CN103944642B - 可动态连接的全光空间信息网络及其信息发射装置 - Google Patents

Abstract

可动态连接的全光空间信息网络及其信息发射装置，应用于空间通信领域，为了解决现有空间信息网络存在的技术问题，该结构具有多个节点组成，每个节点具有信息发射装置、信息接收装置及目标扫描和跟踪装置，且每个节点扫描角度为θ；所述多个节点中，第一节点与第二节点进行通信时，第一节点通过目标扫描和跟踪装置寻找到第二节点，第一节点再通过信息发射装置将信息传输到第二节点的信息接收装置；同时，第一节点在扫描角度θ范围内通过目标扫描和跟踪装置寻找到第三节点，将通信信息传递给第三节点，第三节点再通过信息发射装置将信息传输到第二节点的信息接收装置；第一节点、第二节点第三节点和第四节点以至多个节点组成了全光信息通信网络。

Description

可动态连接的全光空间信息网络及其信息发射装置

技术领域

本发明涉及可动态连接的全光空间信息网络及其信息发射装置，其主要应用于深空、星际等超远距离空间通信领域。

背景技术

空间信息网络以卫星、气球、无人机等空间平台为载体，实时获取、传输和处理空间信息，可服务远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等方面重大应用，还可向下支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上支持深空探测的超远程、大时延传输。因此，空间信息网络之间连接的安全与可靠性是空间信息网络的面临的难题，在空间信息网络通信中，激光通信具有保密性好、可靠性高、传输距离远等优点。

目前的空间激光通信系统采用的技术方案需要独立的高精度跟瞄装置，然而跟瞄装置采用的是机械扫描方式，这种扫描方式不但降低了扫描速度，还以降低调制速率为代价来保证信息的有效传输，大大降低了激光通信的传输效率。电子扫描方式具有扫描速率快、跟踪精确度高等优点，可以克服机械扫描的缺点，而目前的空间信息网络的发射装置很难采用电子扫描方式进行扫描。

当今的空间信息网络采用微波通信，使用点对点的通信发射装置，传输速率低，保密性差，使得系统不具备动态角度扫描和一点对多点的通信，不能良好的应用于空间信息网络通信。而目前新兴的光纤激光相干合成技术不仅能提高通信发射装置的发射功率，而且可实现以电子扫描来完成动态连接和一点对多点的激光通信，对高速信息传输乃至空间宽带信息网络技术的研究具有重要意义并提供重要参考。

发明内容

本发明为了解决现有空间信息网络存在的技术问题，提供了一种可动态连接的全光空间信息网络及其信息发射装置。

本发明采用以下技术方案：可动态连接的全光空间信息网络及其信息发射装置，包括：

可动态连接的全光空间信息网络结构，该结构具有多个节点组成，每个节点具有信息发射装置、信息接收装置及目标扫描和跟踪装置，且每个节点扫描角度为θ；所述多个节点中，第一节点与第二节点进行通信时，第一节点通过目标扫描和跟踪装置寻找到第二节点，第一节点再通过信息发射装置将信息传输到第二节点的信息接收装置；同时，第一节点在扫描角度θ范围内通过目标扫描和跟踪装置寻找到第三节点，将通信信息传递给第三节点，第三节点再通过信息发射装置将信息传输到第二节点的信息接收装置；同时，第一节点通过目标扫描和跟踪装置寻找到第四节点，将通信信息传递第四节点，第四节点再通过信息发射装置将信息传输到第二节点的信息接收装置，完成了高速可靠的信息传输；第二节点将通信信息传递给第四节点，完成了信息的传输；第一节点、第二节点第三节点和第四节点以至多个节点组成了全光信息通信网络。

可动态连接的全光空间信息网络中信息发射装置，该装置由种子源、耦合器、强度调制器、10Gbps射频信号发生器、耦合器、9×9形式的相位调制网络、合束器、分光器和相位控制器组成；

光种子源经耦合器分光，其中一束光作为参考光，在参考光分光之后进行高速信息调制，10Gbps射频信号发生器与另一束光进入强度调制器得到高速调制信号，高速调制信号经耦合器平均分光后进入9×9形式的相位调制网络进行相位控制，多路高速调制光再经过合束器相干合束，在光束经过合成以后再经过分光器将≤1％的合束激光与参考激光相位比较，再通过相位控制器处理发出相位控制信号，通过相位调制器控制每路光的相位，通过不间断的相位改变来完成全光组网的动态连接，将射频信号发生器的信号传到各个全光组网的节点，保证信息传输的准确性。

本发明的有益效果：可动态连接的全光空间信息网络，提高了空间信息网络的安全与可靠性，并且具有保密性好、可靠性高、传输距离远、传输信息速度快。

信息发射装置，具有动态连接功能，可以实现空间载波光源的动态输出；通过多路合束，可以实现高精度位置的信息输出。

本发明实现宽范围通信，可以应用空间信息全光组网中大角度的信息输出。

在本发明中，光纤输出的1.55μm单纵模激光种子源经耦合器分光，其中一束光作为参考光，在参考光分光之后进行高速信息调制，高速调制信号平均分光后进行相位控制，多路高速调制光再相干合束，再通过合束器使同源激光相干合束。分光器将一小部分(≤1％)合束激光与参考激光相位比较，再通过相位控制器处理发出相位控制信号，通过相位调制器控制每路光的相位，通过不间断的相位改变来完成全光组网的动态连接，将射频信号发生器的信号传到各个全光组网的节点，保证信息高速传输的准确性。

本发明结构简单，成本低，操作方便，可以实现光束大角度偏转，响应速度低，不具有回扫现象，适合于深空全光组网通信和科学研究之用。

附图说明

图1为本发明可动态连接的全光空间信息网络结构示意图。

图2为本发明可动态连接的全光空间信息网络的信息发射装置示意图。

图3为本发明信息发射装置在通信距离为50公里时，远场的二维强度分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，可动态连接的全光空间信息网络结构，以四个节点为例，当在通信链路中第一节点1与第二节点2进行通信时，第一节点1通过自身的目标扫描和跟踪装置寻找到第二节点2，第一节点1再通过自身的通信信息的发射装置将信息传输到节点第二2的信息接收装置。为了提高信息传输的速度和信息传输的可靠性，第一节点1在扫描角度θ范围内通过自身的目标扫描和跟踪装置寻找到第三节点3，将通信信息传递给第三节点3，第三节点3再通过自身的通信信息的发射装置将信息传输到第二节点2的信息接收装置，第一节点1通过自身的目标扫描和跟踪装置寻找到第四节点4，将通信信息传递第四节点4，第四节点4再通过自身的通信信息的发射装置将信息传输到第二节点2的信息接收装置，完成了高速可靠的信息传输。第二节点2将通信信息传递给第四节点4，完成了信息的传输。第一节点1，第二节点2，第三节点3，第四节点4组成了全光信息通信网络，以这种具有动态连接的空间信息全光网络进行链路通信，可以充分利用利用各个节点的资源，增加了信息传输的速度和可靠性，可以完成一点对多点的信息传输功能，也可以完成多点对多点的同时通信。

如图2所示，可动态连接的空间信息全光网络中信息发射装置，包括种子源100、耦合器200、强度调制器300、射频信号发生器400、耦合器500、9×9形式的相位调制网络600、合束器700、分光器800和相位控制器900，种子源100的输出端与耦合器200输入端201连接，耦合器200的输出端203与强度调制器300的端口301连接，耦合器200的输出端202与相位控制器900的端口901连接，强度调制器300的端口303与耦合器500的端口501连接，强度调制器300的端口302与射频信号发生器400连接；耦合器500的端口502与9×9形式的相位调制网络600的端口601连接，耦合器500的端口503与9×9形式的相位调制网络600的端口602连接，耦合器500的端口504与9×9形式的相位调制网络600的端口603连接，耦合器500的端口505与9×9形式的相位调制网络600的端口604连接，耦合器500的端口506与9×9形式的相位调制网络600的端口605连接，耦合器500的端口507与9×9形式的相位调制网络600的端口606连接，耦合器500的端口508与9×9形式的相位调制网络600的端口607连接，耦合器500的端口509与9×9形式的相位调制网络600的端口608连接，耦合器500的端口510与9×9形式的相位调制网络6的端口609连接，9×9形式的相位调制网络600的端口610与合束器700的输入端口701连接，9×9形式的相位调制网络600的端口611与合束器700的输入端口702连接，9×9形式的相位调制网络600的端口612与合束器700的输入端口703连接，9×9形式的相位调制网络600的端口613与合束器700的输入端口704连接，9×9形式的相位调制网络600的端口614与合束器700的输入端口705连接，9×9形式的相位调制网络600的端口615与合束器700的输入端口706连接，9×9形式的相位调制网络600的端口616与合束器700的输入端口707连接，9×9形式的相位调制网络600的端口617与合束器700的输入端口708连接，9×9形式的相位调制网络600的端口618与合束器700的输入端口709连接，合束器700的输出端口710与分光器800的端口801连接，分光器800的端口802与相位控制器900的端口902连接，相位控制器900的端口903输出信号与9×9形式的相位调制网络600的端口619连接；分光器800的端口803作为输出。

优选的，种子源100采用1.55μm单纵模窄线宽激光器种子源输出，采用保偏光纤输出以保持激光线偏振和稳定的单纵模。

优选的，9×9形式的相位调制网络600采用的是由光波导相位调制器件组成的9个输入端和9个输出端形式的相位调制网络进行相位控制。

优选的，合束器700采用硅波导激光合束器件进行合束。

光纤输出的1.55μm单纵模激光种子源100经耦合器200分光，其中一束光作为参考光，在参考光分光之后进行高速信息调制，10Gbps射频信号发生器400与另一束光进入强度调制器300得到高速调制信号，高速调制信号经耦合器500平均分光后进入9×9形式的相位调制网络600进行相位控制，多路高速调制光再经过合束器700相干合束，在光束经过合成以后再经过分光器800将一小部分(≤1％)合束激光与参考激光相位比较，再通过相位控制器900处理发出相位控制信号，通过相位调制器控制每路光的相位，通过不间断的相位改变来完成全光组网的动态连接，将射频信号发生器的信号传到各个全光组网的节点，保证信息高速传输的准确性。

图3为本发明信息发射装置在通信距离为50公里时，远场的二维强度分布图，横坐标为接收屏所在位置，纵坐标为相对光强图，(a)、(b)、(c)、(d)分别为扫描角度为0°、0.5026°、0.7053°、0.9909°时栅瓣与主瓣的最大光强比值为0.1224、1/4、1/3、1/2的光强图，根据通信理论中当栅瓣与主瓣的光强比值接近于1时会出现误差，此时，将会大大增加误码率，使信息传输出现错误，当栅瓣与主瓣的光强比值接小于1/2时，可以良好的进行通信，其中图(d)的扫描角度0.9909°，说明了在扫描范围±0.9909°的情况下可以利用多个该装置组建成空间信息全光网。基于光纤激光相控阵的激光通信系统中，每台激光通信端机作为一个节点，每个节点之间的光束偏转区域为动态连接的区域，在此区域内，可以依靠光纤激光相控阵实现动态通信。

本发明建立了完整的一种基于可动态连接的全光空间信息网络及其信息发射装置图，得到了50公里不同角度的远场强度分布图。通过这些证明了其可以实现高速度信息传输的光纤激光相控阵组成全光组网的可行性，为今后空间通信的发展奠定了坚实的基础。

Claims (4)

1.可动态连接的全光空间信息网络的结构，其特征是，该结构具有多个节点组成，每个节点具有信息发射装置、信息接收装置及目标扫描和跟踪装置，且每个节点扫描角度为θ；所述多个节点中，第一节点(1)与第二节点(2)进行通信时，第一节点(1)通过目标扫描和跟踪装置寻找到第二节点(2)，第一节点(1)再通过信息发射装置将信息传输到第二节点(2)的信息接收装置；同时，第一节点(1)在扫描角度θ范围内通过目标扫描和跟踪装置寻找到第三节点(3)，将通信信息传递给第三节点(3)，第三节点(3)再通过信息发射装置将信息传输到第二节点(2)的信息接收装置；同时，第一节点(1)通过目标扫描和跟踪装置寻找到第四节点(4)，将通信信息传递第四节点(4)，第四节点(4)再通过信息发射装置将信息传输到第二节点(2)的信息接收装置，完成了高速可靠的信息传输；第二节点(2)将通信信息传递给第四节点(4)，完成了信息的传输；第一节点(1)、第二节点(2)第三节点(3)和第四节点(4)以至多个节点组成了全光信息网络；

所述信息发射装置由种子源(100)、耦合器(200)、强度调制器(300)、10Gbps射频信号发生器(400)、耦合器(500)、9×9形式的相位调制网络(600)、合束器(700)、分光器(800)和相位控制器(900)组成；

光种子源(100)经耦合器(200)分光，其中一束光作为参考光，在参考光分光之后进行高速信息调制，10Gbps射频信号发生器(400)与另一束光进入强度调制器(300)得到高速调制信号，高速调制信号经耦合器(500)平均分光后进入9×9形式的相位调制网络(600)进行相位控制，多路高速调制光再经过合束器(700)相干合束，在光束经过合成以后再经过分光器(800)将≤1％的合束激光与参考激光相位比较，再通过相位控制器(900)处理发出相位控制信号，通过相位调制器控制每路光的相位，通过不间断的相位改变来完成全光组网的动态连接，将射频信号发生器的信号传到各个全光组网的节点，保证信息传输的准确性。

2.根据权利要求1所述的可动态连接的全光空间信息网络的结构，其特征在于，所述种子源(100)采用1.55μm单纵模窄线宽激光器种子源输出，采用保偏光纤输出以保持激光线偏振和稳定的单纵模。

3.根据权利要求1所述的可动态连接的全光空间信息网络的结构，其特征在于，所述9×9形式的相位调制网络(600)采用的是由光波导相位调制器件组成的9个输入端和9个输出端形式的相位调制网络进行相位控制。

4.根据权利要求1所述的可动态连接的全光空间信息网络的结构，其特征在于，所述合束器(700)采用硅波导激光合束器件进行合束。