CN107947852B - 基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统 - Google Patents

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Abstract

基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，属于激光通信领域，为解决现有技术问题，第一信号源通过偏置电路对激光器加载信号，通过分光片由第一准直透镜准直，向被动端发射；第二准直透镜接收光后会聚至光阑中心，光经由会聚透镜变为平行光，经振镜反射至短焦透镜上，通过短焦透镜会聚至光伏电池板，产生相应的电信号经后续处理电路，同时收集光能转换为电能作为被动端工作能源；第二信号源将信号加载在振镜驱动器上对振镜产生控制信号，发出振动，使返回光束的角度随信号发生变化，对返回光束进行OOK格式的调制；光束按原路返回，经分光片反射至平凸透镜，平凸透镜将光束会聚至探测器，经由主动端信号处理模块处理，完成上行通信。

Description

基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统
技术领域
本发明涉及一种基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，属于激光通信技术领域。
背景技术
传统的射频通信可用频段有限，密集应用射频信号很容易造成互相干扰，所以传统射频通信不适合大量集中应用。无线激光通信是将信号加载在激光束上传输实现通信的技术，它具有抗干扰能力强、传输容量大、保密性好、维护方便、成本低廉等优点，十分适用于中短距离无线通信。因此，在密集链路建设中，无线激光通信技术的应用优势巨大。
许多情形下链路都需要全双工通信功能，而传统的激光通信设备若要实现全双工通信，链路两端则需要同时配有激光器、探测器、光学元件、跟瞄设备等，这使得被动端的系统尺寸、重量加大，功耗提高，维护复杂，不利于控制搭建链路的成本。调制回复结构是利用调制器在接收到的光载波上加载信号，再利用反射器使光信号按原路返回的一种结构，它可以使链路其中一端省去激光器、跟瞄设备等，降低实现全双工通信的成本。
装备学院的张来线等研究人员在Large incidence angle and defocusinfluence cat's eye retro-reflector (来引自Proc. of SPIE Vol. 9300, 93000C，International Symposium onOptoelectronic Technology and Application 2014:Infrared Technology and Applications)一文中提出了猫眼结构传感器式调制器，如图1所示，信号输入至位于焦面的调制器，调制器产生振动离焦，离焦变化可对反射光强度进行调制，将信号加载至反射光上，实现逆向调制光通信。然而这种传统的焦面调制器件的体积与重量较大，限制了振动频率，不利于提高通信速率，并且被动端。
调制回复结构需要相应的供能设备，无论采用内置电源或是外接电源，均会使系统结构冗余，维护不便；由于链路被动端应用环境复杂多变，从外界环境中收集能量也是不可靠的。因此，主动远程无线供能与调制回复通信相结合将是一种合理的解决方案，可以在较低成本下实现所需的通信功能，同时又保证了系统能源的稳定性，便于大范围推广使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决无线激光通信中传统调制回复结构传输速率低，被动端不便供电的问题，提出一种基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统。
本发明所采用的技术方案如下：
基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，在主动端中，第一信号源通过偏置电路对激光器加载信号，通过分光片由第一准直透镜准直，向被动端发射；主动端的第一准直透镜与被动端的第二准直透镜同轴放置；第二准直透镜接收光后会聚至光阑中心，其中光阑放置于第二准直透镜的焦面处，光经由会聚透镜变为平行光，经振镜反射至短焦透镜上，通过短焦透镜会聚至光伏电池板，产生相应的电信号经后续处理电路，完成下行通信，同时收集光能转换为电能作为被动端工作能源；第二信号源将信号加载在振镜驱动器上对振镜产生控制信号，发出振动，使返回光束的角度随信号发生变化，利用光阑对光束限制，即可对返回光束进行OOK格式的调制；光束按原路返回，经分光片反射至平凸透镜，平凸透镜将光束会聚至探测器，经由主动端信号处理模块处理，完成上行通信。
本发明的有益效果是：
本发明相对于传统的在光学系统焦平面放置振镜实现调制回复的结构可产生更高的调制速率。将振镜放置在平行光路中改变反射光角度，与光阑组合，只需极小的振动幅度即可产生明显的调制效果，而更小的振动幅度能够实现更快的调制速率。
本发明采用调制回复的通信形式，在实现全双工通信功能的条件下，简化了大量的结构，降低成本。同时采用无线激光传能的方式为被动端提供能源，在复杂的应用环境下提供了可靠的能量源，并且进一步简化了被动端的结构。
本发明可应用于无人机、潜航器、移动智能设备、通信局域网、远程检测、空间光通信中继等。
附图说明
图1为现有的猫眼结构传感器式调制器结构示意图。
图2为本发明基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统示意图。
图3为本发明所述下行链路光伏电池板的后续处理电路模块示意图。
图中：1、第一信号源，2、偏置电路，3、激光器，4、分光片，5、第一准直镜，6、第二准直透镜，7、光阑，8、会聚透镜，9、振镜，10、短焦透镜，11、光伏电池板，12、后续处理电路，13、第二信号源，14、振镜驱动器，15、平凸透镜，16、光电探测器，17、主动端信号处理模块，12-1、电容，12-2、低通滤波器，12-3、放大器，12-4、信号处理模块，12-5、电感，12-6、储能模块。
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2所示，基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，由主动端与被动端两部分构成。其中主动端包含第一信号源1、偏置电路2、激光器3、分光片4、第一准直透镜5、平凸透镜15、光电探测器16和主动端信号处理模块17；被动端包括第二准直透镜6、光阑7、聚焦透镜8、振镜9、短焦透镜10、光伏电池板11、后续处理电路12、第二信号源13和振镜驱动器14，其中后续处理电路12包括电感12-5、储能模块12-6、电容12-1、低通滤波器12-2、放大器12-3、信号处理模块12-4。
在主动端中，第一信号源1通过偏置电路2对激光器3加载信号，通过分光片4由第一准直透镜5准直，向被动端发射。主动端的第一准直透镜5与被动端的第二准直透镜6同轴放置。第二准直透镜6接收光后会聚至光阑7中心，其中光阑7放置于第二准直透镜6的焦面处，会聚透镜8前焦点与第二准直透镜6焦点重合，且位于光阑7中心，光经由会聚透镜8变为平行光，经振镜9反射至短焦透镜10上，通过短焦透镜10会聚至光伏电池板11，产生相应的电信号经后续处理电路12，完成下行通信，同时收集光能转换为电能作为被动端工作能源。短焦透镜10聚光在光伏电池板11上产生的猫眼效应十分明显，大部分光伏电池板11表面镜面反射、漫反射产生的光束可按原路返回。第二信号源13将信号加载在振镜驱动器14上对振镜9产生控制信号，发出振动，使返回光束的角度随信号发生变化，利用光阑7对光束限制，即可对返回光束进行OOK格式的调制。另外，由于光伏电池板11接收靶面较大，因而振镜9产生的振动导致下行链路光斑的抖动不会对通信过程产生影响。光束按原路返回，经分光片4反射至平凸透镜15，平凸透镜15将光束会聚至探测器16，经由主动端信号处理模块17处理，完成上行通信。
所述光阑7的孔径尺寸尽量缩小，该尺寸与第二准直透镜6的聚光点大小相同，此时，振镜9只需要极小的振动幅度即可产生较好的调制效果，有利于提高调制速率。
所述短焦透镜10的后截距短，焦平面漫反射光束进入透镜孔径的比例较高，产生猫眼现象按原路返回的光能量相对较大，有利于提高通信质量。
如图3所示，后续处理电路12分为两个支路，直流支路中，电信号通过电感12-5，滤掉信号中的交流成分，传输至储能模块12-6中，收集能量；交流支路中，电容12-1滤掉信号中的直流成分，经过低通滤波器12-2、放大器12-3、在信号处理模块12-4中接收下行信号。

Claims (5)

1.基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，其特征是，其由主动端与被动端两部分构成，其中主动端包含第一信号源（1）、偏置电路（2）、激光器（3）、分光片（4）、第一准直透镜（5）、平凸透镜（15）、光电探测器（16）和主动端信号处理模块（17）；被动端包括第二准直透镜（6）、光阑（7）、会聚透镜（8）、振镜（9）、短焦透镜（10）、光伏电池板（11）、后续处理电路（12）、第二信号源（13）和振镜驱动器（14），其中后续处理电路（12）包括电感（12-5）、储能模块（12-6）、电容（12-1）、低通滤波器（12-2）、放大器（12-3）、信号处理模块（12-4）；
在主动端中，第一信号源（1）通过偏置电路（2）对激光器（3）加载信号，通过分光片（4）由第一准直透镜（5）准直，向被动端发射；主动端的第一准直透镜（5）与被动端的第二准直透镜（6）同轴放置；
第二准直透镜（6）接收光后会聚至光阑（7）中心，其中光阑（7）放置于第二准直透镜（6）的焦面处，光经由会聚透镜（8）变为平行光，经振镜（9）反射至短焦透镜（10）上，通过短焦透镜（10）会聚至光伏电池板（11），产生相应的电信号经后续处理电路（12），完成下行通信，同时收集光能转换为电能作为被动端工作能源；
第二信号源（13）将信号加载在振镜驱动器（14）上对振镜（9）产生控制信号，发出振动，使返回光束的角度随信号发生变化，利用光阑（7）对光束限制，即可对返回光束进行OOK格式的调制；
光束按原路返回，经分光片（4）反射至平凸透镜（15），平凸透镜（15）将光束会聚至探测器（16），经由主动端信号处理模块（17）处理，完成上行通信。
2.根据权利要求1所述的基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，其特征在于，会聚透镜（8）前焦点与第二准直透镜（6）焦点重合，且位于光阑（7）中心。
3.根据权利要求1所述的基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，其特征在于，所述光阑（7）的孔径尺寸与第二准直透镜（6）的聚光点大小相同。
4.根据权利要求1所述的基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，其特征在于，短焦透镜（10）聚光在光伏电池板（11）上产生的猫眼效应，大部分光伏电池板（11）表面镜面反射、漫反射产生的光束可按原路返回。
5.根据权利要求1所述的基于振镜实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，后续处理电路（12）分为两个支路，直流支路中，电信号通过电感（12-5），滤掉信号中的交流成分，传输至储能模块（12-6）中，收集能量；交流支路中，电容（12-1）滤掉信号中的直流成分，经过低通滤波器（12-2）、放大器（12-3）、在信号处理模块（12-4）中接收下行信号。
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