CN106788717B - 收发共用可移动自由空间光交换系统 - Google Patents

Abstract

收发共用可移动自由空间光交换系统，包括：光学系统，用于获取用户A和用户B发出的光信号；运动轨迹获取装置，用于获取用户A和用户B的运动轨迹；设置在光学系统焦平面处的可移动接收光纤和可移动发射光纤，它们之间连接的光信号放大器，用于将可移动接收光纤接收的用户A的光信号，通过光信号放大器放大后，通过可移动发射光纤发射出去，经光学系统后，使用户B接收；所述可移动接收光纤和可移动发射光纤根据运动轨迹获取装置获取的运动轨迹进行移动，使可移动接收光纤和可移动发射光纤能够始终接收到用户A和用户B发出的光信号。本发明可以实现多用户之间的光物理信道的信息实时传输，提高信道利用率。

Description

收发共用可移动自由空间光交换系统

技术领域

本发明涉及一种光交换系统，尤其涉及一种收发共用可移动自由空间光交换系统。

背景技术

无线激光通信技术主要由于受到天气以及环境的影响较大，因此，目前主要用于星间通信以及地面应急通信。可移动自由空间光交换系统不同于传统的时分交换、波分交换方式，在时隙、频率或地址码都相同的情况下，用户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分开。利用多芯光纤（MultiCoreFiber，MCF）的空分多址技术目前已在超高容量、长距离的光纤通信传输中得到了试验验证（QPSK transmission through 16.8km homogeneousmulti-core fiber,OFC2011,PDPB6；Space-,wavelength-,polarization-divisionmultiplexed transmission of 56Tbit/s over a 76.8km seven-core fiber,OFC2011,PDPB7）（多芯光纤是在一个共同包层区中存在着多个纤芯）。但针对移动用户的自由空间交换方案目前还鲜见报道。空间激光通信组网光学原理研究采用旋转抛物面作为光学天线，使通过抛物面的焦点的光线平行于对称轴反射，提高了空间光能利用率，但未提出无线空分光交换的具体实现方法。

因此可知目前，无线光通信技术尚不成熟，自由空间光交换技术更是处于技术探索阶段。且目前的研究主要采用基于非线性效应的波长变换的方法和时分复用的技术来实现光信息的交换。但其技术复杂，实现困难，信道利用率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种收发共用可移动自由空间光交换系统，以解决现有技术存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

收发共用可移动自由空间光交换系统，包括：

光学系统，用于获取用户A和用户B发出的光信号；

运动轨迹获取装置，用于获取用户A和用户B的运动轨迹；

设置在光学系统焦平面处的可移动接收光纤和可移动发射光纤，它们之间连接的光信号放大器，用于将可移动接收光纤接收的用户A的光信号，通过光信号放大器放大后，通过可移动发射光纤发射出去，经光学系统后，使用户B接收；

所述可移动接收光纤和可移动发射光纤根据运动轨迹获取装置获取的运动轨迹进行移动，使可移动接收光纤和可移动发射光纤能够始终接收到用户A和用户B发出的光信号。

所述运动轨迹获取装置包括：

加装在光学系统上、将光信号分为两路的半透半反镜；

接收半透半反镜反射出的光信号的图像传感器，所述半透半反镜透射出的光纤传送给可移动接收光纤和可移动发射光纤；

获取图像传感器上用户A光斑的运动轨迹和用户B光斑的运动轨迹的图像处理模块，根据图户A的运动轨迹和用户B的运动轨迹控制可移动接收光纤和可移动发射光纤使用接收到光信号的控制系统。

所述光学系统为大视场角光学系统，大视场角光学系统连接伺服系统，所述伺服系统用于根据图像处理模块获取的运动轨迹信息，接收控制系统发送信号，使用户A和用户B均位于大视场角光学系统的视场角内。

所述可移动接收光纤和可移动发射光纤的结构相同，均包括：

对光纤端面进行夹持的光纤夹具；

与光纤夹具动态连接的可伸缩结构；

与可伸缩结构连接、且设置在焦平面圆心处的电动转轴；

所述控制系统与可伸缩结构、电动转轴连接，用于根据运动轨迹控制电动转轴的转动和可伸缩结构的伸缩，使可移动接收光纤和可移动发射光纤能够始终接收到用户A和用户B发出的光信号。

所述半透半反镜反射的光信号少于透射的光信号。

本发明的有益效果：

（1）可移动自由空间光交换系统可以实现多用户之间的光物理信道的信息实时传输，提高信道利用率，信号交换过程完全在光域中进行，具有透明的传输代码格式和比特率，配以相应的硬件平台，可以对不同传输代码格式和不同比特速率等级的信号进行交换；

（2）系统的设计降低了伺服系统的控制要求，利用光学原理替代了伺服系统的部分功能，实现了跟瞄、接入、交换技术一体化；

（3）系统采用空分的光交换原理设计，同时可以与其它交换技术（如时分光交换、波长地址交换）结合，实现大容量的无线光交换，成倍提高系统容量；

（4）系统采用收发共用的设计，简化了整个系统的复杂度，降低了系统的体积和重量。

附图说明

图1为移动用户运动轨迹与光学系统焦平面光斑的关系。

图2为可移动自由空间光交换原理结构图。

图3为光纤端面在光学焦平面内移动原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，根据光学原理，从不同方向斜入射的平行光束会汇聚到焦平面上的不同位置上。因此本发明通过控制光纤的移动位置，就能接收到不同角度入射的光束。

如图2所示，本发明提供的收发共用可移动自由空间光交换系统，包括：

光学系统，光学系统采用大视场角光学系统，具有光学镜头和焦平面，用于通过光学镜头获取用户A和用户B发出的光信号，并最终发送到焦平面；

运动轨迹获取装置，用于获取用户A和用户B的运动轨迹；

可移动接收光纤、可移动发射光纤和它们之间连接的光信号放大器，可移动接收光纤、可移动发射光纤设置在焦平面上，用于接收用户A和用户B发出的光信号。可移动接收光纤接收的用户A的光信号，通过光信号放大器放大后，通过可移动发射光纤发射出去，经光学系统后，使用户B接收，完成光交换。

上述过程中，由于用户位置的移动，可能发生光信号的移动，为了保证可移动接收光纤、可移动发射光纤始终接收到光信，可移动接收光纤和可移动发射光纤根据运动轨迹获取装置获取的运动轨迹进行移动，使可移动接收光纤和可移动发射光纤能够始终接收到用户A和用户B发出的光信号。

本发明的系统中，运动轨迹获取装置包括：

加装在光学系统上、将光信号分为两路的半透半反镜；半透半反镜将一小部分光功率信号进行反射，另一大部分进行透射，透射的部分作为传递信息的光信号；

接收半透半反镜反射出的光信号的图像传感器，即CCD，半透半反镜透射出的光纤传送给可移动接收光纤和可移动发射光纤；由于用户位置不同且会移动，反射到CCD进行聚焦的光斑的位置也不同，通过对光斑的跟踪，可以获取用户的运动轨迹；

获取图像传感器上用户A光斑的运动轨迹和用户B光斑的运动轨迹的图像处理模块，和根据图户A的运动轨迹和用户B的运动轨迹控制可移动接收光纤和可移动发射光纤使用接收到光信号的控制系统。

光学系统选择为大视场角光学系统，尽可能的提高空间覆盖角度，大视场角光学系统连接伺服系统，控制系统根据运动轨迹的信息，发送信号给伺服系统，使用户A和用户B均位于大视场角光学系统的视场角内。

上述为了实现可移动接收光纤和可移动反射光纤在焦平面上的移动，可移动接收光纤和可移动发射光纤均具有特殊的结构，他们的结构相同，均包括对光纤端面进行夹持的光纤夹具；与光纤夹具动态连接的可伸缩结构；与可伸缩结构连接的电动转轴。

如图3所示，光纤端面通过光纤夹具固定，焦平面圆心处设置电控转轴，通过可伸缩结构与光纤夹具动态连接，根据控制指令，进行伸缩变化以及转轴的旋转，实现焦平面内的二维移动控制。即控制系统与可伸缩结构、电动转轴连接，用于根据运动轨迹控制电动转轴的转动和可伸缩结构的伸缩，使可移动接收光纤和可移动发射光纤能够始终接收到用户A和用户B发出的光信号。

综上可知，本发明在光学系统内加装半透半反镜，反射的少部分的光功率信号聚焦到图像传感器（CCD）上，通过光斑位置信息提取，可以实时获取交换用户的运动轨迹信息，进而指导与控制可移动电控光纤夹具以及伺服系统的运动。透射的大部分光功率信号会聚焦到光学系统的焦平面上。在光学系统的焦平面位置处，利用光纤夹具固定住两根光纤的端面，分别对应可移动接收光纤和可移动发射光纤。接收光纤可以根据控制信号的作用而在焦平面内移动，保证其端面一直在焦平面的光斑位置处，这样就可以接收到大部分的光功率信号，发射光纤在控制信号的作用下，电控移动，保证其能实时跟踪移动用户的位置。

作为一种实施方式，本发明中，用户A信息交换到用户B的步骤如下：

1、用户A和B分别发射信标光，即握手信号到光交换系统，伺服系统工作使其用户A和B都位于交换系统光学视场角内。

2、用户A发射信号光到交换系统，用户B发射定位信标光到交换系统，由于A和B的位置角度不同，所以通过半透半反镜后会在CCD上形成两个光斑。

3、CCD把光学影像转化为电信号，通过图像处理算法确定用户A和B的运动轨迹，输出控制信息，控制焦平面处的可移动发射光纤和可移动接收光纤动态移动。

4、可移动接收光纤接收到的光信号经过EDFA放大后进入可移动发射光纤，根据光路可逆原理，可移动发射光纤里的光信号可以通过光学系统传输到用户B，完成交换。

本发明具有以下的优点：

可移动自由空间光交换系统可以实现多用户之间的光物理信道的信息实时传输，提高信道利用率，信号交换过程完全在光域中进行，具有透明的传输代码格式和比特率，配以相应的硬件平台，可以对不同传输代码格式和不同比特速率等级的信号进行交换。

系统的设计降低了伺服系统的控制要求，利用光学原理替代了伺服系统的部分功能，实现了跟瞄、接入、交换技术一体化。

系统采用空分的光交换原理设计，同时可以与其它交换技术（如时分光交换、波长地址交换）结合，实现大容量的无线光交换，成倍提高系统容量。

系统采用收发共用的设计，简化了整个系统的复杂度，降低了系统的体积和重量。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.收发共用可移动自由空间光交换系统，其特征在于，包括：

光学系统，用于获取用户A和用户B发出的光信号；

运动轨迹获取装置，用于获取用户A和用户B的运动轨迹；

设置在光学系统焦平面处的可移动接收光纤和可移动发射光纤，它们之间连接的光信号放大器，用于将可移动接收光纤接收的用户A的光信号，通过光信号放大器放大后，通过可移动发射光纤发射出去，经光学系统后，使用户B接收；

所述可移动接收光纤和可移动发射光纤根据运动轨迹获取装置获取的运动轨迹进行移动，使可移动接收光纤和可移动发射光纤能够始终接收到用户A和用户B发出的光信号。

2.根据权利要求1所述的收发共用可移动自由空间光交换系统，其特征在于，所述运动轨迹获取装置包括：

加装在光学系统上、将光信号分为两路的半透半反镜；

接收半透半反镜反射出的光信号的图像传感器，所述半透半反镜透射出的光信号传送给可移动接收光纤和可移动发射光纤；

获取图像传感器上用户A光斑的运动轨迹和用户B光斑的运动轨迹的图像处理模块，根据图户A的运动轨迹和用户B的运动轨迹控制可移动接收光纤和可移动发射光纤使用接收到光信号的控制系统。

3.根据权利要求2所述的收发共用可移动自由空间光交换系统，其特征在于：所述光学系统为大视场角光学系统，大视场角光学系统连接伺服系统，所述伺服系统用于根据图像处理模块获取的运动轨迹信息，接收控制系统发送信号，使用户A和用户B均位于大视场角光学系统的视场角内。

4.根据权利要求2所述的收发共用可移动自由空间光交换系统，其特征在于，所述可移动接收光纤和可移动发射光纤的结构相同，均包括：

对光纤端面进行夹持的光纤夹具；

与光纤夹具动态连接的可伸缩结构；

与可伸缩结构连接、且设置在焦平面圆心处的电动转轴；

所述控制系统与可伸缩结构、电动转轴连接，用于根据运动轨迹控制电动转轴的转动和可伸缩结构的伸缩，使可移动接收光纤和可移动发射光纤能够始终接收到用户A和用户B发出的光信号。

5.根据权利要求2所述的收发共用可移动自由空间光交换系统，其特征在于：所述半透半反镜反射的光信号少于透射的光信号。