具体实施方式

本发明提供一种多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，包括发射光路、信号接收光路、跟踪光路；其中发射光路和接收光路通过分束器一合束，接收光路通过分束器二分解为两路,一路用作信号接收光路,另一路用作跟踪光路；还包括发射光路中的傍轴参考光束、信号接收光路中的傍轴参考光束；在终端的中间像面处设置一折转平面镜，使得发射光路、信号接收光路均通过折转平面镜完成反射，反射角为θ，工作光束的有效口径为D，在所述折转平面镜上距离其工作光束的有效口径距离为s处内嵌一参考光纤并使得参考光纤的端面与折转平面镜共面，用于接收发射光路中的傍轴参考光束和信号接收光路中的傍轴参考光束；参考激光器一发出的光束经过光纤分束器后进入参考光纤后,再经过跟踪光路会聚到跟踪探测器上形成参考光斑。

实施例1：

如图1-2所示，本实施例的多光路光轴自动同轴的激光通信地面终端，由收发望远镜1、倾斜镜一2、折转平面镜3、分束器一4、分束器二5、跟踪镜头6、跟踪探测器7、倾斜镜二8、信号接收镜头9、信号接收光纤束10、信号接收探测器18、倾斜镜三11、发射镜头12、发射光纤束13、发射激光器20、参考光纤14、光纤分束器15、光电探测器16、参考光激光器一17、参考光激光器二19、参考光激光器三21、控制器22组成。上述部件组成发射光路、信号接收光路、跟踪光路，同时为了对上述三路光路的光轴同轴性进行控制,在激光通信终端中,增加了与工作光束之间有小角度差异的傍轴光束辅助光路,并通过使用内嵌在折转平面镜13中的参考光纤14对傍轴光束进行探测和发射,基于控制器22对倾斜镜二8和倾斜镜三11进行实时闭环调节,从而控制使得各光路的光轴一致,且在工作中保持良好的稳定性。具体地：

发射光路：发射激光器20发射的激光束通过发射光纤束13中一根光纤发送,经发射镜头12整形,由经倾斜镜三11、分束器一4反射, 再经折转平面镜3,倾斜镜一2和收发望远镜1,发射出终端，利用倾斜镜三11的角度调节能力,可实现发射光纤束的角度在一定范围的二维偏转,高分辨率的倾斜镜可实现对发射光路等效光轴进行0.1urad分辨率的精确调节。

信号接收光路：对面终端入射的信号激光光束经收发望远镜1、倾斜镜一2,折转平面镜3,分束器一4透射,分束器二5反射, 再经倾斜镜二8后,由接收镜头9对其进行会聚,并耦合进入接收光纤束10中的一根光纤, 再被接收探测器18接收.利用倾斜镜二8的角度调节能力,可实现接收光路光束角度在一定范围内实现二维偏转,高分辨率的倾斜镜可实现对接收光路等效光轴进行0.1urad分辨率的精确调节。

跟踪光路：对面终端入射的激光光束经收发望远镜1、倾斜镜一2,折转平面镜3,分束器一4透射,分束器二5透射, 再经跟踪镜头6后会聚于跟踪探测器7上.跟踪探测器7所获得的光斑位置信息可以用于指导地面终端与对面终端进行精确对准.利用倾斜镜一2的角度调节能力,可实现发射光路,信号接收光路及跟踪光路三路光束在一定角度范围内进行相同幅度的二维偏转,从而瞄准和跟踪另一侧的通信终端.高分辨率的倾斜镜可实现对三路光路的等效光轴进行0.1urad分辨率的精确调节。

折转平面镜3位于该系统的中间像面处或临近位置。折转平面镜3的组成如下图2所示:工作光束一31和工作光束二32通过折转平面镜完成反射,本实施例中的工作光束一和工作光束二分别为发射光路的光束和信号接收光路的光束。其入射角和反射角均为θ,工作光束在折转平面镜上实际使用的有效口径极小，直径为D。在与其有效口径中心距离s处，开有孔30，参考光纤14通过该孔，并在孔30中填充胶将参考光纤14固定。如果将参考光纤14的前端面与折转平面镜3一起进行研磨抛光，使之参考光纤14的端面与折转平面镜3共面,则可扩大折转平面镜3的工作区域范围。

折转平面镜3内嵌有参考光纤14，一方面用于接收由参考光激光器二19和参考光激光器三21所发出的两束参考光束，并经过光纤分束器15后,使用光电探测器16对上述两束参考光束进行探测；另一方面，参考光激光器一17所发出的光束经过光纤分束器15后进入参考光纤14后，通过折转平面镜3后,再透过分束器一4和分束器二5, 经跟踪镜头6会聚到跟踪探测器7。假定跟踪光路中,从折转平面镜3处中间像面到跟踪探测器的横向放大倍率为mb, 则跟踪探测器上工作光斑位置与参考光束所形成的光斑位置应当存在横向偏差:sb=s*mb。

发射光路中的傍轴参考光束：由参考光激光器三21所发射的激光,通过发射光纤束13中的另一根光纤发射,与发射光路类似的路径,经发射镜头12整形,由经倾斜镜三11、分束器一4反射, 抵达折转平面镜3。假定发射光路中，从发射光纤束13到折转平面镜3处中间像面的横向放大倍率为mt, 则发射光纤束中才采用的两根光纤的中心间距应为:st =s/mt;倾斜镜三11可在控制器22的控制下进行二维角度偏转,对参考激光器三21所发射的参考光束和激光通信终端的发射光轴进行同步调节。

信号接收光路中的傍轴参考光束：由参考激光器二19所发射的激光，反向经过信号接收光纤束10中的另一根光纤,经信号接收镜头整形9,由经倾斜镜2二8，分束器二5反射,分束器一4透射后，抵达折转平面镜3。假定信号接收光路中,从信号接收光纤束10到折转平面镜3处中间像面的横向放大倍率为mr, 则信号接收光纤束中才采用的两根光纤的中心间距应为:sr = s/mr;倾斜镜二8可在控制器22的控制下进行二维角度偏转,对[]参考激光器二19所发射的参考光束和激光通信终端的信号接收光轴进行同步调节;

光轴稳定性控制系统的工作原理如下:

在理想情况下,参考激光器二19和参考激光器三21所发出的激光束均正好会聚于折转平面镜3上的参考光纤14的中心，此时，光电探测器16探测到的光信号最强,参考光激光器一17在跟踪探测器7上形成光斑,其光斑位置为(x0, y0)作为参考角度, 终端的跟踪控制算法应当控制跟踪探测器7上的工作光束至目标位置(x0+s*mb, y0)处，跟踪光路的光轴与信号接收光路光轴一致，且与发射光轴一致，地面终端的三根光路光轴平行。

当地面终端受到各类光机热变形和重力变形等扰动后，光路中各光学元件的角度和位移发生微小变化，该微小变化对于光学系统的光轴角度来说是不可忽略的。由于地面终端中的傍轴参考光束与工作光束之间是接近共路关系，而同一光纤束中的两根光纤的相对位置变化完全可以忽略，且跟踪探测器上的像元之间位置关系变化也可以忽略，因此，可以认为在存在热变形和重力变形等情况下，傍轴参考光束和工作光束之相对角度关系是稳定的，不随热变形和重力变形而变化。

当地面终端受到各类光机热变形和重力变形等扰动后，光电探测器16所测得的光功率数值下降,控制器22通过对倾斜镜二8和倾斜镜三11进行调节,基于最优算法(例如SPGD, stochastic parallel gradient descent algorithm),使得光电探测器16的光功率最大。此时，参考光激光器一17所发出的光束在跟踪探测器7上的位置为(x’, y’), 地面终端的跟踪控制算法调整其对工作光斑的控制过程中的目标值,将跟踪探测器上的工作光斑的位置控制到(x’+s*mb, y’). 从而使得跟踪光轴与发射光轴和信号接收光轴保持同轴。

上述基于光电探测器16的光功率实现对三路光路的同轴控制过程，根据需要，可以在激光通信终端的工作过程中持续工作，始终维持其控制状态；也可每经过一段时间执行一次闭环控制过程,即对光路进行间断性地修正；在地面终端的工作环境条件非常稳定的情况下，也可以工作开始前进行一次修正，在工作过程中不修正。

控制器22可以独立地控制各个参考光源激光器的发射，可以对其进行开关，功率调节，以及进行幅度调制；并可以结合上述控制进行相应的光轴校正。例如，对参考光激光器二19和参考光激光器三21分别采用不同频率的正弦信号进行调制时，对光电探测器16的信号进行加窗傅里叶分析，便可独立地得到两束光的光功率数值，从而可对倾斜镜二8和倾斜镜三11进行独立的优化控制，提高控制效率和控制精度。

实施例2：

如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的发射光路设计为带提前瞄准功能的发射光路，通过在光路中增加提前瞄准镜23和二色反射镜24；二色反射镜24位于提前瞄准镜23前方，且两者接近平行。参考光束与工作光束的波长存在一定差异，参考光束通过二色反射镜反射， 而工作光束(即发射光束)透过二色反射镜24后，被提前瞄准镜23反射，再次透过二色反射镜24。提前瞄准镜23可实现在不影响参考光束的情况下，对发射光束进行独立控制, 以实现发射光束相对于地面终端的角度存在提前角差异。其中，光束通过二色反射镜24和提前瞄准镜23组合和通过倾斜镜三11的顺序没有限制。

实施例3：

如图4所示，本实施例与实施例2的不同之处在于，由于参考光束和发射光束的偏振不同,本实施例中使用偏振分束平板25替代二色分束镜24，使得参考光束被偏振分束平板25反射，而发射光束先后经过偏振分束平板25透射，再被提前瞄准镜23反射，再经偏振分束平板25透射。

实施例4：

本实施例与实施例1-3的不同之处在于，各光路可以根据需要在激光器和光纤之间加入光放大EDFA. 也可以根据需要在光纤和信号探测器之间加入光放大EDFA. 光路中可根据需要加入滤光片。

实施例5：

本实施例与上述实施例的不同之处在于，发射光路可以包括信号发射和信标发射两路;两路光束可以独立,具有各自的参考光束；也可以采用信号和信标共光纤方式发射方式,共用同一个参考光束。

实施例6：

如图5所示，本实施例与上述实施例的不同之处在于，对于发射光路，除了使用发射光纤束中的另一根光纤发射参考光束外，还可以采用光栅27，或棱镜28等分光方式实现，从工作光束中分离一部分能量使之形成虚拟点光源29，此虚拟点光源可以当作参考光束。然而，通过该方式的参考光源不能独立进行开关和调制；且其偏振和波长与工作光束一致,不能直接使用上述方式实现提前角独立调节。因此丧失了一部分有益效果。

应用实例：

以本公司研制的朝阳山500mm激光通信地面终端为参考,其典型的实现方案如下：

收发望远镜1的口径为500mm, 为卡式反射系统,其中主镜为抛物面,次镜为凸双曲面,中心遮拦约为20%; 光学系统焦距约为5500mm, 相对口径约为F/11。

倾斜镜一2采用德国PI公司的产品,其口径约为为40mm, 工作角度为+/-2mrad,在该终端中使用时,其闭环控制带宽约为300Hz.倾斜镜二8和倾斜镜三11的有效口径分别为30mm和15mm; 工作角度为+/-2mrad, 在该终端中使用时,其闭环控制带宽约为300Hz。

折转平面镜3为直径40mm的平面镜,材料为融石英;参考光纤14采用单模光纤,芯径9um, NA0.14, 型号为CorningSMF28+.折转平面镜3在光路中的入射角度θ为15度;参考光纤14和工作光路的有效口径区域中心的间距为0.8mm. 采用超声波打孔方式,在折转平面镜3上实现直径为0.1mm的孔,改孔的锥角为10~15度;将]参考光纤14剥掉包层后插入到该孔中,并采用紫外固化胶对光纤头部进行固定,并采用硅胶对该孔的更多空隙进行填充和加固;之后,对折转平面镜3进行研磨和抛光,使得参考光纤14的端面与折转平面镜3成为一个整体;在对参考光纤14的端面局部进行保护涂层的情况下,对折转平面镜3进行镀膜,镀膜后去掉保护涂层, 使得参考光纤14的端面可以裸露,从而可以接收和发射光信号。

分束器一4反射1535nm和785nm, 透射1550nm和830nm;分束器二5反射1550nm, 透射830nm. 两者均为平行平板方式, 为减小平行平板的透射误差,平行平板的两面之间存在一定楔角,以实际设计中像差最小为依据;光纤分器15的分束比例为50%:50%, 插损为3dB。

跟踪镜头6的焦距为200mm, 该光路从中间项目到跟踪探测器的放大倍率为mb=1.0;跟踪探测器7采用了CMOS探测器,分辨率为1280*1024, 像素尺寸为5um. 参考光束的光斑尺寸与闭环控制时工作光斑的目标点在水平方向上距离为0.8mm, 为160像素.该CMOS相机以双ROI区域方式工作,其中参考光束的ROI区域大小为50x50像素; 而工作光斑的ROI区域取100x100像素.实践表明,在完成正常初始化后,运行过程中两者光斑均不会超过该ROI区域.

信号接收镜头9的焦距为94mm, 信号接收光路的像方F数为F/4.7； 从中间像面处折转平面镜3到信号接收光纤束10的放大倍率为0.5,信号接收光纤束10中,实际仅采用其中的两根单模光纤,光纤芯径9微米,NA0.14, 两根光纤之间沿x方向的间距为0.4mm。

发射镜头12的焦距为14mm, 从发射光纤束13到从中间像面处折转平面镜3的放大倍率为10倍, 发射光纤束13中,实际仅采用其中的两根单模光纤,光纤芯径9微米,NA0.14,两根光纤之间沿x方向的间距为0.08mm。发射镜头12输出的光束,最终被光学望远镜1准直时,得到口径为150mm的激光光束,该激光光束采用离轴口径发射方式,以避开次镜中心遮拦。

参考光激光器一17的输出波长为830nm;参考光激光器二19的输出波长为1550nm,参考光激光器三21的输出波长为1535nm; 三者的最大输出功率均为1mW, 输出功率可调,并可以通过控制器22对其进行幅度调制, 幅度调制的频率最高为10kHz, 可按正弦波调制,也可以按照PWM方波方式进行调制。

控制器22采用FPGA和DSP共同实现，控制,22可独立工作,也可与PC连接,在PC上可进行图形化操作,并在PC上实时显示光轴度控制情况。

优化算法:对参考光激光器二19和参考光激光器三21均采用正弦波的幅度调制,调制频率分别取为2000Hz和7777Hz。 通过对光电探测器16的加窗傅里叶变换分别得到两路光的光功率.对两路光分别调节各自的倾斜镜,即倾斜镜二8和倾斜镜三11, 算法采用SPGD(stochastic parallel gradient descent algorithm)标准算法,两个独立的闭环控制,各自对应两个变量,共计4个变量。

以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。