CN101577583A

CN101577583A - 大气激光通信自动跟踪方法和系统

Info

Publication number: CN101577583A
Application number: CNA2009101141434A
Authority: CN
Inventors: 曾智龙; 王志勇; 徐林; 杨乾远; 何晓垒; 莫海涛; 雷利娟
Original assignee: CETC 34 Research Institute
Current assignee: CETC 34 Research Institute
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2029-06-12
Also published as: CN101577583B

Abstract

本发明公开一种大气激光通信自动跟踪方法和系统，主要是利用外部因素引起的偏移直接导致光功率变化的原理，通过控制驱动执行部件，使双端接收光功率值保持最优化状态，从而使通信质量稳定可靠。具体实现的方式是通过检测接收光功率并将本端光功率通过复用的方式传送至远端，结合本端及远端的接收光功率按照一定流程控制驱动执行部件，自动跟踪接收光功率的最优化值，从而实现稳定可靠的通信。本发明适用于近地、固定点使用的大气激光通信设备，具有造价低、装调工艺简单等特征。

Description

大气激光通信自动跟踪方法和系统

技术领域

本发明涉及激光通信领域，特别涉及一种大气激光通信自动跟踪方法和系统。

背景技术

大气激光通信又称自由空间光通信或无线光通信。它是利用激光作为信息的载体，直接在大气中进行信息传输的一种通信方式。它不仅具有速率高、通信容量大、保密性好、无射频干扰、使用灵活性强等特点，而且相对光纤通信它避免了昂贵的光纤铺设和维护费用，相对微波通信它避免了繁杂的频率使用许可证的申请，不受无线电干扰，造价低、施工简单快捷，可用来进行数据、语音、视频等信息的全双工传输。

与传统的光纤通信不同，大气激光通信使用光学透镜或反射镜组成的光学系统来控制激光束的发射和接收，从而将信息从一端直接经过大气信道传送至另外一端。与传统的微波通信不同，大气激光通信是以激光作为信息的载体，因而要求通信的点对点之间必须无遮挡，且通信两端设备必须保证相对精确的、稳定的对准要求。由此可见，尽管大气激光通信有诸多优点，但仍然存在一些不足：

1、大气信道对光束传输的影响。各种天气都会对通信带来影响，特别是大气湍流使激光束在大气信道传送时发生传播路径的扭曲和偏转，造成接收端光束聚焦点的偏移，影响通信质量。

2、精确、稳定的对准比较困难。大气激光通信设备发射的光束直径有一定的大小。过小则不利于设备的对准，过大则增大了光束的扩展损耗，不利于远距离的通信。为了保证信息的正常传输，必须使两端保持精确对准。但对准后由于风力等外力因素的作用，设备及其固定底座实际上存在某种程度的漂移和摇摆，使通信两端不能稳定地保持精确对准。

因此，要保证通信两端正常的信息传输，就必须使两端设备保持稳定的精确对准。但由于上述原因造成设备之间对准后偏移，使两端设备不能稳定地保持对准状态，这就需要两端设备能够根据设备偏移的情况自动跟踪实现调整，保证通信两端始终对准。

目前，常用的保持对准的自动跟踪方法是利用光电位置探测器件，探测出设备因偏移导致的偏离原来位置的偏差，再进一步控制驱动执行部件，补偿因外部因素造成的位置偏移。这种方式需要信号光束以外的信标光束来做位置探测，结构上不仅需要增加信标光束发射天线，还需要信标光束接收天线，光学系统复杂，光束平行度装调要求高。此外，还需要增加信标光束调制驱动电路以及位置偏差提取电路，因而设备造价较高，不利于设备在市场上的广泛应用。

因此，目前市场上亟需一种更加廉价的保持对准的自动跟踪方法，使两端设备稳定地保持精确对准，保证通信正常，又能满足装调工艺简单、造价低等特征要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种造价低廉、装调工艺相对简单又能保持精确对准的大气激光通信自动跟踪方法和系统。

本发明的构思是利用外部因素引起的偏移直接导致光功率变化的原理，通过控制驱动执行部件去调节本端光学天线或远端光学天线，使双端接收光功率值保持最优化状态，从而使通信质量稳定可靠。

本发明所设计的大气激光通信自动跟踪方法，包括如下步骤：

接收远端光功率信息，在保证远端功率下降不超过设定阈值的前提下，发出信号去调节本端光学天线，同时监测本端的功率信号值使之达到最大；

接收本端光功率信息，在保证本端功率下降不超过设定阈值的前提下，发出信号去调节远端光学天线，同时监测远端的功率信号值使之达到最大；

接收本端光功率信息，在保证本端功率下降不超过设定阈值的前提下，发出信号去调节本端光学天线，同时监测远端的功率信号值使之达到最大；

接收远端光功率信息，在保证远端功率下降不超过设定阈值的前提下，发出信号去调节远端光学天线，同时监测本端的功率信号值使之达到最大；

比较本端和远端光功率值，如果两端功率差值小于3dB，则自动跟踪完成；如果两端功率差值大于3dB，则在保证两端光功率总和不变小的前提下，调节本端光学天线，使两端光功率差值尽量小；

比较本端和远端光功率值：如果两端功率差值小于3dB，则自动跟踪完成；如果两端功率差值大于3dB，则在保证两端光功率总和不变小的前提下调节远端光学天线，使两端光功率差值尽量小。

根据上述方法所设计的大气激光通信自动跟踪系统，包括检测本端光功率信息的本端光功率检测模块和本端光学天线、以及检测远端光功率信息的远端光功率检测模块和远端光学天线。此外，系统还包括有一自动跟踪控制模块，所述自动跟踪控制模块主要由下述单元构成，

接收远端光功率信息，在保证远端功率下降不超过设定阈值的前提下，发出信号去调节本端光学天线，同时监测本端的功率信号值使之达到最大的单元；

接收本端光功率信息，在保证本端功率下降不超过设定阈值的前提下，发出信号去调节远端光学天线，同时监测远端的功率信号值使之达到最大的单元；

接收本端光功率信息，在保证本端功率下降不超过设定阈值的前提下，发出信号去调节本端光学天线，同时监测远端的功率信号值使之达到最大的单元；

接收远端光功率信息，在保证远端功率下降不超过设定阈值的前提下，发出信号去调节远端光学天线，同时监测本端的功率信号值使之达到最大的单元；

比较本端和远端光功率值，如果两端功率差值小于3dB，则自动跟踪完成；如果两端功率差值大于3dB，则在保证两端光功率总和不变小的前提下，调节本端光学天线，使两端光功率差值尽量小的单元；

比较本端和远端光功率值：如果两端功率差值小于3dB，则自动跟踪完成；如果两端功率差值大于3dB，则在保证两端光功率总和不变小的前提下调节远端光学天线，使两端光功率差值尽量小的单元。

所谓自动跟踪的目的就是要保证两端通信设备保持精确对准。设备因外界因素造成的偏移直接导致的是设备接收光功率的下降，光功率的下降最终引起通信质量的不稳定。因而可以通过直接探测接收光功率的变化，即可知设备是否发生了偏移，从而使保持精确对准转变为保持接收光功率的始终处于最优化状态。探测本端光功率并将本端光功率探测值传输到远端。在本端，通过结合本端光功率以及远端光功率的值，按照一定流程控制驱动执行部件，使本端及远端接收光功率始终处于最优化状态。

本发明与现有技术相比，无需使用光电位置探测器件进行位置探测以及信标光束发射天线等提高设备造价和增加设备复杂程度的方式，而采用探测接收光功率的方式实现设备自动调整，通过检测接收光功率并将本端光功率通过复用的方式传送至远端，结合本端及远端的接收光功率按照一定流程控制驱动执行部件，自动跟踪接收光功率的最优化值，从而实现稳定可靠的通信，本发明特别适用于近地、固定点使用的大气激光通信设备，具有造价低、装调工艺简单等特征。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明一种优选实施例接收部分原理框图；

图3是本发明一种优选实施例发射部分原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚，下面结合附图，对本发明的一种实施例作进一步的详细描述。

参见图1，本发明一种大气激光通信自动跟踪系统，主要由检测本端光功率信息的本端光功率检测模块、本端光学天线、检测远端光功率信息的远端光功率检测模块、远端光学天线以及一自动跟踪控制模块构成。所述自动跟踪控制模块主要由下述单元构成：

本发明一种优选实施例的大气激光通信系统构成为一个全双工的模式，即本端包含发射与接收两大部分，远端同样也包含有相同的发射与接收两大部分。

上述本发明一种优选实施例接收部分原理框图如图2所示。接收光学天线将微弱的辐射光信号聚焦耦合进一根聚焦引导光纤，此光纤可以是多模光纤，也可以是单模光纤。然后通过一个多模或单模光纤分束器，将接收天线聚焦耦合的光信号按照5∶95的比例进行分束。当然也可以采用其他比例的分束，具体要依据探测接收模块中的光功率探测器的灵敏度阈值来定。光纤分束器将少的一路信号送入光功率检测器中用于本端光功率的探测，多的一路信号送入探测接收模块用于信号检测。光功率检测器检测所得本端光功率值一路送光功率监测显示模块用来作在线监测显示，一路送自动跟踪控制模块，另一路送发射部分的复用电路传输至远端。探测接收模块检测出的电信号送由现场可编程门阵列FPGA实现的解复用电路，分离出业务信息、工程勤务信息以及远端接收光功率值。工程勤务信息用于通信设备的网络配置、管理以及公务电话等，业务信息用于数据、语音、视频等业务信号的传输。将分离出的远端光功率值一路送光功率监测显示模块用来作在线监测显示，一路送自动跟踪控制模块。

上述本发明一种优选实施例发射部分的原理框图如图3所示。将工程勤务信息、业务信息远端以及远端光功率检测模块探测所得的本端接收光功率值通过由现场可编程门阵列FPGA实现的复用电路将三种信息合成一路串行的数字信号，然后通过LD调制驱动电路将数字电信号变为光脉冲信号，通过发射光学天线将数据传送到远端。

鉴于本发明优选实施例的本端和远端具有相同的结构，远端光功率检测模块所检测出的远端光功率信息会通过复用方式传送至本端，可见本端接收部分的解复用电路分离出的即为对端光功率信息；接收部分的光功率检测器可视为本端光功率检测模块，则用于检测光功率信息；调节本端光学天线可等同于调节本端接收部分的接受天线，调节远端光学天线可等同于调节本端发射天线，因此，我们便可以将自动跟踪控制模块安装在本端，自动跟踪控制模块一个输入端与本端接收部分的光功率检测器相连，用于检测本端光功率信息；另一个输入端则与解复用电路相连，接收来自解复用电路解出的远端光功率信息；自动跟踪控制模块的输出端与接收光学天线和发射光学大线相接，控制接收光学天线或发射光学天线进行俯仰和方位方向的调整。自动跟踪模块同时接收光功率检测器检测出的本端光功率信息与解复用电路解出的由远端传送过来的远端光功率信息，并依据上述两种信息(本端与远端光功率信息)来实现对本端接收光学和发射光学天线的驱动控制的。自动跟踪控制模块发出信号驱动执行部件，去带动与之相连的接收光学天线或发射光学天线进行俯仰和方位方向的调整。

本发明所述自动跟踪控制模块分别经一执行部件与本端光学天线和远端光学天线相连，自动跟踪控制模块信号控制执行部件，执行部件带动与之相连的本端光学天线或远端光学天线，去调节接收光学天线或发射光学天线进行俯仰和方位方向。此时自动跟踪控制模块内还包括有驱动本端/远端光学天线向俯仰方向微动一步，检测对应光功率是否增加：如否，则控制执行部件向方位方向进行调整；如是，则继续向该方向驱动执行部件一步，然后再检测光功率，如此反复驱动、检测，直至光功率调节到最大值；然后驱动执行部件向方位方向进行调整，具体过程如上所述，直至光功率为最大的执行部件控制单元。

为直观显示光功率信息，本发明自动跟踪控制模块上还接有显示本端光功率信息和远端光功率信息的光功率监测显示模块，光功率监测显示模块的输入端分别与光功率检测器和解复用电路相连。

将本地探测的光功率值与远端传送过来的远端光功率值送自动跟踪控制模块。自动跟踪模块依据双端接收光功率值按照以下流程进行控制驱动执行部件：

第一步：进行本端调节，在保证解复用电路分离出的远端功率下降不超过设定阈值的前提下把光功率检测器所测得的本端光功率调到最大。具体控制步骤为：自动跟踪模块发出控制信号让本端执行部件带动本端接收天线向俯仰方向微动一步，在保证远端光功率下降不超过设定阈值的前提下检测本端接收光功率是否增加：如果没有增加，则让本端执行部件带动本端接收天线向方位方向进行调整；如果增加，则继续向该方向驱动本端执行部件一步，然后再检测本端接收光功率，如此反复驱动、检测，直至本端接收光功率调节到最大值。然后让本端执行部件带动本端接收天线向方位方向进行调整，具体过程如上所述，直至本端接收光功率为最大。

第二步：进行远端调节，保证光功率检测器所测得的本端功率下降不超过设定阈值的前提下把解复用电路分离出的远端光功率调到最大。具体控制步骤为：自动跟踪模块发出控制信号让远端执行部件带动本端发射天线向俯仰方向微动一步，在保证本端光功率下降不超过设定阈值的前提下检测远端接收光功率是否增加：如果没有增加，则让远端执行部件带动本端发射天线向方位方向进行调整；如果增加，则继续向该方向驱动远端执行部件一步，然后再检测远端接收光功率，如此反复驱动、检测，直至远端接收光功率调节到最大值。然后让执行部件带动本端发射天线向方位方向进行调整，具体过程如上所述，直至远端接收光功率为最大。

第三步：重新进行本端调节，保证光功率检测器所测得的本端功率下降不超过设定阈值的前提下把解复用电路分离出的远端光功率调到最大。自动跟踪模块发出控制信号让本端执行部件带动本端接收天线向俯仰方向微动一步，在保证远端光功率下降不超过设定阈值的前提下检测本端接收光功率是否增加：如果没有增加，则让本端执行部件带动本端接收天线向方位方向进行调整；如果增加，则继续向该方向驱动本端执行部件一步，然后再检测本端接收光功率，如此反复驱动、检测，直至本端接收光功率调节到最大值。然后让本端执行部件带动本端接收天线向方位方向进行调整，具体过程如上所述，直至本端接收光功率为最大。

第四步：重新进行远端调节，保证远端功率下降不超过设定阈值的前提下把本端光功率调到最大。具体控制步骤为：自动跟踪模块发出控制信号让远端执行部件带动本端发射天线向俯仰方向微动一步，在保证本端光功率下降不超过设定阈值的前提下检测远端接收光功率是否增加：如果没有增加，则让远端执行部件带动本端发射天线向方位方向进行调整；如果增加，则继续向该方向驱动远端执行部件一步，然后再检测远端接收光功率，如此反复驱动、检测，直至远端接收光功率调节到最大值。然后让执行部件带动本端发射天线向方位方向进行调整，具体过程如上所述，直至远端接收光功率为最大。

第五步：检测两端光功率值：并将其进行比较。如果两端光功率值相差小于3dB，则自动跟踪完成；如果两端光功率值相差大于3dB，则进行本端调节，即调节本端接收天线，在保证两端光功率总和不变的前提下使两端光功率差值尽量小。

第六步：重新检测两端光功率值：并将其进行比较。如果两端光功率值相差小于3dB，则自动跟踪完成；如果两端光功率值相差大于3dB，则进行远端调节，即调节本端发射天线，在保证两端光功率总和不变的前提下使两端光功率差值尽量小。

上述设定阈值的取值在1dB～6dB之间。但在本发明最佳实施例中，所述设定阈值的取值最好为2dB。

经过上述流程调整后，两端的接收光功率可始终保持在最优化的状态，即通过适时的自动跟踪接收光功率所作出的调整，及时地纠正了因外部因素导致的偏移引起的接收光功率变化，从而达到使通信稳定、可靠的目的。

由于本发明中接收光功率的检测及传输的速度非常快，系统的跟踪速度主要与控制驱动及执行部件的响应速度相关。在低成本要求的前提下，非常适合近地、固定点之间的大气激光通信使用。当然，只要配备高速的伺服控制系统，也可用于移动的大气激光通信。

本发明的优选实施例中光功率值的获得是采用电路上的复用与解复用来实现的。实际上还有其他多种方式的复用与解复用来实现本端与远端接收光功率值相互之间传输，如WDM等。此外，上述实施例中光分束探测方法是采用光纤分路器的方式，主要是实施例中采用了聚焦耦合进引导光纤的原因。实际上还可以通过分光棱镜的方式加以实现，当然也可以通过信号检测电路上的光电流的大小来加以实现等等。因此依据本发明权利要求所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims

1、大气激光通信自动跟踪方法，其特征在于包括如下步骤：

2、根据权利要求1所述的大气激光通信自动跟踪方法，其特征在于：所述本端光学天线和远端光学天线的具体调节步骤为：让本端/远端光学天线向俯仰方向微动一步，检测光功率是否增加：如否，则让本端/远端光学天线向方位方向进行调整；如是，则继续向该方向驱动本端/远端光学天线一步，然后再检测光功率，如此反复驱动、检测，直至光功率调节到最大值；然后让本端/远端光学天线向方位方向进行调整，具体过程如上所述，直至光功率为最大。

3、根据权利要求1或2所述的大气激光通信自动跟踪方法，其特征在于：所述设定阈值为1dB～6dB之间。

4、根据权利要求3所述的大气激光通信自动跟踪方法，其特征在于：所述设定阈值为2dB。

5、大气激光通信自动跟踪系统，包括检测本端光功率信息的本端光功率检测模块和本端光学天线、以及检测远端光功率信息的远端光功率检测模块和远端光学天线，其特征在于：还包括有一自动跟踪控制模块，所述自动跟踪控制模块主要由下述单元构成，

6、根据权利要求5所述的大气激光通信自动跟踪系统，其特征在于：所述自动跟踪控制模块分别经一执行部件与本端光学天线和远端光学天线相连，此时自动跟踪控制模块内还包括有驱动本端/远端光学天线向俯仰方向微动一步，检测对应光功率是否增加：如否，则控制执行部件向方位方向进行调整；如是，则继续向该方向驱动执行部件一步，然后再检测光功率，如此反复驱动、检测，直至光功率调节到最大值；然后驱动执行部件向方位方向进行调整，具体过程如上所述，直至光功率为最大的执行部件控制单元。

7、根据权利要求5或6所述的大气激光通信自动跟踪系统，其特征在于：所述自动跟踪控制模块上还接有显示本端光功率信息和远端光功率信息的光功率监测显示模块，光功率监测显示模块的输入端分别与光功率检测器和解复用电路相连。

8、根据权利要求5或6所述的大气激光通信自动跟踪系统，其特征在于：所述设定阈值为1dB～6dB之间。

9、根据权利要求8所述的大气激光通信自动跟踪系统，其特征在于：所述设定阈值为2dB。