CN109450532A - 带指向矫正的无线光通信跟踪系统及指向矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带指向矫正的无线光通信跟踪系统及指向矫正方法，本发明在现有通信双方的跟踪系统的基础上加入指向矫正单元即能量分光镜、可变衰减器、转折光路、缩束系统和二维转台，该指向矫正单元无需增加额外探测电路，直接利用精跟踪探测器来实现信标激光器的位置调整，这样能够减少扫描捕获时间，降低链路时间成本，进而使得信标激光器与光学天线保持严格同轴，以保证通信质量。

Description

带指向矫正的无线光通信跟踪系统及指向矫正方法

技术领域

本发明涉及无线光通信技术领域，具体涉及一种带指向矫正的无线光通信跟踪系统及指向矫正方法。

背景技术

无线光通信是通信双方(称为A和B)利用激光直接在大气中进行信息传输的一种通信方式。与传统的光纤通信不同，无线光通信使用光学透镜或反射镜组成的光学系统来控制激光束的发射和接收，从而将信息从一端直接经过大气信道传送至另外一端。由于无线光通信以激光作为信息的载体，因而要求通信的点对点之间必须无遮挡，且通信双方设备必须保持稳定的精确对准。

为了保证通信双方相对精确的、稳定的对准要求，需要在通信双方分别设置跟踪系统。传统的跟踪系统主要由信标激光器、第一光谱分光镜、第一聚焦透镜组、粗跟踪探测器、第二光谱分光镜、第二聚焦透镜组和精跟踪探测器组成。扫描捕获阶段由A站发射信标光扫描其不确定区域，同时打开接收光路时刻准备接收B站返回的信标光。与此同时B站也在其初始捕获视场范围内通过控制伺服机构进行搜索扫描，以接收A站发射的信标光。A站在捕获阶段采用开环扫描方式进行信标光光束扫描，通过控制光偏转伺服系统实现全方位光束扫描，而且要求B站在每一个搜索方向停留的时间应大于A站扫描整个不确定区域一次的时间。当B站接收到A站发来的信标光时立刻启动闭环粗跟踪回路。一方面探测入射信标光的到达方向，并引导本地的发射天线沿入射信标光方相反的方向发回信标光；另一方面调整粗跟踪伺服机构使收到的信标光斑向粗跟踪视场的中心靠拢，减小粗跟踪视场轴线和入射信标光到达方向的偏差。一旦A站检测到B站发来的信标光，就停止搜索扫描，启动闭环跟踪，立刻调整粗跟踪伺服系统使接收到的信标光斑向粗跟踪视场中心靠拢。A、B站根据接收到的光斑在本地粗跟踪探测器中的位置计算出入射信标光到达方向与本地视场轴线的偏差角，当偏差达到预定的粗、精跟踪转换门限的时候，就启动精跟踪环路，粗跟踪始终不停止。精跟踪的作用是为最终的信号接收光路做精确对准，精跟踪的跟踪精度较粗跟踪跟踪精度高。由于跟踪目的有所差异，粗跟踪探测器探测的是全部要信标光，而精跟踪探测器探测的是部分信号光。这样精跟踪调整伺服系统使接收到信号光向探测器中心靠拢之后，接收信号光就在本端信号光接收光路视场范围之内，本端信号光接收光路就能接收到对端发射的信号光。

然而，当无线光通信系统的通信双方距离较远时，信标光通常采用大功率信标激光器，而大功率激光器发热量很大。此外，无线光通信系统使用环境复杂，散热效果及系统所处温度与实验室环境相差较大，这些会引信标激光器的温度上升。当信标激光器长期处于高温工作状态，会引起信标激光器指向的偏移，从而增加扫描捕获的时间。而对于星间通信、应急通信等对通信建立时间要求很严格的系统来说，减小扫描捕获时间是必要的。另外，在未启动精跟踪之前，精跟踪探测器一直处于闲置状态，并未得到充分利用。

发明内容

本发明所要解决的是现有无线光通信系统中信标激光器指向出现偏移而增加扫描捕获的时间的问题，提供一种带指向矫正的无线光通信跟踪系统及指向矫正方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

带指向矫正的无线光通信跟踪系统，包括主控电路、信标激光器、第一光谱分光镜、第一聚焦透镜组、粗跟踪探测器、第二光谱分光镜、第二聚焦透镜组、精跟踪探测器和光学天线；主控电路与信标激光器、粗跟踪探测器和精跟踪探测器的控制端连接；其不同之处是，还进一步包括能量分光镜、可变衰减器、转折光路、缩束系统和二维转台；信标激光器设置在二维转台上；信标激光器发出的本端信标光经由第二光谱分光镜和第一光谱分光镜的透射后，进入能量分光镜；能量分光镜将大部分的本端信标光通过光学天线发射到对端，能量分光镜将小部分的本端信标光送入到可变衰减器；可变衰减器对本端信标光进行衰减后，经由转折光路进入到缩束系统；缩束系统对本端信标光的光束偏移角度进行放大后，通过第二光谱分光镜透射到第二聚焦透镜组；第二聚焦透镜组对本端信标光聚焦到精跟踪探测器；主控电路与二维转台的控制端连接；精跟踪探测器将当前所接收到的本端信标光的光斑中心与使用前标定的光斑中心的位置进行比对，一旦2个光斑中心的位置发生偏差，则精跟踪探测器发出信号至主控电路，主控电路控制二维转台带动其上的信标激光器转动，并使得2个光斑中心完全重合，以实现本端信标激光器的指向校正。

上述方案中，主控电路与可变衰减器的控制端连接，以对可变衰减器的衰减度进行控制。可变衰减器的衰减值为0dB，5dB，10dB，15dB，20dB，25dB，30dB，40dB，50dB以及完全不透光，共十档。在指向矫正模式下，若信标光功率过时，可利用可变衰减器对信标光进行部分衰减后(非完全不透光档)，使其入射到精跟踪探测器。在指向矫正模式下，利用可变衰减器对对信标光进行完全衰减后(完全不透光档)，使其完全挡住本端信标光。

上述方案中，转折光路由2个反射镜组成，该转折光路能够将能量分光镜送入的小部分的本端信标光的光斑中心打在精跟踪探测器的中心。

在指向矫正模式下，所述能量分光镜10％反射本端信标光，90％透过本端信标光；在跟踪模式下，所述能量分光镜100％透过对端信号光和对端信标光。

在指向矫正模式下，所述第一光谱分光镜100％透过本端信标光；在跟踪模式下，所述第一光谱分光镜100％反射对端信标光，100％透过对端信号光。

在指向矫正模式下，所述第二光谱分光镜100％透过本端信标光；在跟踪模式下，所述第二光谱分光镜10％反射对端信号光，90％透过对端信号光。

上述带指向矫正的无线光通信跟踪系统所实现的指向矫正方法，包括步骤如下：

在无线光通信系统使用前，需调节无线光通信系统的系统两端收、发光轴同轴，并人为调节本端的信标激光器，以使得本端的信标激光器发出的本端信标光依次经过本端的第二光谱分光镜、第一光谱分光镜、能量分光镜、可变衰减器、转折光路、缩束系统和第二聚焦透镜组后，其本端信标光的光斑中心恰好位于本端的精跟踪探测器中心位置，并对该光斑中心的位置进行标定；

在无线光通信系统开机工作，且跟踪未启动时，本端的信标激光器发出的本端信标光依次经过本端的第二光谱分光镜、第一光谱分光镜、能量分光镜、可变衰减器、转折光路、缩束系统和第二聚焦透镜组后，其本端信标光被本端的精跟踪探测器接收；本端的精跟踪探测器将当前接收到的本端信标光的光斑中心与使用前标定的光斑中心的位置进行比对，一旦2个光斑中心的位置发生偏差，则本端的精跟踪探测器将偏差值发送给主控电路，主控电路发出控制至本端的二维转台，本端的二维转台带动其上的本端的信标激光器转动，并使得2个光斑中心完全重合，以实现本端的信标激光器的指向校正。

与现有技术相比，本发明在现有通信双方的跟踪系统的基础上加入指向矫正单元即能量分光镜、可变衰减器、转折光路、缩束系统和二维转台，该指向矫正单元无需增加额外探测电路，直接利用精跟踪探测器来实现信标激光器的位置调整，这样能够减少扫描捕获时间，降低链路时间成本，进而使得信标激光器与光学天线保持严格同轴，以保证通信质量。

附图说明

图1为一种无线光通信系统发射指向矫正系统的结构示意图，图中虚线表示本端发射信标光行走路线，实线表示接收对端信号光和/或对端信标光行走路线。

图2为探测器指向偏差示意图。

图中标号：1、光学天线；2、能量分光镜；3、可变衰减器；4、第一光谱分光镜5、转折光路；6、缩束系统；7、第二光谱分光镜；8、信标激光器；9、第一聚焦透镜组；10、粗跟踪探测器；11、精跟踪探测器；12、第二聚焦透镜组；13、二维转台。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参见图1，一种带指向矫正的无线光通信跟踪系统，包括主控电路、信标激光器8、第一光谱分光镜4、第一聚焦透镜组9、粗跟踪探测器10、第二光谱分光镜7、第二聚焦透镜组12、精跟踪探测器11、能量分光镜2、光学天线1、可变衰减器3、转折光路5、缩束系统6和二维转台13。主控电路与信标激光器8、粗跟踪探测器10、精跟踪探测器11、可变衰减器3和二维转台13的控制端连接。

本发明包括跟踪模式和指向矫正模式。其中跟踪模式与现有无线光通信跟踪系统的工作过程相同，而指向矫正模式为本发明的核心改进点。本发明主要利用现有精跟踪探测器11在空闲时来实现本端信标光的指向矫正，即在达到跟踪切换门限之前，精跟踪探测器11用作指向矫正探测器之用，以矫正信标光发射指向，而在达到跟踪切换门限时，主控电路给精跟踪探测电路一个切换信号，精跟踪探测器11将用作精跟踪探测之用，同时，主控电路给可变衰减器3一个切换信号，使其完全挡住本端信标光。

(1)指向矫正模式下：所述能量分光镜2将10％反射本端信标光，90％透过本端信标光；所述第一光谱分光镜4将100％透过本端信标光；所述第二光谱分光镜7将100％透过本端信标光。本端信标激光器8发出的本端信标全部透过第二光谱分光镜7后，再全部透过第一光谱分光镜4，然后到达能量分光镜2。能量分光镜2将大部分即90％的本端信标光经由光学天线1发送到对端，以提供给对端用于实现跟踪；同时小部分即将10％的本端信标光送至矫正支路，以提供给本端用于实现指向矫正。在矫正支路中，10％的本端信标光进入到可变衰减器3，可变衰减器3对本端信标光进行衰减。在本发明优选实施例中，可变衰减器3可以根据精跟踪探测器11接收功率自动调节衰减量。衰减后的本端信标光进入到转折光路5。在本发明优选实施例中，转折光路5由2个反射镜组成，转折光路5可以使通过能量分光镜2反射的信标光打在精跟踪探测器11中心。经过转折光路5折射的本端信标光进入到缩束系统6，缩束系统6用于放大本端信标光的光束偏移角度，以此来提高指向矫正精度。缩束后的本端信标光入射到第二聚焦透镜组12。第二聚焦透镜组12将本端信标光聚焦到精跟踪探测器11。精跟踪探测器11将所接收到的激光信号的光斑中心与使用前标定的光斑中心进行比对，一旦2个光斑中心发生偏差，则精跟踪探测器11发出信号至主控电路，主控电路控制二维转台13，二维转台13带动其上的信标激光器8转动，并使得2个光斑中心的位置完全重合，从而实现信标激光器8的指向校正。

(2)跟踪模式下：所述能量分光镜2将100％透过对端信号光和对端信标光；所述第一光谱分光镜4将100％反射对端信标光，100％透过对端信号光；所述第二光谱分光镜7将10％反射对端信号光，90％透过对端信号光。主控电路对粗跟踪探测器10和精跟踪探测器11进行控制，以实现粗跟踪状态和精跟踪状态的切换。光学天线1接收对端发送来的对端信标光和对端信号光，对端信标光和对端信号光同时透过能量分光镜2，并进入到第一光谱分光镜4。第一光谱分光镜4将全部的对端信标光反射到粗跟踪支路，对端信标光再经由第一聚焦透镜组9进入到粗跟踪探测器10；同时，第一光谱分光镜4透过全部的对端信号光，并进入到第二光谱分光镜7。第二光谱分光镜7将10％的对端信号光反射到精跟踪支路，对端信标光再经由第二聚焦透镜组12进入到精跟踪探测器11；同时，第二光谱分光镜7将90％的对端信号光送入到后续信号接收探测器，实现光信号的接收。

主控电路与可变衰减器的控制端连接，以对可变衰减器的衰减度进行控制。可变衰减器的衰减值为0dB，5dB，10dB，15dB，20dB，25dB，30dB，40dB，50dB以及完全不透光，共十档。在指向矫正模式下，若信标光功率过时，可利用可变衰减器对信标光进行部分衰减后(如选择0dB，5dB，10dB，15dB，20dB，25dB，30dB，40dB，50dB档)，使其入射到精跟踪探测器。在指向矫正模式下，利用可变衰减器对对信标光进行完全衰减后(如选择完全不透光档档)，使其完全挡住本端信标光。

上述带指向矫正的无线光通信跟踪系统所实现的指向矫正方法，使用前，标校好无线光通信系统收、发轴同轴之后，人为调节发射指向矫正光路的转折光路5部分使信标光斑位于精跟踪探测器11中心位置，精跟踪探测器11对该光斑中心位置进行标定。使用时，在未启动精跟踪之前，本发明将精跟踪探测器11作为指向矫正探测器，从而使得信标光激光器指向在扫描捕获阶段稳定不变，即：信标激光器8输出的激光信号依次经由第二光谱分光镜7、第一光谱分光镜4透射到能量分光镜2；能量分光镜2将一部分激光信号送至到光学天线1；能量分光镜2将另一部激光信号送至可变衰减器3；可变衰减器3将激光信号衰减后经由转折光路5送入缩束系统6；缩束系统6对激光信号进行角度放大后，经由第二光谱分光镜7和第二聚焦透镜组12入射到精跟踪探测器11；精跟踪探测器11将所接收到的本端信标光的光斑中心与使用前标定的光斑中心进行比对，一旦2个光斑中心发生偏差，则精跟踪探测器11将偏差值发送给主控电路，主控电路控制二维转台13带动其上的信标激光器8转动，并使得2个光斑中心完全重合。

光束指向偏差如图2所示，探测器(0，0)坐标为实验室装调的信标激光器8指向中心位置，(x，y)坐标为光束指向偏差中心坐标。精跟踪探测器11通过控制线控制二维转台13转动，使光束的光斑中心移动到探测器中心。当粗跟踪探测器10接收对端光斑中心偏差达到粗、精跟踪切换门限时，主控电路向精跟踪电路发送切换信号，精跟踪探测器11开始进行精跟踪探测。同时主控电路向可变衰减器3发送指令，使其切换到最大衰减量使能量分光镜2反射能量衰减到低于探测器灵敏度。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.带指向矫正的无线光通信跟踪系统，包括主控电路、信标激光器(8)、第一光谱分光镜(4)、第一聚焦透镜组(9)、粗跟踪探测器(10)、第二光谱分光镜(7)、第二聚焦透镜组(12)、精跟踪探测器(11)和光学天线(1)；主控电路与信标激光器(8)、粗跟踪探测器(10)和精跟踪探测器(11)的控制端连接；其特征在是，还进一步包括能量分光镜(2)、可变衰减器(3)、转折光路(5)、缩束系统(6)和二维转台(13)；信标激光器(8)设置在二维转台(13)上；信标激光器(8)发出的本端信标光经由第二光谱分光镜(7)和第一光谱分光镜(4)的透射后，进入能量分光镜(2)；能量分光镜(2)将大部分的本端信标光通过光学天线(1)发射到对端，能量分光镜(2)将小部分的本端信标光送入到可变衰减器(3)；可变衰减器(3)对本端信标光进行衰减后，经由转折光路(5)进入到缩束系统(6)；缩束系统(6)对本端信标光的光束偏移角度进行放大后，通过第二光谱分光镜(7)透射到第二聚焦透镜组(12)；第二聚焦透镜组(12)对本端信标光聚焦到精跟踪探测器(11)；主控电路与二维转台(13)的控制端连接；精跟踪探测器(11)将当前所接收到的本端信标光的光斑中心与使用前标定的光斑中心的位置进行比对，一旦2个光斑中心的位置发生偏差，则精跟踪探测器(11)发出信号至主控电路，主控电路控制二维转台(13)带动其上的信标激光器(8)转动，并使得2个光斑中心完全重合，以实现本端信标激光器(8)的指向校正。

2.根据权利要求1所述的一种带指向矫正的无线光通信跟踪系统，其特征是，主控电路与可变衰减器(3)的控制端连接。

3.根据权利要求1所述的一种带指向矫正的无线光通信跟踪系统，其特征是，转折光路(5)由2个反射镜组成，该转折光路(5)能够将能量分光镜(2)送入的小部分的本端信标光的光斑中心打在精跟踪探测器(11)的中心。

4.根据权利要求1所述的一种带指向矫正的无线光通信跟踪系统，其特征是，所述能量分光镜(2)10％反射本端信标光，90％透过本端信标光；所述能量分光镜(2)100％透过对端信号光和对端信标光。

5.根据权利要求1所述的一种带指向矫正的无线光通信跟踪系统，其特征是，所述第一光谱分光镜(4)100％透过本端信标光；所述第一光谱分光镜(4)100％反射对端信标光，100％透过对端信号光。

6.根据权利要求1所述的一种带指向矫正的无线光通信跟踪系统，其特征是，所述第二光谱分光镜(7)100％透过本端信标光；所述第二光谱分光镜(7)10％反射对端信号光，90％透过对端信号光。

7.权利要求1所述带指向矫正的无线光通信跟踪系统所实现的指向矫正方法，其特征是，包括步骤如下：

在无线光通信系统使用前，需调节无线光通信系统的系统两端收、发光轴同轴，并人为调节本端的信标激光器(8)，以使得本端的信标激光器(8)发出的本端信标光依次经过本端的第二光谱分光镜(7)、第一光谱分光镜(4)、能量分光镜(2)、可变衰减器(3)、转折光路(5)、缩束系统(6)和第二聚焦透镜组(12)后，其本端信标光的光斑中心恰好位于本端的精跟踪探测器(11)中心位置，并对该光斑中心的位置进行标定；

在无线光通信系统开机工作，且跟踪未启动时，本端的信标激光器(8)发出的本端信标光依次经过本端的第二光谱分光镜(7)、第一光谱分光镜(4)、能量分光镜(2)、可变衰减器(3)、转折光路(5)、缩束系统(6)和第二聚焦透镜组(12)后，其本端信标光被本端的精跟踪探测器(11)接收；本端的精跟踪探测器(11)将当前接收到的本端信标光的光斑中心与使用前标定的光斑中心的位置进行比对，一旦2个光斑中心的位置发生偏差，则本端的精跟踪探测器(11)将偏差值发送给主控电路，主控电路发出控制至本端的二维转台(13)，本端的二维转台(13)带动其上的本端的信标激光器(8)转动，并使得2个光斑中心完全重合，以实现本端的信标激光器(8)的指向校正。