专利名称：一种光束自动捕获装置及光束捕获方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种光束自动捕获装置，本发明还涉及利用 该装置进行光束捕获的方法。
背景技术：
在空间光通信系统中，由于光的长距离传输会产生很大的光能量损耗，所以接收 到的光信号往往十分微弱，此外，背景光(太阳、月亮、星体等)也将会产生很强的干扰，这 就大大增加了光信号的接收难度，因此，在较远的距离和较强的背景干扰的情况下，如何捕 捉、对准和跟踪光束，就成为了通信光链路成功与否的关键。地面大气激光通信与空间激光 通信有所差别，空间光通信系统中，由于通信信号的光束发散角非常小，如果我们利用信号 光束进行瞄准、捕获将会是非常困难的，所以空间光束的捕获、跟踪及瞄准通常采用信标光 束完成，而信号的接收通常由信号光束完成。将信标光和信号光分离的系统结构不紧凑，不 便于光机电集成，不适合地面大气激光通信系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种光束自动捕获装置，解决了现有的光束捕获装置将信标 光和信号光分离的系统结构不紧凑，不便于光机电集成，不适合地面大气激光通信系统的 问题。本发明的另一目的是提供一种利用上述装置进行光束捕获的方法。本发明所采用的技术方案是，一种光束自动捕获装置，包括连接有自动跟瞄系统 的光学天线，光学天线的出射光侧依次设置有布氏窗和角反射器，布氏窗的反射光侧依次 设置有聚焦透镜和信号探测器，布氏窗的出射光侧设置有位置敏感探测器，位置敏感探测 器与自动跟瞄系统通过反馈信道相连通。本发明所采用的另一技术方案是，一种光束捕获方法，采用一种光束自动捕获装 置，该光束自动捕获装置的结构为包括连接有自动跟瞄系统的光学天线，光学天线的出 射光侧依次设置有布氏窗和角反射器，布氏窗的反射光侧依次设置有聚焦透镜和信号探测 器，布氏窗的出射光侧设置有位置敏感探测器，位置敏感探测器与自动跟瞄系统通过反馈 信道相连通，
具体按照以下步骤实施
步骤1 光线信号入射到光学天线，光学天线将光线信号聚焦后通过布氏窗入射到角 反射器；
步骤2 角反射器将步骤1接收的光线信号反射到布氏窗，布氏窗与光线45°放置，反 射光向下投射到位置敏感探测器，同时布氏窗将部分光反射到聚焦透镜，聚焦透镜将光束 聚焦后由信号探测器接收光线信号；
步骤3 位置敏感探测器根据上步得到的光线信号计算得到光线的位置信息； 步骤4 位置敏感探测器通过反馈信道将上步得到的光线的位置信息反馈到自动跟瞄
3系统，自动跟瞄系统根据光线的位置信息调整光学天线的发射方向及俯仰角度。本发明的特点还在于，
其中的步骤3位置敏感探测器计算得到光线的位置信息，具体按照以下步骤实施
位置敏感探测器有四个输出端，、/2、/3、U表示四个输出端的电流，V表示位置敏
感探测器输出的光电流，以位置敏感探测器光敏面中心为坐标原点，设有效光敏面长度为 L，光线入射点的坐标(x，y)表示为 x _ ^ l2~ h 其中的步骤4自动跟瞄系统根据光线的位置信息调整光学天线的发射方向及俯 仰角度，具体按照以下步骤实施
a.调整发射方向，具体按照以下步骤实施当^是一个相当小的设定值时，发
射天线和接收天线对准，系统根据的正负号确定瞄准装置的旋转方向，正则正转负则反 转；
b.调整俯仰角度，具体按照以下步骤实施调整y值的大小，使得其中，
P表示光斑到原点的距离，(x，y)为入射点的坐标。本发明的有益效果是，
(1)将通信激光器和信标激光器共用一个，保证了通信器件光束具有足够的能量。(2)将ATP (捕获、跟踪、瞄准系统)和信号激光器合作使用，系统不必专门建立瞄 准模块，使得系统整体结构紧凑，便于光机电集成。
图1是本发明光束自动捕获装置的结构示意图； 图2是本发明光束自动捕获装置中角反射器原理图； 图3是本发明光束自动捕获装置光束跟踪示意图； 图4是本发明光束自动捕获装置俯仰调整原理图5是本发明光束自动捕获装置中位置敏感探测器工作原理图。图中，1.光学天线，2.布氏窗，3.角反射器，4.位置敏感探测器，5.自动跟瞄系统， 6.聚焦透镜，7.信号探测器。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明光束自动捕获装置的结构，如图1所示，包括连接有自动跟瞄系统5的光学 天线1，光学天线1的出射光侧依次设置有布氏窗2和角反射器3，布氏窗2的反射光侧依 次设置有聚焦透镜6和信号探测器7，布氏窗2的出射光侧设置有位置敏感探测器4，位置 敏感探测器4与自动跟瞄系统5通过反馈信道相连通。
光学天线1，用于系统在发射信号时，通过其对信号光进行准直，以使信号光到达 接收端机时能量相对集中，从而提高接收端机的信噪比。布氏窗2，用于将信号投射到位置敏感探测器4，反射到聚焦透镜6。角反射器3，用于将入射光反射到布氏窗2。位置敏感探测器4，用于提取位置误差信号。自动跟瞄系统5，用于根据位置敏感探测器4提取出的位置误差信号，自动调整光 学天线1的发射方向。聚焦透镜6，用于系统在接收信号时，通过其使得经过大气传输过来的光束大部分 能量聚集到信号探测器7的接收面上。信号探测器7，用于将光信号转变成电信号，然后再由电子线路进行放大，最后再 还原成原来的信号。本发明利用光束自动捕获装置进行光束捕获的方法，具体按照以下步骤实施 步骤1 光学天线1将入射侧的光线信号聚焦后通过布氏窗2入射到角反射器3 ；
角反射器3是一个特殊的反射器件，如图2所示，由三面直角放置的平面镜组成，从任 何一个方向入射的光束，角反射器3反射的光都与入射光束平行。步骤2 角反射器3将步骤1接收的信号反射到布氏窗2，布氏窗2与光线45°放 置，反射光与入射光垂直，反射光向下投射到位置敏感探测器4，同时经过布氏窗2将部分 光反射到聚焦透镜6，聚焦透镜6将光束聚焦后由信号探测器7接收光束信号；
步骤3 位置敏感探测器4计算得到光线的位置信息。位置敏感探测器4(PSD)，如图5所示，有四个输出端，输出端的电流与照射光斑的
能量中心有关。二维PSD有四个信号电极1-4，四个电极输出光电流分别用h、l2、h、h表
示，并满足A + /2 + /3 + /4 = 4 ,其中|T 表示PSD输出的光电流。用PSD电极输出的电流就
可以确定光点在PSD面上的位置。计算过程具体如下
以器件光敏面中心为坐标原点，设器件有效光敏面长度为L，入射点的坐标可以表示
为
步骤4 位置敏感探测器4通过反馈信道将上步得到的光线的位置信息反馈到自动跟 瞄系统5，自动跟瞄系统5根据光线的位置信息调整光学天线1的发射方向及俯仰角度，具 体按照以下步骤实施
a.调整发射方向，具体按照以下步骤实施当是一个相当小的设定值)时，发
射天线和接收天线对准，系统根据k的正负号确定瞄准装置正转还是反转，正则正转负则 反转。如图3所示，一旦发送信号一方的激光束投射到角反射器3上，光束就会向下入射 到位置敏感探测器4。假定y方向是接收一方的发射光束的方向，如果光斑不在y轴上，说 明发射光束与接收光束不平行，这样自动跟瞄系统5就会调整光学天线1的发射方向直到光斑在y轴上为止，此时发射天线在方位上与入射光线平行。b.调整俯仰角度，具体按照以下步骤实施
当发射方向调整妥当后，再调整俯仰角度。如图4所示，如果俯仰方向上发射光束与接 收光束不平行，那么光斑就落在y轴上，只有当光斑落在位置敏感探测器4的原点时，发射 光束与接收光束在空间位置上才完全平行。因此，俯仰角度的调整可根据下式进行
(2)
其中，々表示光斑到原点的距离。依然假定y方向是接收一方的发射光束的方向，由于 这里是在方位调整妥当后进行俯仰角度调整的，因此只用调整y值的大小，使得满足(2)式 即可。本发明针对地面大气激光通信的特点，提出了一种新的激光束对准方案，将信标 激光器和信号激光器结合，达到将ATP和信号激光器合作使用的效果，不但简单、经济而且 切实可行，特别适合于地面大气激光通信系统。
权利要求
一种光束自动捕获装置，其特征在于，包括连接有自动跟瞄系统(5)的光学天线(1)，光学天线(1)的出射光侧依次设置有布氏窗(2)和角反射器(3)，布氏窗(2)的反射光侧依次设置有聚焦透镜(6)和信号探测器(7)，布氏窗(2)的出射光侧设置有位置敏感探测器(4)，位置敏感探测器(4)与自动跟瞄系统(5)通过反馈信道相连通。
2.一种光束捕获方法，其特征在于，采用一种光束自动捕获装置，该光束自动捕获装置 的结构为包括连接有自动跟瞄系统(5)的光学天线(1)，光学天线(1)的出射光侧依次设 置有布氏窗(2 )和角反射器(3 )，布氏窗(2 )的反射光侧依次设置有聚焦透镜(6 )和信号探 测器(7)，布氏窗(2)的出射光侧设置有位置敏感探测器(4)，位置敏感探测器(4)与自动跟 瞄系统(5)通过反馈信道相连通，具体按照以下步骤实施步骤1 光线信号入射到光学天线(1 )，光学天线(1)将光线信号聚焦后通过布氏窗(2) 入射到角反射器(3);步骤2 角反射器(3)将步骤1接收的光线信号反射到布氏窗(2)，布氏窗(2)与光线 45°放置，反射光向下投射到位置敏感探测器(4)，同时布氏窗(2)将部分光反射到聚焦透 镜(6)，聚焦透镜(6)将光束聚焦后由信号探测器(7)接收光线信号；步骤3 位置敏感探测器(4)根据上步得到的光线信号计算得到光线的位置信息； 步骤4 位置敏感探测器(4)通过反馈信道将上步得到的光线的位置信息反馈到自动 跟瞄系统(5)，自动跟瞄系统(5)根据光线的位置信息调整光学天线(1)的发射方向及俯仰 角度。
3.根据权利要求2所述的光束捕获方法，其特征在于，所述的步骤3位置敏感探测器 (4)计算得到光线的位置信息，具体按照以下步骤实施位置敏感探测器(4)有四个输出端， 表示四个输出端的电流 表示位置敏感探测器输出的光电流，以位置敏感探测器光敏面中心为坐标原点，设有效光敏面长度 为L，光线入射点的坐标(x，y)表示为
4.根据权利要求2所述的光束捕获方法，其特征在于，所述的步骤4自动跟瞄系统(5) 根据光线的位置信息调整光学天线(1)的发射方向及俯仰角度，具体按照以下步骤实施a.调整发射方向，具体按照以下步骤实施当 ,是一个相当小的设定值时，发射天线和接收天线对准，系统根据ζ的正负号确定瞄准装置的旋转方向，正则正转负则反 转；b.调整俯仰角度，具体按照以下步骤实施调整y值的大小，使得^r2+/Sp,其中， 々表示光斑到原点的距离，(χ，y)为入射点的坐标。
全文摘要
本发明公开的一种光束自动捕获装置，包括连接有自动跟瞄系统的光学天线，光学天线的出射光侧设置有布氏窗和角反射器，布氏窗的反射光侧设置有聚焦透镜和信号探测器，布氏窗的出射光侧设置有位置敏感探测器，位置敏感探测器与自动跟瞄系统通过反馈信道相连通。本发明光束捕获方法，光学天线将光线信号聚焦后通过布氏窗入射到角反射器；角反射器将接收的光线信号反射到布氏窗，反射光向下投射到位置敏感探测器，布氏窗将部分光反射到聚焦透镜，通过探测器接收光线信号；位置敏感探测器计算得到光线的位置信息，反馈到自动跟瞄系统，自动跟瞄系统调整光学天线的发射方向及俯仰角度。本发明将ATP和信号激光器合作，简单、经济、切实可行，适于地面大气激光通信系统。
文档编号H04B10/00GK101852924SQ20101018511
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者卢宁, 柯熙政, 赵黎 申请人:西安理工大学