CN102185652A - 无线激光通信传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了无线激光通信传输方法和系统，其中，该系统包括半球传感头、光纤阵列、光电探测器和电信号处理器；所述半球传感头，用于通过光学窗口，将接收的激光信号聚焦到接收光纤上；所述光纤阵列的接收光纤，用于接收通过光学窗口聚焦的激光信号，传送给与每根接收光纤连接的光电探测器；所述光电探测器，用于将各接收光纤传送的激光信号转换为电信号，发送给电信号处理器；所述电信号处理器，用于根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应电信号的相对强度，计算出入射激光束的方位；并对光电探测器传送的电信号进行处理，还原成原始信号。本发明方案能够灵活、快速地捕获无线激光，以快速建立无线激光通信。

Description

无线激光通信传输方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及无线激光通信传输方法及系统。

背景技术

由于激光的波长极短(几十微米～几十纳米)，频率极高，加之激光本身的相干性、单色性和方向性好等特点，因此无线激光通信与其他通信方式相比有很大的优势：

(1)通信容量大。由于激光波长很短，通常使用的半导体激光器的工作波长为0.8～0.9μm、1.3μm和1.5μm，因此其可利用的带宽是无线电射频波段的105倍。目前光纤通信的调制带宽可达到100Gbit/s，而无线激光通信也已经达到40Gbit/s。(2)系统尺寸、质量和功耗明显降低。由于激光波长很短，系统所用的器件尺寸明显减小，质量和功耗也随之降低。一个15.24cm的光学发射天线的有效增益为122dB，而一个64m的射频天线的有效增益仅为60dB左右。(3)各通信链路间的电磁干扰小。由于无线激光通信系统使用激光作为光源，其发散角很小，能量集中在很窄的光束中。窄光束意味着和邻近的通信链路干扰将会减小。(4)保密性强。由于通信光束发散角很小，因此对方很难对通信信息进行侦听和干扰，这一点对军事应用尤其重要。

利用无线激光通信传输系统，可以实现在强电磁干扰环境下，各通信单元分享视频信息、发布命令，充分保证了通信系统的畅通。但是，由于无线激光通信为了实现远距离高速率通信，必须保证发射激光束有较小的束散角，有时束散角甚至要达到微弧度量级，这就对通信双方光学天线对准带来了困难。传统激光通信机都有捕获瞄准跟踪(APT，Acquisition，Pointing and Tracking)子系统，用来建立双方通信链路并且能保持连续通信。这其中捕获环节是通过电机驱动光学天线转动实现的，由于光学天线本身较重，转动惯量较大，就难以实现更快速度、更高频率的转动。而这一点对于移动目标之间的通信影响很大，而且如果移动目标本身颠簸幅度较大，频率较高，光学天线就很难实现连续对准，通信双方的通信链路就不能实现连续通信。而同时用于瞄准和跟踪的精跟踪系统虽然可以实现快速跟踪，但由于视场较小，变动范围也小，对于大的机体振动难以修正。这样，对于移动目标之间通信，特别是处于较恶劣路况中的移动目标间通信，就很有必要研究新型激光通信系统，该系统可以实现高频率、大幅度振动情况下的连续激光通信。

参见图1，为现有技术中无线激光通信传输系统的结构示意图，该系统包括APT子系统、天文望远镜、光电探测器和信息处理器，图中填充为黑色的部分为天文望远镜，天文望远镜通过光学天线实现，APT子系统为机械转台结构，用于对天文望远镜的视角进行调整；光学天线接收对方的激光信号后，传送给光电探测器；光电探测器将接收的光信号转换为电信号，发送给信息处理单元；信息处理单元根据电信号计算出对方的方位，并对电信号进行处理，还原成对方发射的原始信号。对于发射方向，该系统还包括编码器、激光器和调制器；在获知对方方位后，APT子系统控制天文望远镜的视角进行调整，以对准对方方位；编码器对待发送的信息信号进行编码，得到编码信号，将编码信号传送给调制器；激光器生成激光信号，传送给调制器；调制器将接收的编号信号调制到接收的激光信号上，得到调制激光信号，通过光学天线发射出去。

由于现有系统光学天线的视场较小，一般为几毫弧(mrad)，所以须利用APT子系统实现双方光学天线的对准。APT子系统主要是为了建立双方光学天线发射和接收之间的对准，以便于能够更强地传递信号激光能量，并且在建立通信后能根据机体振动、大气漂移等影响不断调整光束传输方向，以保证发射和接收之间传输的信号激光能量最强。但采用APT子系统与天文望远镜组合进行无线激光传输的方案存在下述缺陷：根据对方方位的变化，需要通过APT子系统对天文望远镜进行实时调整，且APT子系统为有较大转动惯量的机械转台，不能灵活、快速操作，导致不能灵活、快速地捕获无线激光，不能快速建立无线激光通信。

发明内容

本发明提供了一种无线激光通信传输方法，该方法能够灵活、快速地捕获无线激光，以快速建立无线激光通信。

本发明提供了一种无线激光通信传输系统，该系统能够灵活、快速地捕获无线激光，以快速建立无线激光通信。

一种无线激光通信传输方法，该方法包括：

半球传感头通过光学窗口，将接收的激光信号聚焦到光纤阵列中的接收光纤上；所述半球传感头上设置有多个光学窗口，每个光学窗口对应一根接收光纤，所述光纤阵列包括多根接收光纤，每根接收光纤为一个光纤通道，每个光纤通道有一个编号进行标识；

接收光纤接收通过光学窗口聚焦的激光信号，传送给与每根接收光纤连接的光电探测器；

光电探测器将各接收光纤传送的激光信号转换为电信号，发送给电信号处理器；

电信号处理器根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应电信号的相对强度，计算出入射激光束的方位；并对光电探测器传送的电信号进行处理，还原成原始信号。

一种无线激光通信传输系统，该系统包括半球传感头、光纤阵列、光电探测器和电信号处理器；所述半球传感头上设置有多个光学窗口，每个光学窗口对应一根接收光纤，所述光纤阵列包括多根接收光纤，每根接收光纤为一个光纤通道，并对每个光纤通道进行编号；

所述半球传感头，用于通过光学窗口，将接收的激光信号聚焦到接收光纤上；

所述光纤阵列的接收光纤，用于接收通过光学窗口聚焦的激光信号，传送给与每根接收光纤连接的光电探测器；

所述光电探测器，用于将各接收光纤传送的激光信号转换为电信号，发送给电信号处理器；

所述电信号处理器，用于根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应电信号的相对强度，计算出入射激光束的方位；并对光电探测器传送的电信号进行处理，还原成原始信号。

从上述方案可以看出，本发明用半球传感头和光纤阵列代替了现有技术中的天文望远镜及机械转台结构，半球传感头设置后，不需要对半球传感头进行实时调整；这样，在需要调整视角时，无需像现有技术那样通过机械转台结构对天文望远镜进行转动调整，丢弃了庞大笨重的机械转台结构，能够灵活、快速地捕获无线激光，实现了快速建立无线激光通信。

附图说明

图1为现有技术中无线激光通信传输系统的结构示意图；

图2为半球传感头的结构示意图实例；

图3为本发明无线激光通信传输系统的结构示意图；

图4为光纤头位置与光束发散角之间的关系示意图实例；

图5为图3中耦合单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。

本发明借鉴了现有技术激光告警器中的半球传感头和光纤阵列，以实现双方的无线激光通信。

现有技术的激光告警器中，采用了半球传感头和光纤阵列实现激光告警；本发明运用半球传感头和光纤阵列代替了现有无线激光通信传输系统中的天文望远镜及机械转台结构，在通信双方之间建立无线激光通信；由于半球传感头的方位角较广，半球传感头设置后，不需要进行实时调整。下面，首先对现有的激光告警器进行说明。

现有激光告警器的结构包括半球传感头、光纤阵列和告警处理单元；所述半球传感头上设置有多个光学窗口，每个光学窗口对应一根接收光纤，所述光纤阵列包括多根接收光纤，每根接收光纤为一个光纤通道，并对每个光纤通道进行编号；图2为半球传感头的一个实例，该半球传感头的半球表面设置多个个光学窗口，分上下两层。半球传感头通过光学窗口，将接收的激光信号聚焦到接收光纤上；所述光纤阵列的接收光纤，接收通过光学窗口聚焦的激光信号，传送给与每根接收光纤连接的告警处理单元；告警处理单元，获取各接收光纤的激光信号，根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应信号的相对强度，计算出入射激光束的方位，然后上报包含该方位的告警信号。

由于激光告警器与对方之间通信的距离一般较远，入射激光束可以认为是平行光入射，且各光学窗口对应了不同的入射激光束方位，每个光学窗口对应一根接收光纤，每根接收光纤对应一个光纤通道编号；这样，告警处理单元便可根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应信号的相对强度，计算出入射激光束的方位。

根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应信号的相对强度，计算出入射激光束的方位，为已有的技术，下面进行简要说明。例如：如果接收激光信号的光纤通道为一个，获知了哪个光纤通道接收了激光信号，便可知道与该光纤通道对应的方位，也就是确定了入射激光束的方位。再如，对于根据接收激光信号的光纤通道编号得知，接收激光信号的光学窗口为相邻的两个光学窗口，则根据这两个相邻光学窗口对应的入射激光束方位以及分别对应的信号强度，通过数学运算便可计算出入射激光束的方位，简单地，对于两个相邻光学窗口对应的信号强度相同的情况，则入射激光束的方位为两个光学窗口中间的位置。

参见图3，为本发明无线激光通信传输系统的结构示意图，该系统包括半球传感头、光纤阵列、光电探测器和电信号处理器；所述半球传感头上设置有多个光学窗口，每个光学窗口对应一根接收光纤，所述光纤阵列包括多根接收光纤，每根接收光纤为一个光纤通道，并对每个光纤通道进行编号；

所述半球传感头，用于通过光学窗口，将接收的激光信号聚焦到接收光纤上；

所述光纤阵列的接收光纤，用于接收通过光学窗口聚焦的激光信号，传送给与每根接收光纤连接的光电探测器；

所述光电探测器，用于将各接收光纤传送的激光信号转换为电信号，发送给电信号处理器；

所述电信号处理器，用于根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应电信号的相对强度，计算出入射激光束的方位；并对光电探测器传送的电信号进行处理，还原成原始信号。

每根接收光纤可放置于对应光学窗口的聚焦焦点处，半球传感头的每个光学窗口有一根接收光纤。

双方之间通信的距离，一般为几公里，入射激光束可以认为是平行光入射。电信号处理器根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应信号的相对强度，计算出入射激光束的方位，为已有的技术，这里不多赘述。

电信号处理器接收光电探测器传送的关于光纤通道的电信号，如果接收到的是关于多个光纤通道的电信号，可对其中任一光纤通道的电信号进行处理，将其还原成原始信号；将电信号还原成原始信号，为已有的技术，这里不多赘述。

半球传感头上设置的光学窗口个数和位置可根据需要设置，且半球传感头的直径、光学窗口的直径、半球传感头的视场和每个光学窗口的视场等参数也可根据需要设置。假设：半球传感头的半球表面设置36个光学窗口，分上下两层，每层18个；半球传感头的直径为150毫米，光学窗口的直径为10毫米；半球传感头的视场为：方位角360度，每个光学窗口的视场为30度，相邻的光学窗口的视场互相重叠，有效地消除了探测死角。该实例中，接收光纤为36根，每根接收光纤的接收端置于相应光学窗口的聚焦焦点处，另一端接雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photo Diode)或光电二极管(PIN，Positive Intrinsic-Negative)等光学探测器。

无线激光通信传输系统不仅可以进行激光接收，还可以进行激光发射，下面对激光发射进行说明，相应地，该系统还包括编码器、激光器、调制器和耦合单元，所述光纤阵列还包括多根发射光纤，每个光学窗口对应至少一根发射光纤；

所述编码器，用于对待发送的信息信号进行编码，得到编码信号，将编码信号传送给调制器；

所述激光器，用于生成激光信号，传送给调制器；

所述调制器，用于接收编码器传送的编码信号，并接收激光器传送的激光信号；将接收的编号信号调制到接收的激光信号上，得到调制激光信号，传送给耦合单元；

所述耦合单元，存储了发射方位与发射光纤之间的对应关系，根据发射方位从所述对应关系中查找出对应的发射光纤，将接收的调制激光信号耦合进查找出的发射光纤；

所述光纤阵列的发射光纤，用于接收耦合单元发送的调制激光信号，通过与发射光纤对应的光学窗口发射出去。

半球传感头的每个光学窗口有至少一根发射光纤，每根发射光纤有一个发散角；发射光纤的发射端置于光学窗口聚焦的焦平面与光学窗口之间的位置，关于在焦平面与光学窗口之间的具体位置，可根据需要设定。确定了发射光纤发射端的位置，便确定了该发射光纤通过相应光学窗口进行发射的发射角；根据发射端与光学窗口之间的位置关系以及光学窗口大小等参数，便可计算出该发射光纤通过相应光学窗口发射激光的发射角，该计算方式为本领域技术人员通过简单推算容易实现的技术，这里不过多赘述。

同样以前述实例进行说明：半球传感头的半球表面设置36个光学窗口，分上下两层，每层18个；半球传感头的直径为150毫米，光学窗口的直径为10毫米，半球传感头的视场为：方位角360度，每个光学窗口的视场为30度；图4示出了该实例中与某一光学窗口对应的一根接收光纤和两根发射光纤的情况，接收光纤的接收端置于聚焦焦点A处，图中还用粗实线示出了焦点A所在的焦平面；发射光纤1的发射端置于焦平面与光学窗口之间的B点处，其对应的发射角为图中所示的发散角b；发射光纤2的发射端置于焦平面与光学窗口之间的C点处，其对应的发射角为图中所示的发散角c。

上述实例中，若每个光学窗口有4根发射光纤，则该半球传感头共有144根发射光纤。

在获知通信对方的方位，即发射方位后，耦合单元根据发射方位查找出对应的发射光纤，将调制器传送的调制激光信号耦合进查找出的发射光纤。之后，当获知发射方位变动时，耦合单元根据变动后的发射方位查找出对应的发射光纤，进行光纤通道切换，将调制器传送的调制激光信号切换到新的发射光纤进行发射。光纤通道的切换方式有多种，例如可运用现有的光开关实现，具体地：假设发射光纤总数为M，则采用M个光开关，每个光开关控制与一根发射光纤的接通和断开，光开关可通过电控制实现将激光信号从一根发射光纤切换到任意一根发射光纤进行耦合。

耦合单元可采用光开关实现，也可采用图5所示的结构实现，其包括准直透镜、快速转向镜和聚焦透镜，快速转向镜为图中倾斜放置的矩形条；

所述准直透镜，用于接收调制激光信号，变成平行光后入射到快速转向镜；

所述快速转向镜，用于接收来自准直透镜的激光，将其反射到聚焦透镜；

所述聚焦透镜，用于来自快速转向镜的激光聚焦到查找出的发射光纤上。所述快速转向镜也可以为PZT倾斜镜，准直透镜、快速转向镜和聚焦透镜三者之间的位置可根据需要调整。

采用本发明方案，由于半球传感头的方位角为360度，使其周围各方向上的光学窗口都能接收激光，因此，初始放置无线激光通信传输系统后，无需对半球传感头进行实时调整，探测到有入射信号的光纤通道，便可计算出入射激光束的方位，以便向该方位回应激光响应，快速建立连接。这样，在需要调整视角时，无需像现有技术那样通过机械转台结构对天文望远镜进行转动调整，丢弃了庞大笨重的天文望远镜、机械转台结构，激光捕获阶段不需要进行机械扫描，能够灵活、快速地捕获无线激光，实现了快速建立无线激光通信。

而当对方机体由于大幅度振动使其发射光束偏移时，本地无线激光通信传输系统也可以根据探测到的入射光束通道的变换计算出对方的偏移方向，并能据此调整本方的发射光束方向，从而使对方一直在本方发射光束的覆盖范围内。本发明方案能够使移动目标间快速建立通信链路，并保持连续稳定的通信。

本发明方案不仅可以适用于移动目标间的通信，也适合于固定点之间的通信，有利于双方之间快速建立通信链路；并且当双方由于其他因素(如：地震等)出现位置变动时，也可以一直保持通信状态。

本发明还提供了无线激光通信传输方法，其包括以下步骤：

半球传感头通过光学窗口，将接收的激光信号聚焦到光纤阵列的接收光纤上；所述半球传感头上设置有多个光学窗口，每个光学窗口对应一根接收光纤，所述光纤阵列包括多根接收光纤，每根接收光纤为一个光纤通道，每个光纤通道有一个编号进行标识；

接收光纤接收通过光学窗口聚焦的激光信号，传送给与每根接收光纤连接的光电探测器；

光电探测器将各接收光纤传送的激光信号转换为电信号，发送给电信号处理器；

电信号处理器根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应电信号的相对强度，计算出入射激光束的方位；并对光电探测器传送的电信号进行处理，还原成原始信号。

可选地，所述光纤阵列还包括多根发射光纤，每根发射光纤为一个光纤通道，每个光学窗口对应至少一根发射光纤；该方法还包括：

编码器对待发送的信息信号进行编码，得到编码信号，将编码信号传送给调制器；激光器生成激光信号，传送给调制器；

调制器将接收的编号信号调制到接收的激光信号上，得到调制激光信号，传送给耦合单元；

耦合单元存储了发射方位与发射光纤之间的对应关系，根据发射方位从所述对应关系中查找出对应的发射光纤，将接收的调制激光信号耦合进查找出的发射光纤；

光纤阵列的发射光纤接收耦合单元发送的调制激光信号，通过与发射光纤对应的光学窗口发射出去。

假设进行通信的双方为通信单元1和通信单元2，采用本发明方案进行双方通信的过程为：若通信单位1想与通信单位2通信，首先要确定通信单位2的初始方位，初始方位可以通过目测或由对方提前通过射频(RF，Radio frequency)信道告知；然后通信单元1根据初始方位选择对应的发射光纤发射激光信号，发射的激光束覆盖通信单位2；通信单位2探测到来自通信单元1的激光束，根据接收激光束的接收光纤的编号和相应电信号的相对强度，计算出通信单位1的方位；然后通信单位2根据计算出的方位选择对应的发射光纤通道，向通信单位1发射通信激光束；至此，双方的通信信道建立起来。通信单位1和通信单位2可能都处于运动状态，双方的相对方位可能不断变化，这时双方将不断计算对方方位并切换发射光纤信道，以保持连续通信。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种无线激光通信传输系统，其特征在于，该系统包括半球传感头、光纤阵列、光电探测器和电信号处理器；所述半球传感头上设置有多个光学窗口，每个光学窗口对应一根接收光纤，所述光纤阵列包括多根接收光纤，每根接收光纤为一个光纤通道，并对每个光纤通道进行编号；

所述半球传感头，用于通过光学窗口，将接收的激光信号聚焦到接收光纤上；

所述光纤阵列的接收光纤，用于接收通过光学窗口聚焦的激光信号，传送给与每根接收光纤连接的光电探测器；

所述光电探测器，用于将各接收光纤传送的激光信号转换为电信号，发送给电信号处理器；

所述电信号处理器，用于根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应电信号的相对强度，计算出入射激光束的方位；并对光电探测器传送的电信号进行处理，还原成原始信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每根接收光纤的接收端置于相应光学窗口的聚焦焦点处。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括编码器、激光器、调制器和耦合单元，所述光纤阵列还包括多根发射光纤，每个光学窗口对应至少一根发射光纤；

所述编码器，用于对待发送的信息信号进行编码，得到编码信号，将编码信号传送给调制器；

所述激光器，用于生成激光信号，传送给调制器；

所述调制器，用于接收编码器传送的编码信号，并接收激光器传送的激光信号；将接收的编号信号调制到接收的激光信号上，得到调制激光信号，传送给耦合单元；

所述耦合单元，存储了发射方位与发射光纤之间的对应关系，根据发射方位从所述对应关系中查找出对应的发射光纤，将接收的调制激光信号耦合进查找出的发射光纤；

所述光纤阵列的发射光纤，用于接收耦合单元发送的调制激光信号，通过与发射光纤对应的光学窗口发射出去。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述耦合单元包括准直透镜、快速转向镜和聚焦透镜；

所述准直透镜，用于接收调制激光信号，变成平行光后入射到快速转向镜；

所述快速转向镜，用于接收来自准直透镜的激光，将其反射到聚焦透镜；

所述聚焦透镜，用于来自快速转向镜的激光，聚焦到查找出的发射光纤上。

5.如权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述半球传感头的半球表面设置有36个光学窗口，分上下两层，每层18个。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述半球传感头的直径为150毫米，光学窗口的直径为10毫米。

7.一种无线激光通信传输方法，其特征在于，该方法包括：

半球传感头通过光学窗口，将接收的激光信号聚焦到光纤阵列中的接收光纤上；所述半球传感头上设置有多个光学窗口，每个光学窗口对应一根接收光纤，所述光纤阵列包括多根接收光纤，每根接收光纤为一个光纤通道，每个光纤通道有一个编号进行标识；

接收光纤接收通过光学窗口聚焦的激光信号，传送给与每根接收光纤连接的光电探测器；

光电探测器将各接收光纤传送的激光信号转换为电信号，发送给电信号处理器；

电信号处理器根据接收激光信号的光纤通道编号以及相应电信号的相对强度，计算出入射激光束的方位；并对光电探测器传送的电信号进行处理，还原成原始信号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光纤阵列还包括多根发射光纤，每个光学窗口对应至少一根发射光纤；该方法还包括：

编码器对待发送的信息信号进行编码，得到编码信号，将编码信号传送给调制器；激光器生成激光信号，传送给调制器；

调制器将接收的编号信号调制到接收的激光信号上，得到调制激光信号，传送给耦合单元；

耦合单元存储了发射方位与发射光纤之间的对应关系，根据发射方位从所述对应关系中查找出对应的发射光纤，将接收的调制激光信号耦合进查找出的发射光纤；

光纤阵列的发射光纤接收耦合单元发送的调制激光信号，通过与发射光纤对应的光学窗口发射出去。

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