CN109600164B - 自由空间光通信机之间的快速引导捕获方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动平台自由空间光通信机之间的快速引导捕获方法及系统，其中系统包括主通信机和从通信机；所述主通信机和从通信机均包括呼叫光信号探测模块、方位呼叫光源、俯仰呼叫光源、控制模块、姿态基准模块、光学指向器和伺服扫描及测角模块；本发明基于空间分区编码扫描和握手反馈技术的复合光学引导技术，将扫描时空间角度信息调制到呼叫光中，通过主从引导设备呼叫光及呼叫光的特征识别实现空间角度传递，进而实现快速捕获。

Description

自由空间光通信机之间的快速引导捕获方法及系统

技术领域

本发明涉及空间光通信，尤其涉及一种可在不依赖光学瞄准装置、无线射频通信情况下，实现动平台自由空间光通信机之间快速引导捕获方法及系统。

背景技术

自由空间光通信以光波为通信的载体，将空间大气作为信道，实现通信机之间点对点无线通信，其结合了无线通信技术和光纤通信技术。相比于传统射频通信，自由空间光通信具有保密性好、通信码率高、不受频谱管制及抗外界电磁干扰强等优点。自由空间光通信中通信光束具有很强定向性，其发散角一般较小。光通信机之间引导捕获是建立通信链路的重要前提。

在动平台自由空间光通信中，通信机一般可通过两种光学方式进行引导捕获。在近距离情况下，可以通过光学瞄准装置和光学经纬仪进行引导捕获和定向。但这种引导捕获和定向方式受限于光学系统的视场，需要事先通过射频手段给予外部引导；第二种方式：文献(李君波，一种基于扫描与空间分割的激光引导技术，中国光学学会光学大会，2010。)中基于激光扫描和空间分割探测实现通信机之间捕获，其中一个通信机利用其呼叫激光进行空间扫描，另外一个通信机中激光引导装置将多个探测头将监控空域进行空间分割，每一个探测头对应一个空域，依据每个探测头接收到激光能量强度得到引导角度，进而实现通信机之间引导捕获。但该方法中引导角精度受限于视场中探测头个数，只能通过扩展探测头个数提升引导角精度，文献中引导精度为±5度，其准确性直接受限于四象限探测器一致性、探测器动态范围、周围物体的散射效应等，导致在实际使用环境中引导误差增大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种可在不依赖光学瞄准装置、无线射频通信情况下，实现动平台自由空间光通信机之间快速引导捕获方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种用于动平台自由空间光通信的快速光学引导捕获方法，包括方位捕获和俯仰捕获：

其中方位捕获包括以下步骤：

A1.主通信机的引导设备先在水平方向发射方位呼叫光进行扇形扫描，所述方位呼叫光的调制方式由扫描方位角与真北角的夹角决定；

A2.从通信机的引导设备接收到所述方位呼叫光，并对呼叫光信号进行解调算出夹角信息，并依据自身真北角信息得出两通信机之间的引导方位角；

A3.从通信机的引导设备依据所述引导方位角与自身真北角的夹角发射呼叫光信号，呼叫光信号调制特性由该夹角决定；

A4.主通信机的引导设备接收到从通信机设备发射的呼叫光信号，并解算出夹角信息，进而实现方位捕获；

俯仰捕获包括以下步骤：

B1.当主从通信机实现方位捕获后，主通信机的引导设备在垂直方向发射俯仰呼叫光进行扇形扫描，所述俯仰呼叫光调制特性由扫描俯仰角与水平零位之间夹角决定；

B2.从通信机的引导设备接收到所述俯仰呼叫光信号，并解算出夹角信息，同时由自身水平零位得出两通信机之间的引导俯仰角；

B3.从通信机的引导设备依据所述引导俯仰角发射呼叫光信号，呼叫光信号调制特性由俯仰角决定；

B4.主通信设备的引导设备接收到从通信机发射的呼叫光信号，并解算出俯仰角，进而实现俯仰捕获。

接上述技术方案，主通信机和从通信机的引导设备均将其光学指向器的方位角与真北角构成的0～360度分成N个扇区，每个水平扇区对应着一个方位呼叫光源的编码信息，其中N决定着水平定向精度；同时将光学指向器的最大通信垂直视场角分成M个扇区，每个垂直扇区对应着一个俯仰呼叫光源的编码信息，其中M决定俯仰定向精度。

接上述技术方案，当从通信机的引导设备获取到两通信机之间的引导方位角时，将自身光学指向器调整到所述引导方位角的角度。

接上述技术方案，当从通信机的引导设备获取到两通信机之间的引导俯仰角时，将自身光学指向器调整到所述俯仰方位角的角度。

接上述技术方案，所述方位呼叫光为线结构光束，垂直于水平扫描方向。

接上述技术方案，所述俯仰呼叫光为线结构光束，垂直于俯仰方向。

本发明还提供了一种用于动平台自由空间光通信的快速光学引导捕获系统，包括主通信机和从通信机；

所述主通信机和从通信机均包括呼叫光信号探测模块、方位呼叫光源、俯仰呼叫光源、控制模块、姿态基准模块、光学指向器和伺服扫描及测角模块；

其中，呼叫光信号探测模块、姿态基准模块、伺服扫描及测角模块均与控制模块连接；伺服扫描及测角模块还与光学指向器连接；

方位呼叫光源、俯仰呼叫光源的输入端均与控制模块连接，输出端均与光学指向器连接；

呼叫光信号探测模块用于对外部呼叫光信号进行接收和处理，并解算出所携带的角度信息；

姿态基准模块用于获取通信设备的真北角信息，并将该真北角信息传输给控制模块；

伺服扫描及测角模块用于控制光学指向器在水平和俯仰方向的扫描，同时保证指向精度及测量光学指向器的旋转方位角和俯仰角，并将测量信息传输给控制模块；

控制模块用于接收伺服扫描及测角模块发送的测量信息，解算出引导方位角和引导俯仰角，并控制伺服扫描及测角模块；该控制模块同时控制方位呼叫光源、俯仰呼叫光源的发射的方位呼叫光和俯仰呼叫光，该控制模块将扫描时的方位角和俯仰角信息调制到方位呼叫光和俯仰呼叫光中。

接上述技术方案，方位呼叫光源、俯仰呼叫光源均为可调制光源。

接上述技术方案，方位呼叫光源、俯仰呼叫光源均输出圆形光斑。

接上述技术方案，光学指向器用于将方位呼叫光源和俯仰呼叫光源输出的圆形光斑进行光束整形，形成线结构光束，并进行共孔径发射。

本发明产生的有益效果是：本发明基于空间分区编码扫描和握手反馈技术的复合光学引导技术，将扫描时空间角度信息调制到呼叫光中，通过主从引导设备呼叫光及呼叫光的特征识别实现空间角度传递，进而实现快速捕获。本发明可满足自由空间光通信间通信机进行快速引导捕获和定向的要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例主引导设备的结构示意图；

图2是本发明实施例从引导设备的结构示意图；

图3是本发明实施例引导设备输出方位呼叫线结构光束与俯仰呼叫线结构光束示意图；

图4是本发明实施例方位呼叫光源在水平方位角上编码示意图；

图5是本发明实施例用于动平台自由空间光通信中快速引导捕获方法示意流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明用于动平台自由空间光通信中快速引导捕获的系统中每个通信机均带一个引导设备进行方位和俯仰角度捕获。本发明以相互通信的主通信机和从通信机为例，主通信机带有主引导设备，从通信机带有从引导设备。如图1所示，主引导设备001包括呼叫光信号探测模块1、方位呼叫光源2、俯仰呼叫光源3、控制模块4、姿态基准模块5、光学指向器6、伺服扫描及测角模块7。呼叫光信号探测模块1、姿态基准模块5、伺服扫描及测角模块7均与控制模块4连接；伺服扫描及测角模块7还与光学指向器6连接；方位呼叫光源2、俯仰呼叫光源3的输入端均与控制模块4连接，输出端均与光学指向器6连接。

呼叫光信号探测模块1用于对外部呼叫光信号进行接收和处理，并解算出所携带的角度信息。姿态基准模块5用于获取通信设备的真北角信息，并将该真北角信息传输给控制模块。伺服扫描及测角模块7用于控制光学指向器在水平和俯仰方向的扫描，同时保证指向精度及测量光学指向器6的旋转方位角和俯仰角，并将测量信息传输给控制模块4。

控制模块4用于接收伺服扫描及测角模块7发送的测量信息，解算出引导方位角和引导俯仰角，并控制伺服扫描及测角模块7；该控制模块4同时控制方位呼叫光源2、俯仰呼叫光源3的发射的方位呼叫光和俯仰呼叫光，该控制模块4将扫描时的方位角和俯仰角信息调制到方位呼叫光和俯仰呼叫光中。

如图2所示，从引导设备002包括呼叫光信号探测模块8、方位呼叫光源9、俯仰呼叫光源10、控制模块11、姿态基准模块12、光学指向器13、伺服扫描及测角模块14。呼叫光信号探测模块8、姿态基准模块12、伺服扫描及测角模块14均与控制模块11连接；伺服扫描及测角模块14还与光学指向器13连接；方位呼叫光源9、俯仰呼叫光源10的输入端均与控制模块11连接，输出端均与光学指向器13连接。各个结构与主引导设备中的作用相同，在此不赘述。

方位呼叫光源和俯仰呼叫光源均为可调制光源；光学指向器是将方位呼叫光源和俯仰呼叫光源进行光束整形及共孔径发射。其中将方位呼叫光源输出圆形光斑整形成线结构光束，其出射光束垂直于水平方向。将俯仰呼叫光源输出圆形光斑整形成线结构光束，其出射光束垂直于俯仰方向；呼叫光信号探测模块用于对照射到引导设备上呼叫光信号进行接收和处理，并解算出所携带的角度信息；姿态基准模块用于获取通信设备的真北角等信息，并将该信息传输给控制模块；伺服扫描及测角模块用于光学指向器在水平和俯仰方向的扫描，同时保证指向精度及测量指向器旋转方位角和俯仰角，并将该信息传输给控制模块。

控制模块用于接收上述模块的角度信息，并解算出引导方位角和引导俯仰角，同时控制呼叫光源、光学指向器、伺服扫描及测角模块等。

如图3所示，为引导设备输出方位扫描线结构光束02与俯仰扫描线结构光束01示意图。通信机的引导设备均将其光学指向器的方位角与真北角构成0～360度分成N个扇区，每个水平扇区对应着一个方位呼叫光源的编码信息，其中N决定着水平定向精度。同时将光学指向器的最大通信垂直视场角分成M个扇区，每个垂直扇区对应着一个俯仰呼叫光源的编码信息，其中M决定俯仰定向精度。

空间分区与空间角度编码是将通信机在水平环带和垂直视场中的相对空间角度信息分别进行编码，由不同俯仰和方位对应着不同编码信息。本发明基于空间分区编码扫描和握手反馈技术，将通信机方位和俯仰信息进行空间编码，以方位呼叫光源和俯仰呼叫光源为编码载体，将扫描时方位角和俯仰角信息调制到方位呼叫光和俯仰呼叫光中，由呼叫光探测模块对照射在其探测头上的呼叫光进行解调实现方位和俯仰信息的握手反馈，进而实现通信机快速捕获和定向。其中呼叫光源的调制方式可以采用脉冲位置编码、幅度编码、相位编码、占空比调制、频率编码等，但不局限于上述信号编码方式。其方位编码对象为方位呼叫光源，每一个方位角对应着一个方位角编码信息。其俯仰编码对象为俯仰呼叫光源，每一个俯仰角也对应着一个俯仰角编码信息。其中引导设备中将方位呼叫光源和俯仰呼叫光源的输出光束整形，使其出射的光束均为线光源，其出射光束相互垂直。

如图4所示，为方位呼叫光源在水平方位角上编码示意图。上述用于动平台自由空间光通信中快速引导捕获的系统的工作原理如下：

本发明所述的动平台自由空间光通信机之间相对位置存在不确定性，通信机之间捕获包括方位捕获和俯仰捕获。先进行方位捕获，然后在引导方位角基础上通过垂直方向扫描实现俯仰捕获。

当主引导设备开始进行引导捕获工作后，首先其光学指向器的俯仰角归零，光学指向器进行360度水平环带扫描，同时控制系统由姿态基准模块和伺服扫描及测量模块控制系统的角度数据计算出光学指向器与真北角夹角。控制模块将该夹角信息调制到方位呼叫光源中。当方位呼叫光照射到从引导设备的呼叫光探测系统上，呼叫光探测系统对入射的呼叫光进行解调，并将提取角度信息传输给控制模块。从引导设备的控制模块由接收到呼叫光的角度信息、自身设备的真北角信息进行计算得到引导方位角，并将自身光学指向器调整到对应方位角度。同时依据真北角与指向器的夹角所处扇区，将该扇区信息调制到其方位呼叫光源中。同样当从引导设备发出呼叫光照射到主引导设备中呼叫光探测模块上，主引导设备的控制模块会根据呼叫光所携带方位角信息和自身真北角信息得出引导方位角，并将自身光学指向器调整到相应方位角度，以实现方位捕获。之后主引导设备的光学指向器在该引导角上进行垂直扫描，并由其俯仰角调制到俯仰呼叫光源中，依据同样原理实现主从引导设备在俯仰方向上捕获。

本发明实施例用于动平台自由空间光通信中快速引导捕获方法包括方位捕获和俯仰捕获，其中：

方位捕获具体方法如下：

1.主通信机的引导设备先在水平方向发射方位呼叫光进行扇形扫描，其出射的线结构光束垂直于水平扫描方向，出射光的调制方式由扫描方位角与真北角的夹角决定；2.从通信机的引导设备接收到呼叫光，并对呼叫光信号进行解调算出夹角信息，并依据自身真北角信息得出两通信机之间引导方位角；3.从通信机的引导设备依据引导方位角与自身真北角的夹角发射呼叫光信号，呼叫光信号调制特性由该夹角决定；4.主通信机的引导设备接收到从通信机设备发射呼叫光信号，并解算出夹角信息，进而实现方位捕获。

俯仰捕获具体方法如下：

1.当主从通信机实现方位捕获后，主通信机的引导设备在垂直方向发射俯仰呼叫光进行扇形扫描，其出射的线结构光束垂直于俯仰方向，其出射光信号的调制特性由扫描俯仰角与水平零位之间夹角决定；2.从通信机的引导设备接收到呼叫光信号，并解算出夹角信息，同时由自身水平零位得出两通信机之间引导俯仰角；3.从通信机的引导设备依据引导俯仰角发射呼叫光信号，呼叫光信号调制特性由俯仰角决定；4.主通信设备的引导设备接收到从通信机发射呼叫光信号，并解算出俯仰角，进而实现俯仰捕获。

如图5所示，本发明另一实施例用于动平台自由空间光通信中快速引导捕获方法具体包括以下步骤：

S1、主引导设备开始进行引导对准；

S2、主引导设备读取真北角信息，并计算出光学指向器与真北角夹角；

S3、主引导设备根据上述夹角，对方位呼叫光源进行相应编码调制；

S4、主引导设备开启水平扫描，方位呼叫光所携带编码信息随着夹角变化而变化；

S5、从引导设备将接收呼叫光信号进行处理和解调解以及读取自身的真北角信息；

S6、从引导设备计算得到引导方位角；

S7、主引导设备接收到俯仰呼叫光信号，计算出俯仰角，并将光学指向器俯仰调整到相应角度，进而实现俯仰对准；

S8、从引导设备接收到俯仰呼叫光信号，计算出俯仰角，并将光学指向器俯仰调整到相应角度，并将该角度值调制到其俯仰呼叫光中；

S9、主引导设备在上述方位角基础上开启俯仰方向扫描，俯仰呼叫光源的携带调制信息随扫描俯仰角变化而变化；

S10、主引导设备将自身处于扫描光学指向器调整到上述方位角，实现方位对准；

S11、主引导设备将接收呼叫光信号进行处理和解调以及读取本舰的真北角信息，并得到引导方位角；

S12、从引导设备将自身光学指向器调整到上述引导方位角，并得出该扇区所对应方位角信息调制到其方位呼叫光中。

本发明基于空间分区编码扫描和握手反馈技术的复合光学引导技术，将扫描时空间角度信息调制到呼叫光中，通过主从引导设备呼叫光及呼叫光的特征识别实现空间角度传递，进而实现快速捕获。本发明可在不依赖光学瞄准装置、无线射频通信情况下，实现动平台自由空间光通信机之间快速引导捕获方法及系统。可采用通过无线射频通信技术，将通信机的经纬度信息通过无线通信链路传输到其他通信机中，再通过自身和对方的经纬度信息解算出通信机之间相对位置，进而依据相对位置信息完成通信机之间的引导捕获以及定向。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于动平台自由空间光通信的快速光学引导捕获方法，其特征在于，包括方位捕获和俯仰捕获：

其中方位捕获包括以下步骤：

A1.主通信机的引导设备先在水平方向发射方位呼叫光进行扇形扫描，所述方位呼叫光的调制方式由扫描方位角与真北角的夹角决定；

A2.从通信机的引导设备接收到所述方位呼叫光，并对呼叫光信号进行解调算出夹角信息，并依据自身真北角信息得出两通信机之间的引导方位角；

A3.从通信机的引导设备依据所述引导方位角与自身真北角的夹角发射呼叫光信号，呼叫光信号调制特性由该引导方位角与自身真北角的夹角决定；

A4.主通信机的引导设备接收到从通信机设备发射的呼叫光信号，并解算出引导方位角与自身真北角的夹角信息，进而实现方位捕获；

俯仰捕获包括以下步骤：

B1.当主从通信机实现方位捕获后，主通信机的引导设备在垂直方向发射俯仰呼叫光进行扇形扫描，所述俯仰呼叫光调制特性由扫描俯仰角与水平零位之间夹角决定；

B2.从通信机的引导设备接收到所述俯仰呼叫光的信号，并解算出扫描俯仰角与水平零位之间夹角的信息，同时由自身水平零位得出两通信机之间的引导俯仰角；

B3.从通信机的引导设备依据所述引导俯仰角发射呼叫光信号，呼叫光信号调制特性由所述引导俯仰角决定；

B4.主通信设备的引导设备接收到从通信机发射的呼叫光信号，并解算出所述引导俯仰角，进而实现俯仰捕获；

主通信机和从通信机的引导设备均将其光学指向器的方位角与真北角构成的0～360度分成N个扇区，每个水平扇区对应着一个方位呼叫光源的编码信息，其中N决定着水平定向精度；同时将光学指向器的最大通信垂直视场角分成M个扇区，每个垂直扇区对应着一个俯仰呼叫光源的编码信息，其中M决定俯仰定向精度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当从通信机的引导设备获取到两通信机之间的引导方位角时，将自身光学指向器调整到所述引导方位角的角度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当从通信机的引导设备获取到两通信机之间的引导俯仰角时，将自身光学指向器调整到所述引导俯仰角的角度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方位呼叫光为线结构光束，垂直于水平扫描方向。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述俯仰呼叫光为线结构光束，垂直于俯仰方向。

6.一种用于动平台自由空间光通信的快速光学引导捕获系统，其特征在于，包括主通信机和从通信机；

所述主通信机和从通信机均包括呼叫光信号探测模块、方位呼叫光源、俯仰呼叫光源、控制模块、姿态基准模块、光学指向器和伺服扫描及测角模块；

其中，呼叫光信号探测模块、姿态基准模块、伺服扫描及测角模块均与控制模块连接；伺服扫描及测角模块还与光学指向器连接；

方位呼叫光源、俯仰呼叫光源的输入端均与控制模块连接，输出端均与光学指向器连接；

呼叫光信号探测模块用于对外部呼叫光信号进行接收和处理，并解算出所携带的角度信息；

姿态基准模块用于获取通信设备的真北角信息，并将该真北角信息传输给控制模块；

伺服扫描及测角模块用于控制光学指向器在水平和俯仰方向的扫描，同时保证指向精度及测量光学指向器的旋转方位角和俯仰角，并将测量信息传输给控制模块；

控制模块用于接收伺服扫描及测角模块发送的测量信息，解算出引导方位角和引导俯仰角，并控制伺服扫描及测角模块；该控制模块同时控制方位呼叫光源、俯仰呼叫光源的发射的方位呼叫光和俯仰呼叫光，该控制模块将扫描时的方位角和俯仰角信息调制到方位呼叫光和俯仰呼叫光中；

主通信机和从通信机的引导设备均将其光学指向器的方位角与真北角构成的0～360度分成N个扇区，每个水平扇区对应着一个方位呼叫光源的编码信息，其中N决定着水平定向精度；同时将光学指向器的最大通信垂直视场角分成M个扇区，每个垂直扇区对应着一个俯仰呼叫光源的编码信息，其中M决定俯仰定向精度。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，方位呼叫光源、俯仰呼叫光源均为可调制光源。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，方位呼叫光源、俯仰呼叫光源均输出圆形光斑。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，光学指向器用于将方位呼叫光源和俯仰呼叫光源输出的圆形光斑进行光束整形，形成线结构光束，并进行共孔径发射。

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