機載激光通信附面層效應光學補償方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于空間激光通信技術領域，特別是涉及到一種機載激光通信附面層效應光學補償方法。
【背景技術】
[0002]對于機載平臺的激光通信終端來說，飛機在大氣信道中高速飛行將引起氣動光學附面層效應。附面層效應非常復雜，簡化分析可以看作為層流層效應和湍流層效應。主要的體現(xiàn)是:層流層效應等效為一個負透鏡，引起激光通信光學系統(tǒng)離焦以及光束偏折；湍流層效應引起光束波前畸變和到達角起伏。二者都會極大的降低空間激光通信終端的光學質量，嚴重影響系統(tǒng)的性能，甚至無法工作，因此必須采取手段緩解該影響?，F(xiàn)有的專利和文獻，采取自適應光學哈特曼傳感器和變形鏡的方法矯正大氣湍流效應的較多，但是變形鏡的矯正范圍有限，難以單獨完成針對附面層全部效應，特別是包含層流層效應的矯正方法。因此現(xiàn)有技術當中亟需要一種新型的技術方案來解決這一問題。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種機載激光通信附面層效應的光學補償方法，可緩解氣動光學附面層效應引起的光束波前畸變，到達角起伏，光束偏折和附加焦距效應，并提高空間激光通信終端在機載平臺的環(huán)境適應性。
[0004]機載激光通信附面層效應光學補償方法，其特征是:包括離焦補償鏡、空間激光通信光學天線、光學振鏡、變形鏡、分光片、波前矯正控制器、波前探測器、光斑位置及大小探測器以及振鏡控制器，所述離焦補償鏡沿光軸設置在空間激光通信光學天線的前方；所述波前矯正控制器通過電路分別與變形鏡和波前探測器連接；所述振鏡控制器通過電路分別與光學振鏡和光斑位置及大小探測器連接；
[0005]光束經(jīng)過離焦補償鏡入射到空間激光通信光學天線進行縮束，出射光束經(jīng)過光學振鏡反射入射到變形鏡，光束經(jīng)變形鏡反射到分光片，分光片將一路光束入射到波前探測器上，另一路光束入射到光斑位置及大小探測器上；
[0006]所述波前探測器探測到空間激光通信光學天線接收到的波前畸變信息，將波前畸變信息傳給波前矯正控制器；所述波前矯正控制器計算出補償量，并將補償量通過控制命令傳給變形鏡，變形鏡接收控制命令，進行附面層波前畸變效應的自適應補償；
[0007]所述光斑位置及大小探測器探測到空間激光通信光學天線接收到的波前到達角的實時變化信息，并計算出補償量，將補償量通過控制命令傳給光學振鏡，光學振鏡接收控制命令，進行附面層光束到達角起伏變化以及附面層光束偏折的自適應補償；
[0008]所述光斑位置及大小探測器探測到光斑彌散數(shù)值，預先計算出需要補償負透鏡效應的離焦量，根據(jù)離焦量設計離焦補償鏡，并將離焦補償鏡沿光軸放置在空間激光通信光學天線前端，完成附加焦距效應的補償。
[0009]所述光學振鏡通過擺動控制光束的角度方向。
[0010]所述變形鏡為反射式變形鏡或透射式變形鏡。
[0011 ] 所述分光片為能量分光片。
[0012]通過上述設計方案，本發(fā)明可以帶來如下有益效果:機載激光通信附面層效應的光學補償方法，可緩解氣動光學附面層效應引起的光束波前畸變，到達角起伏，光束偏折和附加焦距效應，并提高空間激光通信終端在機載平臺的環(huán)境適應性。采用光學振鏡與變形鏡組合使用，在光路中的先后位置可以根據(jù)實際應用情況更改，不影響本發(fā)明方法的實施，增加了操作的靈活性；采用波前探測器、波前矯正控制器以及變形鏡配合使用，完成對附面層波前畸變效應的自適應補償；采用光斑位置及大小探測器與光學振鏡配合使用，完成對附面層光束到達角起伏變化以及層光束偏折的自適應補償；采用離焦補償鏡可以補償變形鏡無法矯正的，附面層效應引起的大尺度離焦效應。
【附圖說明】
[0013]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的說明:
[0014]圖1為本發(fā)明機載激光通信附面層效應光學補償方法光路示意圖。
[0015]圖中1-離焦補償鏡、2-空間激光通信光學天線、3-光學振鏡、4-變形鏡、5-分光片、6-波前矯正控制器、7-波前探測器、8-光斑位置及大小探測器、9-振鏡控制器。
【具體實施方式】
[0016]機載激光通信附面層效應光學補償方法，如圖1所示，光束透過離焦補償鏡I后，經(jīng)過空間激光通信光學天線2縮束，而后經(jīng)過光學振鏡3反射入射到變形鏡4上，再由變形鏡4反射到分光片5上，經(jīng)過分光，一路光束到波前探測器7上，一路光束到光斑位置及大小探測器8上；波前矯正控制器6通過電路分別與變形鏡4和波前探測器7相連，構成閉環(huán)控制；振鏡控制器9通過電路分別與光學振鏡3和光斑位置及大小探測器8相連，構成閉環(huán)控制。
[0017]所述的光學振鏡3和變形鏡4，在光路中的先后位置可以根據(jù)實際應用情況更改，不影響本方法實施。
[0018]所述的光學振鏡3，為能夠高頻擺動，實現(xiàn)控制光束角度方向的器件。
[0019]所述的變形鏡4，為能夠對入射到鏡面上的波前進行補償和校正的器件，可是反射型的MEMS器件，也可以是透射型的液晶器件，均不影響本方法的實施。
[0020]所述的分光片5，為能量分光，能量分配比例根據(jù)波前探測器7和光斑位置及大小探測器8的探測靈敏度決定，而且還可以根據(jù)實際應用情況決定波前探測器7和光斑位置及大小探測器8分別在反射光路還是透射光路，不影響本方法實施。
[0021]本發(fā)明方法的工作原理為:
[0022]如圖1所示，附面層的湍流層效應引起光束波前畸變，由波前探測器7探測到空間激光通信光學天線2接收到的波前畸變信息，并將該信息傳給波前矯正控制器6，由波前矯正控制器6計算出補償量，并將補償控制命令傳給變形鏡4，并驅動變形鏡4工作進行補償，構成閉環(huán)控制，從而完成對附面層波前畸變效應的自適應補償。
[0023]附面層的湍流層效應還引起光束到達角的隨機變化，同時層流層效應還將引起光束偏折，由光斑位置及大小探測器8探測到空間激光通信光學天線2接收到的光束到達角實時變化的大小，并將該信息傳給光斑位置及大小探測器8，由光斑位置及大小探測器8計算出補償量，并將補償控制命令傳給光學振鏡3，并驅動光學振鏡3工作進行補償，構成閉環(huán)控制，從而完成對附面層光束到達角起伏變化以及層光束偏折的自適應補償。
[0024]附面層的層流層效應引起附加焦距影響，等效于一個焦距很長的負透鏡，會引起光學系統(tǒng)離焦，由光斑位置及大小探測器8探測到由離焦引起的光斑彌散大小，由此可以根據(jù)具體光學系統(tǒng)設計，計算出需要補償負透鏡效應的焦距長度f"，以此作為光束透過離焦補償鏡I的焦距，并將光束透過離焦補償鏡I放置在空間激光通信光學天線2前段，從而完成附加焦距效應的補償。
【主權項】
1.機載激光通信附面層效應光學補償方法，其特征是:包括離焦補償鏡(I)、空間激光通信光學天線(2)、光學振鏡(3)、變形鏡(4)、分光片(5)、波前矯正控制器(6)、波前探測器(7)、光斑位置及大小探測器(8)以及振鏡控制器(9)，所述離焦補償鏡(I)沿光軸設置在空間激光通信光學天線(2)的前方；所述波前矯正控制器(6)通過電路分別與變形鏡(4)和波前探測器(7)連接；所述振鏡控制器(9)通過電路分別與光學振鏡(3)和光斑位置及大小探測器(8)連接; 光束經(jīng)過離焦補償鏡(I)入射到空間激光通信光學天線(2)進行縮束，出射光束經(jīng)過光學振鏡(3)反射入射到變形鏡(4)，光束經(jīng)變形鏡(4)反射到分光片(5)，分光片(5)將一路光束入射到波前探測器(7)上，另一路光束入射到光斑位置及大小探測器(8)上； 所述波前探測器(7)探測到空間激光通信光學天線(2)接收到的波前畸變信息，將波前畸變信息傳給波前矯正控制器(6);所述波前矯正控制器(6)計算出補償量，并將補償量通過控制命令傳給變形鏡(4)，變形鏡(4)接收控制命令，進行附面層波前畸變效應的自適應補償； 所述光斑位置及大小探測器(8)探測到空間激光通信光學天線(2)接收到的波前到達角的實時變化信息，并計算出補償量，將補償量通過控制命令傳給光學振鏡(3)，光學振鏡(3)接收控制命令，進行附面層光束到達角起伏變化以及附面層光束偏折的自適應補償； 所述光斑位置及大小探測器(8)探測到光斑彌散數(shù)值，預先計算出需要補償負透鏡效應的離焦量，根據(jù)離焦量設計離焦補償鏡(I)，并將離焦補償鏡(I)沿光軸放置在空間激光通信光學天線(2)前端，完成附加焦距效應的補償。
2.根據(jù)權利要求1所述的機載激光通信附面層效應光學補償方法，其特征是:所述光學振鏡(3)通過擺動控制光束的角度方向。
3.根據(jù)權利要求1所述的機載激光通信附面層效應光學補償方法，其特征是:所述變形鏡(4)為反射式變形鏡或透射式變形鏡。
4.根據(jù)權利要求1所述的機載激光通信附面層效應光學補償方法，其特征是:所述分光片(5)為能量分光片。
【專利摘要】機載激光通信附面層效應的光學補償方法，屬于空間激光通信技術領域，包括離焦補償鏡、空間激光通信光學天線、光學振鏡、變形鏡、分光片、波前矯正控制器、波前探測器、光斑位置及大小探測器以及振鏡控制器，所述離焦補償鏡設置在空間激光通信光學天線的前方，且與水平面垂直設置；所述波前矯正控制器通過電路分別與變形鏡和波前探測器連接；所述振鏡控制器通過電路分別與光學振鏡和光斑位置及大小探測器連接。本發(fā)明可緩解氣動光學附面層效應引起的光束波前畸變，到達角起伏，光束偏折和附加焦距效應，并提高空間激光通信終端在機載平臺的環(huán)境適應性。
【IPC分類】G02B26-06
【公開號】CN104730708
【申請?zhí)枴緾N201510166904
【發(fā)明人】胡源, 高天元, 姜會林, 佟首峰, 張立中
【申請人】長春理工大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年4月10日