CN101656574B - 便携式无线激光通信端机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式无线激光通信端机，属于通信技术领域。包括拾音器、放音器、音频电压/功率放大器、编解码器、微控制器、调制驱动电路、半导体激光器、发射光学系统、信号后端处理电路顺序连接有光电探测器及前端处理电路、接收光学系统；所述的半导体激光器是脉冲半导体激光器；所述的发射光学系统对半导体激光器发射的光束准直，准直后的发散角选值范围为大于等于1.5°小于等于12°；所述的光电探测器及前端处理电路中具有硅四象限探测器，或铟镓砷四象限探测器。本发明实现信号光探测、对准一体化，无需单独的瞄准通道对光束精确对准，并且无需单独的信标光跟踪系统和稳定平台，使端机的体积和重量满足便携的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式无线激光通信端机，属于通信技术领域，是一种以大气作为信道、以激光作为载波的便携式无线激光通信端机。
背景技术
激光通信是以激光为载波进行语音、图像和数据等信息传递。激光与微波相比具有波长短、高相干性和空间定向性的特点，因此，决定了激光通信的突出优点：大通信容量、低功耗、体积小、重量轻、高度的保密性、强抗电磁干扰性。与光纤通信相比，无线激光通信具有成本低、布设方便、便于应急通信等优点，因此，自上世纪七十年代以来，无线激光通信目益为人们所重视，国内外研究者都开展了相关研究。
中国中山大学激光与光谱学研究所采用音频、数字信号的调幅激光制式工作实现大气通信传输(技术成果编号89209283)；中国电子科技大学采用10.6微米波长内腔式二氧化碳激光器，实现定点双工四线制三路电话的大气通信(技术成果编号88210414)；中国科学院上海光学精密机械研究所在“无线激光通信端机”专利(专利号ZL00217069.8)中，提出一种可实现与其它通信设施并网的通信端机；中国科学院上海光学精密机械研究所在另一个专利“多发射光源自动跟踪无线激光通信端机”(申请号03116634.2)中，增加了信标光跟踪系统。上述几种方案的不足之处在于：需要另外提供单独的瞄准通道来对实现光束精确对准，当要获得更远的通信距离(大于2km)时需要平台稳定系统，造成通信端机的体积和重量增加，不方便单人携带使用。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服上述现有技术存在的不足，提供一种便携式无线激光通信端机，是一种便携式的、全双工无线光通信设备，具有通信对准与信号光接收合一、大功率激光发射等特点，实现语音、数据的无线传输。
本发明的技术方案是：一种便携式无线激光通信端机，包括按信号处理顺序连接的音频电压/功率放大器、编解码器、微控制器、调制驱动电路、半导体激光器、发射光学系统；所述微控制器还连接信号后端处理电路，该信号后端处理电路顺序连接有光电探测器及前端处理电路、接收光学系统；所述的音频电压/功率放大器还分别连接有拾音器及放音器；所述的半导体激光器是脉冲半导体激光器；所述的发射光学系统对半导体激光器发射的光束准直，准直后的发散角选值范围为大于等于1.5°小于等于12°；所述的光电探测器及前端处理电路中具有硅四象限探测器，或铟镓砷四象限探测器。所述的半导体激光器，其激光波长选值范围为大于等于900nm，小于等于1600nm。。
所述的接收光学系统包括有成像透镜、窄带滤光片。
所述的微控制器还有与外部设备相连的、用于数据信息传输的接口。
所述的光电探测器及前端处理电路还有前置放大器组、发光二极管阵列、积分器组、比较器组、或门，用于提取信号光并通过发光二极管显示出入射光束的相对角位移量。
所述的半导体激光器为GaAs脉冲半导体激光器，其激光波长为905nm。
所述的半导体激光器为GaAs脉冲半导体激光器，其激光波长为1550nm。
所述的发射光学系统对半导体激光器发射的光束准直后的发散角选值范围为大于等于2°，小于等于10°
所述的四象限探测器由A、B、C、D四个象限组成，探测器中心在接收光学系统)的光轴上，并处于离轴位置。
所述的接收光学系统有效通光口径为50mm，接收视场角为2°，光敏面直径为4mm。
本发明便携式激光通信端机的工作原理如下：
语音信号由麦克风采集，经音频电压/功率放大器电压放大后，送编解码器进行A/D转换，音频数字信号与外部串口数据送给微控制器完成复用，复用后的信号经调制驱动电路和半导体激光器调制为激光信号，通过发射光学系统完成信号光发射；接收信号时，激光信号被接收光学系统聚焦在光电探测器上进行光电转换，经前端处理电路和后端处理电路处理后送微控制器解复用，语音信号经编解码器解码和音频电压/功率放大器放大后，通过耳机输出。
本发明便携式无线激光通信端机具有显著的特点和有益效果，其优点如下：
1.采用硅四象限探测器或铟镓砷四象限探测器作为光电探测器，同时承担了信号探测器和跟踪探测器的作用，没有使用光电二极管或雪崩光电二极管作为信号传感器，使通信对准与信号光接收的功能用一个接收光学系统和一个探测器实现，减小了装置的体积和重量；
2.采用脉冲半导体激光器作为发射光源，利用其输出光峰值功率高的特点，可在较大的发散角的情况下实现远距离激光通信。
3.接收光学系统具有大的接收视场，使操作人员可以克服手持抖动实现手持激光通信，省略了稳定平台和单独的信标跟踪装置。
4.实现信号光探测、对准一体化，无需单独的瞄准通道对光束精确对准，并且无需单独的信标光跟踪系统和稳定平台，使端机的体积和重量满足便携的要求。
附图说明：
图1是本发明便携式无线激光通信端机结构原理框图；
图2是光电探测器及前端接收电路工作原理示意图。
图中：1—拾音器，2—接口 3—计算机 4—调制驱动电路，5—半导体激光器，6—发射光学系统，7—放音器，8—音频电压/功率放大器，9—编解码器，10—微控制器，11—信号后端处理电路，12—光电探测器及前端处理电路，13—接收光学系统，14—前置放大器组，15—发光二极管阵列，16—积分器组，17—比较器组，18—或门，19—直流电源，20—四象限探测器。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下：
实施例1：如图1、图2所示，一种便携式无线激光通信端机，它有按信号处理顺序连接的音频电压/功率放大器8、编解码器9、微控制器10、调制驱动电路4、半导体激光器5、发射光学系统6，音频电压/功率放大器8集成了音频电压放大器和功率放大器，分别对输入音频信号进行电压放大和对经过解码的信号进行功率放大，编解码器9对放大后的模拟信号实现数字编码，数字编码方式可分为脉冲编码调制PCM、参量编码调制和混合编码调制，采用脉冲编码调制时，编码器要求支持8k/s及其以上的采样频率、8bit数字编码，数据速率为64kbps；采用参量编码调制或混合编码调制时，由于是压缩编码方式，因此速率在2.4kbps～16kbps的范围内。微控制器10接收来自编解码器9的音频编码信号和来自计算机3的数据信号
数据信号通过RS232接口传输并转换为TTL电平信号。微控制器10对音频和数据信号复接后送给调制驱动电路4，调制驱动电路4把数据信号整形，变换成适合激光传输的电平信号，驱动半导体激光器5发射激光信号；所述微控制器10还连接信号后端处理电路11，该信号后端处理电路11顺序连接有光电探测器及前端处理电路12、接收光学系统13；所述的音频电压/功率放大器8还分别连接有拾音器1及放音器7，该拾音器1是外置的麦克风，也可以是内藏的麦克风，放音器7是外部线连接的耳机，也可以是内部设置的扬声器，麦克风1与耳机7作为音频信号输入、输出设备，可为集成式头戴耳麦；所述的半导体激光器5是脉冲半导体激光器；所述的发射光学系统6对半导体激光器5发射的光束准直，准直后的发散角选值范围为大于等于1.5°小于等于12°，本实施例为2°；所述的光电探测器及前端处理电路12中具有硅四象限探测器，或铟镓砷四象限探测器，本实施例为硅四象限探测器，作为光电探测器，同时承担了信号探测器和跟踪探测器的作用，可探测信号光并探测入射光束的角度偏移量，具有大的接收视场。探测器接收到的光斑被四个象限分成四部分，每个象限相当于一个独立的光电探测器，各个象限上的光斑大小不同，则各个象限产生的光电流也不相同。四个象限的电流信号送给前置放大器组14分别进行电压放大，放大后的电压信号送给积分器组16进行脉冲展宽，然后驱动发光二极管阵列15显示出来，发光二极管阵列由四个发光二极管组成，它们可根据电压大小对发光的亮度或颜色进行调制，根据亮度或颜色的对比，即可直观地反映出入射光束的相对角偏移量。前置放大器组14出来的电压信号同时送给比较器组17，通过与设定的阈值电压比较对信号进行滤波处理，然后送或门18，得到通信信号。半导体激光器5出射光束的发散角为3°，光斑形状为圆形，发射口径为20mm。所述的半导体激光器5，其激光波长选值范围为大于等于900nm，小于等于1600nm，这种激光器的峰值发射功率远大于连续半导体激光器和采用光纤放大器的主振功放(MOPA)形式，本实施例所述的半导体激光器5为GaAs脉冲半导体激光器，其激光波长选为905nm。所述的接收光学系统13有成像透镜、窄带滤光片。发射光学系统6起着对光束整形扩束的作用，通常需要几片透镜组成镜头组。接收光学系统13起收集、汇聚信号光的作用，由接收物镜和窄带滤光片组成。在光电探测器及前端处理电路12中，采用硅的四象限探测器进行光电转换；前端处理电路对信号进行放大、整形并提取角度偏移量信息。后端处理电路11对模拟信号完成A/D转换送给微控制器10解复用，再经编解码器9、音频电压/功率放大器8、耳机7得到接收的音频信息。所述的微控制器10还有与外部设备相连的、用于数据信息传输的接口2，本实施例选为RS232接口，通过该接口2与计算机3连通。所述的光电探测器及前端处理电路12还有前置放大器组14、发光二极管阵列15、积分器组16、比较器组17、或门18，用于提取信号光并通过发光二极管显示出入射光束的相对角位移量。所述的四象限探测器20由A、B、C、D四个象限组成，探测器中心在接收光学系统13的光轴上，并处于离轴位置。所述的接收光学系统13有效通光口径为50mm，接收视场角为2°，光敏面直径为4mm；电源19为直流电源。本发明效果显著：通信速率为2.4kbps～100kbps，工作距离为3km，误码率低于10-9。激光峰值功率为70W；试验结果表明：便携式无线激光通信端机的通信速率为2.4kbps～100kbps，工作距离为3km，误码率低于10-9。
实施例2：与实施例1不同的是：半导体激光器5为GaAs脉冲半导体激光器，其激光波长为1550nm；发射光学系统6对半导体激光器5发射的光束准直后的发散角选值为10°；探测器为铟镓砷四象限探测器。
实施例3：与实施例1不同的是：半导体激光器5激光波长为1600nm；发射光学系统6对半导体激光器5发射的光束准直后的发散角选值为5°；探测器为硅四象限探测器。
实施例4：与实施例1不同的是：半导体激光器5激光波长为1000nm；发射光学系统6对半导体激光器5发射的光束准直后的发散角选值为12°；探测器为铟镓砷四象限探测器。
Claims (10)
1.一种便携式无线激光通信端机，其特征在于：包括按信号处理顺序连接的音频电压/功率放大器(8)、编解码器(9)、微控制器(10)、调制驱动电路(4)、半导体激光器(5)、发射光学系统(6)；所述微控制器(10)还连接信号后端处理电路(11)，该信号后端处理电路(11)顺序连接有光电探测器及前端处理电路(12)、接收光学系统(13)；所述的音频电压/功率放大器(8)还分别连接有拾音器(1)及放音器(7)；所述的半导体激光器(5)是脉冲半导体激光器；所述的发射光学系统(6)对半导体激光器(5)发射的光束准直，准直后的发散角选值范围为大于等于1.5°小于等于12°；所述的光电探测器及前端处理电路(12)中具有硅四象限探测器，或铟镓砷四象限探测器。
2.根据权利要求1所述的便携式无线激光通信端机，其特征在于，所述的半导体激光器(5)，其激光波长选值范围为大于等于900nm，小于等于1600nm。
3.根据权利要求1所述的便携式无线激光通信端机，其特征在于，所述的接收光学系统(13)包括有成像透镜和窄带滤光片。
4.根据权利要求1所述的便携式无线激光通信端机，其特征在于，所述的微控制器(10)还有与外部设备相连的、用于数据信息传输的接口(2)。
5.根据权利要求1所述的便携式无线激光通信端机，其特征在于，所述的光电探测器及前端处理电路(12)还有前置放大器组(14)、发光二极管阵列(15)、积分器组(16)、比较器组(17)、或门(18)，用于提取信号光并通过发光二极管显示出入射光束的相对角位移量。
6.根据权利要求2所述的便携式无线激光通信端机，其特征在于，所述的半导体激光器(5)为GaAs脉冲半导体激光器，其激光波长为905nm。
7.根据权利要求2所述的便携式无线激光通信端机，其特征在于，所述的半导体激光器(5)为GaAs脉冲半导体激光器，其激光波长为1550nm。
8.根据权利要求1所述的便携式无线激光通信端机，其特征在 于，所述的发射光学系统(6)对半导体激光器(5)发射的光束准直后的发散角选值范围为大于等于2°，小于等于10°。
9.根据权利要求2所述的便携式无线激光通信端机，其特征在于，所述的四象限探测器(20)由A、B、C、D四个象限组成，探测器中心在接收光学系统(13)的光轴上，并处于离轴位置。
10.根据权利要求1所述的便携式无线激光通信端机，其特征在于，所述的接收光学系统(13)有效通光口径为50mm，接收视场角为2°，光敏面直径为4mm。
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