基于无线光通信设备的多光轴平行度校正系统研究

2021-06-28许新勇谭乃悦马拥华马建军

广东通信技术 2021年6期

［许新勇谭乃悦马拥华马建军］

1 引言

随着无线光通信技术的不断发展，多光谱多光轴共光路的光电探测系统已经广泛的应用于各种平台的无线光通信设备之上。这类设备一般包含信标发射、粗跟踪接收、信号发射、精跟踪接收以及信号接收等多个主被动光轴，同时包含信标光和信号光两种不同的波长。各个光轴之间的平行度是无线光通信设备非常重要的指标。信标发射与粗跟踪接收光轴之间平行度影响设备的扫描捕获成功概率，信标发射与精跟踪接收光轴之间平行度影响设备能否正常跟踪，信号发射与精跟踪接收光轴之间平行度影响对端设备的接收功率，信号发射与信号接收光轴之间平行度直接影响本端设备的接收功率。总之，各光轴之间的平行度直接影响无线光通信设备的扫描捕获跟踪和通信性能。目前提出的一些针对多光轴平行性检测的装置适应性不足。本文提出了一种基于无线光通信设备的多光轴平行度校正系统，实现多光轴平行度校正，并采用自校准机制，实现了该系统不受环境变化的影响。

2 系统方案

多光轴平行度校正系统主要由离轴式平行光管、目标靶、成像监控系统、水平电动导轨以及上位机等组成。系统能够发射近似远场的调试光源并接收无线光通信设备发射的光束，从而实现多光轴的平行度校正，系统原理框图如图1 所示。

图1 系统原理框图

离轴式平行光管由离轴抛物面反射镜和次反射镜组成，系统焦距2 m，主要用于对无线光通信设备发射激光进行聚焦并将目标靶的特种光纤发射激光束进行准直扩束。目标靶由激光接收靶、特种光纤激光发射口、红外一体化光源、指示激光和水平电动导轨组成。激光靶采用光学转换片，可接收无线光通信设备发射的激光并转换成可见光；特种光纤激光发射口是利用800 nm 和1 550 nm 等无线光通信常用波长的光纤激光光源，耦合进超高数值孔径的单模光纤作为调试光源；红外一体化光源采用热辐射产生红外光照亮红外靶板；指示光是红色准直激光束，调试时作为基准光轴；水平电动导轨主要功能用于上述各目标靶之间的切换，在上位机软件上利用电控系统可自动切换所需要的目标靶；成像监控设备位于离轴抛物面反射镜出射光路中，由成像物镜和相机组成，对目标靶进行观察和成像并采集靶面图像，通过上位机图像解算方法计算并测试光轴与基准光轴的偏差；上位机软件主要包括成像监控图像显示、目标靶选择、光源设定和测试结果显示等功能，分别实现观察成像监控系统所采集到的靶面图像、控制各目标靶之间的切换、控制红外一体化光源的各参数和被测光轴与基准光轴之间平行度计算结果。

3 系统平行度误差分析

影响多光轴平行度校正系统的平行度调试精度有3个：离轴式平行光管、电动导轨切换精度以及成像监控相机质心解算误差。

离轴式平行光管带来的平行度误差主要是由特种光纤芯径大小和离轴反射镜面形精度引起的。离轴反射镜面形精度优于λ/40（λ=632.8 nm），因此面形精度引起的平行度误差可忽略不计。由于特种光纤出光并不是严格意义上的点光源，而是一个直径很小的面光源，面光源发光经过平行光管准直后出射光束具有一定的发散角，影响平行度误差计算公式如下：

电动导轨切换精度直接影响系统各目标靶之间的平行度测试精度，导轨通过控制系统将各目标靶切换至离轴式平行光管的焦点处，切换精度引起的平行度误差为：

成像监控相机质心解算误差主要与相机像元尺寸与成像物镜焦距有关，质心解算误差引起的平行度误差为:

4 自校准系统

多光轴平行度校正系统长时间使用时，受环境温度、平台振动等影响，使得光机系统变形，容易导致多光轴平行度校正系统平行度调试误差增加。解决的方法是在离轴反射式光学系统中加入成像监控系统，利用成像监控系统对靶面的特种光纤激光发射口进行观察、成像并采集光斑图像，通过对光斑图像进行质心解算，确定基准光轴位置，在长时间调试测试过程中随时对这一基准光轴进行自校准，并且无线光通信设备的多个光轴平行度校正都是以该基准进行平行标校，避免平行度调试过程受环境影响，提高设备平行度调试精度。自校准系统主要由特种光纤激光发射光源、离轴式平行光管、成像监控系统、上位机以及软件等组成。自校准原理框图如图2 所示。

图2 自校准系统原理框图

5 实验结果分析

利用多光轴平行度校正系统对无线光通信设备的光轴平行度进行调试实验。多光轴平行度校正系统及调试现场如图3 所示。

图3 光轴平行度校正系统及调试现场

无线光通信设备的设计通信距离为10 km，信号光波长为1 550 nm，信号发射光路发散角为0.2 mrad，信号接收视场角为0.57 mrad，信标光波长为808 nm，信标发射光路发散角为1.5 mard，粗跟踪接收光路的接收视场角为，精跟踪接收光路的接收视场角为2 mrad。无线光通信设备两终端利用多光轴平行度校正仪调试后，在相距10 km 的外场固定点进行扫描捕获跟踪通信全流程实验，实验结果表明，当建立稳定的通信链路后，两端设备的粗跟踪探测器和精跟踪探测器上的接收光斑质心与室内测试跟踪点一致，信号探测器同时接收最大功率，与视场中心相差约32 μrad。实验验证了多光轴平行度校正系统的调试测试精度，满足近距离无线光通信设备平行度校正实际应用需求。