CN109104241B - 一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置及方法，通过在无线光通信终端之间加设中继装置，并运用光纤放大器，将光束信号进行放大，以利于传播，全光中继可以避免信号光‑电‑光的转换过程，减少系统功耗，降低系统的复杂度，减小信号延迟；并利用光纤、EDFA及光纤环路器在很小体积内实现双向中继；设备体积小、重量轻。可搭载于绝大多数旋翼飞行器，基于此类飞行器的无线光通信中继转发方案，可以同时解决绝城市或山区中无线光通信终端无法视距通信时的信号转发和功率放大的问题。

Description

一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置及方法

技术领域

本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置及方法。

背景技术

无线光通信(Wireless Optical Communication)是指以激光束为信息载体，在空间中直接进行数据传输的通信技术。无线激光通信系统具有容量大、速率高、设备体积小、容易架设、无需频谱许可、安全保密等优势。随着通信多媒体化的进程不断推进，无线光通信在星地通信、星间通信、应急通信，军事通信及铺设光纤成本较高的通信领域有着广阔的应用前景。

现今，仍存在两个问题限制无线激光通信的应用。第一，通信距离受信道衰减的限制。空间信道中的粒子及气溶胶会引起信号功率衰减；仅仅依靠增大发射功率抑制信道衰减，又有可能对人身安全造成伤害，这极大地限制了无线激光通信的距离。第二，无线光通信终端视距传输要求在大部分城市及山区应用环境中难以满足。目前主要通过无线光通信中继技术来解决上述两个问题。传统的中继多是基于“光-电-光”的中继方案，但经过多次的转换，系统的复杂度较高，从而系统功耗较高，信号延迟大。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置及方法，解决了现有技术中存在的传统无线激光通信基于“光-电-光”的中继方案系统复杂度高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置，包括无线光通信终端一，无线光通信终端一通过下行链路连接中继装置，中继装置的顶端连接有飞行器，中继装置通过上行链路连接有无线光通信终端二；所述中继装置的具体结构为：中继装置一端设置有高精度俯仰、方位二维转动电机一，高精度俯仰、方位二维转动电机一的末端固定连接有反射镜一，另一端设置有高精度俯仰、方位二维转动电机二，高精度俯仰、方位二维转动电机二的末端固定连接有反射镜二，中继装置的中部设置有依次连接的光纤环路器一、光纤放大器一、光纤放大器二和光纤环路器二，所述光纤环路器一和光纤环路器二设置在反射镜一和反射镜二中心点的连线上，反射镜一与光纤环路器一之间设置有长焦透镜一，反射镜二与光纤环路器二之间设置有长焦透镜二。

本发明的特点还在于：

无线光通信终端一设置有多个。

无线光通信终端二设置有多个。

长焦透镜一和长焦透镜二均垂直于地面设置。

一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继方法，采用上述一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置，其具体步骤为：

步骤1：无线光通信终端一发出的光束信号，通过上行信号发送到中继装置中；

步骤2：在中继装置中上行链路光束入射到反射镜一上，通过调整高精度俯仰、方位二维转动电机一，使入射光束正入射于长焦透镜一的孔径内；

步骤3：光束被长焦透镜一整形后入射到光纤环路器一端面，并耦合进光纤环路器一A端口，A端口入射的光束将从光纤环路器一的B端口输出；

步骤4：通过光纤环路器一B端口将光束传输至光纤放大器一的输入端口，对上行光束进行全光放大，然后传输至光纤放大器一的输出端口；

步骤5：将光纤放大器一输出端口的光束传输至光纤环路器二的C′端口，然后放大后的信号光束可通过光纤环路器二的A′端口输出；

步骤6：光纤环路器二的A′端口输出光束，通过长焦透镜二准直输出，并入射于反射镜二上；

步骤7：通过调节高精度俯仰、方位二维转动电机二，使光束入射到通信终端二上。

步骤1中，可通过飞行器来调整中继装置的高度。

本发明的有益效果是：

第一，全光双向中继。全光中继可以避免信号光-电-光的转换过程，减少系统功耗，降低系统的复杂度，减小信号延迟。并利用光纤、EDFA及光纤环路器在很小体积内实现双向中继；第二，设备体积小、重量轻。可搭载于绝大多数旋翼飞行器，基于此类飞行器的无线光通信中继转发方案，可以同时解决绝城市或山区中无线光通信终端无法视距通信时的信号转发和功率放大的问题；第三，本发明结合高速电机和反射镜可快速实现全光双向中继。

附图说明

图1是本发明一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继方法的模块示意图；

图2是本发明一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置的结构图。

图中，1.无线光通信终端一，2.无线光通信终端二，3.上行链路，4.中继装置，5.飞行器，6.下行链路，7.高精度俯仰、方位二维转动电机一，8. 反射镜一，9.长焦透镜一，10.光纤环路器一，11.光纤放大器一，12. 光纤放大器二，13.光纤环路器二，14. 长焦透镜二，15. 高精度俯仰、方位二维转动电机二，16. 反射镜二。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置，如图1所示，包括无线光通信终端一1，无线光通信终端一1通过下行链路6连接中继装置4，中继装置4的顶端连接有飞行器5，中继装置4通过上行链路3连接有无线光通信终端二2；所述中继装置4的结构，如图2所示，中继装置4的具体结构为：中继装置4的一端设置有高精度俯仰、方位二维转动电机一7，高精度俯仰、方位二维转动电机一7的末端固定连接有反射镜一8，另一端设置有高精度俯仰、方位二维转动电机二15，高精度俯仰、方位二维转动电机二15的末端固定连接有反射镜二16，中继装置4的中部设置有依次连接的光纤环路器一10、光纤放大器一11、光纤放大器二12和光纤环路器二13，所述光纤环路器一10和光纤环路器二13设置在反射镜一8和反射镜二16中心点的连线上，反射镜一8与光纤环路器一10之间设置有长焦透镜一9，反射镜二16与光纤环路器二13之间设置有长焦透镜二14。

无线光通信终端一1设置有多个。

无线光通信终端二2设置有多个。

长焦透镜一9和长焦透镜二14均垂直于地面设置。

一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继方法，采用上述一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置，其具体步骤为：

步骤1：无线光通信终端一1发出的光束信号，通过上行链路3发送到中继装置4中；

步骤2：在中继装置4中上行链路光束入射到反射镜一8上，通过调整高精度俯仰、方位二维转动电机一7，使入射光束正入射于长焦透镜一9的孔径内；

步骤3：光束被长焦透镜一9整形后入射到光纤环路器一10端面，并耦合进光纤环路器一10的A端口，A端口入射的光束将从光纤环路器一10的B端口输出；

步骤4：通过光纤环路器一10的B端口将光束传输至光纤放大器一11的输入端口，对上行光束进行全光放大，然后传输至光纤放大器一11的输出端口；

步骤5：将光纤放大器一11输出端口的光束传输至光纤环路器二13的C′端口，然后放大后的信号光束可通过光纤环路器二13的A′端口输出；

步骤6：光纤环路器二13的A′端口输出光束，通过长焦透镜二14准直输出，并入射于反射镜二16上；

步骤7：通过调节高精度俯仰、方位二维转动电机二15，使光束入射到通信终端二2上。

步骤1中，可通过飞行器5来调整中继装置4的高度。

如图1所示，当无线光通信终端一1和所示的无线光通信终端二2，之间存在遮挡障碍物，无法满足终端一和二之间的视距要求。可将中继装置4通过较低精度的转动平台挂载于飞行器5的底部。则可实现信号的中继放大及转发。

本发明的另外一种实施例：

步骤1：无线光通信终端二2发出的光束信号，通过下行链路6发送到中继装置4中；

步骤2：在中继装置4中下行链路光束入射到反射镜二16上，通过调整高精度方位俯仰转动电机二15，是入射光束正入射于长焦透镜二14的孔径内；

步骤3：光束被长焦透镜二14整形后入射到光纤环路器二13端面，并耦合进光纤环路器二13的A′端口，A′端口入射的光束将从光纤环路器二13的B′端口输出；

步骤4：通过光纤环路器二13 的B′端口将光束传输至光纤放大器二12的输入端口，对下行光束进行全光放大，然后传输至光纤放大器二12的输出端口；

步骤5：将光纤放大器二12输出端口的光纤传输至光纤环路器一10的C端口，然后放大后的信号光束可通过光纤环路器一10的A端口输出；

步骤6：光纤环路器一10的A端口输出光束，通过长焦透镜一9准直输出，并入射于反射镜一8上；

步骤7：通过调节高精度俯仰、方位二维转动电机一7，使光束入射到无线光通信终端一1上。

步骤1中，可通过飞行器5来调整中继装置4的高度。

通过上述方法，可利用飞行器快速实现无线光通信的全光双向中继。用于解决绝城市中无线光通信终端无法视距通信时信号转发和信号功率过低时功率中继放大的问题。

本发明所采用的光纤放大器为掺铒光纤放大器，简称EDFA。

以图1中所示无线光通信终端一1与中继装置4之间的通信链路、无线光通信终端二2与中继装置4之间的通信链路都不超过1km的情况为例。首先地面无线光通信终端一1与终端二2之间根据飞行器的位置反馈，通过地面终端的捕获、对准和跟踪平台，保证中继装置4始终位于无线光通信终端一1与终端二2之间信号光束的相贯区域，即由于上、下行链路信号光束分别采用1540nm、1560nm波段进行通信，则可以通过给图2中所示长焦透镜一9和长焦透镜二14加镀带通介质膜保证两终端信号串扰。1540nm上行信号，通过平面反射镜一8，入射到长焦透镜9的端面，并耦合进环路器一10的A端口。在中继距离不超过1km的环境中，通过合理规划无线光通信终端发射信号功率，都可以使得反射镜一8和长焦透镜9的口径不超过60mm，为了利于耦合，长焦透镜的焦距为300mm（此处选择非球面透镜会更有利于耦合效果）。此时，图2中7所示的高精度俯仰方位二维转动电机每转过3μrad，光斑在环路器一10的A端口光纤端面径移动1μm。在此处需要反馈信号用于控制高精度俯仰方位二维转动电机7，此处提供两种反馈方案。第一，将环路器一10的A端口光纤端面固定于中心带有通孔的位置传感器中，则可根据位置传感器的反馈控制高精度俯仰方位二维转动电机7用于入射光束于光纤中心的对准。第二，将环路器一10的A端口选用光纤二分结构，利用光功率作为反馈控制高精度俯仰方位二维转动电机7用于入射光束于光纤中心的对准。

本发明的有益效果是：

第一，全光双向中继。全光中继可以避免信号光-电-光的转换过程，减少系统功耗，降低系统的复杂度，减小信号延迟。并利用光纤、EDFA及光纤环路器在很小体积内实现双向中继；第二，设备体积小、重量轻。可搭载于绝大多数旋翼飞行器，基于此类飞行器的无线光通信中继转发方案，可以同时解决绝城市或山区中无线光通信终端无法视距通信时的信号转发和功率放大的问题；第三，本发明结合高速电机和反射镜可快速实现全光双向中继。

Claims (3)

1.一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置，其特征在于，包括无线光通信终端一（1），无线光通信终端一（1）通过下行链路（6）连接中继装置（4），中继装置（4）的顶端连接有飞行器（5），中继装置（4）通过上行链路（3）连接有无线光通信终端二（2）；所述中继装置（4）机体结构为：中继装置（4）的一端设置有高精度俯仰、方位二维转动电机一（7），高精度俯仰、方位二维转动电机一（7）的末端固定连接有反射镜一（8），另一端设置有高精度俯仰、方位二维转动电机二（15），高精度俯仰、方位二维转动电机二（15）的末端固定连接有反射镜二（16），中继装置（4）的中部设置有依次连接的光纤环路器一（10）、光纤放大器一（11）、光纤放大器二（12）和光纤环路器二（13），所述光纤环路器一（10）和光纤环路器二（13）设置在反射镜一（8）和反射镜二（16）中心点的连线上，反射镜一（8）与光纤环路器一（10）之间设置有长焦透镜一（9），反射镜二（16）与光纤环路器二（13）之间设置有长焦透镜二（14）；

所述无线光通信终端一（1）设置有多个；

所述无线光通信终端二（2）设置有多个；

所述长焦透镜一（9）和长焦透镜二（14）均垂直于地面设置。

2.一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继装置，其具体步骤为：

步骤1：无线光通信终端一（1）发出的光束信号，通过上行链路（3）发送到中继装置（4）中；

步骤2：在中继装置（4）中上行链路光束入射到反射镜一（8）上，通过调整高精度俯仰、方位二维转动电机一（7），使入射光束正入射于长焦透镜一（9）的孔径内；

步骤3：光束被长焦透镜一（9）整形后入射到光纤环路器一（10）端面，并耦合进光纤环路器一（10）A端口，A端口入射的光束将从光纤环路器一（10）的B端口输出；

步骤4：通过光纤环路器一（10）B端口将光束传输至光纤放大器一（11）的输入端口，对上行光束进行全光放大，然后传输至光纤放大器一（11）的输出端口；

步骤5：将光纤放大器一（11）输出端口的光束传输至光纤环路器二（13）的C′端口，然后放大后的信号光束可通过光纤环路器二（13）的A′端口输出；

步骤6：光纤环路器二（13）的A′端口输出光束，通过长焦透镜二（14）准直输出，并入射于反射镜二（16）上；

步骤7：通过调节高精度俯仰、方位二维转动电机二（15），使光束入射到无线光通信终端二（2）上。

3.根据权利要求2所述的一种激光通信中可飞行器挂载的全光双向中继方法，其特征在于，步骤1中，可通过飞行器（5）来调整中继装置（4）的高度。

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