機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于機(jī)載平臺的激光通信終端來說，飛機(jī)在大氣信道中高速飛行將引起氣動(dòng)光學(xué)附面層效應(yīng)。附面層效應(yīng)非常復(fù)雜，簡化分析可以看作為層流層效應(yīng)和湍流層效應(yīng)。主要的體現(xiàn)是:層流層效應(yīng)等效為一個(gè)負(fù)透鏡，引起激光通信光學(xué)系統(tǒng)離焦以及光束偏折；湍流層效應(yīng)引起光束波前畸變和到達(dá)角起伏。二者都會(huì)極大的降低空間激光通信終端的光學(xué)質(zhì)量，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，甚至無法工作，因此必須采取手段緩解該影響?，F(xiàn)有的專利和文獻(xiàn)，采取自適應(yīng)光學(xué)哈特曼傳感器和變形鏡的方法矯正大氣湍流效應(yīng)的較多，但是變形鏡的矯正范圍有限，難以單獨(dú)完成針對附面層全部效應(yīng)，特別是包含層流層效應(yīng)的矯正方法。因此現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中亟需要一種新型的技術(shù)方案來解決這一問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)的光學(xué)補(bǔ)償方法，可緩解氣動(dòng)光學(xué)附面層效應(yīng)引起的光束波前畸變，到達(dá)角起伏，光束偏折和附加焦距效應(yīng)，并提高空間激光通信終端在機(jī)載平臺的環(huán)境適應(yīng)性。
[0004]機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法，其特征是:包括離焦補(bǔ)償鏡、空間激光通信光學(xué)天線、光學(xué)振鏡、變形鏡、分光片、波前矯正控制器、波前探測器、光斑位置及大小探測器以及振鏡控制器，所述離焦補(bǔ)償鏡沿光軸設(shè)置在空間激光通信光學(xué)天線的前方；所述波前矯正控制器通過電路分別與變形鏡和波前探測器連接；所述振鏡控制器通過電路分別與光學(xué)振鏡和光斑位置及大小探測器連接；
[0005]光束經(jīng)過離焦補(bǔ)償鏡入射到空間激光通信光學(xué)天線進(jìn)行縮束，出射光束經(jīng)過光學(xué)振鏡反射入射到變形鏡，光束經(jīng)變形鏡反射到分光片，分光片將一路光束入射到波前探測器上，另一路光束入射到光斑位置及大小探測器上；
[0006]所述波前探測器探測到空間激光通信光學(xué)天線接收到的波前畸變信息，將波前畸變信息傳給波前矯正控制器；所述波前矯正控制器計(jì)算出補(bǔ)償量，并將補(bǔ)償量通過控制命令傳給變形鏡，變形鏡接收控制命令，進(jìn)行附面層波前畸變效應(yīng)的自適應(yīng)補(bǔ)償；
[0007]所述光斑位置及大小探測器探測到空間激光通信光學(xué)天線接收到的波前到達(dá)角的實(shí)時(shí)變化信息，并計(jì)算出補(bǔ)償量，將補(bǔ)償量通過控制命令傳給光學(xué)振鏡，光學(xué)振鏡接收控制命令，進(jìn)行附面層光束到達(dá)角起伏變化以及附面層光束偏折的自適應(yīng)補(bǔ)償；
[0008]所述光斑位置及大小探測器探測到光斑彌散數(shù)值，預(yù)先計(jì)算出需要補(bǔ)償負(fù)透鏡效應(yīng)的離焦量，根據(jù)離焦量設(shè)計(jì)離焦補(bǔ)償鏡，并將離焦補(bǔ)償鏡沿光軸放置在空間激光通信光學(xué)天線前端，完成附加焦距效應(yīng)的補(bǔ)償。
[0009]所述光學(xué)振鏡通過擺動(dòng)控制光束的角度方向。
[0010]所述變形鏡為反射式變形鏡或透射式變形鏡。
[0011 ] 所述分光片為能量分光片。
[0012]通過上述設(shè)計(jì)方案，本發(fā)明可以帶來如下有益效果:機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)的光學(xué)補(bǔ)償方法，可緩解氣動(dòng)光學(xué)附面層效應(yīng)引起的光束波前畸變，到達(dá)角起伏，光束偏折和附加焦距效應(yīng)，并提高空間激光通信終端在機(jī)載平臺的環(huán)境適應(yīng)性。采用光學(xué)振鏡與變形鏡組合使用，在光路中的先后位置可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況更改，不影響本發(fā)明方法的實(shí)施，增加了操作的靈活性；采用波前探測器、波前矯正控制器以及變形鏡配合使用，完成對附面層波前畸變效應(yīng)的自適應(yīng)補(bǔ)償；采用光斑位置及大小探測器與光學(xué)振鏡配合使用，完成對附面層光束到達(dá)角起伏變化以及層光束偏折的自適應(yīng)補(bǔ)償；采用離焦補(bǔ)償鏡可以補(bǔ)償變形鏡無法矯正的，附面層效應(yīng)引起的大尺度離焦效應(yīng)。
【附圖說明】
[0013]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明:
[0014]圖1為本發(fā)明機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法光路示意圖。
[0015]圖中1-離焦補(bǔ)償鏡、2-空間激光通信光學(xué)天線、3-光學(xué)振鏡、4-變形鏡、5-分光片、6-波前矯正控制器、7-波前探測器、8-光斑位置及大小探測器、9-振鏡控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0016]機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法，如圖1所示，光束透過離焦補(bǔ)償鏡I后，經(jīng)過空間激光通信光學(xué)天線2縮束，而后經(jīng)過光學(xué)振鏡3反射入射到變形鏡4上，再由變形鏡4反射到分光片5上，經(jīng)過分光，一路光束到波前探測器7上，一路光束到光斑位置及大小探測器8上；波前矯正控制器6通過電路分別與變形鏡4和波前探測器7相連，構(gòu)成閉環(huán)控制；振鏡控制器9通過電路分別與光學(xué)振鏡3和光斑位置及大小探測器8相連，構(gòu)成閉環(huán)控制。
[0017]所述的光學(xué)振鏡3和變形鏡4，在光路中的先后位置可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況更改，不影響本方法實(shí)施。
[0018]所述的光學(xué)振鏡3，為能夠高頻擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制光束角度方向的器件。
[0019]所述的變形鏡4，為能夠?qū)θ肷涞界R面上的波前進(jìn)行補(bǔ)償和校正的器件，可是反射型的MEMS器件，也可以是透射型的液晶器件，均不影響本方法的實(shí)施。
[0020]所述的分光片5，為能量分光，能量分配比例根據(jù)波前探測器7和光斑位置及大小探測器8的探測靈敏度決定，而且還可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況決定波前探測器7和光斑位置及大小探測器8分別在反射光路還是透射光路，不影響本方法實(shí)施。
[0021]本發(fā)明方法的工作原理為:
[0022]如圖1所示，附面層的湍流層效應(yīng)引起光束波前畸變，由波前探測器7探測到空間激光通信光學(xué)天線2接收到的波前畸變信息，并將該信息傳給波前矯正控制器6，由波前矯正控制器6計(jì)算出補(bǔ)償量，并將補(bǔ)償控制命令傳給變形鏡4，并驅(qū)動(dòng)變形鏡4工作進(jìn)行補(bǔ)償，構(gòu)成閉環(huán)控制，從而完成對附面層波前畸變效應(yīng)的自適應(yīng)補(bǔ)償。
[0023]附面層的湍流層效應(yīng)還引起光束到達(dá)角的隨機(jī)變化，同時(shí)層流層效應(yīng)還將引起光束偏折，由光斑位置及大小探測器8探測到空間激光通信光學(xué)天線2接收到的光束到達(dá)角實(shí)時(shí)變化的大小，并將該信息傳給光斑位置及大小探測器8，由光斑位置及大小探測器8計(jì)算出補(bǔ)償量，并將補(bǔ)償控制命令傳給光學(xué)振鏡3，并驅(qū)動(dòng)光學(xué)振鏡3工作進(jìn)行補(bǔ)償，構(gòu)成閉環(huán)控制，從而完成對附面層光束到達(dá)角起伏變化以及層光束偏折的自適應(yīng)補(bǔ)償。
[0024]附面層的層流層效應(yīng)引起附加焦距影響，等效于一個(gè)焦距很長的負(fù)透鏡，會(huì)引起光學(xué)系統(tǒng)離焦，由光斑位置及大小探測器8探測到由離焦引起的光斑彌散大小，由此可以根據(jù)具體光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，計(jì)算出需要補(bǔ)償負(fù)透鏡效應(yīng)的焦距長度f"，以此作為光束透過離焦補(bǔ)償鏡I的焦距，并將光束透過離焦補(bǔ)償鏡I放置在空間激光通信光學(xué)天線2前段，從而完成附加焦距效應(yīng)的補(bǔ)償。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法，其特征是:包括離焦補(bǔ)償鏡(I)、空間激光通信光學(xué)天線(2)、光學(xué)振鏡(3)、變形鏡(4)、分光片(5)、波前矯正控制器(6)、波前探測器(7)、光斑位置及大小探測器(8)以及振鏡控制器(9)，所述離焦補(bǔ)償鏡(I)沿光軸設(shè)置在空間激光通信光學(xué)天線(2)的前方；所述波前矯正控制器(6)通過電路分別與變形鏡(4)和波前探測器(7)連接；所述振鏡控制器(9)通過電路分別與光學(xué)振鏡(3)和光斑位置及大小探測器(8)連接; 光束經(jīng)過離焦補(bǔ)償鏡(I)入射到空間激光通信光學(xué)天線(2)進(jìn)行縮束，出射光束經(jīng)過光學(xué)振鏡(3)反射入射到變形鏡(4)，光束經(jīng)變形鏡(4)反射到分光片(5)，分光片(5)將一路光束入射到波前探測器(7)上，另一路光束入射到光斑位置及大小探測器(8)上； 所述波前探測器(7)探測到空間激光通信光學(xué)天線(2)接收到的波前畸變信息，將波前畸變信息傳給波前矯正控制器(6);所述波前矯正控制器(6)計(jì)算出補(bǔ)償量，并將補(bǔ)償量通過控制命令傳給變形鏡(4)，變形鏡(4)接收控制命令，進(jìn)行附面層波前畸變效應(yīng)的自適應(yīng)補(bǔ)償； 所述光斑位置及大小探測器(8)探測到空間激光通信光學(xué)天線(2)接收到的波前到達(dá)角的實(shí)時(shí)變化信息，并計(jì)算出補(bǔ)償量，將補(bǔ)償量通過控制命令傳給光學(xué)振鏡(3)，光學(xué)振鏡(3)接收控制命令，進(jìn)行附面層光束到達(dá)角起伏變化以及附面層光束偏折的自適應(yīng)補(bǔ)償； 所述光斑位置及大小探測器(8)探測到光斑彌散數(shù)值，預(yù)先計(jì)算出需要補(bǔ)償負(fù)透鏡效應(yīng)的離焦量，根據(jù)離焦量設(shè)計(jì)離焦補(bǔ)償鏡(I)，并將離焦補(bǔ)償鏡(I)沿光軸放置在空間激光通信光學(xué)天線(2)前端，完成附加焦距效應(yīng)的補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法，其特征是:所述光學(xué)振鏡(3)通過擺動(dòng)控制光束的角度方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法，其特征是:所述變形鏡(4)為反射式變形鏡或透射式變形鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償方法，其特征是:所述分光片(5)為能量分光片。
【專利摘要】機(jī)載激光通信附面層效應(yīng)的光學(xué)補(bǔ)償方法，屬于空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域，包括離焦補(bǔ)償鏡、空間激光通信光學(xué)天線、光學(xué)振鏡、變形鏡、分光片、波前矯正控制器、波前探測器、光斑位置及大小探測器以及振鏡控制器，所述離焦補(bǔ)償鏡設(shè)置在空間激光通信光學(xué)天線的前方，且與水平面垂直設(shè)置；所述波前矯正控制器通過電路分別與變形鏡和波前探測器連接；所述振鏡控制器通過電路分別與光學(xué)振鏡和光斑位置及大小探測器連接。本發(fā)明可緩解氣動(dòng)光學(xué)附面層效應(yīng)引起的光束波前畸變，到達(dá)角起伏，光束偏折和附加焦距效應(yīng)，并提高空間激光通信終端在機(jī)載平臺的環(huán)境適應(yīng)性。
【IPC分類】G02B26-06
【公開號】CN104730708
【申請?zhí)枴緾N201510166904
【發(fā)明人】胡源, 高天元, 姜會(huì)林, 佟首峰, 張立中
【申請人】長春理工大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年4月10日