CN104467953B - 一种无需精确对准的空间光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需精确对准的空间光通信系统，该系统包括光信号发射单元、光信号接收单元及将信号光束对准光信号接收单元的瞄准单元，所述瞄准单元包括目标位置标记部分及发射角度调整部分，光信号发射单元固定于瞄准单元发射角度调整部分，光信号接收单元靠近瞄准单元的目标位置标记部分。本发明采用大发散角的激光光源，不使用光学接收镜头，而是令激光光斑直接覆盖探测器靶面，从而极大地降低了对准精度要求；采用多通道单光子探测器探测光信号，使接收灵敏度达到单光子水平，克服了大发散角激光和无光学接收装置带来的光损耗。

Description

一种无需精确对准的空间光通信系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及基于单光子探测器自由空间点对点光通信方技术，尤其是一种无需精确对准的空间光通信系统，用以实现单光子水平的远距离光通信。

背景技术

自由空间光通信又称为无线光通信，是以光波作为信息载体在大气和真空中传递信息的通信技术，又可以分为大气光通信、卫星间光通信和星地光通信。目前，自由空间光通信需要高精度的点对点对准，降低了远距离光通信的稳定性和可靠性，增加了通信系统的复杂度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种无需精确对准的空间光通信系统，该系统采用大发散角的激光光源，不使用光学接收镜头，而是令激光光斑直接覆盖探测器靶面，从而极大地降低了对准精度要求。本发明采用多通道单光子探测器探测光信号，使接收灵敏度达到单光子水平，克服了大发散角激光光源和无光学接收镜头带来的光损耗。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种无需精确对准的空间光通信系统，特点是该通信系统包括光信号发射单元、光信号接收单元及将信号光束对准光信号接收单元的瞄准单元，所述瞄准单元包括目标位置标记部分及发射角度调整部分，光信号发射单元固定于瞄准单元发射角度调整部分，光信号接收单元靠近瞄准单元的目标位置标记部分；其中：

所述光信号发射单元包括编码模块、激光器调制驱动模块、激光器和光束准直扩束器，所需传输信息输入编码模块，编码模块的输出端连接激光器调制驱动模块，激光器调制驱动模块连接激光器，激光器的输出连接光束准直扩束器，准直扩束器的激光输出发射到空间中；

所述光信号接收单元包括滤光片、多通道单光子探测器、符合计数和解码模块、计算机，滤光片紧贴于多通道单光子探测器的靶面前方，多通道单光子探测器的多路输出连接符合计数和解码模块，多通道单光子探测器的靶面面向激光出射方向；

所述瞄准单元包括发射角度调整部分及目标位置标记部分，发射角度调整部分包括CCD镜头、CCD或CMOS相机、电控转动台及反馈控制模块，所述CCD镜头固定在CCD或CMOS相机感光面前端，CCD或CMOS相机的输出连接反馈控制模块，反馈控制模块的输出连接电控转动台，CCD镜头、CCD或CMOS相机固定在电控转动台上；目标位置标记部分包括位置标记光源和位置标记光源驱动模块，位置标记光源靠近光信号接收单元，并连接位置标记光源驱动模块，产生标记光信号；CCD或CMOS相机捕捉位置标记光源位置即光信号接收单元位置，并通过反馈控制模块控制电控转动台的左右俯仰角度，以将光信号发射单元的输出光斑覆盖到光信号接收单元。

本发明的优点是：

1）采用大发散角发射光束，无镜头的多通道单光子探测器，极大地降低了点对点光束对准精度，与当前的点对点激光通信系统比较，对准精度可降低1个数量级以上。

2）采用多通道单光子探测器，实现了单光子水平的超高灵敏度探测，弥补了因采用大发散角发射光束和接收端不配备镜头带来的光损耗，确保远距离通信能力；多通道单光子探测器结合多路单光子符合计数，有效抑制了背景干扰，降低通信误码率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明多通道单光子探测器探测靶面空间分布图；

图3为编码、解码过程的波形示意图。

具体实施方式

实施例

参阅图1，本发明包括光信号发射单元A、光信号接收单元B及将信号光束对准光信号接收单元的瞄准单元C；所述光信号发射单元A包括编码模块1、激光器调制驱动模块2、850nm激光器3和光束准直扩束器4；其中编码模块1由高速FPGA板卡构成，将所需传送的数据信息编码成数字脉冲序列，时钟频率为2MHz；数字脉冲序列触发激光器调制驱动模块2，驱动850nm激光器3产生光脉冲序列，850nm激光器3为光纤耦合的VCSEL激光器，出射光脉冲经过光纤直接进入光纤耦合的光束准直扩束器4，得到发散角为0.015°的发射光束，单个脉冲激光的功率为6*10^-12J，每个脉冲所含的光子数为2.5*10⁷个。整个光信号发射单元A的所有器件全部固定在瞄准单元C的电控转动台12上。

所述光信号接收单元B包括850nm滤光片5，四通道SiAPD单光子探测器6、四路符合计数和解码模块7、计算机8。其中四通道SiAPD单光子探测器6的探测靶面空间分布如图2所示，SiAPD靶面直径0.5mm，平面玻璃窗口直径2.54mm，靶面距玻璃窗口的距离为1.17mm，最大接收角为113°，四通道探头之间间距为5.5mm，在850nm波段探测效率为30%，暗计数30k；四路符合计数和解码模块7基于一块高速FPGA板卡，首先实时记录四通道SiAPD单光子探测器6的计数脉冲，通过与门操作得到四路单光子探测的符合计数，符合计数结果为数字脉冲序列，通过解码操作得到最终数据，通过USB接口传送到计算机8。其中，四通道SiAPD单光子探测器6不配镜头，从而使接收角度超过100度，光信号接收单元B在较大姿态（左右旋转角度和上下俯仰角度）变化范围内都不会影响探测器接收光信号；四通道SiAPD单光子探测器6的多路计数脉冲送入高速FPGA板卡，经过符合分析和运算提取数据信号，分析运算过程将相同时刻四路单光子探测器同时探测到光子定义为1，仅有个别路单光子探测器探测到光子定义为0，因为背景噪声随机分布，而光信号集中分布在脉冲宽度内，通过符合计数方法可以有效避免背景干扰；最后符合计数的数据经过解码后生成数据，经USB接口由FPGA送入计算机8。

本发明的瞄准单元包括位置标记光源13、标记光源驱动模块14、CCD镜头9、CCD（或CMOS）相机10、电控转动台12和反馈控制模块11，其中，位置标记光源13为高亮LED,反馈控制模块11由计算机及控制程序组成。位置标记光源13安装在靠近光信号接收单元B的位置，CCD（或CMOS）相机10安装在发射端靠近光束准直扩束器4，电控转动台12支撑整个光信号发射单元A。其中CCD（或CMOS）相机监测到位置标记光源13，将位置标记光源13所在位置的图像信息送入反馈控制模块11，反馈控制模块11解析位置标记光源13位置，控制电控转动台令光信号发射单元A的激光输出瞄准光信号接收单元B，使得光信号接收单元B的多通道单光子探测器6的探测靶面尽量处于光斑中心。

本发明整个系统运行包含两个相对独立的部分：通信部分和瞄准部分。通信部分由光信号发射单元A和光信号接受单元B完成，瞄准部分由瞄准单元C完成。具体运行流程如下：

通信部分：可实现异步通信，即发射和接收无需传送时钟信号。光信号发射单元A首先通过编码模块将所需传输的数据转换成数字脉冲序列，通过激光器调制驱动模块2和激光器3，最终产生激光脉冲序列。光信号接收单元B首先通过四通道SiAPD单光子探测器6探测光信号，得到的四路计数脉冲信号由FPGA板卡采集并且进行与门符合计数操作，最后通过解码操作将脉冲序列转换成数据信号上传给计算机8。上述过程的波形示意如图3所示。时钟频率2MHz，出射光束单脉冲能量，通信距离1km，到达接收端光斑直径52cm，每个通道单光子探测器的靶面直径为0.5mm，入射到霸面的每脉冲平均光子数为30，探测效率30%，探测到光子的概率99.998%，四通道单光子探测器6同时探测到光子的概率99.992%，背景计数30k，四通道同时探测到背景计数概率为6.5*10^-13，以上系统得到直接成码率为99.992%，误码率6.5*10^-13。

瞄准部分：光信号接收单元B一侧设置位置标记光源13，该光源为LED发射点光源，在发射端一侧CCD（或CMOS）相机监测到LED光源位置，上传给反馈控制模块11的计算机，通过反馈控制程序驱动电控转动台12，实时将点光源位置控制在CCD（或CMOS）相机视场中心。采用的电控转动台精度0.01’，发射光束发散角0.015°，瞄准单元的控制精度只需达到0.02°，就可以确保光斑始终覆盖四通道SiAPD单光子探测器6，并且探测器的接收视场达到113°，接收端无需额外的姿态控制。对于瞄准部分，瞄准精度只需达到0.02°，而目前传统激光通信的精度要达到10^-8度级别，大大降低了精度要求。

Claims (1)

1.一种无需精确对准的空间光通信系统，其特征在于：所述通信系统包括光信号发射单元、光信号接收单元及将信号光束对准光信号接收单元的瞄准单元，光信号发射单元固定于瞄准单元发射角度调整部分，光信号接收单元靠近瞄准单元的目标位置标记部分；其中：

所述光信号发射单元包括编码模块、激光器调制驱动模块、激光器和光束准直扩束器，所需传输信息输入编码模块，编码模块的输出端连接激光器调制驱动模块，激光器调制驱动模块连接激光器，激光器的输出连接光束准直扩束器，光束准直扩束器的激光输出发射到空间中；

所述光信号接收单元包括滤光片、多通道单光子探测器、符合计数和解码模块、计算机，滤光片紧贴于多通道单光子探测器的靶面前方，多通道单光子探测器的多路输出连接符合计数和解码模块，多通道单光子探测器的靶面面向激光出射方向；

所述瞄准单元包括发射角度调整部分及目标位置标记部分，发射角度调整部分包括CCD镜头、CCD或CMOS相机、电控转动台及反馈控制模块，所述CCD镜头固定在CCD或CMOS相机感光面前端，CCD或CMOS相机的输出连接反馈控制模块，反馈控制模块的输出连接电控转动台，CCD镜头、CCD或CMOS相机固定在电控转动台上；目标位置标记部分包括位置标记光源和位置标记光源驱动模块，位置标记光源靠近光信号接收单元，并连接位置标记光源驱动模块，产生标记光信号；CCD或CMOS相机捕捉位置标记光源位置即光信号接收单元位置，并通过反馈控制模块控制电控转动台的左右俯仰角度，以将光信号发射单元的输出光斑覆盖到光信号接收单元。