一种基于空分复用的激光接入方法及装置
阅读说明：本技术 一种基于空分复用的激光接入方法及装置 (Laser access method and device based on space division multiplexing ) 是由 常颖 徐欢天 魏龙超 李番 张辉 刘玉龙 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于空分复用的激光接入方法及装置,采用接收镜头、设置在接收镜头焦平面处的光纤阵列和光交叉连接器组成的激光接入装置,根据通信卫星的运动轨迹调整设备方向,使预定测试时段内通信卫星发射相对运动轨迹在焦平面上产生映射轨迹,然后通信卫星信号经接收镜后传输至光纤阵列,光纤阵列的空分光纤输出端口产生空分光纤输出信号,最后,空分光纤输出信号经光交叉连接设备后输出至控制中心,动态地将光信号交换至固定的空分光纤输出端口；本发明能够对不同方向和位置的终端信号进行空分,实时将用户卫星发射的信号光束转换导入固定端口输出,供后续的全光交换设备使用,满足大视场、多用户接入的光学系统的设计要求。(The invention discloses a laser access method and a device based on space division multiplexing, which adopts a laser access device consisting of a receiving lens, an optical fiber array arranged at a focal plane of the receiving lens and an optical cross connector, adjusts the direction of the device according to the motion trail of a communication satellite, so that the relative motion trail emitted by the communication satellite in a preset test period generates a mapping trail on the focal plane, then the signal of the communication satellite is transmitted to the optical fiber array through a receiving mirror, the space division optical fiber output port of the optical fiber array generates a space division optical fiber output signal, finally, the space division optical fiber output signal is output to a control center through the optical cross connector, and the optical signal is dynamically switched to the fixed space division optical fiber output port; the invention can perform space division on terminal signals in different directions and positions, and convert and guide signal beams emitted by user satellites into fixed ports for output in real time, so that the signal beams are used by subsequent all-optical switching equipment, and the design requirements of an optical system with a large field of view and multi-user access are met.)
技术领域
本发明涉及空间光通信及激光网络接入设备技术领域，尤其涉及一种基于空分复用的激光接入方法及装置。
背景技术
目前，卫星光通信网络大多是点对点的激光通信，如欧空局的SILEX，TERRA-SAR，美国的LLCD、日本的LUCE、LCE系统均为点对点的激光通信，国内进行的激光通信试验也均为点对点的试验。但是，由于点对点的激光通信中激光接入装置只能进行一对一的数据传输，而不能进行多对一实时传输，导致其存在通信效率不高，局限性大等缺陷，无法满足目前日益提高的使用需求标准。因此，如何研究一套能够实现多个卫星同时对一个卫星进行激光通信，在传输体制上、传输性能上均有所提高的激光接入装置，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于空分复用的激光接入方法及装置，能够对不同方向和位置的终端信号进行空分，实时将用户卫星发射的信号光束转换导入固定端口输出，供后续的全光交换设备使用，既满足大视场、多用户接入的光学系统的设计要求，又满足减少跟瞄系统的要求。
本发明采用的技术方案为：
一种基于空分复用的激光接入方法，包括以下步骤：
A、设备安装和调试：依次安装接收镜头、光纤阵列和光交叉连接设备；
所述光纤阵列的安装步骤具体为：先确定接收镜头的焦平面位置，然后将光纤阵列设于焦平面位置处；
B、根据通信卫星的运动轨迹调整设备方向，使预定测试时段内通信卫星发射相对运动轨迹在焦平面上产生映射轨迹；调整设备方向具体过程如下：
b1：采用激光终端模拟通信卫星运动轨迹匀速转动；
b2：激光终端发射入射光源至接收镜头，接收镜头将入射光源聚焦后传输至光纤阵列，光纤阵列对应位置输出端口产生输出光源；
b3：输出光源通过光交叉连接器传输至激光功率计，获取入射光源功率信息；
b4：重复步骤b2至b3，根据入射光源功率信息及激光终端运动轨迹，获取设备与激光终端之间的位置映射关系；
b5：根据通信卫星在不同时段的运动轨迹，获取设备在不同时段与通信卫星之间的位置映射关系；
b6：根据设备与通信卫星的位置映射关系，调整预定测试时段内设备的方向；
C、接收镜头接收通信卫星信号发射；
D、通信卫星信号经接收镜头聚焦后传输至焦平面处的光纤阵列，光纤阵列对应位置空分光纤输出端口产生空分光纤输出信号；
E、空分光纤输出信号经光交叉连接设备后输出至控制中心；
F、重复步骤C～E，动态地将光信号交换至固定的空分光纤输出端口，实现通信卫星的跟瞄和信息的传输交换。
进一步地，所述光纤阵列的安装还包括光纤阵列的调整，具体为：调节光纤阵列的端面离焦，直至光纤阵列产生弥散斑。
一种基于空分复用的激光接入装置，包括依次设置的
接收镜头，用于接收通信卫星信号；
光纤阵列，设置在接收镜头的焦平面处，用于聚焦接收镜头接收的动态光信号；
光交叉连接器，用于将输入光纤阵列的动态光信号交换至固定的空分光纤输出端口，并将空分光纤输出端口输出的信号传输至外部控制中心，完成信息的传输和交换。
进一步地，所述光纤阵列焦面的光纤束采用正六边形排列方式进行拼接。
进一步地，所述光纤阵列的光纤束与光交叉连接器输入端口一一对应。
进一步地，所述光交叉连接设备包括MEMS光开关阵列。
进一步地，光纤束采用大芯径传能光纤。
进一步地，所述接收镜头采用透射式镜头。
本发明具有以下有益效果：
（1）通过确定接收设备与通信卫星之间的位置映射关系，在特定时间段内对设备进行特定角度的设置，实时将用户卫星发射的信号光束扫描过的光纤通过光交叉连接（OXC）设备导入固定端口输出，供后续的全光交换设备使用，无需跟瞄设备配合使用，即可实现不同位置、不同运动轨迹的中低轨卫星或地面用户在指定的不同时间片段内对高轨骨干星进行跟瞄，完成信息的高速传输和交换，实现多点对一点的激光通信网络，技术风险低，设备重量轻，技术复杂度低，满足大视场、多用户接入的光学系统的设计要求；
（2）通过调整调节光纤阵列的端面离焦，直至光纤阵列产生弥散斑，有效降低包层厚度导致的盲点，提高信号传输精度；
（3）通过依次设置的接收镜头、设置在接收镜头焦平面处的光纤阵列和光交叉连接器，构成了结构简单、使用方便的激光接入装置，能够动态地将光信号交换至固定的空分光纤输出端口，实现多点对一点的激光通信网络，无需跟瞄系统的配合即可实现通信卫星的跟瞄和信息的传输交换；
（4）通过将光纤阵列焦面的光纤束采用正六边形排列方式进行排列的拼接方式，有效提高光纤阵列焦面能量利用率；
（5）通过采用透射式镜头，进一步满足了大视场信号接收的使用需求。
附图说明
图1为本发明中接入方法的流程图；
图2为本发明中接入装置的结构示意图；
图3为图2中光纤阵列的拼接图。
附图标记说明：
1、接收镜头；2、光纤阵列；3、光交叉连接设备。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括一种基于空分复用的激光接入方法及装置。
接入方法包括：
一种基于空分复用的激光接入方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、设备安装和调试；依次安装接收镜头1、光纤阵列2和光交叉连接设备3；
B、根据通信卫星的运动轨迹调整设备方向，使预定测试时段内通信卫星发射相对运动轨迹在焦平面上产生映射轨迹；
C、接收镜头1接收通信卫星信号发射；
D、通信卫星信号经接收镜头1聚焦后传输至焦平面处的光纤阵列2，光纤阵列2对应位置空分光纤输出端口产生空分光纤输出信号；
E、空分光纤输出信号经光交叉连接设备3后输出至控制中心；
F、重复步骤C～E，动态地将光信号交换至固定的空分光纤输出端口，实现通信卫星的跟瞄和信息的传输交换。
接入装置包括
接收镜头1，用于接收通信卫星信号；
光纤阵列2，设置在接收镜头1的焦平面处，用于聚焦接收镜头1接收的动态光信号；
光交叉连接器，用于将输入光纤阵列2的动态光信号交换至固定的空分光纤输出端口，并将空分光纤输出端口输出的信号传输至外部控制中心，完成信息的传输和交换。
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
根据光学原理，平行于光轴的光束会汇聚到光学系统的焦点上，从不同方向入射到光学系统的离轴光束会汇聚到焦平面上焦点周围的不同位置上，基于此，本发明提出了空分光纤阵列2技术，即在焦平面上采用光纤阵列2技术进行焦平面的拼接，使其填充满整个焦平面。
根据低轨卫星的运动原理，不同时间来自同一个卫星的光信号在焦平面的光纤阵列2上有规律的切换，为保证对光信号的实时空分并稳定输出，必须对阵列中不同光纤的同一束光信号进行跟踪。利用基于MEMS微镜光开关阵列的光交叉连接设备3，实现对不同光纤输入的归集单路输出，最终完成对运动卫星光信号的实时空分接入。
具体方案如下：
如图1所示，本发明公开了一种基于空分复用的激光接入方法，包括以下步骤：
A、设备安装和调试。
依次安装接收镜头1、光纤阵列2和光交叉连接设备3，其中，先安装接收镜头1，使之一侧朝向卫星发射方向，在接收镜头1另一侧确定接收镜头1焦平面位置，然后将光纤阵列2设于焦平面位置处；光纤阵列2的光纤束和光交叉设备的输入端口一一对应。
为了解决包层厚度导致的盲点，在光纤阵列2内光纤束拼接时需要对阵列进行位置调整具体为：调节光纤阵列2的端面离焦，直至光纤阵列2产生弥散斑。
B、根据通信卫星的运动轨迹调整设备方向，使预定测试时段内通信卫星发射相对运动轨迹在焦平面上产生映射轨迹；调整设备方向具体过程如下：
b1：采用激光终端模拟通信卫星运动轨迹匀速转动。
b2：激光终端发射入射光源至接收镜头1，接收镜头1将入射光源聚焦后传输至光纤阵列2，光纤阵列2对应位置输出端口产生输出光源。
为了便于观测，采用He-Ne激光作为入射光源，斜入射到接受镜头上，近焦平面处放置光纤阵列2，通过俯仰、方位调节He-Ne激光器的位置，使其以不同入射角入射至接收镜头1；发现在光纤阵列2的输出端，对应位置的光纤端口有光输出。
同时，随着入射光源的匀速运动，会在光纤阵列2的输出端口上形成一条连续的运动轨迹。
b3：输出光源通过光交叉连接器传输至激光功率计，获取入射光源功率信息；
b4：重复步骤b2至b3，根据入射光源功率信息及激光终端运动轨迹，获取设备与激光终端之间的位置映射关系；
b5：根据通信卫星在不同时段的运动轨迹，获取设备在不同时段与通信卫星之间的位置映射关系；
b6：根据设备与通信卫星的位置映射关系，调整预定测试时段内设备的方向；
C、接收镜头1接收通信卫星信号发射；
D、通信卫星信号经接收镜头1聚焦后传输至焦平面处的光纤阵列2，光纤阵列2对应位置空分光纤输出端口产生空分光纤输出信号；
E、空分光纤输出信号经光交叉连接设备3后输出至控制中心，配合后续全交换设备使用；
F、重复步骤C～E，动态地将光信号交换至固定的空分光纤输出端口，实现通信卫星的跟瞄和信息的传输交换。
该技术与全光波长变换技术结合可以解决高速光网络构建过程中跟瞄、接入、交换等一系列问题，提供海量的信息传输能力，实现信息资源共享，支援和促进未来国家天地一体化激光网络的建设。
如图2所示，本发明还公开了一种基于空分复用的激光接入装置，包括依次设置的
接收镜头1，用于接收通信卫星信号；为了保证大视场，接收镜头1优选采用透射式镜头；
光纤阵列2，设置在接收镜头1的焦平面处，用于聚焦接收镜头1接收的动态光信号；
光交叉连接器，用于将输入光纤阵列2的动态光信号交换至固定的空分光纤输出端口，并将空分光纤输出端口输出的信号传输至外部控制中心，配合后续全交换设备使用，完成信息的传输和交换。
如图3所示，光纤阵列2焦面的光纤束采用正六边形排列方式进行排列，为了降低包层厚度导致的忙盲点，安装光纤阵列2时需要先调节光纤阵列2的端面离焦，产生弥散斑。
光纤阵列2的光纤束与光交叉连接器输入端口一一对应连接，光纤束采用大芯径传能光纤。光交叉连接设备3采用MEMS微镜光开关阵列作为核心元件，优选采用MEMS4x4光开关阵列，根据卫星相对的运行轨迹在焦平面上的映射轨迹，动态地将输入光纤的光信号交换到固定的空分光纤输出端口。
本发明重点解决多点对一点的激光通信网络。基于空分复用激光接入技术主要应用于高速卫星激光传输与交换网络的组建上，以高轨星上大视场凝视接收，低轨星上扫描的工作方式，采用大芯径传能光纤进行焦平面阵列拼接。这样卫星网络中的低轨卫星可以根据预分配方案，不同位置、不同运动轨迹的中低轨卫星和地面用户可以在指定的不同时间片段内对高轨骨干星进行跟瞄，完成信息的高速传输和交换。
本方案设计在焦平面上采用光纤阵列2技术对不同方向和位置的终端信号进行空分，实时将用户卫星发射的信号光束扫描过的光纤通过光交叉连接（OXC）设备导入固定端口输出，供后续的全光交换设备使用，既满足大视场、多用户接入的光学系统的设计要求，又满足减少跟瞄系统的要求。因为全过程未对信号光进行处理，对编码格式、波长、速率等透明，满足全光交换的接入需求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。