CN111999875A - 共用双焦点光学天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明共用双焦点光学天线系统，该系统中心为旋转双叶双曲面反射镜，其有内、外两个焦点，位于旋转双曲面反射镜内的焦点为内焦点，位于旋转双曲面反射镜外的焦点为外焦点。多组会聚透镜单元分布在旋转双曲面反射镜外侧，每组会聚透镜单元的焦点均与双叶双曲面反射镜的内焦点重合即共用内焦点，发散透镜单元的焦点与双叶双曲面的外焦点重合即共用外焦点。各会聚透镜单元分别位于以旋转双曲反射镜内焦点为球心，以每个会聚透镜单元的焦距为半径的空间球面任意位置处，由控制系统调整凸透镜单元在各自空间球面上的位置变化。发散透镜单元位于双叶双曲面反射镜的下方，其光轴与双叶双曲面反射镜的旋转轴重合。

Description

共用双焦点光学天线系统

技术领域

本发明一种共用双焦点光学天线系统，属于光学遥感通信技术领域。

背景技术

随着信息传输量呈指数级增长，未来用户对数据传输能力的需求越来越高。而激光通信相比射频通信具有较多明显优势，包括数据传输快，能量损耗低，带宽大，通信终端尺寸小，且抗干扰、保密性好等等，呈现出方兴未艾的发展态势。利用激光通信技术能够实现对战场的敌我态势感知、自然灾害状态等进行“现场直播”式的实时传送，因此激光通信技术从实现国防安全到服务国计民生都有重大意义，是涉及国家战略安全的重要通信手段，且特别适用于无人平台、飞机、卫星等载荷能力有限、数据传输量大的通信平台。

各国目前的激光通信终端只能完成点对点的通信，且通信形式单一，通信节点少的缺点十分明显。而支持多平台节点激光通信组网模式的光学天线研究成果比较有限，例如将多个一对一通信光端机进行简单多向分布排列，尚未有较完善的光学天线应用。相关结构存在总体结构过于庞大，通信节点少，能量损耗大，结构设计困难等等弱点，这大大限制了激光通信技术的发展与应用。

为了克服当前各种系统的不足，需要设计新的光学系统来满足未来多种需要。

发明内容

本发明的结构解决的问题是：为了克服现有的一对多激光通信设备天线装置存在的视场小、体积大、无法跟踪捕获且成本高的问题。本发明提供的一种容易实现小型化轻量化的共双焦点的天线装置。

本发明的技术解决方案为：一种共用双焦点光学天线系统，包括双叶双曲面反射镜、发散透镜单元、会聚透镜单元和控制系统；

所述中心为双叶双曲面反射镜，双叶双曲面反射镜有内、外两个焦点；位于旋转双曲面反射镜内的焦点为内焦点，位于旋转双曲面反射镜外的焦点为外焦点；多组会聚透镜单元分布在旋转双曲面反射镜外侧，每组会聚透镜单元的焦点均与双叶双曲面反射镜的内焦点重合，即共用内焦点，发散透镜单元的焦点与双叶双曲面反射镜的外焦点重合，即共用外焦点；控制系统由转动臂、旋转轴、圆弧形滑轨以及相关控制结构组成；转动臂能够围绕旋转轴做圆周运动，会聚透镜单元能够在圆弧形滑轨上进行滑动，保证会聚透镜单元在以共用内焦点为圆心，以会聚透镜单元焦距为半径的球面空间运动；

当多束平行信号光从不同的空间角度入射至该光学天线系统，由控制系统的控制单元调整处于空闲状态下、调整时间最短的会聚透镜单元完成对合作目标的指向捕获跟踪，使该受控的会聚透镜单元光轴方向与信号光入射方向一致，将平行信号光射向双叶双曲面反射镜的内焦点，然后经双叶双曲面反射镜外表面反射后，向双叶双曲面反射镜的外焦点会聚，最后经发散透镜单元折射，形成与双叶双曲面旋转轴平行的出射信号光。

所述发散透镜单元采用多个光学透镜合成。

所述会聚透镜单元采用多个光学透镜合成，或衍射透射光学会聚元件。

所述会聚透镜单元中的所有光学透镜均处于以共用内焦点为球心、以各个凸透镜单元焦距为半径的球面任意位置。

双叶双曲面反射镜的内焦点到顶点距离为5mm。

内焦点和外焦点距离为50mm。

本发明有益效果：

本发明共用双焦点光学天线系统，其具有动态跟踪范围大，通信节点多、易于小型化轻量化、结构简单、后续信号处理相对容易等优点。能够实现多目标之间同时稳定指向、捕获、跟踪和组网通信。

1、本发明是当多束平行光从任意不同空间角度入射至本光学系统时，经过本系统不同的会聚透镜单元和双叶双曲面反射面光路折转之后再经凹透镜均可沿着与双叶双曲面中心轴平行的方向出射。而沿着主轴平行出射的激光束经过本系统进行光路折转之后也可以对外平行出射。因此，本系统能够同时完成接收和发射信息的功能，达到同时多平台间的信息交流。

2、发明透镜组3中的每个会聚透镜单元均在空间球面上运动，有很好的机动灵活性，能够在360°的方位角和较大的俯仰角(当双叶双曲面内焦点到顶点距离为5mm，内焦点和外焦点距离为50mm，下端开口大小为10mm时，通信俯仰角范围可达98°)之间进行捕获、跟踪和通信，提高了激光组网通信的通信质量以及实用范围。

3、本发明使用双叶双曲面反射镜在实际装调的过程中能够回避旋转抛物面只有一个内焦点难以标定的情况。双叶双曲面的光学性质使反射镜在标定的过程中能够以反射光线是否会聚到中心轴某一点为标准进行标定，大大降低了焦点标定的困难程度。

4、本发明采用的主体结构形式较为简单且更加紧凑，中间没有复杂的姿态控制电机等系统，容易实现小型化轻量化，在小型通信卫星上具有很大的发挥潜力。

附图说明

图1光学系统主要结构示意图；

图2光学系统的工作原理示意图；

图3双曲线光学原理示意图；

具体实施方式

如图1所示，一种由旋转双叶双曲面反射镜、发散透镜单元、会聚透镜单元以及控制系统组成的共用双焦点光学天线系统。系统结构是：中心为双叶双曲面反射镜1，双叶双曲面反射镜1有内、外两个焦点；位于旋转双曲面反射镜1内的焦点为内焦点，位于旋转双曲面反射镜外的焦点为外焦点。多组会聚透镜单元3分布在旋转双曲面反射镜外侧，每组会聚透镜单元3的焦点均与双叶双曲面反射镜1的内焦点重合，即共用内焦点，发散透镜单元2的焦点与双叶双曲面反射镜1的外焦点重合，即共用外焦点。控制系统由转动臂、旋转轴、圆弧形滑轨以及相关控制结构组成。转动臂能够围绕旋转轴做圆周运动，会聚透镜单元可以在滑轨上进行滑动，保证会聚透镜组在以共用内焦点为圆心，以透镜焦距为半径的球面空间运动。

将该共用双焦点光学天线系统安置在光学通信平台上，即可以实现多个平台间同时进行组网激光通信。

上述方案的原理是：

根据双叶双曲面反射镜1的光学特性可知：双叶双曲面具有当入射光线指向其内焦点时，外表面的反射光线将指向其外焦点的光学性质。而当会聚透镜单元的焦点与双叶双曲面反射镜的内焦点重合时，沿会聚透镜单元光轴平行入射的光束将会聚到双叶双曲面反射镜的外表面上后将出射至外焦点方向。当发散透镜单元焦点与双叶双曲面反射镜外焦点重合时，反射光线将平行于双叶双曲面旋转轴出射。光学原理如图3。

根据该系统上述工作方式特性和光路可逆的原理可知，当某个平台希望发送信息给其他平台时。该平台可以利用光源系统将信号光沿着双叶双曲面旋转轴发射出平行光，经过发散透镜单元2透射后光线到达双曲面反射镜1，经双曲面反射镜1反射后，由机电控制系统控制会聚透镜单元3的方位角度和俯仰角度使其光轴与目标对准，则反射光将经过会聚透镜单元向外平行定向出射。

当激光通信发射平台的平行信号光射至另一通信接收平台的光学天线系统时，接收端光学天线将根据相关软件算法由机电控制系统调整透镜单元到最佳接收位置，即使其光轴与入射信号光束平行，则经过透镜单元的信号光将遵循双叶双曲面的光学特性，平行于双叶双曲面旋转轴出射至后续的光学接收系统，再由后续系统对平行信号光进行分光、接收和解调等处理形成有效信息。

如图2所示，整个系统整体采用双叶双曲面反射镜1和发散透镜单元2和多组会聚透镜单元3及控制结构4组成，其中发散透镜单元2的焦点与双叶双曲面的外焦点重合，多组会聚透镜单元3中每个会聚透镜单元的焦点均与双叶双曲反射面1的内焦点重合即共用内焦点，各透镜单元分别位于以此共用内焦点为球心每个透镜单元的焦距为半径的空间球面上任意位置，由控制结构4对其进行方位和俯仰角度进行调整。这种结构即本发明的基本形式。

当平行入射的视场光线从空间任一方向入射时，机电控制系统4，根据控制软件给出的具体算法选择会聚透镜组3中处于最佳状态下的透镜单元进行方位角和俯仰角的调整，使该透镜单元的光轴与入射光束的方向保持一致，则平行光束经此透镜单元会聚透射后，再经双叶双曲面反射镜1反射后成为指向双叶双曲面外焦点的光线，再经发散透镜单元2成为与双叶双曲面反射镜旋转轴平行的出射光。根据不同的任务要求与环境，由信号处理系统将平行出射的光信号进行分光与调制，转化成信号。根据光路可逆的原理，由中继光学系统发射的平行出射信号光束也可以经该光学天线系统透射和反射后，实现信号光束精确指目标向且平行出射，最终实现各个激光通信平台之间组网双向通信功能。

Claims (6)

1.一种共用双焦点光学天线系统，其特征在于：包括双叶双曲面反射镜(1)、发散透镜单元(2)、会聚透镜单元(3)和控制系统(4)；

所述中心为双叶双曲面反射镜(1)，双叶双曲面反射镜(1)有内、外两个焦点；位于旋转双曲面反射镜(1)内的焦点为内焦点，位于旋转双曲面反射镜(1)外的焦点为外焦点；多组会聚透镜单元(3)分布在旋转双曲面反射镜外侧，每组会聚透镜单元(3)的焦点均与双叶双曲面反射镜(1)的内焦点重合，即共用内焦点，发散透镜单元(2)的焦点与双叶双曲面反射镜(1)的外焦点重合，即共用外焦点；控制系统(4)由转动臂、旋转轴、圆弧形滑轨以及相关控制结构组成；转动臂能够围绕旋转轴做圆周运动，会聚透镜单元(3)能够在圆弧形滑轨上进行滑动，保证会聚透镜单元(3)在以共用内焦点为圆心，以会聚透镜单元(3)焦距为半径的球面空间运动；

当多束平行信号光从不同的空间角度入射至该光学天线系统，由控制系统(4)的控制单元调整处于空闲状态下、调整时间最短的会聚透镜单元完成对合作目标的指向捕获跟踪，使该受控的会聚透镜单元光轴方向与信号光入射方向一致，将平行信号光射向双叶双曲面反射镜(1)的内焦点，然后经双叶双曲面反射镜(1)外表面反射后，向双叶双曲面反射镜(1)的外焦点会聚，最后经发散透镜单元(2)折射，形成与双叶双曲面旋转轴平行的出射信号光。

2.根据权利要求1所述的一种共用双焦点光学天线系统，其特征在于：所述发散透镜单元(2)采用多个光学透镜合成。

3.根据权利要求1所述的一种共用双焦点光学天线系统，其特征在于：所述会聚透镜单元(3)采用多个光学透镜合成，或衍射透射光学会聚元件。

4.根据权利要求1所述的一种共用双焦点光学天线系统，其特征在于：所述会聚透镜单元(3)中的所有光学透镜均处于以共用内焦点为球心、以各个凸透镜单元焦距为半径的球面任意位置。

5.根据权利要求1所述的一种共用双焦点光学天线系统，其特征在于：双叶双曲面反射镜(1)的内焦点到顶点距离为5mm。

6.根据权利要求1所述的一种共用双焦点光学天线系统，其特征在于：内焦点和外焦点距离为50mm。

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