CN109217930A - 一种便携式激光通信装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式激光通信装置及其使用方法，该装置包括信号光发射模块、信号光接收模块、对准模块和状态指示模块，所述信号光发射模块用于接收外部设备的信号并将其调制成信号光后输出，所述信号光接收模块用于接收外界信号光并解调后输出至外部设备，所述对准模块包括手动对准单元和自动对准单元，所述手动对准单元用于在所述信号光发射模块输出信号光时，输出与所述信号光同轴的参考激光束，所述自动对准单元用于转动捕获所述外界信号光，辅助所述信号光接收模块接收所述外界信号光。本发明提供的激光通信装置及其使用方法，解决了传统人工手动对准短距激光通信系统对准时间长以及难以实现高速激光通信的问题。

Description

一种便携式激光通信装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及空间激光通信领域，具体涉及一种便携式激光通信装置及其使用方法。

背景技术

高精度跟瞄系统在高速激光通信系统中应用广泛，是高速激光通信系统的重要组成部分。目前，传统跟瞄系统本身的机械结构和实现原理都较复杂，通常包含伺服机构，位置探测光路和相关组件如CCD相机或四象限探测器等。通过这类方法实现位置探测和瞄准的代价较高，不利于在低成本和小型化的短距激光通信系统中应用；另一方面，采用人工手动瞄准的短距激光通信系统通常设计为较大的激光发散角和接收视场角，以此来降低通信终端之间的对准精度的要求。但这样的设计方式一方面提高了发射端激光功率的要求，另一方面为了提升探测器光敏面的尺寸而降低接收端光电探测器的响应速率，以方便设计较大的接收视场角和接收口径。因此，这种无跟瞄系统的人工手动对准短距激光通信系统的通信速率普遍都较低，难以实现高速激光通信，且目前设计的高速通信系统对手动对准的要求较高，导致对准时间较长和对准难度较大，不方便操作。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种便携式激光通信装置及其使用方法，解决了传统人工手动对准短距激光通信通信速率低、对准时间长、难以实现高速激光通信的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

信号光发射模块，其用于接收外部设备的信号并将其调制成信号光后输出；

信号光接收模块，其用于接收外界信号光并解调后输出至外部设备；

对准模块，其包括手动对准单元和自动对准单元，所述手动对准单元用于在所述信号光发射模块输出信号光时，输出与所述信号光同轴的参考激光束，所述自动对准单元包括二维振镜，所述二维振镜用于在手动对准的基础上所述信号光接收模块接收外界信号光时，扫描捕获所述外界信号光，辅助所述信号光接收模块接收所述外界信号光；

状态指示模块，其用于显示所述对准模块的对准状态。

在上述技术方案的基础上，所述激光通信装置还包括外部设备接口电路，其用于外部设备分别与所述信号光发射模块和信号光接收模块之间的信号传输。

在上述技术方案的基础上，所述信号光发射模块包括：

信号发射单元，其用于将接收到的所述外部设备接口电路的电信号转变为信号光，并耦合光纤输出；

光放大器，其用于将所述信号发射单元输出的信号光的功率放大并耦合光纤输出；

空间耦合输出单元，其用于将所述光放大器放大后的信号光通过空间耦合输出。

在上述技术方案的基础上，所述空间耦合输出单元包括：

光纤准直器，其用于将所述光放大器放大后的信号光准直后输出；

扩束透镜，其用于调节经所述光纤准直器准直后的信号光的空间发射角。

在上述技术方案的基础上，所述信号光接收模块包括：

窄带滤光片，其用于滤除进入所述信号光接收模块中的参考激光束和其他杂光；

光电探测器，其与所述二维振镜同轴安装，所述光电探测器用于探测经所述窄带滤光片过滤后的信号光，并将所述信号光转化为电信号；

接收解调电路，其用于对接收到的电信号进行数据恢复和解码。

在上述技术方案的基础上，所述自动对准单元还包括振镜驱动控制电路，其用于控制所述二维振镜的捕获扫描轨迹，通过接收所述光电探测器传递的信号，对所述二维振镜进行反馈控制。

在上述技术方案的基础上，所述手动对准单元包括：

瞄准激光器，其用于发射手动对准时的参考激光束，所述参考激光束的发散角与空间耦合输出单元输出的信号光的发散角相同，所述参考激光束和空间耦合输出单元输出的信号光同轴且指向一致；

二维转台，其用于放置激光通信装置，通过转动所述二维转台进行手动对准操作；

升降支架，其位于所述二维转台的下方，用于所述二维转台的高度调节和位置固定。

在上述技术方案的基础上，所述手动对准单元还包括瞄具，所述瞄具用于辅助判断所述参考激光束是否瞄准。

在上述技术方案的基础上，所述光放大器采用掺铒光纤放大器EDFA或者半导体光放大器SOA。

本发明还提供一种便携式激光通信装置的使用方法，其包括如下步骤：

S1.提供两台相对间隔设置的激光通信装置，进入S2；

S2.分别开启两台所述激光通信装置，完成两台所述激光通信装置的信号光和参考激光束的空间输出，进入S3；

S3.依据所述参考激光束达到对端的光斑位置，调节手动对准单元使两台所述激光通信装置发射的信号光均初步对准对方的信号光接收模块，进入S4；

S4.开启二维振镜的扫描捕获功能，捕获位于对端的所述激光通信装置发射的信号光，若所述光电探测器捕获的信号光的功率达到设定的阈值，所述二维振镜停止扫描并进入锁定状态，确认状态指示模块上显示对准，进入S5，若所述二维振镜完成扫描后，所述光电探测器没有捕获到功率达到所述阈值的信号光，确认状态指示模块上显示未对准，则返回S3；

S5.开始两台所述激光通信装置之间的通信。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的一种便携式激光通信装置及其使用方法，利用信号光的功率来反馈控制二维振镜，不需要额外的探测器和光路即可实现在不增加其他硬件的情况下的自动扫描捕获功能，降低了手动对准的难度和要求，提高了对准效率，也帮助解决了在高速激光通信系统中常常面临由于接收端视场角较小，手动对准精度要求高导致手动对准困难的问题。

(2)本发明提供的一种便携式激光通信装置及其使用方法，瞄准激光器、二维转台等工具构成的手动对准单元可以实现便捷的中短距可视化对准操作，提高了初始对准的精度和效率。另外，二维转台配置的白板以及装置壳体的刷白可以方便对准过程中瞄准光束的观测。

(3)本发明提供的一种便携式激光通信装置及其使用方法，在激光通信装置中省去了传统光电跟瞄系统的位置探测光路和位置探测器，以及复杂的跟瞄控制算法和单元，大幅度降低了激光通信设备的体积和成本，有利于激光通信终端的低成本和小型化设计。

附图说明

图1为本发明实施例中便携式激光通信装置的结构框图；

图2为本发明实施例中便携式激光通信装置的原理示意图；

图3为本发明实施例中便携式激光通信装置的二维振镜的扫描轨迹示意图。

图中：1-信号光发射模块，10-信号发射单元，11-光放大器，12-空间耦合输出单元，120-光纤准直器，121-扩束透镜，2-信号光接收模块，20-窄带滤光片，21-光电探测器，22-接收解调电路，3-对准模块，30-手动对准单元，301-瞄准激光器，302-二维转台，303-升降支架，304-瞄具，31-自动对准单元，310-二维振镜，311-振镜驱动控制电路，4-状态指示模块，5-外部设备接口电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供了一种便携式激光通信装置，便携式激光通信装置包括信号光发射模块1、信号光接收模块2、对准模块3、状态指示模块4和外部设备接口电路5，一般在使用的过程中，需要两台装置一起使用。单向通信时，一台作为发射端，另一台为接收端，双向通信时，互为发射与接收端。

其中，信号光发射模块1用于接收需要传送信息的外部设备发出的信号，并将其调制成信号光后输出；信号光接收模块2用于接收外界传输来的信号光，并将其解调后输出至外部设备获取需要的信息；对准模块3包括手动对准单元30和自动对准单元31，手动对准单元30用于在信号光发射模块1输出信号光时，输出与信号光同轴的参考激光束，辅助信号光发射模块1与接收端的初步对准，自动对准单元31主要包括二维振镜310，二维振镜310主要用于手动对准后在信号光接收模块2接收外界信号光时，转动扫瞄以捕获传输过来的外界信号光，辅助信号光接收模块2顺利接收到外界信号光；状态指示模块4用于显示对准模块3的对准状态，让操作人员能及时获悉对准状态，完成对准，保证后续通信顺利；外部设备接口电路5主要用于外部设备分别与信号光发射模块1和信号光接收模块2之间的信号传输，适用于多种不同类型的外部设备。

参见图1所示，信号光发射模块1依次包括信号发射单元10、光放大器11和空间耦合输出单元12，其中信号发射单元10用于将接收到的外部设备接口电路5的电信号转变为信号光，并耦合光纤输出，光放大器11用于将信号发射单元10输出的信号光的功率放大并耦合光纤输出，空间耦合输出单元12则用于将光放大器11放大后的信号光通过空间耦合输出，作为接收端的激光通信装置接收。其中，光放大器11采用掺铒光纤放大器EDFA或者半导体光放大器SOA。

具体的，信号发射单元10包括驱动调制电路和激光器，驱动调制电路与外部设备接口电路5相连，驱动调制电路主要用于外部设备通过外部设备接口电路5将电信号传输至驱动调制电路时，驱动调制电路驱动激光器发出激光束，加载后调制成信号光，实现电信号与信号光的转化。

具体的，空间耦合输出单元12包括光纤准直器120和扩束透镜121，扩束透镜121为扩束透镜组，光纤准直器120用于将光放大器11放大后的信号光准直，扩束透镜121用于调节经光纤准直器120准直后的信号光的空间发射角，根据不同的场景需要，通过调节光纤准直器120与扩束透镜121之间的距离，得到不同的空间发射角，满足实际通信所需。

参见图1所示，信号光接收模块2用于接收作为接收端的激光通信装置的信号光发射模块1空间输出的信号光，信号光接收模块2依次包括窄带滤光片20、光电探测器21和接收解调电路22，其中，窄带滤光片20用于滤除进入信号光接收模块2中的参考激光束和其他背景杂光，以提升系统稳定性，光电探测器21与二维振镜310同轴安装，通过二维振镜310的功能，光电探测器21探测接收经窄带滤光片20过滤后的信号光，并将信号光转化为电信号后传输至接收解调电路22，接收解调电路22对接收到的电信号进行数据恢复和解码，最后通过外部设备接口电路5将经过数据恢复解码后的信号输出至外部设备。其中，信号光发射模块1的信号光的发射与信号光接收模块2的信号光的接收同轴，以便实现方便对准的双工通信。

参见图1所示，手动对准单元30包括瞄准激光器301、二维转台302、升降支架303和瞄具304，手动对准单元30作为对准模块3的一部分，主要用于设备的初始对准。具体的，瞄准激光器301用于在手动对准时发射参考激光束，参考激光束为绿色或红色等对比度较大的可见光波长，且空间输出参考激光束的发散角与空间耦合输出单元12输出的信号光的发散角相同，参考激光束和空间耦合输出单元12输出的信号光同轴且指向一致，且出光口相邻，以上保证了瞄准激光器301发射的参考激光束的手动对准操作可以代表实际信号光的手动对准操作。理论上，参考激光束和经过扩束透镜121的信号光会到达作为接收端的激光通信装置的信号光接收模块2的光口。

二维转台302主要用于放置激光通信装置，通过转动二维转台302进行手动对准操作，其中，选用小型的二维转台302并配置连接结构件，同时配置小型的白色挡板并且将激光通信装置的外壳体刷白，方便参考激光束初始手动对准时的位置观测与对准；升降支架303位于二维转台302的下方，用于二维转台302的高度调节，方便对准时的位置调整；手动对准单元30还包括瞄具304，瞄具304用于辅助判断参考激光束是否瞄准，当通信距离相对较远或人眼分辨率难以达到观测对准要求时，可以通过瞄具304来观测参考激光束与接收端的光口对准的情况，优选的，瞄具304选用小型化的单筒瞄具。

参见图1所示，自动扫描捕获系统31还包括振镜驱动控制电路311，振镜驱动控制电路311主要用于控制二维振镜310的捕获扫描轨迹，接收捕获的信息并判断对准的情况。具体的，驱动控制电路311根据接收到的信号光的功率对二维振镜310进行反馈控制，并在驱动控制电路311上提前设定一个满足通信要求的信号光的接收功率阈值作为反馈判据，一般设置的功率阈值比信号光接收模块2的接收灵敏度略大或者等于灵敏度即可。其中，往往是根据信号光接收模块的实际接收的灵敏度来确定，而由于不同类型的信号光接收模块的接收灵敏度不同，所以具体的功率阈值根据实际使用时而定，比如一般的1.25G信号光接收模块的灵敏度在-20～-30dB之间。

驱动控制电路311控制二维振镜310按照预设的扫描轨迹进行自动扫描，实现一定捕获区域范围内的全覆盖，当接收信号光的功率达到阈值条件时，中断二维振镜310的扫描并保持锁定状态完成对准模块3的对准操作，确认状态指示模块4上显示对准；当二维振镜310完成扫描，但接收到的信号光的功率不能满足设定的阈值要求时，确认状态指示模块4上显示未对准。

根据上述内容可知，利用信号光的功率来反馈控制二维振镜310，不需要额外的探测器和光路即可实现在不增加其他硬件的情况下的自动扫描捕获功能，一方面降低了手动对准的难度和要求，提高了对准效率，也帮助解决了在之前高速激光通信系统中常常面临由于接收端视场角较小，手动对准精度要求高导致手动对准困难的问题。此外，手动对准单元30和自动扫描捕获系统31的设置可以实现便捷的中短距可视化对准操作，提高了初始对准的精度和效率，相比于使用传统的对准设备更加便携方便，提高了工作效率，省去了传统光电跟瞄系统的位置探测光路和位置探测器，以及复杂的跟瞄控制算法和单元，大幅度降低了激光通信设备的体积和成本，有利于激光通信终端的低成本和小型化设计。

本发明还提供一种便携式激光通信装置的使用方法，如图2所示，使用时提供两台相对间隔设置的便携式激光通信装置，由于每一激光通信装置都具有信号光发射模块1和信号光接收模块2等功能模块，因此两台便携式激光通信装置之间可以根据实际需要实现单向通信或双向通信，单向通信时，其中一台为发射端，另一台为接收端，接收端接收发射端发射的信号；双向通信时，每一激光通信装置在朝另一装置发射信号的同时也接收另一装置发射的信号，实现双工通信。

在通信前，先分别开启两台便携式激光通信装置，作为发射端的激光通信装置的信号光发射模块1通过外部设备接口电路5接收到外部设备的信号后，通过驱动调制电路和激光器，将信号加载调制成信号光，将信号光以此经过光放大器11和光纤准直器120，对应的依次将信号光的信号进行放大与准直，最后将信号光穿过扩束透镜121，根据实际的发射距离以及光纤准直器120与扩束透镜121的距离，调整信号光的空间发射角，对另一激光通信装置完成信号光的空间输出，若是双工通信则同时接收另一激光通信装置按照同样的步骤输出的外界信号光。

在两台激光通信装置完成发射信号光并开始接受对方发送的信号光的同时，通过对准模块3将两台激光通信装置进行对准，以保证信号的良好交互。对准模块3包括手动对准单元30和自动对准单元31，因此，在对准时，首先对激光通信装置进行手动初步对准，由于一般应用在中短距的传输，装置之间的距离一般在人眼视力范围内。打开瞄准激光器301，发射与信号光发射模块1发射出的信号光同轴的参考激光束，再根据实际的传输需要，调整升降支架303，转动二维转台302，使参考激光束和发射信号光到达接收端的信号光接收模块2的接收光口上，若距离较远，人眼判断有点困难时，利用瞄具304对参考激光束进行观察，使其尽量落在指定的位置上。

当完成手动对准后，进行自动对准，开启二维振镜310的自动扫描捕获功能，通过光电探测器21传递给振镜驱动控制电路311的信号，振镜驱动控制电路311控制二维振镜310的捕获扫描轨迹，在一定的范围内进行扫描，对信号光实现捕获。其中，二维振镜310在一定的范围内有多种扫描方式，如图3所示的扫描轨迹示意图的螺旋式扫描，但二维振镜310的扫描步长不大于信号光接收模块2的接收视场角。

在自动对准时，会在光电探测器21上设定一个信号光的功率阈值，功率阈值比信号光接收模块2的接收灵敏度略大或者等于灵敏度。

在二维振镜310扫描的过程中，若光电探测器21接收信号光的功率达到阈值条件时，驱动控制电路311中断二维振镜310的扫描并保持锁定状态，完成对准模块3的对准操作，且确认状态指示模块4上显示对准，已提醒操作人员已完成对准，开始进行下一步的通信工作，进入到通信模式。若二维振镜310已经完成扫描，但光电探测器21接收到的信号光的功率不满足设定的阈值要求时，确认状态指示模块4上显示未对准，及时提示操作人员再次进行对准操作，这表明初始手动对准误差较大，导致二维振镜310的扫描捕获区域无法补偿初始手动对准的偏差，此时，二维振镜310回归到初始位置，操作人员重新进行初始手动对准和自动对准的步骤。

另外，由于二维振镜310和光电探测器21同轴，信号光达到光电探测器21前会先窄带滤光片20，对信号光滤除参考激光束和其他背景杂光，提高系统的的稳定性，将经过光电探测器21的信号光转化为电信号，电信号传输至接收解调电路22后，对接收到的电信号进行数据恢复和解码，保证两台激光通信装置实现对准，开启通信模式，实现通信。

本发明不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式激光通信装置，其用于外部设备之间的信息传输，其特征在于：

信号光发射模块(1)，其用于接收外部设备的信号并将其调制成信号光后输出；

信号光接收模块(2)，其用于接收外界信号光并解调后输出至外部设备；

对准模块(3)，其包括手动对准单元(30)和自动对准单元(31)，所述手动对准单元(30)用于在所述信号光发射模块(1)输出信号光时，输出与所述信号光同轴的参考激光束，所述自动对准单元(31)包括二维振镜(310)，所述二维振镜(310)用于在手动对准的基础上所述信号光接收模块(2)接收外界信号光时，扫描捕获所述外界信号光，辅助所述信号光接收模块(2)接收所述外界信号光；

状态指示模块(4)，其用于显示所述对准模块(3)的对准状态。

2.如权利要求1所述的一种便携式激光通信装置，其特征在于：所述激光通信装置还包括外部设备接口电路(5)，其用于外部设备分别与所述信号光发射模块(1)和信号光接收模块(2)之间的信号传输。

3.如权利要求1所述的一种便携式激光通信装置，其特征在于，所述信号光发射模块(1)包括：

信号发射单元(10)，其用于将接收到的所述外部设备接口电路(5)的电信号转变为信号光，并耦合光纤输出；

光放大器(11)，其用于将所述信号发射单元(10)输出的信号光的功率放大并耦合光纤输出；

空间耦合输出单元(12)，其用于将所述光放大器(11)放大后的信号光通过空间耦合输出。

4.如权利要求3所述的一种便携式激光通信装置，其特征在于，所述空间耦合输出单元(12)包括：

光纤准直器(120)，其用于将所述光放大器(11)放大后的信号光准直后输出；

扩束透镜(121)，其用于调节经所述光纤准直器(120)准直后的信号光的空间发射角。

5.如权利要求1所述的一种便携式激光通信装置，其特征在于，所述信号光接收模块(2)包括：

窄带滤光片(20)，其用于滤除进入所述信号光接收模块(2)中的参考激光束和其他杂光；

光电探测器(21)，其与所述二维振镜(310)同轴安装，所述光电探测器(21)用于探测经所述窄带滤光片(20)过滤后的信号光，并将所述信号光转化为电信号；

接收解调电路(22)，其用于对接收到的电信号进行数据恢复和解码。

6.如权利要求1所述的一种便携式激光通信装置，其特征在于：所述自动对准单元(31)还包括振镜驱动控制电路(311)，其用于控制所述二维振镜(310)的捕获扫描轨迹，通过接收所述光电探测器(21)传递的反馈信号，对所述二维振镜(310)进行反馈控制。

7.如权利要求1所述的一种便携式激光通信装置，其特征在于，所述手动对准单元(30)包括：

瞄准激光器(301)，其用于发射手动对准时的参考激光束，所述参考激光束的发散角与空间耦合输出单元(12)输出的信号光的发散角相同，所述参考激光束和空间耦合输出单元(12)输出的信号光同轴且指向一致；

二维转台(302)，其用于放置激光通信装置，通过转动所述二维转台(302)进行手动对准操作；

升降支架(303)，其位于所述二维转台(302)的下方，用于所述二维转台(302)的高度调节和位置固定。

8.如权利要求7所述的一种便携式激光通信装置，其特征在于：所述手动对准单元(30)还包括瞄具(304)，所述瞄具(304)用于辅助判断所述参考激光束是否瞄准。

9.如权利要求3所述的一种便携式激光通信装置，其特征在于：所述光放大器(11)采用掺铒光纤放大器EDFA或者半导体光放大器SOA。

10.一种采用如权利要求1所述的一种便携式激光通信装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.提供两台相对间隔设置的激光通信装置，进入S2；

S2.分别开启两台所述激光通信装置，完成两台所述激光通信装置的信号光和参考激光束的空间输出，进入S3；

S3.依据所述参考激光束达到对端的光斑位置，调节手动对准单元(30)使两台所述激光通信装置发射的信号光均初步对准对方的信号光接收模块(2)，进入S4；

S4.开启二维振镜(310)的扫描捕获功能，捕获位于对端的所述激光通信装置发射的信号光，若所述光电探测器(21)捕获的信号光的功率达到设定的阈值，所述二维振镜(310)停止扫描并进入锁定状态，确认状态指示模块(4)上显示对准，进入S5，若所述二维振镜(310)完成扫描后，所述光电探测器(21)没有捕获到功率达到所述阈值的信号光，确认状态指示模块(4)上显示未对准，则返回S3；

S5.开始两台所述激光通信装置之间的通信。