一种长波红外无线光通信的收发分离式光学天线的制作方法

本实用新型属于无线激光通信技术领域，具体涉及一种长波红外无线光通信的收发分离式光学天线。

背景技术：

无线激光通信是利用激光束作为载波在空间直接进行信息传输的一种通信技术，具有通信容量大、防截获能力和抗干扰能力强等突出特点。近年来，无线激光通信的商业化产品在军事和民用部分领域中得到了成功的应用。现阶段的无线激光通信系统普遍采用0.78～1.55μm的近红外激光作为载波，而近红外激光波长偏短，大气信道对近红外激光的传输的影响较为严重。这极大地限制了系统传输距离及通信性能，进而造成近红外无线激光通信系统无法得到更广泛的应用。因此，如何降低大气对无线激光通信系统的影响成为该领域的研究重点。

根据激光在大气中的传输理论以及大量的外场实验表明，波长为8～14μm的长波红外激光所受到的大气影响较近红外激光要小。长期以来，受限于器件的成熟度，长波红外激光难以应用到无线激光通信系统，然而随着技术的进步，特别是一系列小型化、高性能长波红外关键器件的逐渐成熟，长波红外无线激光通信技术日益具有实用化价值。

现有的收发一体化红外无线光通信天线的收发隔离差，一般隔离度为90db，甚至更小。且对其中分色片与光源等主要器件的要求高，需要增加光学元器件的种类，因而成本较高，而性能差强人意。

总之，目前尚未有可满足长波红外无线激光通信实用要求的、收发隔离度好且成本低的长波红外无线光通信的收发光学天线。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种长波红外无线光通信的收发分离式光学天线，其信号发射光路与信号接收光路相互分离，信标发射光路与信标跟踪光路相互分离，实现两端之间的无线光通信与相互跟踪。与收发一体的光学天线相比，隔离性能更加优越，且所需的光学器件要求降低，有利于降低大气对红外无线光通信的影响，增加长波红外无线光信号传输距离，提高了系统的隔离度，提高通信系统稳定性，突破了受大气影响小的长波红外无线激光通信技术应用局限性。

本实用新型设计的一种长波红外无线光通信的收发分离式光学天线包括结构对称的a、b两端光学天线，每一端的光学天线包括信号发射光路、信号接收光路、信标发射光路和信标跟踪光路，a、b两端的光学天线均发射波长为λa的信号光、波长为λb的信标光，同时接收对端发射的信号光和跟踪信标光。

本实用新型其中一端光学天线的信号与信标发射光路包括第一分光片、第一透镜与第二透镜，且三者的中心处于同一直线，即发射光路光轴，第二透镜与第一透镜的通光口径比≥二者的焦距比，第一分光片的法线与发射光路光轴成45度，第一分光片反射波长为λa的信号光、透射波长为λb的信标光。信号光光束中心线为45度入射第一分光片，被第一分光片反射转向90度、信号光光束中心线与发射光路光轴重合，信号光进入焦距为f1的第一透镜聚焦后，再经过焦距为f2的第二透镜准直为平行光束作为本端发射的信号光。信标光源出射光轴垂直入射第一分光片，被第一分光片透射，信标光光束中心线与发射光路光轴重合，信标光进入焦距为f1的第一透镜聚焦后，再经过焦距为f2的第二透镜准直为平行光束作为本端发射的信标光。

调整第一透镜与第二透镜中心之间的距离为两者焦距之和，实现信号光小发散角与大口径光束发射；

调整信标光源与第一分光片的距离，使信标光束直径等于第一透镜的通光口径，实现信标光大口径光束发射。

信号接收光路包括第三透镜、第四透镜、第二分光片和第五透镜，第三透镜、第四透镜和第二分光片的中心处于同一直线，即信号接收光路光轴，信号接收光路光轴和发射光路光轴平行。

第三透镜与第四透镜中心之间的距离等于二者焦距之和，二者的通光口径比≤二者的焦距比；第二分光片的法线与接收光路光轴成45度，第二分光片反射波长为λa的信号光，第二分光片的反射信号光的光轴与第五透镜的中心线重合，第三透镜接收到的信号光被其聚焦，再由第四透镜准直，经第二分光片反射后由第五透镜将接收信号光聚焦在信号接收探测器上，信号探测器与通信系统相连接。

所述第三透镜与第四透镜的共焦处放置一光阑，用于抑制杂散光；所述第五透镜前放置一中心波长为λa的第一窄带滤光片，进一步抑制背景杂散光。

信标跟踪光路包括第三透镜、第四透镜、第二分光片和第六透镜，第六透镜的中心线与接收光路重合、处于第二分光片后方。第三透镜接收到的信标光被其聚焦，再由第四透镜准直，经第二分光片透射后第六透镜将信标光聚焦在四象限探测器上，四象限探测器与与通信系统相连接、跟踪提供位置信息。

所述第六透镜前放置一个中心波长为λb的第二窄带滤光片，进一步抑制背景杂散光。

a、b两端的光学天线的结构相同，b端光学天线的接收光路光轴和a端光学天线的发射光路光轴为一条直线；a端光学天线的接收光路光轴和b端光学天线的发射光路光轴为一条直线。

上述所有的光路均为长波红外光学链路，且引入了信标跟踪光路，提高光学天线无线光通信的稳定性。

所述第二透镜和第三透镜为双曲面透镜，以减小大口径透镜的加工、检测难度，降低本光学天线的成本。

所述信号光的波长λa与信标光的波长λb不相等，二者的差至少为1μm，以达到信号与信标之间光谱隔离。

所述第一透镜的焦距f1小于第二透镜的焦距f2，即f2/f1大于或等于10，以使此二透镜组合具有较大的扩束倍数，降低信号与信标发射出光口处的能量密度，提高光学天线的使用安全性。

与现有技术相比，本实用新型一种长波红外无线光通信的收发分离式光学天线的有益效果是：1、信号发射光路和信号接收光路为相互分离的光路，信标发射与接收光路也为相互分离的光路，与一体化天线相比，隔离性能优越，极大提高了系统的隔离度，远大于目前一体化天线的隔离度90db；本实用新型天线由于没有信号发射的回波影响，隔离度接近无穷大，故极大提高通信系统稳定性；有利于受大气影响小的长波红外无线激光通信技术的应用；2、信号与信标发射光路共用第一分光片和第一、二透镜，信号与信标接收光路共用第二分光片和第三、四透镜，整机体积和重量小，且可通过调节光源、分光片及透镜之间的距离来调节信号与信标光的发射口径与发射角的大小；3、对分色片与光源等光学器件的要求标准降低，减少光学元器件的种类，成本下降，且a、b两端天线能够实现完全一致对称，增强元器件的互换性，便于后续量产和推广应用。

附图说明

图1为长波红外无线光通信的收发分离式光学天线实施例一端的光学天线结构示意图；

图2为长波红外无线光通信的收发分离式光学天线实施例信号发射光路示意图；

图3为长波红外无线光通信的收发分离式光学天线实施例信标发射光路示意图；

图4为长波红外无线光通信的收发分离式光学天线实施例信号接收光路示意图；

图5为长波红外无线光通信的收发分离式光学天线实施例信标跟踪光路示意图。

图中标号为:

1、第一分光片，2、第一透镜，3、第二透镜，4、第三透镜，5、光阑，6、第四透镜，7、第五透镜，8、信号接收探测器，9、第一窄带滤光片，10、第二分光片，11、第二窄带滤光片，12、第六透镜，13、四象限探测器。

具体实施方式

为了使本实用新型技术方案更加清晰，下面结合附图，对本实用新型做进一步的详细说明。

本长波红外无线光通信的收发分离式光学天线实施例包括结构对称的a、b两端光学天线，每一端的光学天线包括信号发射光路、信号接收光路、信标发射光路和信标跟踪光路，a、b两端的光学天线均发射波长为λa的信号光、波长为λb的信标光，同时接收对端发射的信号光和跟踪信标光。b端光学天线的接收光路光轴和a端光学天线的发射光路光轴为一条直线；a端光学天线的接收光路光轴和b端光学天线的发射光路光轴为一条直线。

本例所有的光路均为长波红外光学链路。

图1所示为其中一端光学天线的整体结构示意图，

图1上方的虚线框为信号与信标发射光路，包括第一分光片1、第一透镜2与第二透镜3，三者的中心处于同一直线，即发射光路光轴，如图1上方的发射光路框内的点划线所示。本例第一分光片1反射波长为λa＝8.2μm的信号光、透射波长为λb＝10.6μm的信标光。第一透镜2焦距为f1＝4mm、通光口径为2mm，第二透镜3焦距为f2＝160mm、通光口径为80mm。

如图1、2和3所示，本例第二透镜3与第一透镜2的通光口径比为40、二者的焦距比为40。第一分光片1的法线与发射光路光轴成45度。信号光光束中心线为45度入射第一分光片，被第一分光片1反射转向90度、信号光光束中心线与发射光路光轴重合，信号光进入第一透镜2聚焦后，再经过第二透镜3准直为平行光束作为本端发射的信号光。信标光光束中心线垂直入射第一分光片1，被第一分光片1透射，信标光光束中心线与发射光路光轴重合，信标光进入第一透镜2聚焦后，再经过第二透镜3准直为平行光束作为本端发射的信标光。

本例第一透镜2与第二透镜3中心之间的距离为两者焦距之和。调整信标光源与第一分光片的距离使得信标光束直径刚好等于第一透镜2的通光口径，实现信标光大发散角与大口径光束发射。

如图1、4和5所示，信号接收光路包括第三透镜4、光阑5、第四透镜6、第二分光片10、第一窄带滤光片9、第五透镜7和信号接收探测器8。第三透镜4、第四透镜5和第二分光片10的中心处于同一直线，即信号接收光路光轴，如图1下方的接收光路框内的点划线所示。信号接收光路光轴和发射光路光轴平行。

本例第二分光片10反射波长为λa＝8.2μm的信号光、透射波长为λb＝10.6μm的信标光。第三透镜4焦距为f3＝200mm、通光口径为150mm，第四透镜6焦距为f4＝20mm、通光口径为16mm，第五透镜7焦距为f5＝25mm、通光口径为16mm，第六透镜12焦距为f6＝25mm、通光口径为16mm。第一窄带滤光片9中心波长为λa，第二窄带滤光片11中心波长为λb。

本例第三透镜4与第四透镜6中心之间的距离等于二者焦距之和，二者的通光口径比为9.4，二者的焦距比为10；

第二分光片10的法线与接收光路光轴成45度，第二分光片10反射波长为λa的信号光，第二分光片10的反射信号光的光轴与第五透镜7的中心线重合，第三透镜4接收到的信号光被其聚焦，再由第四透镜6准直，经第二分光片10反射后，经第一窄带滤光片9滤除背景杂散光，由第五透镜7将接收信号光聚焦在信号接收探测器8上，信号探测器8与通信系统相连接。

本例第三透镜4与第四透镜6的共焦处放置光阑5，用于抑制杂散光；第五透镜7前放置第一窄带滤光片9。

本例的信标跟踪光路包括第三透镜4、第四透镜6、第二分光片10、第二窄带滤光片11和第六透镜12，第二窄带滤光片11和第六透镜12的中心线与接收光路重合、处于第二分光片10后方。第三透镜4接收到的信标光被其聚焦，再由第四透镜6准直，第二分光片10透射后，经第二窄带滤光片11滤除背景杂散光，至第六透镜12将信标光聚焦在四象限探测器13上，四象限探测器13与通信系统相连接、跟踪提供位置信息。

本例第二透镜3和第三透镜4为双曲面透镜。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。