CN101188458A - 空间图案扫描激光通信方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于自由空间的空间图案扫描激光通信方法，包括下列步骤：首先，激光通信发射终端对存在相对运动的激光通信接收终端的预定轨道的方向上进行粗瞄准；所述的激光通信发射终端产生带有要传输的信息调制的光束并按一定的角度或方向向所述的激光通信接收终端所在的运行轨道空间发射一扩展光束，形成具有信息调制的空间光强分布图案；所述的激光通信接收终端通过运动扫描所述的空间光强分布图案并解调，获得传输信息的时间信号，实现激光通信。本方法原理可靠，结构简单，具有保密性，无需瞄准、捕获、跟踪结构。

Description

空间图案扫描激光通信方法

技术领域

本发明与自由空间激光通信有关，是一种激光发射终端在空间产生图案，利用发射终端和接收终端的相对运动扫描该光强分布空间图案来实现光学信号接收的方法，主要用于一些特殊条件下的激光信息传输，如潜水艇对低轨或者高轨卫星的激光数据传输。

背景技术

自由空间激光通信比无线电通信具有明显特点，得到越来越广泛的应用。在相对运动的物体之间，特别是在远距离传输的要求下需要激光通信终端具有高精度的光学瞄准、捕获和跟踪装置。对于某些特殊条件下的激光信息传输，如水下潜水艇对低轨或高轨卫星的激光数据传输，由于激光光束通过海水的能量衰减和波面质量的衰退，通过海水实现潜水艇激光通信终端对卫星激光通信终端的瞄准、捕获和跟踪是非常困难的，因此采用时间调制的传统数据通信方式进行潜水艇对卫星的激光通信终端的通信几乎是不可能的，水下潜水艇对卫星的激光信息传输急需寻求新的方法加以解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图案扫描激光通信方法，以解决上述现有技术远距离激光通信中，激光通信发射终端对激光通信接收终端的瞄准、捕获和跟踪的困难，本发明的特点是发射端仅需在朝向接收终端的预定轨道的方向上对接收终端进行粗瞄准，无需进行高精度的瞄准、捕获和跟踪，本发明的原理可靠，结构简单，具有保密性。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种适用于自由空间的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于包括下列步骤：

首先，激光通信发射终端对存在相对运动的激光通信接收终端的预定轨道的方向上进行粗瞄准；

所述的激光通信发射终端产生带有要传输的信息调制的光束并按一定的角度或方向向所述的激光通信接收终端所在的运行轨道空间发射一扩展光束，形成具有信息调制的空间光强分布图案；

所述的激光通信接收终端通过运动扫描所述的空间光强分布图案并解调，获得传输信息的时间信号，实现激光通信。

所述的激光通信发射终端由空间图案发生器和光学扫描器组成。

所述的空间图案发生器用来产生并投射调制了的需传输信息的空间图案，这种空间图案可以是激光发射光斑，也可以是光束扫描器，所述的空间图案发生器是激光光斑发生器，也可以是带有图案发生器的光学成像投射系统，也可以是多光束干涉图案投射系统，也可以是激光散斑图案干涉投射系统，也可以是部分相干光干涉图案投射系统。

所述的光学扫描器用来产生空间图案的角度扫描，其表现形式可以是反射镜扫描器，也可以是棱镜扫描器，也可以是电光偏转器，也可以是声光偏转器。整个过程的扫描方式可以单独采用光学扫描器实现图案空间扫描，也可以单独利用接收端和发射端的相对运动实现图案空间扫描，也可以同时采用上述两种手段。

所述的空间光强分布图案是由空间图案发生器产生的，是单一的激光光斑，或是一维周期性或非周期性分布的二维图案，或任何二维或三维分布图案，所述的空间光强分布图案在扫描过程中是随时间变化的，或是时间固定的。

所述的空间光强分布图案产生在激光通信接收终端的邻近面上，或产生在发射端和接收端之间的传输介质内，或产生在发射端和接收端之间的不同传输介质的界面附近。

所述的激光通信接收机带有接收望远镜，空间光强分布图案在接收端的邻近面上时，其口径小于空间图案的最小宽度；空间光强分布图案在中间界面上时，其视场小于空间图案的最小宽度决定的视场。

所述的激光通信接收机对所述的空间光强分布图案进行扫描，激光通信接收机的光电探测器将接收到的被调制的光信号解调并转换为电脉冲信号。

所述的空间光强分布图案14是由空间图案发生器11产生的，它可以是单一的激光光斑，也可以是一维周期性或非周期性分布的二维图案，也可以是任何二维或三维分布图案。所述的空间光强分布图案14整个图案在扫描过程中可以是时间固定的，也可以是随时间变化的。空间光强分布图案14可以产生在激光通信终端的邻近面上(如图1所示)，也可以产生在发射端和接收端之间的传输介质内，也可以产生在发射端和接收端之间的不同传输介质的界面附近(如海水和空气界面)，视卫星通信终端所处的位置而定。

所述的激光通信接收机15带有接收望远镜。空间光强分布图案14在接收端的邻近面上时，其口径小于空间图案的最小宽度；空间光强分布图案14在中间界面上时，其视场小于空间图案的最小宽度决定的视场。

本发明的技术效果：

本发明通过激光通信发射终端和接收终端之间的相对运动，或者通过空间图案发射扫描实现激光通信，不需要进行两个终端之间的瞄准、捕获和跟踪，而只需进行发射终端对于接收终端的粗瞄准，为某些特殊应用，如水下潜水艇对卫星的关键信息传输提高了一种手段。同时，由于只有在通信双方之间存在相对运动，发射终端向接收终端的预定运行轨道投射空间图案，接收终端只有在空间图案的有限区域内才能正确探测出信号，所以具有较高的保密性。

附图说明

图1为本发明空间图案扫描激光通信方法的示意图。

图中：11-空间图案发生器，12-光学扫描器，13-扩展光束，14-空间光强分布图案，15-激光通信接收机。

图2为狭长光斑空间图案示意图。

图中：21-空间图案发生器，22-扩展光束，23-狭长光斑空间图案。

图3为狭长单光束空间图案调制通信的实例示意图。

图4为干涉条纹构成的空间图案示意图。

图中：41-空间图案发生器，42-扩展光束，43-高密度的干涉条纹光斑空间图案，44-低密度的干涉条纹光斑空间图案。

图5为高、低密度干涉条纹表示的周期脉冲信号示意图，

图中：51-高密度干涉条纹产生的短周期脉冲信号，表示比特位“1”，52-低密度干涉条纹产生的长周期脉冲信号，表示比特位“0”。

图6为高、低密度干涉条纹空间图案稀疏调制通信的实例示意图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明空间图案扫描激光通信方法，包括下列步骤：

首先，激光通信发射终端11、12对存在相对运动的激光通信接收终端15的预定轨道的方向上进行粗瞄准；

所述的激光通信发射终端11、12产生带有要传输的信息调制的光束并按一定的角度或方向向所述的激光通信接收终端15所在的运行轨道空间发射一扩展光束13，形成具有信息调制的空间光强分布图案14；

所述的激光通信接收终端15通过运动扫描所述的空间光强分布图案14并解调，获得传输信息的时间信号，实现激光通信。

所述的激光通信发射终端由空间图案发生器11和光学扫描器12组成。

所述的空间图案发生器11是激光光斑发生器，或带有图案发生器的光学成像投射系统，或多光束干涉图案投射系统，或激光散斑图案干涉投射系统，或部分相干光干涉图案投射系统。

所述的光学扫描器12是反射镜扫描器，或棱镜扫描器，或电光偏转器，或声光偏转器，用来产生空间图案的角度扫描。

所述扫描的方式为单独采用光学扫描器实现图案空间扫描，或单独利用接收端和发射端的相对运动实现图案空间扫描，或同时采用上述两种手段。

所述的空间光强分布图案14是由空间图案发生器11产生的，是单一的激光光斑，或是一维周期性或非周期性分布的二维图案，或任何二维或三维分布图案，所述的空间光强分布图案14在扫描过程中是随时间变化的，或是时间固定的。

所述的空间光强分布图案14产生在激光通信接收终端15的邻近面上，或产生在发射端和接收端之间的传输介质内，或产生在发射端和接收端之间的不同传输介质的界面附近。

所述的激光通信接收机15带有接收望远镜，空间光强分布图案14在接收端的邻近面上时，其口径小于空间图案的最小宽度；空间光强分布图案14在中间界面上时，其视场小于空间图案的最小宽度决定的视场。

所述的激光通信接收机15对所述的空间光强分布图案14进行扫描，激光通信接收机15的光电探测器将接收到的被调制的光信号解调并转换为电脉冲信号。

本发明方法的通信机理如下：

进行通信时，发射终端的空间图案发生器11朝接收终端15的方向投射出经过空间图案调制过的初始光束，初始光束经过光学扫描器12的空间扫描后朝接收终端的方向投射，经过通信信道的传输后在接收终端激光通信接收机15所处的平面，由于通信信道对激光束13的扩散以及激光束13自身的衍射，在接收平面上形成具有较大面积的空间光强分布图案14。由于调制光束13的发射方向是朝向接收终端15的预定轨道发射，因此在发射时仅需要对接收终端15进行粗瞄准即可。一般来说，空间光强分布图案14所占的面积远远大于激光通信接收机15，当激光通信接收机15运行到空间光强分布图案14所覆盖的区域中时，激光通信接收机15中的探测器对区域内不同空间强度分布的光信号进行探测。在激光通信接收机15在渡越图案区域14的过程中，沿着通信接收机的运行路线，接收机在区域内不同的位置会探测到调制的光信号，光电探测器将这些调制的光信号转换为电脉冲信号，进行解调得到所要传送的信息。

针对本发明方法，下面以水下潜艇对低轨卫星的上行通信为例，给出实现潜水艇向低轨道卫星进行激光数据传输的两种可能技术方案。

要求实现水下潜水艇对于低轨道卫星的激光数据传输，卫星高度400km，运动速度7.2km/s，所需传输数据1Kb。

实施例1：单光束空间图案

本方案采用单光束实现图案扫描完成激光通信。如图2所示，空间图案的投射发生器21产生一束狭长光束22，在接收终端所处的平面得到一个椭圆形光斑23。对光源采用开关键控，即OOK调制，理想状态下，光源打开、探测器在卫星渡越时间内接收到光信号代表所传输的比特位为“1”，光源关闭、探测器在卫星渡越时间内探测不到光信号代表所传输的比特位为“0”。该方案通过这种空间图案的调制方式完成数据的传输。

给出一个实例。假定光束发散度为0.05mrad(卫星行进方向)×20mrad，则到达接收平面的光斑宽度为20m×8km，卫星行进方向通过光斑的时间为2.8ms。每个比特位持续时间为2.8μs，数据传输量为1Kb，传输速率为357kbps。

若水下潜艇要向卫星终端传送一组简单的口令，其内容信息使用二进制编码为“1011010011”。按上述约定，光源的调制以每个比特位的持续时间2.8ms为一个单位时间，在每个单位时间内光源的状态为“开”或“关”，因此对于实例中要传送的信息，光源的状态表现为“开关开开关开关关开开”，卫星激光通信终端的光电探测器将接收到的光信号转换为电脉冲信号。该比特序列的持续时间为28μs，因此在卫星的光斑渡越时间内，发射终端可以重复地调制发射该信息100次，可以保证卫星在渡越时间内能完全接收到该信息。该实例示意图见图3。

实施例2：干涉条纹构成的空间图案

本方案采用光束干涉投射原理实现图案扫描完成激光通信。如图4所示，空间图案发生器41产生两束满足干涉条件的激光束42，在图4中两光束经历相同的链路，统一标注为42。由于干涉效应，在接收终端所处的平面同样会得到椭圆形光斑43或44。同第一方案中光斑23的均匀光强图案不同，光斑43中的图案是由干涉条纹构成的。卫星在渡越光斑的过程中，沿其飞行轨道会依次经历亮条纹和暗条纹。相应地，在经过亮条纹时，光电探测器的输出信号为一个正的电信号，在经过暗条纹的时候，光电探测器没有输出，相当于一个零值的电信号，则对于卫星飞行经过一系列完整干涉条纹的整个过程而言，光电探测器的输出信号是具有一定持续时间和重复率的周期脉冲信号。通过控制光源，可以分别产生具有较高密度的空间干涉条纹图案43和较低密度的空间干涉条纹图案44，这样卫星飞行所经历的亮、暗条纹之间的间距就会变大和变小，卫星在渡越整个光斑的过程中其光电探测器的输出就是频率不同的两种周期脉冲信号。因此，我们可以利用干涉条纹即空间图案密度的变化来对所要传输的信息进行空间图案的调制，设较高密度干涉条纹代表比特位“1”，较低密度干涉条纹代表比特位“0”，卫星激光通信终端在渡越光斑的过程中，其光电探测器输出信号为高频率的周期脉冲信号时解调信号为“1”，其光电探测器输出信号为低频率的周期脉冲信号时解调信号为“0”。该方案通过这种高、低密度的空间图案稀疏调制完成数据的传输，卫星通信终端通过相应的解调方案获取信息，完成通信。

给出一个实例。假定光束发散度为0.5mrad(卫星行进方向)×2mrad，光斑宽度为200m×800m。较高密度的干涉条纹周期为0.02m，较低密度的干涉条纹周期为0.04m。光斑内卫星渡越时间为28ms，将其分为1000单元，每个单元渡越时间为28μs，长度上相当于0.2m。由于较高密度干涉条纹代表比特位“1”，较低密度干涉条纹代表比特位“0”，比特位持续时间为28μs。当探测器在渡越较高密度干涉图案时，其所接收的信号为比特位“1”的信号，光电探测器输出为持续时间为28μs、重复率为10Hz的周期脉冲，见图5中51；而当探测器在渡越较低密度干涉图案时，其所接收的信号为比特位“0”的信号，光电探测器输出为持续时间为28μs、重复率为5Hz的周期脉冲，见图5中52。传输的数据总量为1Kb，传输速率为35.7kbps。

若水下潜艇要向卫星终端传送一组简单的口令，其内容信息使用二进制编码为“1011010011”。按上述约定，光源的调制以卫星的单元渡越时间28μs为一个单位时间，在每个单位时间内干涉条纹的密度为“高”或“低”(也可称为“浓”或“稀”)。因此对于实例中要传送的信息，干涉条纹的密度按时间顺序就表现为“密疏密密疏密疏疏密密”，卫星激光通信终端的光电探测器将接收到的光信号转换为电脉冲信号。该比特序列的持续时间为0.28ms，因此在卫星的光斑渡越时间内，发射终端可以重复地调制发射该信息100次，可以保证卫星在渡越时间内能完全接收到该信息。该实例示意图见图6。

本发明方法是可行的，下面举例分析如下：

由于大气对激光光束的衰减作用主要集中在近地面的几公里处，因此在进行功率计算时只涉及近地面的大气衰减。接收机有效接收到的光功率为：

$P_R={\left(\frac{D/2}{R_2}\right)}^2{P}_S{\mathrm{\η}}_{\mathrm{TW}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AWI}}{\mathrm{\η}}_R{e}^{-({\mathrm{\σ}}_W\·Z_1+{\mathrm{\σ}}_A{Z}_2)}{\left[\frac{R_{2}l}{\mathrm{\θ}\·Z_1(l+Z_2)}\right]}^2$

D为接收透镜的有效直径，R₂＝(l+Z₂)·θ′为光斑半径，P_S为光源S的实际发射功率，η_TW为发射效率，τ_AWI为海水/大气界面的透射效率，η_R为接收机的接收效率，σ_W为海水的光衰减系数，σ_A为大气衰减系数均值，Z₁为水下深度，Z₂为大气信道中传输距离，l为潜艇的视在深度，θ为海水中发射半角。计算中的参数选取如下：D取50cm，发射功率P_S取1000mW，η_TW取90％τ_AWI取98％，η_R取80％，σ_W取0.015/m，σ_A取0.00045/m。可以看出，接收光功率随着水下和大气信道传输距离的增加而降低。对于初始发射光功率为1000mW的单光束，在水下和空中分别传输了100m和1km后，由直径为50cm的接收透镜在扩展光斑范围所接收到的光功率约为6.7×10^-6mW。对激光通信中对光信号进行直接探测一般采用APD，New focus公司的1GHz的APD探测器的噪声等效功率，即可探测最小功率为1.6pW，其量级远小于光信号到达接收平面时的光功率量级，因此可以满足方案要求。

本发明的新颖之处在于对发射终端和接收终端处于相对运动的情况下，发射终端向接收终端的投射调制了的空间图案信号，接收终端沿其自身运行轨道经过投射图案区域时接收到不同图案调制的信号完成通信。上面的参数分析可以看出，方案一中传输的数据量为1Kb，传输速率为357kbps，方案二中传输的数据总量为1Kb，传输速率为35.7kbps，其码率都较低，上述APD探测器的带宽为1GHz，其脉冲相应的上升时间为250ps，远远高于方案所要求的数量级，可以满足方案需要。

Claims (9)

1.一种适用于自由空间的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于包括下列步骤：

首先，激光通信发射终端(11、12)对存在相对运动的激光通信接收终端(15)的预定轨道的方向上进行粗瞄准；

所述的激光通信发射终端(11、12)产生带有要传输的信息调制的光束并按一定的角度或方向向所述的激光通信接收终端(15)所在的运行轨道空间发射一扩展光束(13)，形成具有信息调制的空间光强分布图案(14)；

所述的激光通信接收终端(15)通过运动扫描所述的空间光强分布图案(14)并解调，获得传输信息的时间信号，实现激光通信。

2.根据权利要求1所述的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于所述的激光通信发射终端由空间图案发生器(11)和光学扫描器(12)组成。

3.根据权利要求1所述的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于所述的空间图案发生器(11)是激光光斑发生器，或带有图案发生器的光学成像投射系统，或多光束干涉图案投射系统，或激光散斑图案干涉投射系统，或部分相干光干涉图案投射系统。

4.根据权利要求1所述的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于所述的光学扫描器(12)是反射镜扫描器，或棱镜扫描器，或电光偏转器，或声光偏转器，用来产生空间图案的角度扫描。

5.根据权利要求1所述的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于所述扫描的方式为单独采用光学扫描器实现图案空间扫描，或单独利用接收端和发射端的相对运动实现图案空间扫描，或同时采用上述两种手段。

6.根据权利要求1所述的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于所述的空间光强分布图案(14)是由空间图案发生器(11)产生的，是单一的激光光斑，单光束空间图案，或是一维周期性或非周期性分布的二维图案，或任何二维或三维分布图案，所述的空间光强分布图案(14)在扫描过程中是随时间变化的，或是时间固定的。

7.根据权利要求1所述的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于所述的空间光强分布图案(14)产生在激光通信接收终端(15)的邻近面上，或产生在发射端和接收端之间的传输介质内，或产生在发射端和接收端之间的不同传输介质的界面附近。

8.根据权利要求1所述的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于所述的激光通信接收机(15)带有接收望远镜，空间光强分布图案(14)在接收端的邻近面上时，其口径小于空间图案的最小宽度；空间光强分布图案(14)在中间界面上时，其视场小于空间图案的最小宽度决定的视场。

9.根据权利要求1所述的空间图案扫描激光通信方法，其特征在于所述的激光通信接收机(15)对所述的空间光强分布图案(14)进行扫描，激光通信接收机(15)的光电探测器将接收到的被调制的光信号解调并转换为电脉冲信号。

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