CN107947860B - 基于光纤振动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

基于光纤振动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，主动端信号源通过偏置电路对激光器加载信号，经过分光片反射至准直透镜；激光器发出的光透过分光片，与激光器的光合束由准直透镜向发射；光纤准直器接收光后进入光纤，通过聚光透镜；合束光聚焦在反射镜上产生猫眼效应，该光束按原方向返回至光纤；光纤的末端a固定在压电陶瓷上，压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷振动，进入光纤的光强度随振动，产生调制信号；调制光信号通过光纤准直器返回至准直透镜，再透过分光片至光电探测器中，经上行信号处理模块接收；在分光片处合束光中含有信号的部分被反射，传输至光伏电池板，处理电路模块连接光伏电池板。

Description

基于光纤振动实现全双工通信的能量与信息复合传输系统
技术领域
本发明涉及基于光纤振动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，这使得远端的系统尺寸、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(引自Proc.of SPIE Vol.9300,93000C，International Symposium on Optoelectronic 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。
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
本发明为了解决无线激光通信中传统调制回复结构传输速率低，远端不便供电的问题，提出一种基于光纤振动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：
基于光纤振动实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，其特征是，
在主动端中，主动端信号源发出信号通过偏置电路对第二激光器加载信号，信号光经过第一分光片反射至准直透镜；第一激光器发出的光直接透过第一分光片，透射光与第二激光器发出的光合束，同时由准直透镜向远端发射；准直透镜与光纤准直器同轴放置；远端的光纤准直器接收光后耦合进入多模光纤的b端中，合束的光经多模光纤的末端a输出，通过聚光透镜转成平行光；平行合束光入射到第二分光片上，其中不含信号的那部分光可直接通过，再经过猫眼透镜聚焦在反射镜上产生猫眼效应，该光束按原方向返回，传至多模光纤的末端a；多模光纤的末端a固定在压电陶瓷上，远端信号源将信号传至压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器控制压电陶瓷振动，此时多模光纤的末端a随之振动，进入光纤的光强度随振动发生强弱变化，产生OOK格式的调制信号；调制的光信号通过光纤准直器返回至准直透镜，再透过第一分光片传输至光电探测器中，经由后续上行信号处理模块接收信号，完成上行通信；在第二分光片处，合束光中含有信号的部分被反射，反射光传输至光伏电池板，处理电路模块连接光伏电池板，接收下行信号，同时收集光能转化为远端工作能源。
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调制器的调制方法，尾纤更加轻便，与调制器相比，尾纤对压电陶瓷造成的负载小，振动调制速率更高。另外空间光耦合进入光纤对准要求高，极小的空间位置变化即可能导致无法使光导入光纤，利用此性质，压电陶瓷的振动行程也不需要过大即可获得较好的调制效果，调制速率进一步提高。
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，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。
本发明利用不同波长的光载波与对应的分光片实现了全双工通信，上行信号与下行信号同时传递，可以实现对远端的实时控制，同时远端采集信号也可实时回传。
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、空间光通信中继等领域。
附图说明
图1为现有技术的猫眼结构传感器式调制器结构示意图。
图2为本发明基于光纤振动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、第一激光器，2、主动端信号源，3、偏置电路，4、第二激光器，5、第一分光片，6、准直透镜，7、光纤准直器，8、多模光纤，9、远端信号源，10、压电陶瓷驱动器，11、压电陶瓷，12、聚光透镜，13、第二分光片，14、光伏电池板，15、处理电路模块，16、反射镜，17、猫眼透镜，18、光电探测器，19、上行信号处理模块，15-1、电容，15-2、放大器，15-3、比较器，15-4、信号处理模块，15-5、电感，15-6、储能模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图2所示，基于光纤振动实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，其由主动端与远端两部分构成。其中主动端包含两台不同波长的第一激光器1和第二激光器4、单波段光通过的第一分光片5、光电探测器18、上行信号处理模块19、主动端信号源2、偏置电路3和准直透镜6；远端包括光纤准直7、多模光纤8、压电陶瓷(PZT)11、压电陶瓷驱动器10、远端信号源9、猫眼透镜17、单波段通过的第二分光片13、反射镜16、光伏电池板14和处理电路模块15。
在主动端中，主动端信号源2通过偏置电路3对第二激光器4加载信号，经过第一分光片5反射至主动端光学天线6。第一激光器1发出的光直接透过第一分光片5，与第二激光器4发出的光合束，同时由准直透镜6向远端发射。准直透镜6与光纤准直器7同轴放置。远端光纤准直器7接收光后耦合进入多模光纤8的b端中，合束的光经多模光纤8的末端a输出，通过聚光透镜12转成平行光。
第二分光片13处，合束光中不含信号的那部分光可直接通过，再经过猫眼透镜17聚焦在反射镜16上产生猫眼效应，光束按原方向返回，传至多模光纤8的末端a。多模光纤8的末端a固定在压电陶瓷11上，远端信号源9将信号传至压电陶瓷驱动器10，控制压电陶瓷11振动，此时多模光纤8的末端a随之振动，进入光纤的光强度随振动发生强弱变化，产生OOK格式的调制信号。调制的光信号通过光纤准直器7返回至准直透镜6，透过第一分光片5，传输至光电探测器18中，经由后续上行信号处理模块19接收信号，完成上行通信。
在第二分光片13处，合束光中含有信号的部分被反射，传输至光伏电池板14，处理电路模块15连接光伏电池板14，接收下行信号，同时收集光能转化为远端工作能源。光伏电池板14接收靶面较大，因此多模光纤8的末端a的振动导致后续光斑的抖动不会对通信过程产生影响。
图3为光伏电池板的后续处理电路模块等效电路。处理电路模块15分为两个支路，直流支路中，电信号通过电感15-5，滤掉信号中的交流成分，传输至储能模块15-6中，收集能量；交流支路中，电容15-1滤掉信号中的直流成分，经过放大器15-2、比较器15-3，在信号处理模块15-4中接收下行信号。
第一激光器1与第二激光器4为不同波段的激光器，以实现第一分光片5和第二分光片13的单波通过的功能，第一激光器1发出的光束未加载信号，用于实现猫眼效应的调制回复上行通信，第二激光器4发出的光含有加载信号，用于发送至被动端实现下行通信，同时为被动端供能。
第一分光片5和第二分光片13采用同种性能的膜层，透过第一激光器1的光束，反射第二激光器4的光束。
多模光纤8具有较大的芯径可降低装调、对准难度。
压电陶瓷11固定在多模光纤8的末端a处，可使振动调制效果明显。

Claims (4)

1.基于光纤振动实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，其特征是，
其由主动端与远端两部分构成；其中主动端包含两台不同波长的第一激光器（1）和第二激光器（4）、单波段光通过的第一分光片（5）、光电探测器（18）、上行信号处理模块（19）、主动端信号源（2）、偏置电路（3）和准直透镜（6）；远端包括光纤准直（7）、多模光纤（8）、压电陶瓷（11）、压电陶瓷驱动器（10）、远端信号源（9）、猫眼透镜（17）、单波段通过的第二分光片（13）、反射镜（16）、光伏电池板（14）和处理电路模块（15）；
在主动端中，主动端信号源（2）发出信号通过偏置电路（3）对第二激光器（4）加载信号，信号光经过第一分光片（5）反射至准直透镜（6）；
第一激光器（1）发出的光直接透过第一分光片（5），透射光与第二激光器（4）发出的光合束，同时由准直透镜（6）向远端发射；
准直透镜（6）与光纤准直器（7）同轴放置；远端的光纤准直器（7）接收光后耦合进入多模光纤（8）的b端中，合束的光经多模光纤（8）的末端a输出，通过聚光透镜（12）转成平行光；
平行合束光入射到第二分光片（13）上，其中不含信号的那部分光可直接通过，再经过猫眼透镜（17）聚焦在反射镜（16）上产生猫眼效应，该不含信号的光按原方向返回，传至多模光纤（8）的末端a；
多模光纤（8）的末端a固定在压电陶瓷（11）上，远端信号源（9）将信号传至压电陶瓷驱动器（10），压电陶瓷驱动器（10）控制压电陶瓷（11）振动，此时多模光纤（8）的末端a随之振动，进入光纤的光强度随振动发生强弱变化，产生OOK格式的调制信号；调制的光信号通过光纤准直器（7）返回至准直透镜（6），再透过第一分光片（5）传输至光电探测器（18）中，经由后续上行信号处理模块（19）接收信号，完成上行通信；
在第二分光片（13）处，合束光中含有信号的部分被反射，反射光传输至光伏电池板（14），处理电路模块（15）连接光伏电池板（14），接收下行信号，同时收集光能转化为远端工作能源。
2.根据权利要求1所述的基于光纤振动实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，其特征在于，第一激光器（1）与第二激光器（4）为不同波段的激光器。
3.根据权利要求1所述的基于光纤振动实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，其特征在于，第一分光片（5）和第二分光片（13）采用同种性能的膜层，透过第一激光器（1）的光束，反射第二激光器（4）的光束。
4.根据权利要求1所述的基于光纤振动实现全双工通信的能量与信息复合传输系统，处理电路模块（15）分为两个支路，直流支路中，电信号通过电感（15-5）滤掉信号中的交流成分，然后传输至储能模块（15-6）中，收集能量；交流支路中，电容（15-1）滤掉信号中的直流成分，然后经过放大器（15-2）和比较器（15-3），在信号处理模块（15-4）中接收下行信号。
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