一种潜望式激光通信终端信号光偏振态控制系统与方法技术领域
本发明涉及一种潜望式激光通信终端信号光偏振态控制系统与方法，属于空间激
光通信技术领域。
背景技术
近几十年来，世界上许多国家投入大量资金和人力开展空间激光通信技术研究，
在理论研究、仿真模拟、关键技术攻关、原理样机研制、地面演示和多个链路的在轨试验研
究方面取得了多项成果。为适应未来海量数据传输的需求，空间激光通信通信体制逐渐由
强度调制-直接探测(IM/DD)向相位调制-相干探测(如BPSK，QPSK)转变，以实现远距离、高
速率的空间激光通信。相干空间激光通信系统中要求本振光偏振方向与信号光偏振方向一
致，才能实现较高的混频效率。本振光偏振方向可以保持恒定，但信号光偏振态受大气湍
流、粒子散射和终端中扫描反射镜相对运动的影响，很难保持恒定。实验表明系统信号光以
圆偏振态传输时，其偏振态几乎不受大气信道的影响，但空间激光通信系统所采用的潜望
式扫描机构由镀金属反射膜的反射镜组成，通过扫描反射镜的转动实现对目标的动态跟
踪，系统扫描反射镜的相对运动仍会造成接收信号光偏振态的改变，使其不能始终以45゜线
偏振光进入空间光混频器，导致系统性能下降。
因此，在采用潜望式扫描机构的相干空间激光通信终端工作工程中，必须对信号
光的偏振态进行实时控制，本发明则是一种潜望式激光通信终端信号光偏振态控制系统与
方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种潜望式激光通信终端信号光偏振态控制系统与方法，
解决了现有的潜望式空间激光通信终端中信号光偏振态随扫描机构方位、俯仰运动而变化
的问题。
本发明所采用的技术方案是包括潜望式扫描机构1、反射式激光通信光学天线2、
分光片3、四分之一波片控制组件4、二分之一波片控制组件5、空间光混频器6、实时控制器7
和电机控制器8；特定旋向的圆偏振信号光经过潜望式扫描机构、反射式激光通信天线、分
光片、四分之一波片、二分之一波片后以45゜线偏振光进入空间光混频器。其中：
1.潜望式扫描机构1由俯仰旋转电机组件1-1，反射镜1-2，方位旋转电机组件1-3
与反射镜1-4组成，俯仰旋转电机组件1-1与方位旋转电机组件1-3分别由旋转电机、光电编
码器等组成，负责测量潜望式扫描机构俯仰角与方位角数据，其测量精度为0.1度；
2.实时控制器7采用具有浮点运算功能的可编程器件，用来实时读取俯仰与方位
角数据，计算四分之一波片、二分之一波片的旋转角度，控制电机控制器；
3.电机控制器8用来读取实时控制器7输出指令和控制波片旋转电机，并且具有可
编程控制的功能；
4.四分之波片、二分之一波片选用激光通信需要信号光波长相应的λ/4波片、λ/2
波片；
5.四分之波片控制组件4与二分之一波片控制组件5由旋转电机、光电编码器和波
片安装基座组成，波片固定在波片基座上，波片安装基座通过传动机构与旋转电机相连；光
电编码器安装在旋转电机上，主要测量波片的的旋转角度。
一种潜望式激光通信终端信号光偏振态控制方法，按照以下步骤进行；
步骤1：实时控制器7通过潜望式扫描机构内的俯仰、方位轴系的光电编码器获得
当前的俯仰角与方位角；
步骤2：实时控制器7根据信号光波长、反射镜膜系材料特性算出反射镜在入射角
为45゜情况下对信号光的S与P分量的菲涅耳反射系数；
步骤3：实时控制器7根据偏振态三维追迹算法，算出在特定俯仰角与方位角下的
接收信号光偏振态，计算四分之一波片、二分之一波片的旋转角度；
步骤4：电机控制器8控制四分之一波片旋转电机将四分之一波片旋转至指定角
度，使得出射信号光为线偏振光；
步骤5：电机控制器8控制二分之一波片旋转电机将二分之一波片旋转至指定角
度，使得最终出射的线偏振光偏振方向为45゜。
有益效果
本发明的有益效果是解决了现有的潜望式激光通信终端中信号光偏振态随扫描
机构方位、俯仰运动而变化的问题。使得潜望式激光通信终端工作工程中接收信号光偏振
态保持恒定为45゜线偏振光，保证其与本振光的高效混频。
附图说明
图1为一种潜望式激光通信终端信号光偏振态控制系统与方法示意图。此图也是
说明书摘要附图。其中，1为潜望式扫描机构，2为反射式激光通信光学天线，3为分光片,4为
四分之一波片，5为二分之一波片，6为空间光混频器，7为实时控制器，8位电机控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明系统包括潜望式扫描机构1、反射式激光通信光学天线2、分光
片3、四分之一波片控制组件4、二分之一波片控制组件5、空间光混频器6、实时控制器7和电
机控制器8；特定旋向的圆偏振信号光经过潜望式扫描机构、反射式激光通信天线、分光片、
四分之一波片、二分之一波片后以45゜线偏振光进入空间光混频器。其中：
1.潜望式扫描机构1由俯仰旋转电机组件1-1，反射镜1-2，方位旋转电机组件1-3
与反射镜1-4组成，俯仰旋转电机组件1-1与方位旋转电机组件1-3分别由旋转电机、光电编
码器等组成，负责测量潜望式扫描机构俯仰角与方位角数据，其测量精度为0.1度；
2.实时控制器7采用具有浮点运算功能的可编程器件，用来实时读取俯仰与方位
角数据，计算四分之一波片、二分之一波片的旋转角度，控制电机控制器；
3.电机控制器8用来读取实时控制器7输出指令和控制旋转电机，并且具有可编程
控制的功能；
4.四分之波片、二分之一波片选用激光通信需要信号光波长相应的λ/4波片、λ/2
波片；
5.四分之波片控制组件4与二分之一波片控制组件5由旋转电机、光电编码器和波
片安装基座组成，波片固定在波片基座上，波片安装基座通过传动机构与旋转电机相连；光
电编码器安装在旋转电机上，主要测量波片的的旋转角度。
本发明涉及潜望式激光通信终端信号光偏振态控制方法。包括下列步骤：
步骤1：实时控制器7通过潜望式扫描机构内的俯仰、方位轴系的光电编码器获得
当前的方位角α与俯仰角β；
步骤2：实时控制器7根据信号光波长、反射镜膜系材料特性算出反射镜在入射角
为45゜情况下对信号光的S与P分量的菲涅耳反射系数；本系统中反射镜镀金属银膜，信号光
波长为1550nm，45゜入射角下银膜对该波长的s、p分量的反射系数分别为rs＝0.9939e3.0114i,
rp＝0.9878e-0.2604i；
步骤3：实时控制器7根据偏振态三维追迹算法，算出在特定俯仰角与方位角下的
接收信号光偏振态，计算四分之一波片、二分之一波片的旋转角度；
潜望式扫描机构反射镜1-2和反射镜1-4的偏振态传输矩阵分别为：
其中rs、rp分别为反射镜对s、p光的菲涅尔反射系数。α，β分别为潜望式扫描机构的
方位角和俯仰角。潜望式扫描机构的偏振态传输矩阵Ptotal是每块反射镜偏振传输矩阵的乘
积：
Ptotal＝P2P1
λ/4波片的快轴方向坐标x轴一致，绕Z轴方向右手旋转角度为θ时其偏振态传输矩
阵为：
λ/2波片的快轴方向与坐标x轴一致，绕Z轴方向右手旋转角度为γ时其偏振态传
输矩阵为：
经过扫描机构双反射镜和偏振态补偿波片组的接收信号光偏振态为Eout，是系统
中所有光学元件偏振态传输矩阵与入射光偏振态的乘积。
Eout＝Pλ2Pλ4PtotalEin
入射信号光为左旋圆偏振光，出射信号光偏振态为45°线偏振光，通过上式可根据
扫描机构方位角α，俯仰角β变化得出出射信号光偏振态，偏振态补偿λ/4波片快轴与信号光
椭圆偏振光长轴取向一致，λ/2波片旋转角度γ将线偏振光角度转变为45°。
上式得出的Eout是在全局坐标下的表达式，但偏振态仅在出射面上的二维局部坐
标下描述，对上式进行修正。
Eout＝Pλ2Pλ4MtotalEin
上式中Mtotal＝Qtotal-1Ptotal,其中Qtotal-1是系统中坐标变换矩阵的逆。
根据上述公式计算经过潜望式扫描机构1、反射式激光通信光学天线2、分光片3后
的信号光偏振态，得出其长轴取向；计算四分之一波片旋转角度，使其快轴方向与信号光偏
振态长轴取向一致，使出射信号光偏振态为线偏振光，并根据上述的四分之一波片偏振态
传输矩阵，算出出射线偏振光Eout＝Pλ4MtotalEin的长轴取向，
根据上面算出的线偏振光长轴取向与二分之一波片偏振态传输矩阵，算出二分之
一波片所需旋转角度，使得最终出射的线偏振光Eout＝Pλ2Pλ4MtotalEin为线偏振光，且取向为
45°。
步骤4：电机控制器8控制四分之一波片旋转电机将四分之一波片旋转至指定角
度，使得出射信号光为线偏振光；
步骤5：电机控制器8控制二分之一波片旋转电机将二分之一波片旋转至指定角
度，使得最终出射的线偏振光偏振方向为45°。