阅读说明：本技术 一种激光脉冲位置编码控制方法、控制系统、光通信设备 (Laser pulse position coding control method, control system and optical communication equipment ) 是由 张子昂 韩兴伟 付靖祺 马磊 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于空间激光脉冲远距离时间传递技术领域,公开了一种激光脉冲位置编码控制方法、控制系统、光通信设备,通过对激光器输出激光脉冲偏振态进行选择控制,将选择的激光脉冲输入延迟光路,实现激光脉冲位置编码加载特定光脉冲时刻编码信息。本发明将时刻信息进行编码,通过该发明激光脉冲调制编码控制技术和装置,将时刻编码信息加载到激光脉冲序列,再通过激光发射系统将该序列发送至接收端,实现时码信息的远距离传递,实现远距离空间系统时差测量和比对。本发明控制精度达到皮秒量级。通过控制激光脉冲在延迟光路中的多次往返,提高脉冲编码阶数,缩短延迟光路长度。本发明涉及的外部控制光路,不影响激光器的工作稳定。(The invention belongs to the technical field of long-distance time transmission of space laser pulses, and discloses a laser pulse position coding control method, a control system and optical communication equipment. The invention codes the time information, loads the time coding information into a laser pulse sequence through the laser pulse modulation coding control technology and the device, and then sends the sequence to a receiving end through a laser emission system, thereby realizing the remote transmission of time code information and realizing the time difference measurement and comparison of a remote space system. The control precision of the invention reaches picosecond magnitude. By controlling the multiple round trip of the laser pulse in the delay optical path, the pulse coding order is improved, and the length of the delay optical path is shortened. The external control light path does not influence the working stability of the laser.)

一种激光脉冲位置编码控制方法、控制系统、光通信设备

技术领域

本发明属于空间激光脉冲远距离时间传递技术领域，尤其涉及一种激光脉冲位置编码控制方法、控制系统、光通信设备。

背景技术

激光脉冲位置编码(英语：Pulse-position modulation，PPM)技术，是通过控制激光脉冲的间隔，即激光脉冲序列中单个或多个激光脉冲时序位置，从而实现对脉冲序列进行信息编码加载的技术。激光脉冲位置调制技术广泛应用于激光通信领域，包括光纤激光通信和空间激光通信，以追求通信速率为目标。通常采用激光器直接调制的方法产生调制脉冲序列。

假如现在有n个比特的信号，PPM技术可以将这n个比特的加载于一个脉冲之上，通过脉冲的相对位置可以读取数据信息，此脉冲位置有2ⁿ种不同的可能(将原资料做时间偏移所得)，此种调制每隔一段时间T会重复一次，因此会使得传输速率变为＂n/T＂(比特/秒)。因为光通信系统中较少甚至没有多路径干扰的问题，所以脉冲位置调制主要在光通信系统中被广泛使用。

而在空间激光脉冲远距离时间传递技术领域，要求激光脉冲尽可能窄，从而达到提高激光脉冲时刻测量精度，同时要求激光单脉冲能量尽可能大，提高激光传输距离。该技术领域对激光器要求很高，让激光器保持稳定的出光频率，减小激光脉冲抖动，有利于提高激光器的稳定性和可靠性，有利于提高时间传递精度。特别是针对大功率的窄脉冲激光器，不允许出光频率大范围波动，否则造成损坏，对脉冲时序要求严格，限制了对激光器直接调制来产生脉冲序列。这就给遥远距离特别是上亿公里的太阳系深空范围时间传递带来了技术障碍。

目前空间激光脉冲远距离时间传递技术所使用的脉冲激光器输出激光脉冲频率通常固定不变，激光脉冲之间有固定的脉冲间隔。不能实现时码信息的加载传输，必须通过微波等其他技术方法来交换测量数据。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术中，不能通过同一激光链路实现精密时间传递和时码信息传递。

(2)现有技术中，时码信息的远距离传递性能差；而且脉冲位置时刻不能严格控制，控制精度低。现有技术，通过对激光器进行直接调制，满足通讯需求即可，对激光脉冲时序精度要求不高，缺乏有效的控制方法。

(3)现有技术对激光器的工作稳定以产生影响，易造成激光脉冲抖动对于激光时码和测量精度造成影响。

解决以上问题及缺陷的难度为：难度在于激光脉冲传输速度快，对于同步激光信号检测和控制速度提出了很高的要求。脉冲位置编码精度和高精度控制比较困难。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明方法，主要解决在激光器外部对激光脉冲序列进行PPM调制和控制的问题。根据需要，本发明方法和控制系统既可以产生一阶脉冲位置编码，又可以产生多阶编码。脉冲位置延迟精度由延迟光路长度决定，高阶编码延迟间隔为延迟光路长度的整数倍，便于精确测量和分辨。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光脉冲位置编码控制方法、控制系统、光通信设备。

本发明是这样实现的，一种激光脉冲位置编码控制方法，所述激光脉冲位置编码控制方法包括：

通过对激光器输出激光脉冲偏振态进行选择，将进选择的激光脉冲输入延迟光路，实现激光脉冲位置编码加载特定时刻信息。

进一步，所述特定时刻信息为脉冲序列首个激光脉冲的时刻信息或者其他用户信息。

进一步，所述激光脉冲位置编码控制方法进一步包括：

第一步，激光脉冲经过第一偏振器，进入脉冲调制编码控制光路，经过法拉第隔离器、二分之一波片，偏振方向被旋转90°，被第二偏振器反射；

第二步，四分之一波片、普克尔盒组成的光开关控制激光脉冲偏振态，再次旋转90°，激光脉冲经过第一全反射镜反射，同时光探测器对漏射出激光脉冲进行探测和监视；

第三步，激光脉冲偏振态被旋转的激光脉冲进入由第二全反射镜、全反射镜及一维平移台组成的光学延迟光路；激光脉冲被锁定在延迟光路，经过1到n次往返，每经过一次往返，产生一次路径延迟，具体延迟时间由延迟光路长度决定；当激光脉冲达到预定延迟时间以后，控制四分之一波片、普克尔盒；组成的光开关，再次改变激光脉冲的偏振态，使所述偏振态旋转90°；

第四步，经第三步所述偏振态旋转90°后，激光脉冲被第二偏振器反射，反向通过二分之一波片和法拉第隔离器，激光脉冲偏振态不发生改变，激光脉冲被第一偏振器反射，进入到后续激光传输光路。

进一步，所述第一步中，所述法拉第旋光器与二分之一波片组合使用，实现对入射激光脉冲偏振态产生90°旋转。

进一步，所述第三步中，光学延迟时间由往返次数和延迟光路长度共同决定；所述延迟光路通过增加激光脉冲传输光程实现。

进一步，所述第三步中，所述激光脉冲位置编码为一阶和多阶位置编码，所述多阶位置编码由激光脉冲在延迟光路中的往返次数决定；光开关频率为10Hz-300KHz。

进一步，所述第一步～第四步中，所述激光脉冲为纳秒激光脉冲、皮秒激光脉冲或者飞秒激光脉冲，宽度为10ns-100fs；所述激光脉冲波长为532nm，1064nm或者1550纳米；激光脉冲频率为10Hz-300KHz。

本发明的另一目的在于提供一种实施激光脉冲位置编码控制系统包括：第一偏振器；

激光器发出的激光脉冲经过所述第一偏振器，进入脉冲调制编码控制光路，经过法拉第隔离器、二分之一波片，偏振方向被旋转90°，被第二偏振器反射；

四分之一波片、普克尔盒组成的光开关控制激光脉冲偏振态，再次旋转90°，激光脉冲经过第一全反射镜反射，同时光探测器对漏射出激光脉冲进行探测和监视；

在不调制编码状态下，光开关不改变激光脉冲的偏振态，激光脉冲经过第一全反射镜反射后，反向经过法拉第隔离器、二分之一波片，偏振方向不发生旋转，出射的激光脉冲由于偏振方向与第一偏振器的透过方向垂直而被反射，通过第三全反射镜进入到下一级输出光路；

对于需要进行调制的激光脉冲，光开关控制激光脉冲，使偏振态旋转90°，激光脉冲经过第一全反射镜反射后，进入到由第二全反射镜、全反射镜及一维平移台组成的光学延迟光路，产生延迟编码，延迟时间由光路的光程差决定；

经过延迟编码的激光脉冲，偏振态通过第一偏振器，由第三全反射镜反射进入下一级输出光路。

进一步，所述第一偏振器、第二偏振器均格兰棱镜、布鲁斯特角偏振器或者薄膜偏振器。

进一步，所述光开光为单晶普克尔盒、双晶普克尔盒；所述光探测器为硅光电探测器、光电倍增管、InGaAs探测器

本发明的另一目的在于提供一种实施所述激光脉冲位置编码控制方法光通信设备，用于遥远距离空间激光脉冲远距离时间传递。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明涉及激光脉冲时刻测量，将该脉冲时刻信息通过调制编码加载于激光束，产生包含时码信息的激光脉冲序列。本发明用于自由空间地面与空间飞行器或者空间飞行器之间实现精密时间同步和高精度授时。

本发明装置可用于空间激光精密时间传递系统，控制系统将时刻信息进行编码，通过该发明激光脉冲调制编码控制技术和装置，将时码编码信息加载到激光脉冲序列，在通过激光发射系统将该序列发送至接收端，实现时码信息的远距离传递。

而且本发明脉冲位置时刻可以严格控制，控制精度可以达到皮秒量级。

通过多次激光脉冲往返控制，可以进一步提高脉冲编码阶数，缩短延迟光路长度。

本发明涉及的外部控制光路，不影响激光器的工作稳定，有利于缩小激光脉冲抖动对于激光时码和测量精度影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的激光脉冲位置编码控制方法流程图。

图2是本发明实施例1提供的激光脉冲位置编码控制系统示意图。

图3是本发明实施例2提供的激光脉冲位置编码控制系统示意图。

图中：1、第一偏振器；2、法拉第隔离器；3、二分之一波片；4、第二偏振器；5、四分之一波片；6、普克尔盒；7、第一全反射镜；8、光探测器；9、第二全反射镜；10、全反射镜及一维平移台；11、第三全反射镜；12、激光器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中，时码信息的远距离传递性能差；而且脉冲位置时刻不能严格控制，控制精度低。

现有技术不能通过多次激光脉冲往返控制，不能提高脉冲编码阶数，造成不能延迟光路长度。

现有技术对激光器的工作稳定以产生影响，易造成激光脉冲抖动对于激光时码和测量精度造成影响。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光脉冲位置编码控制方法、控制系统、光通信设备，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供一种激光脉冲位置编码控制方法，包括：

通过对激光器输出激光脉冲偏振态进行选择，将进选择的激光脉冲输入延迟光路，实现激光脉冲位置编码加载特定时刻信息。

所述特定时刻信息为脉冲序列首个激光脉冲的时刻信息或者其他用户信息。

如图1所示，在本发明中，激光脉冲位置编码控制方法进一步包括：

S101，激光脉冲经过第一偏振器，进入脉冲调制编码控制光路，经过法拉第隔离器、二分之一波片，偏振方向被旋转90°，被第二偏振器反射。

S102，四分之一波片、普克尔盒组成的光开关控制激光脉冲偏振态，再次旋转90°，激光脉冲经过第一全反射镜反射，同时光探测器对漏射出激光脉冲进行探测和监视。

S103，激光脉冲偏振态被旋转的激光脉冲进入由第二全反射镜、全反射镜及一维平移台组成的光学延迟光路；激光脉冲被锁定在延迟光路，经过1到n次往返；当激光脉冲达到预定延迟时间以后，控制四分之一波片、普克尔盒；组成的光开关，再次改变激光脉冲的偏振态，使所述偏振态旋转90°。

S104，经步骤S103所述偏振态旋转90°后，激光脉冲被第二偏振器反射，反向通过二分之一波片和法拉第隔离器，激光脉冲偏振态不发生改变，激光脉冲被第一偏振器反射，进入到后续激光传输光路。

在本发明中，本发明提供一种激光脉冲位置编码控制系统中，激光脉冲为纳秒激光脉冲、皮秒激光脉冲或者飞秒激光脉冲，宽度为10ns-100fs；所述激光脉冲波长为532nm，1064nm或者1550纳米；激光脉冲频率为10Hz-300KHz。

所述偏振器为格兰棱镜、布鲁斯特角偏振器或者薄膜偏振器。

所述延迟光路通过增加激光脉冲传输光程实现，激光脉冲可以在延迟光路多次往返。

所述法拉第旋光器与二分之一波片组合使用，实现对入射激光脉冲偏振态产生90°旋转。

所述光开光为单晶普克尔盒、双晶普克尔盒。所述光探测器为硅光电探测器、光电倍增管、InGaAs探测器；所述激光脉冲位置编码可以是一阶和多阶位置编码，所述多阶位置编码由激光脉冲在延迟光路中的往返次数决定。

所述特定时刻信息为脉冲序列首个激光脉冲的时刻信息或者其他用户信息。光开关频率为10Hz-300KHz。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

如图2所示，本发明提供的激光脉冲位置编码控制系统中，激光器发出的激光脉冲经过第一偏振器1，进入脉冲调制编码控制光路，经过法拉第隔离器2、二分之一波片3，偏振方向被旋转90°，因而被第二偏振器4反射。此时，四分之一波片5、普克尔盒6组成的光开关控制激光脉冲偏振态，再次旋转90°，激光脉冲经过第一全反射镜7反射，同时光探测器8对漏射出激光脉冲进行探测和监视。在不调制编码状态下，光开关不改变激光脉冲的偏振态，激光脉冲经过第一全反射镜7反射后，反向经过法拉第隔离器2、二分之一波片3，偏振方向也不会发生旋转，出射的激光脉冲由于偏振方向与第一偏振器1的透过方向垂直而被反射，通过第三全反射镜11进入到下一级输出光路。对于需要进行调制的激光脉冲，光开关控制激光脉冲，使之偏振态旋转90°，此时激光脉冲经过第一全反射镜7反射以后，会进入到由第二全反射镜9、全反射镜及一维平移台10组成的光学延迟光路，产生延迟编码，延迟时间由光路的光程差决定。进入下一级输出光路。

该方案简化了控制，但是编码级数少，信息加载量少。

在本发明的激光脉冲位置编码控制方法中，首先激光脉冲经过第一偏振器1，进入脉冲调制编码控制光路，经过法拉第隔离器2和二分之一波片3，偏振方向被旋转90°，因而被第二偏振器4偏振器反射。此时，四分之一波片5和普克尔盒6组成的光开关控制激光脉冲偏振态，再次旋转90°，激光脉冲经过第一全反射镜7反射，同时光探测器8对漏射出激光脉冲进行探测和监视。之后由于激光脉冲偏振态已被旋转，脉冲符合偏振器透射条件，激光脉冲可以进入由第二全反射镜9、全反射镜及一维平移台10组成的光学延迟光路。此时激光脉冲会被锁定在延迟光路，经过1到n次往返，光学延迟时间由往返次数和延迟光路长度共同决定。当激光脉冲达到预定延迟时间以后，可以控制四分之一波片5、普克尔盒6组成的光开关，再次改变激光脉冲的偏振态，使之旋转90°，此时激光脉冲会被第二偏振器4偏振器反射，反向通过二分之一波片3、法拉第隔离器2，激光脉冲偏振态不会发生改变，激光脉冲被第一偏振器1反射，从而进入到后续激光传输光路。

实施例2

如图3所示，本发明提供额激光脉冲位置编码控制系统中，激光器12发出的激光脉冲经过第一偏振器1，进入脉冲调制编码控制光路，经过法拉第隔离器2、二分之一波片3，偏振方向被旋转90°，因而被第二偏振器4反射。此时，四分之一波片5、普克尔盒6组成的光开关控制激光脉冲偏振态，再次旋转90°，激光脉冲经过第一全反射镜7反射，同时光探测器8对漏射出激光脉冲进行探测和监视。在不调制编码状态下，光开关不改变激光脉冲的偏振态，激光脉冲经过第一全反射镜7反射后，反向经过法拉第隔离器2、二分之一波片3，偏振方向也不会发生旋转，出射的激光脉冲由于偏振方向与第一偏振器1的透过方向垂直而被反射，通过第三全反射镜11进入到下一级输出光路。对于需要进行调制的激光脉冲，光开关控制激光脉冲，使之偏振态旋转90°，此时激光脉冲经过第一全反射镜7反射以后，会进入到由第二全反射镜9、全反射镜及一维平移台10组成的光学延迟光路，产生延迟编码，延迟时间由光路的光程差决定。经过延迟编码的激光脉冲，其偏振态可以通过第一偏振器1，由第三全反射镜11反射进入下一级输出光路。该方案简化了控制，但是编码级数少，信息加载量少。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。