CN109067452A - 一种无人机中继激光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机中继激光通信系统，包括光纤放大器，光纤放大器两端分别依次连接有波分复用器、光斑探测器和耦合透镜组，耦合透镜组正面设置有扫描摆镜，扫描摆镜连接有控制扫描摆镜运动来接收和发射信号的伺服转台。本发明的无人机中继激光通信系统可使地面点对点激光通信的信息传输距离大幅度提高，使激光信号的折线传输链路变为可能；利用无人机，降低了激光通信对地形环境的要求，而且无人机滞空时间长，易于灵活操控，使得本发明无人机中继激光通信系统适用范围更加广泛。

Description

一种无人机中继激光通信系统

技术领域

本发明属于无线激光通信技术领域，具体涉及一种无人机中继激光通信系统。

背景技术

随着科技的发展，无人机的生产成本越来越低，因此，无人机以其无人员伤亡风险、生存能力强、移动灵活、不受地型因素制约、抗干扰能力强和滞空时间长等优点，可以结合各领域的专业技术，使用在越来越多的领域中，无人机激光通信属于无人机在通信领域应用的一种。

无人机激光通信系统在现代战争中的指挥通信方面发挥着重要的作用。激光通信链路具有通信容量大、传输速率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、组网灵活以及终端体积小、重量轻、功耗低等优点，是构建星间、星-地、星-空、空-天、空-地、空-舰、空-空等链路大容量保密通信重要途径之一，是空天一体化战场高速、保密通信网络的最佳方案之一。

无人机激光通信技术是将无人机技术与激光通信技术相结合，将通信所用的基站安装在无人机上，组成无人机通信系统。现有无人机激光通信系统均由光信号生成装置、分束镜、光收发天线、瞄准、捕获及跟踪系统、信号处理装置和信号接收装置等组成，只能实现短距离的信号点对点直线传输，而且此种通信系统对地形环境条件的要求较高，适用范围小。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机中继激光通信系统，解决现有无人机通信系统只能对短距离、小范围内激光信号进行直线传输的问题。

本发明采用的第一技术方案是，一种无人机中继激光通信系统，包括光纤放大器，光纤放大器两端分别依次连接有波分复用器、光斑探测器和耦合透镜组，耦合透镜组正面设置有扫描摆镜，扫描摆镜连接有控制扫描摆镜运动来接收和发射激光信号的伺服转台。

本发明的技术特征还在于，

所述光斑探测器通过多模光纤与波分复用器连接，光纤耦合端面位于耦合透镜组的焦点处。

所述光斑探测器的光斑探测面由四块CCD图像传感器拼接而成，四块CCD图像传感器位于以光纤耦合端面为圆心的坐标系四象限上。

所述扫描摆镜连接有控制器，扫描摆镜捕捉从地面发射的激光信号时，控制器先控制扫描摆镜运动扫描捕获激光信号，当任一块CCD图像传感器检测出光斑，即完成激光信号的捕获，然后进入扫描摆镜运动跟踪阶段。

所述耦合透镜组将接收的激光信号汇聚于光纤耦合端面过程中，控制器先根据CCD传感器上检测到的光斑位置调整扫描摆镜位置，使四块CCD传感器都能检测到特定的光斑质心时，即完成耦合，完成耦合的激光信号透过耦合透镜组汇聚于光纤耦合端面上。

本发明采用的第二技术方案是，一种无人机中继激光通信系统的中继端瞄准跟踪激光信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a，根据光学反射矢量的理论，建立扫描摆镜的俯仰轴、方位轴和系统光轴的指向方程，控制扫描摆镜运动的控制器根据该指向方程调节扫描摆镜的旋转角度，完成对激光信号的捕获和跟踪；

b，利用CCD传感器上检测得到的脱靶量角和扫描摆镜调整角度的关系控制伺服电机带动扫描摆镜运动，使得进入系统的光束耦合进光纤端面。

所述步骤a中，扫描摆镜的俯仰轴、方位轴和进入耦合透镜组入射角的关系方程，表达式如下：

A′＝RA

其中，A表示扫描摆镜转动前，入射光经扫描摆镜反射前在耦合透镜坐标系中的光矢量坐标；

A′表示扫描摆镜转动前，入射光经扫描摆镜反射后在耦合透镜坐标系中的光矢量坐标；

A″表示扫描摆镜转动后，入射光通过耦合透镜组后在耦合透镜坐标系上的光矢量坐标；

R表示扫描摆镜的初始反射矩阵；

S_z,α与S_y,β分别表示扫描摆镜旋转角为α，俯仰角为β时，扫描摆镜坐标系沿光斑探测面坐标系的y轴和z轴的旋转矩阵。

入射光为平行光时，入射光经扫描摆镜反射后得到的光矢量坐标A′的表达式如下：

A′＝[cosδ,-sinδ,0]^T；

δ表示入射光为平行光时，入射光与耦合透镜坐标系X轴的夹角。

所述步骤b中，光斑脱靶量和单摆扫描摆镜调整角度的关系如下式：

其中，(x_A，y_A)表示第一CCD传感器的原点坐标；

(x_a，y_a)表示入射光A经过扫描摆镜和耦合透镜组后在第一CCD传感器上的光斑位置坐标；

(x_a+x_A，y_a+y_A)表示入射光A经过扫描摆镜和耦合透镜组后在光纤耦合端面上的位置坐标：

f表示焦距，即从耦合透镜组中心到光斑探测器中心的距离；

L表示CCD图像传感器中的像元点之间的距离，即像素点距离；

和θ表示入射光透过耦合透镜组时，传感器检测到的光斑脱靶量角，是光束在OXYZ坐标系中XOZ面的投影与Z轴的夹角，θ是光束与其在XOZ面投影的夹角。

本发明一种无人机中继激光通信系统的工作原理如下：

步骤1，扫描摆镜捕获从地面发射的激光信号；

步骤2，扫描摆镜将捕获的激光信号反射到耦合透镜组上，激光信号再透过耦合透镜组汇聚于光纤耦合端面上；

步骤3，光纤耦合端面将接收到的激光信号经多模光纤传输给波分复用器；

步骤4，波分复用器将接收到的激光信号传输给光纤放大器(1)，光纤放大器将接收的激光信号放大；

步骤5，放大的激光信号从光纤放大器另一端依次经过另一个波分复用器、耦合透镜组和扫描摆镜射出。

本发明的有益效果是，采用无人机机载中继激光系统，可使地面点对点激光通信的信息传输距离大幅度提高，使折线信号传输链路变为可能，降低了通信系统对地形环境的要求，扩宽其适用范围；采用双通道双向光纤放大器，和波分复用器，双波长双向传输，使中继传输效果更好；利用4块CCD图像传感器组成探测面置于耦合端面上，便于对空间光的耦合，避免了采用分束镜而造成光束能量的损失，同时使得光学天线的结构更为紧密，体积更小，重量更轻，更适合无人机搭载。

附图说明

图1是本发明无人机中继激光通信系统的结构示意图；

图2是本发明无人机中继激光通信系统中的光斑探测器正面结构示意图；

图3是本发明无人机中继激光通信系统中的扫描摆镜坐标系、耦合透镜组坐标系、光斑探测面坐标系和每一块CCD传感器的坐标系示意图。

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地详细说明，但本发明并不局限于该具体实施方式。

参照图1和图2，本发明一种无人机中继激光通信系统，主要包括双入双出光纤放大器，光纤放大器两端分别依次连接有三端口CWDM波分复用器、四块CCD图像传感器拼接而成的光斑探测器(6)和耦合透镜组，四块CCD图像传感器分别位于以光纤耦合端面为圆心的坐标系四象限上，CCD图像传感器组成的光斑探测面中心为耦合点，当四块CCD的特定区域都检测到一定的光斑，即四块CCD上都能检测到特定的光斑质心时，即认为完成耦合。利用四块CCD图像传感器组成探测面置于耦合端面前，便于对空间光的耦合，避免了采用分束镜而造成光束能量的损失，同时使得光学天线的结构更为紧密，体积更小，重量更轻，更适合无人机搭载。

光斑探测器通过多模光纤与波分复用器连接，光纤耦合端面位于耦合光学系统的焦点处，耦合透镜组正面设置有扫描摆镜，扫描摆镜连接有控制扫描摆镜运动的控制器，便于控制扫描摆镜获取、跟踪和发射更多方位的激光信号；扫描摆镜还连接有控制其接收和发射激光信号的伺服转台，使中继传输效果更好。

参照图3，使用该无人机中继激光通信系统时，先设定扫描摆镜坐标系为O’X’Y’Z’，耦合透镜面坐标系为OXYZ，光斑探测器的光斑探测面坐标系为二维坐标系oxy，CCD1坐标系为o1x1y1，CCD2坐标系为o2x2y2，CCD3坐标系为o3x3y3，CCD4坐标系为o4x4y4。再根据四块CCD传感器的位置，分别标定其中心在光斑探测面坐标系上的位置坐标，其中心位置在光斑探测面坐标系上的位置坐标分别为o1(xA,yA)、o2(xB,yB)、o3(xC,yC)、o4(xD,yD)。

设定R为扫描摆镜的反射矩阵，N_x,N_y,N_z分别为扫描摆镜法线在基坐标各个轴上的投影，设初始扫描摆镜的法线N与基坐标系的X轴夹角为μ，则法线的坐标为[cosμ，0，sinμ]。扫描摆镜以Z’轴做旋转，以Y’轴做俯仰运动，初始状态时μ为45°，此时的反射矩阵R为

设定A为扫描摆镜转动前，入射光经扫描摆镜反射前在耦合透镜坐标系中的矢量坐标，A′为扫描摆镜转动前，入射光经扫描摆镜反射后得到的光矢量坐标，则有A′＝RA；当入射光A为平行光，其入射光与X轴夹角为δ，在耦合透镜坐标系中其光矢量可表示为A′＝[cosδ，-sinδ，0]^T；扫描摆镜转动后，入射光在耦合透镜坐标系上的光矢量可表示为

地面通信终端A(11)发射波长为λ₁的激光信号，扫描摆镜接收到该激光信号，将其反射，传递给耦合透镜组，耦合透镜组将接收到的激光信号聚焦形成光斑，传递给CCD图像传感器，此过程中涉及到该通信系统对发射的信号的捕获和耦合。信号捕获过程中，任何一块CCD图像传感器检测到光斑，则完成对该信号的捕获，系统进入扫描摆镜运动跟踪阶段。信号耦合过程中，当四块CCD图像传感器都检测到光斑，系统则完成耦合。

系统捕获到波长为λ₁的激光信号后，控制扫描摆镜4的控制器使扫描摆镜旋转α，俯仰β，相当于扫描摆镜坐标系相对于耦合透镜坐标系的Y轴和Z轴分别转动β和α，入射光矢量A变化为A₁，坐标沿y轴、z轴转动的旋转矩阵分别为

扫描摆镜转动后A₁＝S_z,α ^-1S_y,β ^-1A，经反射后为A′₁＝RS_z,α ^-1S_y,β ^-1A，再转换到耦合镜面坐标系上为A″₁＝S_z,αS_y,βRS_z,α ^-1S_y,β ^-1A，扫描摆镜和耦合透镜组刚性连接，扫描摆镜和耦合透镜组的中心均在光轴上，所以当扫描摆镜转动时，相对于耦合透镜组只有俯仰转动，没有旋转，此时

A″₁＝S_y,βRS_z,α ^-1S_y,β ^-1A

光矢量A经扫描摆镜反射进入耦合透镜组后，在CCD1坐标系上的光斑位置A(xa,ya)，则其在光斑探测面坐标系上的坐标为(xa+xA,ya+yA)，CCD图像传感器中的像元点之间的距离，即像素点距离为L，从耦合透镜组中心到光斑探测器中心的距离，即焦距为f，入射光透过耦合透镜组后，传感器检测到的光斑脱靶量角值为和θ，是光束在耦合透镜面坐标系中XOZ面的投影与Z轴的夹角，θ是光束与其在XOZ面投影的夹角，光矢量A在光斑探测面坐标系上的坐标(xa+xA,ya+yA)与像素点距离L和焦距f的关系式如下：

从而得到光斑脱靶量和扫描摆镜调整角度的关系式如下：

根据以上光斑脱靶量和扫描摆镜调整角度的关系式，当地面端发射激光方向指向无人机中继系统时，激光入射角不变，控制器控制扫描摆镜做俯仰和旋转运动，使得脱靶量坐标为[-1 0 0]^T，从而达到耦合目的，耦合的激光信号再通过波分复用器、光纤放大器、光纤放大器另一端的波分复用器、耦合透镜组和扫描摆镜传输给地面信号接收端，使该无人机中继激光通信系统实现对多方位激光信号的接收和发射，克服了现有无人机通信系统只能对短距离、小范围内激光信号进行直线传输的问题。

Claims (9)

1.一种无人机中继激光通信系统，其特征在于：包括光纤放大器，光纤放大器两端分别依次连接有波分复用器、光斑探测器和耦合透镜组，耦合透镜组正面设置有扫描摆镜，扫描摆镜连接有控制扫描摆镜运动来接收和发射激光信号的伺服转台。

2.根据权利要求1所述的一种无人机中继激光通信系统，其特征在于，所述光斑探测器通过多模光纤与波分复用器连接，光纤耦合端面位于耦合透镜组的焦点处。

3.根据权利要求2所述的一种无人机中继激光通信系统，其特征在于，所述光斑探测器的光斑探测面由四块CCD图像传感器拼接而成，四块CCD图像传感器位于以光纤耦合端面为圆心的坐标系四象限上。

4.根据权利要求3所述的一种无人机中继激光通信系统，其特征在于，所述扫描摆镜连接有控制器，扫描摆镜捕捉从地面发射的激光信号时，控制器先控制扫描摆镜运动扫描捕获激光信号，当任一块CCD图像传感器检测出光斑，即完成激光信号的捕获，然后进入扫描摆镜运动跟踪阶段。

5.根据权利要求4所述的一种无人机中继激光通信系统，其特征在于，所述耦合透镜组将接收的激光信号汇聚于光纤耦合端面过程中，控制器先根据CCD传感器上检测到的光斑位置调整扫描摆镜位置，使四块CCD传感器都能检测到特定的光斑质心时，即完成耦合，完成耦合的激光信号透过耦合透镜组汇聚于光纤耦合端面上。

6.一种无人机中继激光通信系统的中继端瞄准跟踪激光信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a，根据光学反射矢量的理论，建立扫描摆镜的俯仰轴、方位轴和系统光轴的指向方程，控制扫描摆镜运动的控制器根据该指向方程调节扫描摆镜的旋转角度，完成对激光信号的捕获和跟踪；

b，利用CCD传感器上检测得到的脱靶量角和扫描摆镜调整角度的关系控制伺服电机带动扫描摆镜运动，使得进入系统的光束耦合进光纤端面。

7.根据权利要求6所述的一种无人机中继激光通信系统的中继端瞄准跟踪激光信号的方法，其特征在于，所述步骤a中，扫描摆镜的俯仰轴、方位轴和系统光轴的指向方程，表达式如下：

A′＝RA

其中，A表示扫描摆镜转动前，入射光经扫描摆镜反射前在耦合透镜坐标系中的光矢量坐标；

A′表示扫描摆镜转动前，入射光经扫描摆镜反射后在耦合透镜坐标系中的光矢量坐标；

A″表示扫描摆镜转动后，入射光透过耦合透镜组后在耦合透镜坐标系上的光矢量坐标；

R表示扫描摆镜的初始反射矩阵；

S_z,α与S_y,β分别表示扫描摆镜旋转角为α，俯仰角为β时，扫描摆镜坐标系沿光斑探测面坐标系的y轴和z轴的旋转矩阵。

8.根据权利要求7所述的一种无人机中继激光通信系统的中继端瞄准跟踪激光信号的方法，其特征在于，入射光为平行光时，入射光经扫描摆镜反射后得到的光矢量坐标A′的表达式如下：

A′＝[cosδ,-sinδ,0]^T；

δ表示入射光为平行光时，入射光与耦合透镜坐标系X轴的夹角。

9.根据权利要求6所述的一种无人机中继激光通信系统的中继端瞄准跟踪激光信号的方法，其特征在于，所述步骤b中，光斑脱靶量角和扫描摆镜调整角度的关系如下式：

其中，(x_A，y_A)表示第一CCD传感器的原点坐标；

(x_a，y_a)表示入射光A经过扫描摆镜和耦合透镜组后在第一CCD传感器上的光斑位置坐标；

(x_a+x_A，y_a+y_A)表示入射光A经过扫描摆镜和耦合透镜组后在光纤耦合端面上的位置坐标；

f表示焦距，即从耦合透镜组中心到光斑探测器中心的距离；

L表示CCD图像传感器中的像元点之间的距离，即像素点距离；

和θ表示入射光透过耦合透镜组时，传感器检测到的光斑脱靶量角，是光束在耦合透镜面坐标系中XOZ面的投影与Z轴的夹角，θ是光束与其在XOZ面投影的夹角。