CN105827312A - 射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法及其设备 - Google Patents

Abstract

射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法及其设备，⑴‑⑷为发射端；⑸‑⑻为接收端；.控制系统发射端的PC机将控制信号输入信道编码器转换成数字信号；⑵.输出给数字调制器转换成调制信号；⑶.经驱动电路输出给可见光光源；⑷.发射给信号接收部分中的光敏元件；⑸.将信号输入调理电路；⑹.对信号调理后输出给数字解调器；⑺.调制后将信号输出给信道译码器；⑻.将译好的信号输出给受控系统的PC机；.受PC机把信号输出给射电天文台远镜主动反射面控制的执行机构。本发明预期在国际上为射电主动反面首创一套基于可见光无线通信系统，实现对大规模促动器的无线控制及其无障碍通信和小信号保真传输方法。

Description

射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种控制应用，具体涉及一种射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法。本发明还涉及这种方法所使用的设备。本发明为国家联合基金重点支持项目，“大射电望远镜主动面关键技术研究”，批准号为：U1331204。

背景技术

现代大射电望远镜为实现对较短波段的观测而广泛采用主动反射面技术， 即在望远镜的某个反射面上实施主动变形技术补偿因加工、装调、重力、温度等因素造成的面形误差，或主动调整为某种要求的面形。主反射面主动调整系统的工作原理就是通过控制分布在天线面板与天线背架间促动器的运动，使天线主面实时恢复到设计曲面，提高天线接收效率。为了提高射电望远镜的灵敏度和分辨率，以便接收到天体发出的更微弱的射电信号，射电望远镜的天线造得越来越大，观测波段也越来越短，而且还要求天线全天可动、运转自如。要使射电望远镜天线处于最佳的工作状态就要求天线反射面的精度要达到天线设计的要求，即实际天线反射面与理想反射面偏离的均方差RMS好于四十分之一波长。

在主动面技术实现中，主反射面的每块面板均有一组可精密调节的位移促动器支撑， 然后位移促动器再固连于天线的背架结构上， 在观测的过程中， 根据实时检测或开环计算来控制位移促动器随时调整面板，以补偿因各种因素（如重力、热、风载等）造成的主面变形，或调整主面达到某种要求的面形，（如意大利撒丁岛 64 米 SRT 能将主反射面从赋形表面转换为纯抛物面；我国FAST望远镜主动调整500米口径球面主反射面实时形成300米口径抛物面）,使得望远镜观测所有波段时都能获得最佳的接收效率。应用主动面技术的典型射电望远镜代表有：已建成的美国100米GBT、基本建成的美墨合作的50米大毫米波望远镜LMT和我国的上海65米望远镜；在建的有意大利64米SRT，在研的有美国25米CCAT亚毫米波望远镜和我国新疆110米口径射电望远镜。其中CCAT是美国NSF新发表的2011-2020十年规划中提出需特别支持的望远镜。目前，主动面技术一方面被广泛成功应用，一方面也为能成功地应用于毫米波亚毫米波望远镜而处于持续的技术探索中。

常见射电望远镜主动面控制主要由位移促动器、位移传感器、电机驱动器、采样电路和主控制器等组成，全部安装在望远镜的桁架上，相互之间通过电缆连接起来。每个控制器控制若干位移促动器，通过以太网络和观测室的主控PC机通信，从而达到并行的实时控制和实现。

主动面技术是大口径、高频段射电望远镜发展趋势，相对于采用新型复合材料（如碳纤维）制造射电望远镜等其它解决方向更具经济性。

射电望远镜通常具有大口径特点，主面板通常由大批量小面板通过大批量位移促动器主动拼接而成，绿岸射电望远镜GBT主面有2004块面板，促动器2209数，64mParkes有2004块，撒丁岛全可控射电望远镜64mSRT和上海天文台65m天马有1008块（促动器个数1116和1104），FAST有1788块（促动器个数2300）。具有最大口径与最高频率的QTT，大射电望远镜伺服控制、主动面系统，其规模也与GBT相当或者超过GBT。

目前，正在建设和将要建设的大射电望远镜，绝大多数是都采用反射面主动调整办法，以提高其精度和观测高频段效率。由于考虑射电望远镜对无线电波的环境要求，而传统的无线通信都不能避开射电望远镜的工作频率。从所见报道和相关文章中，均采用传统的有线网络的有线通信方式进行控制和通讯，而上述在建和建成的射电望远镜反射面控制的有线通讯方法的共同缺点是：

◆由于控制系统的接线太多，包括很多的网线都要通过桁架连接到主控制器上，随着望远镜的转动，电缆连接线容易出现松动等情况，导致系统不稳定；

◆大射电望远镜大都建的比较高，系统出现故障后，很难进行维护。

◆大射电望远镜需要几百甚至上千个促动器控制面板，全部控制系统都安装在桁架上，增加了望远镜转动部分的负载；

◆望远镜工作期间是露天的，控制系统会因为温度，湿度等原因导致其使用寿命变短。

这些缺点在射电望远镜建设和运行维护的过程中，长期给望远镜带来了各种恶劣的影响，包括望远镜跟踪性能、重力变形、热变形、通讯干扰、冗余控制、经费昂贵、寿命、方便、维护等方面。在LAMOST望远镜中8000个光纤定位电机的2.4G无线控制的成功实施带来了重大的技术进步和运行维护的便利，在射电望远镜中因为射电探测频段的影响，没有任何应用无线通讯和无线网络的先例。随着中国射电望远镜大设备FAST的如火如荼的建设、十三五规划中新疆QTT110米望远镜的名列前茅以及德令哈13.7m毫米波望远镜的主动面升级改造，主动反射面技术作为关键技术之一，也包括了主动面控制技术的各个方面，都亟需深入的开展研究，同时大批量促动器、传感器的应用，促使射电望远镜的无线通讯控制的研究也被提上了研究日程，具有非常广泛紧迫的应用需求。

无线通讯，在射电观测波段之外，尤其是可见光无线通讯，目前在很多领域和场合得到了非常多的重视和应用，技术也越渐成熟。2010年，德国弗劳恩霍夫研究所的团队将通信速率提高至 513Mbps；2013年，复旦大学研发出3.75Gbps离线数据传输的速率；同年，英国众多高校的科研人员又把离线速率刷新到10Gbps。但在天文领域鲜有研究。

鉴于目前射电望远镜面板控制和通信方法的缺点和对无线通讯控制的迫切需求，我们结合目前国内外在该领域的“空白”的研究现状和当前可见光通讯如火如荼的技术基础，提出本发明专利：可见光通信的射电望远镜主动反射面板控制研究。

采用可见光无线通信完全可以避免和射电望远镜工作频率频段发生任何冲突或重叠；而采用传统射频无线通信很难完全避开射电望远镜工作频段，从亚毫米波段到长波米波，将会对射电望远镜造成干扰，使望远镜无法正常工作。

无线光通信具有以下优点：

◆高带宽，高速率。可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽的10000倍。

◆可见光通信技术带来了极高的安全性，因为可见光只能沿直线传播，因此只有处在光线传播直线上的人才有可能截获信息。

◆采用无线通信方式后，将减少接口，同时控制器大部分在控制室，减少因天气原因造成控制器的故障，能够大大增加系统的稳定性。

◆采用无线通信方式后，大部分控制部件将放在控制室，出现故障，在控制室可以直接解决，不需要到桁架上解决。因此，具有安装维护方便的优点。

◆控制器放在控制室，受到温度，适度的影响减少，能够增加控制系统使用寿命。

◆减轻望远镜转动部分负载。

因此，利用可见光无线通讯技术和分布式处理技术，既可以实现大射电望远镜主动面板的无线通讯控制，又可以满足射电望远镜对无线电环境和观测频段的要求。具有广泛的应用价值。作为未来大射电望远镜的关键技术之一，可以应用于我国射电望远镜的建造和升级改造。

我国未来大口径高精度高性能射电望远镜的建造和现有望远镜的升级改造均必须采用主动面相关技术来达到波长更短的观测波段、更好的效率技术指标从而实现更高的科学目标。鉴于国内外关于主动面的技术储备和技术困难，面向我国极大口径主动面射电望远镜毫米/亚毫米波段观测的技术需求，针对这类望远镜客观要求的高寒恶劣环境和有线通讯存在的各种不足，我们共同提出这一主动面控制技术研究项目，面向建议中的采用主动面系统设计、目标工作到 3mm 波段的新疆110 米射电望远镜规划，针对德令哈 13.7米毫米波射电望远镜实施主动面系统方案，开展大规模主动控制技术研究，力图实现一个基于可见光通讯的创新的主动面控制技术，为我国大口径高性能射电望远镜，如新疆 110米 QTT 望远镜，提供亟需的主动面控制相关技术的方案突破， 并为 13.7 米望远镜的升级改造提供亟需的技术储备。

发明内容

本发明的目的是提供一种射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法，该系统是为射电主动反面首创一套基于可见光无线通信系统，实现对大规模促动器的无线控制及其无障碍通信和小信号保真传输方法。

完成以上发明目的方案是，一种射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法，其特征在于，步骤如下，

步骤⑴-步骤⑷为发射端的工作步骤；步骤⑸-步骤⑻为接收端的工作步骤；

. 控制系统发射端的PC机将射电望远镜主动反射面的控制信号输入信道编码器，转换成数字信号；

⑵. 该数字信号输出给数字调制器，转换成调制信号；

⑶. 该调制信号经驱动电路输出给可见光光源；

⑷. 可见光光源发射给信号接收部分中的光敏元件；

⑸. 光敏元件将信号输入调理电路；

⑹. 调理电路对信号调理后输出给数字解调器，

⑺. 数字解调器调制后将信号输出给信道译码器；

⑻. 信道译码器将译好的信号输出给受控系统的PC机；

. 受控系统的PC机把信号输出给射电天文台远镜主动反射面控制的执行机构。

可见光无线通信系统主要包括信道编码器/译码器、数字调制器/解调器、驱动电路、调理电路、可见光光源和光敏元件，如图1所示。可见光光源和光敏元件是室内可见光通信系统的基本器件，其中可见光光源结合驱动电路可以将电信号转换成光信号，实现基本照明功能，并发射出携带调制信息的可见光；光敏元件则捕捉可见光信号，将其转换成能被后级调理电路处理的光电流。数字调制器/解调器则是可见光通信系统中完成通信功能的关键部分，其中调制器实现对可见光光源所发出光的一些特性进行控制，将原始信息通过光信号进行传输。解调器则实现从接收的信号中恢复出所携带信息的功能。信道编码器/译码器是可见光通信系统链路可靠性和有效性的保障，用来纠正信道传输过程中出现的随机错误和突发错误，实现信息的正确传输。

分布式系统架构是运行在多个处理器上的软件构架设计，具有高度的内聚性和透明性。因此，需要深入研究一致性算法问题，重点研究Lamport面包店算法和Paxos算法。在一个分布式数据库系统中，如果各节点的初始状态一致，每个节点都执行相同的操作序列，那么他们最后能得到一个一致的状态。为保证每个节点执行相同的命令序列，需要在每一条指令上执行一个“一致性算法”以保证每个节点看到的指令一致。

节点通信存在两种模型：共享内存(Shared memory)和消息队列(MessagesQueue)。Paxos算法就是一种基于消息队列模型的一致性算法。

分布式环境中实现Queue也需要高一致性作保障，可以通过一个Node来维护Queue的实体，用其children来存储Queue的内容，按照顺序递增的模式，自动地在name后面加上一个递增的数字来插入新元素。可以用其 children来构建一个queue的数据结构，offer的时候使用create，take的时候按照children的顺序删除第一个即可。从而保障各个server上数据是一致的，因此也就实现了一个 分布式 Queue。

嵌入式实时控制系统设计 ：对硬件系统进行选型，在ARM7和ARM9中选择。进行基于ARM的硬件设计；在满足实时性的条件下，对嵌入式实时操作系统进行选型；μC/OS-II的实时性没有μC/OS-II强，但是，嵌入式Linux的网络协议，程序库等很完善，如果嵌入式Linux能满足实时性要求，选择嵌入式Linux作为操作系统，如果不满足实时性要求，选择μC/OS-II作为操作系统，进行相关应用程序的设计。

换言之，本发明通讯方法所使用的系统，采用分布式系统架构，为保证每个节点执行相同的命令序列，需要在每一条指令上执行一个“一致性算法”以保证每个节点看到的指令一致；该“一致性算法”采用基于消息队列模型的Paxos算法。

可见光通信的表现在很大程度上受到所使用链路模型拓扑的影响。主要包括两类基于不同拓扑的链路。第一类是点对点链路,在这种链路条件下，收发器之间通过一束很窄的光束进行通信。这种链路需要收发器之间没有任何阻隔,同时要求收发器本身具备很好的定向性。这种链路配置有利于降低环境杂散光对接收器的干扰,信号衰减很低因而能够实现很高的传输速率。基本的信道模型可以表示为式（1）：

（1）

其中Y(t)代表接收的信号电流，γ是检测器响应率(A/W)，X(T)代表了发送的光脉冲，h(t)是冲击响应，N(t)是高斯白噪声情况，而符号表示卷积，如图2所示。

在发射端，信号输入到信道编码器以后，按照码元映射规则编码，编码后得到的信号序列由数字调制器进行调制，输出连续的调制波形，经驱动电路后直接驱动光源发光，如图3所示。

在接收端，光敏元件将接收的光信号转换成与入射能量成比例的光电流，该光电流经过调理电路调理成适合数字解调器电路的信号输入到数字解调器中，经过数字解调器解调和信道译码器译码，最终恢复出信息，通过网络送到PC机进行处理，如图4所示。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述射电天文台远镜主动反射面的可见光通讯控制方法所使用的设备，由控制信号发射端与控制信号接收端组成，其特征在于，所述的控制信号发射端设有控制系统PC机，将射电望远镜主动反射面的控制信号输入信道编码器，该信道编码器接数字调制器，再接数字调制器，该数字调制器经驱动电路输出接可见光光源；控制信号接收端设有光敏元件，该光敏元件接调理电路，再接数字解调器；该数字解调器接信道译码器信道译码器将译好的信号输出给受控系统PC机；受控系统的PC机接射电天文台远镜主动反射面控制的执行机构；控制信号发射端的可见光光源与控制信号接收端的光敏元件之间以可见光信号链接。

更具体和更优化地说：

所述的可见光光源采用LED。

本发明中控制信号发射端的结构是：控制系统中的发射端PC机作为控制信号源，接串口模块，该串口模块接微控制器，该微控制器接主放大器，主放大器接LED驱动电路。

所述的可见光接收元件采用光电二极管。

本发明中控制信号接收端的结构是：所述的光电二极管经跨阻放大接低通滤波器；该低通滤波器接主放大器，该主放大器接微控制器，再接串口模块，串口模块接接收端PC机；接收端PC机接射电天文台远镜主动反射面的控制执行机构。

本发明是一套安全、稳定、可靠的以避开射电望远镜工作频段的可见光无线通讯的主动反射面控制系统，可以实现无障碍无线通信150米；实时控制达到1秒；采用分布式方法，每个通信终端和中继器进行无线光通信，每个中继器和网络互联，从而实现主动面板的无线通信和控制，并最终为我国射电望远镜的建造和升级改造提供重要的理论依据和技术支撑。

附图说明

图1为可见光通信系统结构；

图2为 可见光通信信道框图；

图3为发射终端结构；

图4为接收终端结构。

具体实施方式

实施例1：见光信道模型模型分析。

在可见光通信系统中,通常是由LED作为发射光源。所发射的光信号经过自由空间传播到接收器,也就是光电探测器。接收器不仅收集了所需的光信号,也会收集到会降低通信表现的杂散光。光滤波器可以被用来降低这类背景噪声所造成的影响。通常情况下，光集中器会被用来提高接收端的信号增益。而且可见光的通信方式容易受到遮挡物的影响，因此，有必要对可见光通信系统的信道模型进行分析。

实施例2：可见光无线通信控制设计。

发射端机主要围绕LED器件的选择、驱动电路等部分进行详细研究；接收端机主要针对基于雪崩光电二极管(APD)的光接收模块进行研究，包括光电探测器、前置放大器和主放大器的选择。研究点对点信道模式的通信技术。

实施例3：分布式系统设计。

研究分布式系统的原理、实时性和稳定性；分布式控制器的选型；研究分布式控制和连接方式，使之适应射电望远镜的控制要求。分布式设计与研究中有些疑难问题必须借助一些算法才能解决，比如分布式环境一致性问题；研究Paxos算法和一致性Hash算法。

实施例4：嵌入式实时控制系统设计。

研究嵌入式实时操作系统μC/OS-II或者Linux，进行操作系统的移植，网络协议栈的移植和电机控制程序的设计；研究ARM的主控制器，设计能够通过高低温环境测试、电磁兼容性测试、抗干扰能力测试、抗浪涌能力测试等一系列测试的主控制系统。

Claims (7)

1.一种射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法，其特征在于，步骤如下，

步骤⑴-步骤⑷为发射端的工作步骤；步骤⑸-步骤⑻为接收端的工作步骤；

. 控制系统发射端的PC机将射电望远镜主动反射面的控制信号输入信道编码器，转换成数字信号；

⑵. 该数字信号输出给数字调制器，转换成调制信号；

⑶. 该调制信号经驱动电路输出给可见光光源；

⑷. 可见光光源发射给信号接收部分中的光敏元件；

⑸. 光敏元件将信号输入调理电路；

⑹. 调理电路对信号调理后输出给数字解调器；

⑺. 数字解调器调制后将信号输出给信道译码器；

⑻. 信道译码器将译好的信号输出给受控系统的PC机；

. 受控系统的PC机把信号输出给射电天文台远镜主动反射面控制的执行机构。

2.根据权利要求1所述的射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法，其特征在于，所述通讯方法所使用的系统，采用分布式系统架构，为保证每个节点执行相同的命令序列，需要在每一条指令上执行一个“一致性算法”以保证每个节点看到的指令一致；该“一致性算法”采用基于消息队列模型的Paxos算法。

3.根据权利要求2所述的射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法，其特征在于，

所述通讯方法所使用的系统中，基本的信道模型表示为式（1）：

（1）

其中Y(t)代表接收的信号电流，γ是检测器响应率(A/W)，X(T)代表了发送的光脉冲，h(t)是冲击响应，N(t)是高斯白噪声情况，符号表示卷积。

4.权利要求1所述的射电天文台远镜主动反射面的可见光通讯控制方法所使用的设备，由控制信号发射端与控制信号接收端组成，其特征在于，所述的控制信号发射端设有控制系统PC机，将射电望远镜主动反射面的控制信号输入信道编码器，该信道编码器接数字调制器，再接数字调制器，该数字调制器经驱动电路输出接可见光光源；控制信号接收端设有光敏元件，该光敏元件接调理电路，再接数字解调器；该数字解调器接信道译码器信道译码器将译好的信号输出给受控系统PC机；受控系统的PC机接射电天文台远镜主动反射面控制的执行机构；控制信号发射端的可见光光源与控制信号接收端的光敏元件之间以可见光信号链接。

5.根据权利要求4所述的射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法所使用的设备，其特征在于，控制信号发射端的结构是：控制系统中的发射端PC机作为控制信号源，接串口模块，该串口模块接微控制器，该微控制器接主放大器，主放大器接LED驱动电路。

6.根据权利要求4所述的射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法所使用的设备，其特征在于，控制信号接收端的结构是：所述的光电二极管经跨阻放大接低通滤波器；该低通滤波器接主放大器，该主放大器接微控制器，再接串口模块，串口模块接接收端PC机；接收端PC机接射电天文台远镜主动反射面的控制执行机构。

7.根据权利要求4-6之一所述的射电天文望远镜主动反射面控制的可见光通讯方法所使用的设备，其特征在于，所述的可见光光源采用LED；所述的可见光接收元件采用光电二极管。