[发明专利]一种基于旋转双棱镜的光线接收系统

说明书

本发明公开了一种基于旋转双棱镜的光线接收系统，包括光线的接收、双棱镜结构设计以及对接收光束的偏转。系统主体结构由两个楔形棱镜同轴相对放置组成，用于对入射光线实现偏转，形成水平出射的光线。使用位置探测器来获取从棱镜出射的光线的坐标信息。使用透镜对从棱镜结构出射的光线进行汇聚，使平行光线汇聚至焦点上。在透镜焦点处放置光电探测器，使用光电探测器接收光信号。系统工作流程包括光线方向估计、棱镜旋转角度的计算以及光线汇聚三个阶段。在光束方向估计阶段，利用位置探测器上的坐标点结合迭代算法来确定入射光线的方向。该系统的优点是：算法简单、重量轻、结构紧凑、精度高。

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，尤其涉及一种基于旋转双棱镜的光线接收系统。

背景技术

在无线光通信系统中，通信光束一般较窄，而且大气湍流、雨雪等天气和系统振动容易造成收发端的光线对准误差。为了保证通信过程中链路的稳定，可以利用多种光学器件来实现无线光通信中收发端的捕获、追踪、瞄准。然而，传统的光束对准系统常采用万向节或快速转向镜等器件来实现。然而，由于这些器件体积较大，并不适合用于系统空间受限的情况，而且也使这些结构在对时间要求较高的场景下显得不够灵活。因此，有必要提出一种体积更小，结构更紧凑，使用更灵活的光线接收系统，用来实现更多场景下的应用。

传统的双棱镜系统在进行反向求解时需要已知入射光线的方向向量，然后通过传统的求解方法如两步法等求解棱镜的旋转角度，从而使出射光线可以水平出射。然而，在实际应用中，入射光线的方向向量不易获得，且在棱镜顶角较大的情况下，传统解法得到的解准确度不够。因此，有必要提出快速高效的光线方向估计方法，以及可准确求解棱镜旋转角度的方法，用来进一步提升系统的性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于旋转双棱镜的光线接收系统,以解决传统解法得到的解准确度不够的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种基于旋转双棱镜的光线接收系统，包括双棱镜结构、分束器、位置探测器、凸透镜以及光电探测器；

双棱镜结构包括第一棱镜和第二棱镜，用于对光束进行偏转；第一棱镜和第二棱镜沿同一光轴垂直平行放置；

第一楔形棱镜和第二楔形棱镜组成的双棱镜结构宽为D₁；

建立坐标系，以第一棱镜的第一个平面中心点所在位置为坐标原点，记为(0,0,0)，z轴为第一棱镜光轴，x轴垂直朝上，y轴垂直朝外；第一棱镜和第二棱镜绕逆时针旋转为正方向；

在双棱镜结构后方利用分束器，将一部分光束引导到位置探测器上；所述分束器位于双棱镜结构后方D₂距离处；

所述位置探测器设置在分束器侧方，其所获信息用于估计入射光线方向；

在分束器后方放置凸透镜，凸透镜焦距为f₀；所述凸透镜位于分束器后方D₃距离处，用来对光线进行汇聚；

所述光电探测器设置在凸透镜后方f₀处，用于接收光线；

设置第一棱镜和第二棱镜的初始旋转角度，记录位置探测器上的坐标点，利用迭代算法得到入射光线的方向向量；根据得到的入射光线的方向向量，利用两步法推算出使入射光线水平出射的棱镜旋转角度以作为最优化模型的初始解；根据该初始解来调整棱镜后出射光线的出射方向与水平方向的差距的在1°以内；再利用优化模型将初始解进一步迭代收缩，根据优化以后的结果来调整棱镜的旋转角度使误差降低至0.2°以内；通过凸透镜将水平光线汇聚至光电探测器，完成接收端的光线接收工作。

进一步的，第一棱镜和第二棱镜是楔形的，第一棱镜和第二棱镜斜面朝内相对放置。

进一步的，迭代算法包括如下步骤：