CN102332953A - 一种用编码成像方式进行激光通信的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用编码成像方式进行激光通信的方法及系统。首先，信号源发射出信号，信号经过调制器调制后发送到信号激光器发出的激光上，经过扩束准直后，通过发射天线发射到大气中。接收端的接收天线不断进行扫描，当信号光进入空间光调制器的视场范围内后，根据编码矩阵的值对空间光调制器上的微镜寄存器写入数值，与微镜水平方向成正向夹角的镜子便可把入射的信号光反射到场镜的视场范围内，通过场镜汇聚到单元探测器上，由此输出经过空间编码后信号光的一个电信号。此时，将发射光光斑成像到空间光调制器的中心位置处，使光轴完全对准。从而在实现激光通信的同时，把发射端光源的位置及时的调整到视场的正中间，保证了通信顺利进行。

Description

一种用编码成像方式进行激光通信的方法及系统

技术领域

本发明属于激光通信领域，涉及一种用编码成像方式建立激光通信链接并进行通信的方法。

背景技术

激光通信作为无线通信方式的一种，与传统的微波通信技术相比，具有容量大、保密性好、体积小、重量轻、低功耗等优点，世界各国都有广泛的研究。

传统的激光通信系统主要包括信号传输、APT(光束捕获、瞄准、跟踪)两大子系统。激光通信是无线通信，在传输信号之前，必须在激光通信的两端建立通信链路，整个通信链路的建立则是靠APT系统来完成的。由于激光通信系统的通信信号光束发散角很小，用信号光束进行捕获将会非常困难。因此，激光通信系统将利用发散角较大的信标光进行APT，通过两轴伺服系统确保两套光学系统精确的对准。在对准的前提下，信号光才开始利用信标光的光路进行通信。

传统的激光通信系统如图1所示，主要由信标光通道和信号光通道组成。前者用发散角较大的信标光实现APT即光束的捕获、瞄准、跟踪功能，并通过伺服系统确保光学系统光轴的对准，保证发散角很小的信号光完成通信功能。其工作过程如下：设通信双方为A端和B端，双方在通信建立之前，首先使用信标光系统进行相互搜索。双方的信标光激光器都会发出一束较宽的(相较于信号光来说)信标光，经过扩束准直，由光学天线发射至空中供对方捕获。在双方光轴对准之前，由于信号光视场小，接收端的信号探测器还无法接收到发射端的信号光，但信标光探测器已经捕获到对方光点的方位坐标，经过信号处理和计算机演算后向两轴伺服系统发出控制命令调整天线的角度，直至对方的信标光点落在信标光探测器的中心。由于信标光和信号光共轴，当对方的信标光落在信标光探测器的中心时，说明对方的信号光也会落在信号光探测器的中心，即可以实现信号光的通信了。在信号光通道，信号发射端经过调制的光信号通过合束镜和信标光一起被发射天线送至空中，并在接收端经过分束镜分离被信号光探测器接收完成通信过程。在通信过程中，如果信号光移出接收端信号探测器的视场范围，则需要重新启动APT过程(捕获、跟踪、瞄准)。

上述方案是目前国际上采用的最广泛的方法，但其存在以下两大缺点：由于长距离传输的光能损失，到达接收端的信标光十分微弱，背景光亦会对其产生很强的干扰，这就迫使信标光通道必须使用大功率的激光器。此外，信标光和信号光需要两套光学系统且必须共轴，系统不仅复杂且需要精密的光路调整，给加工、生产、维护带来了很大不便。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有激光通信过程中存在的接收端接收信号微弱而必须采用大功率激光器、背景光干扰影响、双光路光轴难以校对等问题，提出一种用编码成像方式进行激光通信的方法及系统。

本发明是通过下述技术方案实现的。

一种用编码成像方式进行激光通信的系统，包括：信号激光器、信号源、调制器、扩束准直镜、发射天线、接收天线、空间编码成像系统、通信处理系统、成像处理系统、APT处理系统和伺服系统。

其中，所述的空间编码成像系统，包括空间光调制器(例如：数字微镜器件DMD)、场镜和单元探测器。

该系统的信号走向为：首先，信号源发射出信号。信号经过调制器调制后，发送到信号激光器发出的激光上，经过扩束准直后，通过发射天线发射到大气中。与此同时，接收端的接收天线不断进行扫描(此处同传统通信的扫描方式)，当信号光进入空间光调制器的视场范围内后，根据编码矩阵的值对空间光调制器上的微镜寄存器写入数值，与微镜水平方向成正向夹角的镜子便可把入射的信号光反射到场镜的视场范围内。这些反射的光即可通过场镜汇聚到单元探测器上，由此输出经过空间编码后信号光的一个电信号。这时的光路光轴还没有完全对准，但是已经开始通信。

此时，将发射光光斑成像到空间光调制器的中心位置处，使光轴完全对准。其调整过程为：接收天线接收到的光信号，经过空间编码成像系统，到达单元探测器转化成电信号。之后，电信号被输送到成像处理系统，经过左乘编码矩阵运算计算出发射光斑的位置，再把位置信息传递到APT处理系统。APT处理系统把位置信息传递给伺服系统，来调整天线的方位角，使光斑能成像到空间光调制器的中心，达到在校对光轴的同时进行信号通信。

本发明的一种空间编码成像方式进行激光通信方法，步骤如下：

步骤一：设定器件参数

预先设定空间光调制器DMD的状态，DMD的每一个状态由S编码矩阵的每一行所决定，其中：DMD由成千上万个极小的微镜组成，这些微镜均呈悬浮状态，并可向两侧倾斜；

每一个微镜有三种状态：

①当DMD不工作时，微镜呈水平状态；

②当DMD工作时，对DMD上的微镜寄存器写入数值1后，微镜与水平方向形成正向夹角；

③当DMD工作时，对DMD上的微镜寄存器写入数值0后，微镜与水平方向形成负向夹角。

步骤二：发射端发射出信号光，信号光进入DMD的视场后，编码成像系统开始工作；在步骤一表述的三种状态中，只有第②种状态，即当微镜与水平方向形成正向夹角时，经其反射后的光方可通过场镜汇聚到单元探测器上。其中，DMD上每一个微镜的状态，由上述编码矩阵的行值所决定。这样，对应于DMD的一种状态，单元探测器就输出了经过空间编码后信号光的一个电信号。

步骤三：空间光调制器DMD的状态根据预先给的编码矩阵的行值变化，单元探测器就会输出空间编码后的一序列的信号值。把这一序列的信号值按照接收的先后顺序排成一个列矩阵，左乘编码矩阵的逆矩阵，得到信号光的光强值，从而实现对发射端光源的成像探测和定位。这样一来，在实现激光通信的同时，把发射端光源的位置及时的调整到视场的正中间，保证了通信更加顺利的进行。

有益效果

本发明方法对比已有技术，收发端不再使用大功率激光器产生的直流信标光，而是利用信号光本身实现通信链路的连接，同时进行通信。能够降低发射端的光功率，具有低功耗和设备小型化的效果。

附图说明

图1为传统激光通信系统框图；

图2为本激光通信方法的系统构成框图；

图3为空间编码成像系统构成图；

图4是DMD中的单个微镜的结构图；

图中，1-光束、2-空间光调制器、3-反射平行光束、4-场镜、5-单元探测器、6-支撑住、7-微反射单元、8-扭臂梁铰链、9-硅衬底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用编码成像方式进行激光通信的系统，包括：信号激光器、信号源、调制器、扩束准直镜、发射天线、接收天线、空间编码成像系统、通信处理系统、成像处理系统、APT处理系统和伺服系统。

其中，所述的空间编码成像系统，如图3所示，包括空间光调制器(例如：数字微镜器件DMD，如图4)、场镜和单元探测器。

该系统的信号走向为：首先，信号源发射出信号。信号经过调制器调制后，发送到信号激光器发出的激光上，经过扩束准直后，通过发射天线发射到大气中。与此同时，接收端的接收天线不断进行扫描(此处同传统通信的扫描方式)，当信号光进入空间光调制器的视场范围内后，根据编码矩阵的值对空间光调制器上的微镜寄存器写入数值，与微镜水平方向成正向夹角的镜子便可把入射的信号光反射到场镜的视场范围内。这些反射的光即可通过场镜汇聚到单元探测器上，由此输出经过空间编码后信号光的一个电信号。这时的光路光轴还没有完全对准，但是已经开始通信。

此时，将发射光光斑成像到空间光调制器的中心位置处，使光轴完全对准。其调整过程为：接收天线接收到的光信号，经过空间编码成像系统，到达单元探测器转化成电信号。之后，电信号被输送到成像处理系统，经过左乘编码矩阵运算计算出发射光斑的位置，再把位置信息传递到APT处理系统。APT处理系统把位置信息传递给伺服系统，来调整天线的方位角，使光斑能成像到空间光调制器的中心，达到在校对光轴的同时进行信号通信。

本发明的一种空间编码成像方式进行激光通信方法，步骤如下：

步骤一：设定器件参数

预先设定空间光调制器DMD的状态，DMD的每一个状态由S矩阵的每一行所决定，其中：DMD由成千上万个极小的微镜组成，单个微镜的结构如图4所示，这些微镜均呈悬浮状态，并可向两侧倾斜。假设DMD有1024*768个微镜，则用到的编码矩阵1024*768＝786432阶的S矩阵。则DMD上的每个状态都是S矩阵的某一行的值赋予的。

每一个微镜有三种状态：

④当DMD不工作时，微镜呈水平状态；

⑤当DMD工作时，对DMD上的微镜寄存器写入数值1后，微镜与水平方向形成+12°夹角；

⑥当DMD工作时，对DMD上的微镜寄存器写入数值0后，微镜与水平方向形成-12°夹角。

步骤二：发射端发射出信号光，当信号光进入DMD的捕获范围时，DMD上的第一个状态就是由S矩阵的第一行赋予的，信号光经过DMD的空间调制，由场镜汇聚到单元探测器中。DMD是以32K/S的速率变换一次状态，依次为：第二个状态就是S矩阵的第二行，第三个状态就是S矩阵的第三行……一直变换到第786432个状态。这时，接收端单元探测器已经接收到了786432个经过编码的信号光序列(按获得的时间顺序排成一个列矩阵)。

步骤三：空间光调制器DMD的状态根据S矩阵的行值变化，单元探测器就会输出空间编码后的一序列的信号值。把这一序列的信号值按照接收的先后顺序排成一个列矩阵，左乘S矩阵的逆矩阵，得到1024*768图像中的每个像素的值，即信号光的光强值，从而实现对发射端光源的成像探测和定位。得到信号光的位置后，调整天线使信号光的位置尽量靠近光轴。只要信号光的位置在DMD的视场之内，即使不必在光轴中心也同样可以进行通信。这样以来，在实现激光通信的同时，把发射端光源的位置及时的调整到视场的正中间，保证了通信更加顺利的进行。

自此，就实现了用编码成像方式进行激光通信。

由于本发明是利用信号光本身实现通信链路的连接并同时进行通信，而使收发端不再使用大功率激光器产生的直流信标光，能够有效地降低发射端的光功率，使其具有了低功耗和设备小型化的效果，可广泛的应用于激光通信领域。

Claims (2)

1.一种用编码成像方式进行激光通信的系统，其特征在于包括：信号激光器、信号源、调制器、扩束准直镜、发射天线、接收天线、空间编码成像系统、通信处理系统、成像处理系统、APT处理系统和伺服系统；

其中，所述的空间编码成像系统，包括空间光调制器、场镜和单元探测器；

该系统的工作过程为：首先，信号源发射出信号；信号经过调制器调制后，发送到信号激光器发出的激光上，经过扩束准直后，通过发射天线发射到大气中；与此同时，接收端的接收天线不断进行扫描，当信号光进入空间光调制器的视场范围内后，根据编码矩阵的值对空间光调制器上的微镜寄存器写入数值，与微镜水平方向成正向夹角的镜子便可把入射的信号光反射到场镜的视场范围内；这时，经其反射后的光即可通过场镜汇聚到单元探测器上，由此输出经过空间编码后信号光的一个电信号；

此时，要进一步使发射光光斑成像到空间光调制器的中心位置处，以使光轴完全对准，其调整过程为：接收天线接收到的光信号，经过空间编码成像系统，达到单元探测器转化成电信号；之后，电信号被输送到成像处理系统，经过左乘编码矩阵运算计算出发射光斑的位置，再把位置信息传递到APT处理系统；APT处理系统把位置信息传递给伺服系统，进而调整天线的方位角，使光斑能成像到空间光调制器的中心；

2.一种空间编码成像方式进行激光通信方法，步骤如下：

步骤一：设定器件参数

预先设定空间光调制器DMD的状态，DMD的每一个状态由S编码矩阵的每一行所决定，其中：DMD由成千上万个极小的微镜组成，这些微镜均呈悬浮状态，并可向两侧倾斜；

每一个微镜有三种状态：

①当DMD断开时，微镜呈水平状态；

②当DMD启通时，对DMD上的微镜寄存器写入数值1后，微镜与水平方向形成正向夹角；

③当DMD启通时，对DMD上的微镜寄存器写入数值0后，微镜与水平方向形成负向夹角；

步骤二：发射端发射出信号光，信号光进入DMD的视场后，编码成像系统开始工作；在步骤一表述的三种状态中，只有第②种状态，即当微镜与水平方向形成正向夹角时，经其反射后的光方可通过场镜汇聚到单元探测器上；其中，DMD上每一个微镜的状态，由上述编码矩阵的行值所决定；这样，对应于DMD的一种状态，单元探测器就输出了经过空间编码后信号光的一个电信号；

步骤三：空间光调制器DMD的状态根据预先给的编码矩阵的行值变化，单元探测器就会输出空间编码后的一序列的信号值；把这一序列的信号值按照接收的先后顺序排成一个列矩阵，左乘编码矩阵的逆矩阵，得到信号光的光强值，从而实现对发射端光源的成像探测和定位。

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