：
安装空间光传输单元接收端到旋转关节定子轴上，调整2台经纬仪的位置使其各自视场内能分别瞄准接收端基准棱镜(2)相邻的两个面，打开2台经纬仪的自准直灯并将2台经纬仪的焦距调至无穷远分别瞄准接收端基准棱镜(2)相邻的两个面；
通过修研接收端光路调整垫片使2台经纬仪瞄准基准棱镜(2)相应面后俯仰轴示数同时达到90±0.001°以内。
8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，其特征在于，所述发射端与所述接收端径向位移调节的方法包括以下步骤：
发射端主份准直器(1)连接激光器(22)，接收端主份准直器(1)连接光功率计(23)，调整发射端和接收端45°反射镜(19)至切出状态，使发射端主份与接收端主份工作；
匀速旋转旋转关节转子壳(30)，通过调节发射端径向顶丝和接收端径向顶丝，使旋转关节在旋转过程中光功率计(23)的示数达到误差要求范围内，并找到空间光损耗最小位置，拧紧安装螺钉；
依次测量发射端主份准直器(1)对准接收端主份准直器(1)、发射端主份准直器(1)对准接收端备份准直器(17)、发射端备份准直器(17)对准接收端主份准直器(1)、发射端备份准直器(17)对准接收端备份准直器(17)这四种工作模式，记录各模式下的光功率损耗，若不满足要求则重复上述步骤重新调节发射端和接收端的径向位移，直至光功率损耗满足设计要求，发射端光路和接收端光路与旋转中心轴的重合。
9.根据权利要求1所述的用于激光通信的空间光传输装置的装调方法，其特征在于，该空间光传输装置设有机构控制单元，所述机构控制单元通过检测光栅尺反馈，精确判断所述45°反射镜(19)的位置，并通过对电机的控制实现所述45°反射镜(19)位置的高精度闭环控制，位置重复精度在±0.1mm以内。
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