基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法

摘要

本发明公开了基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，S1.将单模光纤磨抛成矩形单模光纤，S2.在矩形单模光纤的磨抛面上镀反射膜，S3.制备光纤型四象限结构，S4.采用寻峰算法寻找空间光和光纤的最大耦合效率的坐标点，并标记为初始坐标，S5.光纤型四象限结构持续接收光斑的光强能量，传输到数据处理中心，数据处理中心获得光纤型四象限结构接收到的光强数据后发送包括通信信息、光斑相对位置和耦合效率到上位机，S6.动态调整快反镜的姿态保证光斑的中心位置处于初始坐标；本发明耦合效率高，电磁干扰下采集的光强数据的准确性高、稳定性强，体积小、质量轻、成本低，为空间光通信领域提供了一个新方法。

权利要求

1.一种基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.将单模光纤磨抛成矩形单模光纤，并用高精度CCD相机观察矩形单模光纤的端面，以确认光纤的尺寸和纤芯的完好；

S2.在矩形单模光纤的磨抛面上镀反射膜；

S3.采用适配的定制器具将四根经过步骤S2操作的矩形单模光纤进行固定粘连，并通过光纤切割刀切割以制备成用于空间二位偏角测量和通信的一体化的光纤型四象限结构；

S4.将光纤型四象限结构布置在空间光和光纤耦合装置上，采用寻峰算法寻找空间光和光纤的最大耦合效率的坐标点，并标记为初始坐标，其中，所述空间光和光纤耦合装置包括接收光信号的接收天线、位于接收天线传递下级用于将接收天线接受到的光汇聚成光斑的汇聚透镜、位于汇聚透镜传递下级用于调整光斑位置的快反镜、位于快反镜传递下级用于接收光信号和测量光斑位置的光纤型四象限结构、位于光纤型四象限结构传递下级用于处理光纤型四象限结构接收到的光强数据的数据处理中心、位于数据处理中心传递下级的上位机；

S5.光纤型四象限结构持续接收光斑的光强能量，传输到数据处理中心，数据处理中心获得光纤型四象限结构接收到的光强数据后发送包括通信信息、光斑相对位置和耦合效率到上位机；

S6.当光斑偏离预设的初始位置时，数据处理中心根据当前光纤型四象限结构接收到的光强与公式计算出当前光斑的中心位置，并调整快反镜的姿态保证光斑的中心位置处于初始坐标，以保证最大的空间光耦合效率和光通信的稳定性。

2.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，其特征在于：所述单模光纤的包层为125μm，纤芯为8.9μm。

3.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，其特征在于，所述S1的具体操作如下：取单模光纤与适配的且每隔90°标有标识的毛细管进行粘连，将粘连后的单模光纤固定在磨抛机上并对其一侧进行磨抛，然后根据毛细管上的标识将单模光纤顺时针旋转90°后再次进行磨抛，旋转一周后，获得边长为15±0.5μm的矩形单模光纤。

4.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，其特征在于：所述S3的具体操作如下：首先，利用适配的定制器具将四根矩形单模光纤未磨抛的部位固定在一起；

其次，接着利用毛细管将磨抛的部位以四象限的方式固定；

再次，再将固定的四根矩形单模光纤进行粘连；

最后，将粘连制备后的结构布置在光纤切割刀上，并用光纤切割刀切割光纤，进而得到基于光纤耦合的空间二位偏角测量和通信的一体化的光纤型四象限结构。

5.根据权利要求4所述的基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，其特征在于：所述光纤型四象限结构包括第一矩形单模光纤、第二矩形单模光纤、第三矩形单模光纤、第四矩形单模光纤。

6.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，其特征在于：所述数据处理中心根据光强数据判断光斑的位置，当判断光斑偏移初始定位，则通过快反镜调整光斑的坐标保持在初始位置。

7.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，其特征在于：所述上位机接收包括来自数据处理中心的光斑位置数据、耦合效率和光纤型四象限结构接收到的光强数据。

8.根据权利要求1所述的基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，其特征在于，所述S6中计算光斑的中心位置的计算公式为：式中，x和y为光斑中心与光纤型四象限结构中心在水平和竖直的相对距离；Ei(i＝1，

2，3，4)为每个象限所接收的光斑能量；Ex为四象限探测器水平方向的偏置光强；Ey为四象限探测器竖直方向的偏置光强。

说明书

基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种空间二维偏角测量通信一体化实现方法，尤其涉及一种基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法。

背景技术

[0002] 无线光通信是光波为载波进行数据传输的一种通信方式，其中信号光与从自由空间光耦合进光纤是无线光通信的重要环节，其中的光纤耦合效率是制约无线光通信的重要因素，而单模光纤由于纤芯直径小，外界的大气湍流、随机角抖动和波前畸变等因素会严重影响光纤的耦合效率。因此，如何提高空间光耦合光纤的效率受到了越来越广泛的关注。

[0003] 如果将空间光与单模光纤直接进行耦合，大气湍流、随机角抖动和波前形变等外界因素会严重影响单模光纤的耦合效率，导致光通信质量下降和断链等严重问题。尽管多模光纤由于纤芯直径大，可以有效抗大气湍流，且能提高耦合效率，但由于模间串扰，模式色散等一系列问题，不能实现高速通信。

[0004] 为了缓解大气湍流和随机角抖动等外界因素的干扰，现有的空间光与光纤耦合方法主要是通过快速反射镜和相位控制器等自适应设备，并通过算法优化来提高单模光纤的耦合效率，但由于无法确定单模光纤的纤芯位置，难以更进一步的提高光纤的耦合效率。

[0005] 目前虽然有利用四象限定位光纤的方法，但现有的四象限都是光电探测器构成，需要将照射到探测器表面的光强转变为相应的电压信号，这个过程容易受到电磁干扰，且探头尺寸过大，不适合在精密测试中应用。综上所述，当前需要一种抗干扰能力强、能快速定位光纤位置且高精度的方法，因此，本发明提出了一种基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化的方法。

发明内容

[0006] 为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，针对现有技术存在的问题，结合光纤的特点，提出并制备了一种光纤型四象限结构，以更高精度和更快速的定位光纤位置，进一步提高和稳定空间光和光纤的耦合效率、提高空间光通信的质量和稳定性、降低光通信终端的体积、简化最大耦合效率处的定位流程和提高抗外界干扰能力，实现空间二位偏角测量和通信的一体化。

[0007] 为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，包括以下步骤：

[0008] S1.将单模光纤磨抛成矩形单模光纤，并用高精度CCD相机观察矩形单模光纤的端面，以确认光纤的尺寸和纤芯的完好；

[0009] S2.在矩形单模光纤的磨抛面上镀反射膜；

[0010] S3.采用适配的定制器具将四根经过步骤S2操作的矩形单模光纤进行固定粘连，并通过光纤切割刀切割以制备成用于空间二位偏角测量和通信的一体化的光纤型四象限结构；

[0011] S4.将光纤型四象限结构布置在空间光和光纤耦合装置上，采用寻峰算法寻找空间光和光纤的最大耦合效率的坐标点，并标记为初始坐标；

[0012] S5.光纤型四象限结构持续接收光斑的光强能量，传输到数据处理中心，数据处理中心获得光纤型四象限结构接收到的光强数据后发送包括通信信息、光斑相对位置和耦合效率到上位机；

[0013] S6.当光斑偏离预设的初始位置时，数据处理中心根据当前光纤型四象限结构接收到的光强与公式计算出当前光斑的中心位置，并调整快反镜的姿态保证光斑的中心位置处于初始坐标，以保证最大的空间光耦合效率和光通信的稳定性。

[0014] 进一步地，单模光纤的包层为125μm，纤芯为8.9μm。

[0015] 进一步地，S1的具体操作如下：

[0016] 取单模光纤与适配的且每隔90°标有标识的毛细管进行粘连，将粘连后的单模光纤固定在磨抛机上并对其一侧进行磨抛，然后根据毛细管上的标识将单模光纤顺时针旋转90°后再次进行磨抛，旋转一周后，获得边长为15±0.5μm的矩形单模光纤。

[0017] 进一步地，S3的具体操作如下：

[0018] 首先，利用适配的定制器具将四根矩形单模光纤未磨抛的部位固定在一起；

[0019] 其次，接着利用毛细管将磨抛的部位以四象限的方式固定；

[0020] 再次，再将固定的四根矩形单模光纤进行粘连；

[0021] 最后，将粘连制备后的结构布置在光纤切割刀上，并用光纤切割刀切割光纤，进而得到基于光纤耦合的空间二位偏角测量和通信的一体化的光纤型四象限结构。

[0022] 进一步地，光纤型四象限结构包括第一矩形单模光纤、第二矩形单模光纤、第三矩形单模光纤、第四矩形单模光纤。

[0023] 进一步地，空间光和光纤耦合装置包括接收光信号的接收天线、位于接收天线传递下级用于将接收天线接受到的光汇聚成光斑的汇聚透镜、位于汇聚透镜传递下级用于调整光斑位置的快反镜、位于快反镜传递下级用于接收光信号和测量光斑位置的光纤型四象限结构、位于光纤型四象限结构传递下级用于处理光纤型四象限结构接收到的光强数据的数据处理中心、位于数据处理中心传递下级的上位机。

[0024] 进一步地，数据处理中心根据光强数据判断光斑的位置，当判断光斑偏移初始定位，则通过快反镜调整光斑的坐标保持在初始位置。

[0025] 进一步地，上位机接收包括来自数据处理中心的光斑位置数据、耦合效率和光纤型四象限结构接收到的光强数据。

[0026] 进一步地，S6中计算光斑的中心位置的计算公式为：

[0027]

[0028]

[0029] 式中，x和y为光斑中心与光纤型四象限结构中心在水平和竖直的相对距离；Ei(i＝1，2，3，4)为每个象限所接收的光斑能量；Ex为四象限探测器水平方向的偏置光强；Ey为四象限探测器竖直方向的偏置光强。

[0030] 本发明公开了基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，利用磨抛机对单模光纤进行深度加工，获得四根矩形单模光纤，将其固定粘连并固化后，用光纤切割刀对光纤进行切割，获得光纤型四象限探测器；

[0031] 不仅如此，本发明中的光纤型四象限探测器可以探测光斑相对于四象限中心的位置，并将采集到光强能量通过光纤发送到数据处理中心，数据处理中心采集四根光纤所接收到的光强，计算光斑的位置坐标并将四个象限接收的光能量进行耦合后，处理光通信的信息，并将相关数据在上位机呈现，与现有的空间光和光纤耦合方法相比，具有如下优点：

[0032] 1)相较于光敏性四象限，本发明不需要考虑“死区”对四象限探测性能的影响，只需要检测每根光纤接收到的光强便可计算出光斑的中心的坐标，可以快速定位空间光和光纤的最大耦合效率。此外，由于光纤的特性，本发明可以有效抗电磁干扰，可以保证在电磁干扰环境下采集的光强数据的准确性。

[0033] 2)本发明的光纤型四象限可以探测微米级光斑的位置，且可靠性高，稳定性强，实现对最大空间光和光纤位置的高精度定位，有效提高了光通信的稳定性和可靠性，为进一步提高和稳定空间光和光纤的耦合效率提供了新的方法。

[0034] 3)本发明体积小、质量轻和成本低，且不需要复杂的结构调整光斑位置，对与光通信终端的整体质量和体积没有明显影响，符合光通信终端的小型化和轻量化的发展需求，切实解决了由于单模光纤的纤芯直径小而导致的空间光和单模光纤耦合效率低和稳定性的等问题，为空间光通信领域提供了一个新方法。

附图说明

[0035] 图1为本发明的矩形单模光纤的示意图。

[0036] 图2为本发明的光纤型四象限探测器的端面。

[0037] 图3为本发明的光纤型四象限结构示意图。

[0038] 图4为本发明的空间光和光纤耦合装置。

[0039] 图5为本发明的光纤型四象限定位原理示意图。

[0040] 图中：1、纤芯；2、包层；3、第一矩形单模光纤；4、第二矩形单模光纤；5、第三矩形单模光纤；6、第四矩形单模光纤；7、接收天线；8、汇聚透镜；9、快反镜；10、光纤型四象限结构；11、数据处理中心；12、上位机；13、光斑。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0042] 如图1‑5共同所示，本实施例关于一种基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，包括以下步骤：

[0043] S1.将单模光纤磨抛成如图1所示的矩形单模光纤，并用高精度CCD相机观察矩形单模光纤的端面，以确认光纤的尺寸和纤芯1的完好。

[0044] 优选的，如图1所示，单模光纤的包层2为125μm，纤芯1为8.9μm。

[0045] 具体的，由于单模光纤直径小，因此取单模光纤与适配的且每隔90°标有标识的毛细管进行粘连，将粘连后的单模光纤固定在磨抛机上并对其一侧进行磨抛，在此过程中，通过控制磨抛机的磨抛时间对单模光纤的制备尺寸进行控制，并在该侧磨抛完成后运用测量仪器观察单模光纤端面以保证磨抛后的尺寸，然后根据毛细管上的标识将单模光纤顺时针旋转90°后再次进行磨抛，旋转一周后，获得边长为15±0.5μm的矩形单模光纤。

[0046] S2.在矩形单模光纤的磨抛面上镀反射膜。

[0047] S3.采用适配的定制器具将四根经过步骤S2操作的矩形单模光纤进行固定粘连，并通过光纤切割刀切割以制备成用于空间二位偏角测量和通信的一体化的光纤型四象限结构10。

[0048] 具体的，首先，利用适配的定制器具将四根矩形单模光纤未磨抛的部位固定在一起；其次，接着利用毛细管将磨抛的部位以四象限的方式固定；再次，再将固定的四根矩形单模光纤进行粘连；最后，将粘连制备后的结构布置在光纤切割刀上，并用光纤切割刀切割光纤以保证光纤端面的平滑，进而得到基于光纤耦合的空间二位偏角测量和通信的一体化的光纤型四象限结构10。

[0049] 光纤型四象限结构10包括第一矩形单模光纤3、第二矩形单模光纤4、第三矩形单模光纤5、第四矩形单模光纤6，可以理解的是，如图2所示的光纤型四象限探测器的端面可以看出，光纤型四象限探测器由四根矩形单模光纤组成。

[0050] 至此，如图3所示的光纤型四象限结构10，其单模光纤的纤芯基模的模场直径为10.5±1μm，为了降低四根矩形单模光纤纤芯之间的模间串扰，首先保证了纤芯之间的距离至少为15μm，不仅如此，在矩形单模光纤上镀上的反射膜不仅能保证各个象限的模式不去干扰其他的象限，还能最大程度的保留各个象限所接收到的光能量。

[0051] S4.将光纤型四象限结构10布置在空间光和光纤耦合装置上，采用寻峰算法寻找空间光和光纤的最大耦合效率的坐标点，并标记为初始坐标。

[0052] 在本实施例中，如图4所示，空间光和光纤耦合装置包括接收光信号的接收天线7、位于接收天线7传递下级用于将接收天线接受到的光汇聚成光斑的汇聚透镜8、位于汇聚透镜8传递下级用于调整光斑位置的快反镜9、位于快反镜9传递下级用于接收光信号和测量光斑位置的光纤型四象限结构10、位于光纤型四象限结构10传递下级用于处理光纤型四象限结构接收到的光强数据的数据处理中心11、位于数据处理中心11传递下级的上位机12。

[0053] 本实施例的具体操作如下：

[0054] 在光通信中，当光信号被瞄准、捕获、跟踪和建链后；

[0055] 首先，通过接收天线7接收光信号，再通过汇聚透镜8汇聚成光斑13后照射到快反镜9上，快反镜9将光斑13调整到光纤型四象限结构10的端面上，且光斑尺寸需要覆盖第一矩形单模光纤3、第二矩形单模光纤4、第三矩形单模光纤5、第四矩形单模光纤6；

[0056] 其次，采用寻峰算法让快反镜9持续调整光斑13位置扫描光纤型四象限的端面，通过寻峰算法获得最大的空间光和光纤耦合效率的光斑13坐标点，设置为初始坐标，并记录当前四个象限接收的光强度为初始强度，需要说明的是，寻峰算法为现有技术，故此不进行说明。

[0057] S5.光纤型四象限结构10持续接收光斑的光强能量，传输到数据处理中心11，数据处理中心11获得光纤型四象限结构10接收到的光强数据后发送包括通信信息、光斑相对位置和耦合效率到上位机12。

[0058] 优选的，数据处理中心11根据光强数据判断光斑13的位置，当判断光斑13偏移初始定位，则通过快反镜9调整光斑13的坐标保持在初始位置。

[0059] 优选的，上位机12接收包括来自数据处理中心11的光斑13位置数据、耦合效率和光纤型四象限结构10接收到的光强数据。

[0060] S6.当光斑13偏离预设的初始位置时，数据处理中心11根据当前光纤型四象限结构10接收到的光强与公式计算出当前光斑13的中心位置，并调整快反镜9的姿态保证光斑13的中心位置处于初始坐标，以保证最大的空间光耦合效率和光通信的稳定性。

[0061] 计算光斑13的中心位置的计算公式为：

[0062]

[0063]

[0064] 式中，x和y为光斑中心与光纤型四象限结构中心在水平和竖直的相对距离；Ei(i＝1，2，3，4)为每个象限所接收的光斑能量；Ex为四象限探测器水平方向的偏置光强；Ey为四象限探测器竖直方向的偏置光强；

[0065] 由公式(1)和(2)可知，当四个象限所接收到的光强相等时，光斑13的中心处于光纤型四象限探测器的中心。

[0066] 基于上述步骤，光纤型四象限光斑定位原理如图5所示，光斑13的尺寸为四象限的内切圆。

[0067] 如此，本发明公开的基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法，利用磨抛机对单模光纤进行深度加工，获得四根矩形单模光纤，将其固定粘连并固化后，用光纤切割刀对光纤进行切割，获得光纤型四象限探测器；

[0068] 不仅如此，本发明中的光纤型四象限探测器可以探测光斑相对于四象限中心的位置，并将采集到光强能量通过光纤发送到数据处理中心，数据处理中心采集四根光纤所接收到的光强，计算光斑的位置坐标并将四个象限接收的光能量进行耦合后，处理光通信的信息，并将相关数据在上位机呈现，与现有的空间光和光纤耦合方法相比，具有如下优点：

[0069] 1)相较于光敏性四象限，本发明不需要考虑“死区”对四象限探测性能的影响，只需要检测每根光纤接收到的光强便可计算出光斑的中心的坐标，可以快速定位空间光和光纤的最大耦合效率。此外，由于光纤的特性，本发明可以有效抗电磁干扰，可以保证在电磁干扰环境下采集的光强数据的准确性。

[0070] 2)本发明的光纤型四象限可以探测微米级光斑的位置，且可靠性高，稳定性强，实现对最大空间光和光纤位置的高精度定位，有效提高了光通信的稳定性和可靠性，为进一步提高和稳定空间光和光纤的耦合效率提供了新的方法。

[0071] 3)本发明体积小、质量轻和成本低，且不需要复杂的结构调整光斑位置，对与光通信终端的整体质量和体积没有明显影响，符合光通信终端的小型化和轻量化的发展需求，切实解决了由于单模光纤的纤芯直径小而导致的空间光和单模光纤耦合效率低和稳定性的等问题，为空间光通信领域提供了一个新方法。

[0072] 上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。