基于無線光通信設備的多光軸平行度校正系統研究

［許新勇 譚乃悅 馬擁華 馬建軍］

1 引言

隨著無線光通信技術的不斷發展，多光譜多光軸共光路的光電探測系統已經廣泛的應用于各種平臺的無線光通信設備之上。這類設備一般包含信標發射、粗跟蹤接收、信號發射、精跟蹤接收以及信號接收等多個主被動光軸，同時包含信標光和信號光兩種不同的波長。各個光軸之間的平行度是無線光通信設備非常重要的指標。信標發射與粗跟蹤接收光軸之間平行度影響設備的掃描捕獲成功概率，信標發射與精跟蹤接收光軸之間平行度影響設備能否正常跟蹤，信號發射與精跟蹤接收光軸之間平行度影響對端設備的接收功率，信號發射與信號接收光軸之間平行度直接影響本端設備的接收功率。總之，各光軸之間的平行度直接影響無線光通信設備的掃描捕獲跟蹤和通信性能。目前提出的一些針對多光軸平行性檢測的裝置適應性不足。本文提出了一種基于無線光通信設備的多光軸平行度校正系統，實現多光軸平行度校正，并采用自校準機制，實現了該系統不受環境變化的影響。

2 系統方案

多光軸平行度校正系統主要由離軸式平行光管、目標靶、成像監控系統、水平電動導軌以及上位機等組成。系統能夠發射近似遠場的調試光源并接收無線光通信設備發射的光束，從而實現多光軸的平行度校正，系統原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統原理框圖

離軸式平行光管由離軸拋物面反射鏡和次反射鏡組成，系統焦距2 m，主要用于對無線光通信設備發射激光進行聚焦并將目標靶的特種光纖發射激光束進行準直擴束。目標靶由激光接收靶、特種光纖激光發射口、紅外一體化光源、指示激光和水平電動導軌組成。激光靶采用光學轉換片，可接收無線光通信設備發射的激光并轉換成可見光；特種光纖激光發射口是利用800 nm 和1 550 nm 等無線光通信常用波長的光纖激光光源，耦合進超高數值孔徑的單模光纖作為調試光源；紅外一體化光源采用熱輻射產生紅外光照亮紅外靶板；指示光是紅色準直激光束，調試時作為基準光軸；水平電動導軌主要功能用于上述各目標靶之間的切換，在上位機軟件上利用電控系統可自動切換所需要的目標靶；成像監控設備位于離軸拋物面反射鏡出射光路中，由成像物鏡和相機組成，對目標靶進行觀察和成像并采集靶面圖像，通過上位機圖像解算方法計算并測試光軸與基準光軸的偏差；上位機軟件主要包括成像監控圖像顯示、目標靶選擇、光源設定和測試結果顯示等功能，分別實現觀察成像監控系統所采集到的靶面圖像、控制各目標靶之間的切換、控制紅外一體化光源的各參數和被測光軸與基準光軸之間平行度計算結果。

3 系統平行度誤差分析

影響多光軸平行度校正系統的平行度調試精度有3個：離軸式平行光管、電動導軌切換精度以及成像監控相機質心解算誤差。

離軸式平行光管帶來的平行度誤差主要是由特種光纖芯徑大小和離軸反射鏡面形精度引起的。離軸反射鏡面形精度優于λ/40（λ=632.8 nm），因此面形精度引起的平行度誤差可忽略不計。由于特種光纖出光并不是嚴格意義上的點光源，而是一個直徑很小的面光源，面光源發光經過平行光管準直后出射光束具有一定的發散角，影響平行度誤差計算公式如下：

電動導軌切換精度直接影響系統各目標靶之間的平行度測試精度，導軌通過控制系統將各目標靶切換至離軸式平行光管的焦點處，切換精度引起的平行度誤差為：

成像監控相機質心解算誤差主要與相機像元尺寸與成像物鏡焦距有關，質心解算誤差引起的平行度誤差為:

4 自校準系統

多光軸平行度校正系統長時間使用時，受環境溫度、平臺振動等影響，使得光機系統變形，容易導致多光軸平行度校正系統平行度調試誤差增加。解決的方法是在離軸反射式光學系統中加入成像監控系統，利用成像監控系統對靶面的特種光纖激光發射口進行觀察、成像并采集光斑圖像，通過對光斑圖像進行質心解算，確定基準光軸位置，在長時間調試測試過程中隨時對這一基準光軸進行自校準，并且無線光通信設備的多個光軸平行度校正都是以該基準進行平行標校，避免平行度調試過程受環境影響，提高設備平行度調試精度。自校準系統主要由特種光纖激光發射光源、離軸式平行光管、成像監控系統、上位機以及軟件等組成。自校準原理框圖如圖2 所示。

圖2 自校準系統原理框圖

5 實驗結果分析

利用多光軸平行度校正系統對無線光通信設備的光軸平行度進行調試實驗。多光軸平行度校正系統及調試現場如圖3 所示。

圖3 光軸平行度校正系統及調試現場

無線光通信設備的設計通信距離為10 km，信號光波長為1 550 nm，信號發射光路發散角為0.2 mrad，信號接收視場角為0.57 mrad，信標光波長為808 nm，信標發射光路發散角為1.5 mard，粗跟蹤接收光路的接收視場角為，精跟蹤接收光路的接收視場角為2 mrad。無線光通信設備兩終端利用多光軸平行度校正儀調試后，在相距10 km 的外場固定點進行掃描捕獲跟蹤通信全流程實驗，實驗結果表明，當建立穩定的通信鏈路后，兩端設備的粗跟蹤探測器和精跟蹤探測器上的接收光斑質心與室內測試跟蹤點一致，信號探測器同時接收最大功率，與視場中心相差約32 μrad。實驗驗證了多光軸平行度校正系統的調試測試精度，滿足近距離無線光通信設備平行度校正實際應用需求。

6 結束語

本文設計了一種基于無線光通信設備的多光軸平行度校正系統,利用自校準機制實現觀察成像與光軸偏差測量,提高了平行度調試測試精度。該系統具有調試方便、不受環境變化影響等優點,為實現多光譜多光軸的無線光通信設備平行度裝調具有非常重要的意義。