CN109802725B - 空间光通信发射端、接收端、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种空间光通信发射端、接收端、系统和方法，其系统包括：包括发射端，所述发射端包括：微波接收模块、控制模块、标记光模块、合束模块和准直扫描模块，控制模块分析微波接收模块接收的微波信号的信号强度信息，生成控制指令；标记光模块产生标记光信号，通过合束模块混合所述数据光信号和所述标记光信号，输出激光信号；准直扫描模块对合束模块输出的激光信号进行准直，接收控制模块的控制指令，控制准直扫描模块输出的激光信号的输出方向。本公开相较于常规空间光通信系统，结构更加简单，体积功耗可以进一步缩小，同时本公开具有连续锁定能力，可以更加方便的应用于移动设备上。

Description

空间光通信发射端、接收端、系统和方法

技术领域

本公开涉及空间光通信领域，尤其涉及一种自锁定自跟踪全光透传的空间光通信系统和方法。

背景技术

空间光通信技术自从上世纪三十年代提出以来，持续受到国内外通信领域学者关注。作为一种无线通信技术，空间光通信相较于微波通信，具有带宽高、保密性和安全性好、不占用频谱资源等优点，有望成为人类社会未来无线通信领域的核心技术。然而，现有空间光通信设备要求极高的对准精度，常规发射机和接收机只有极小的窗口角度，在通信建立阶段，需要使用不同发散角度度信标光进行预对准，因而系统结构复杂，体积庞大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种空间光通信发射端、接收端、系统和方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种空间光通信发射端，包括：微波接收模块，用于接收微波信号的信号强度信息；控制模块，分析所述微波接收模块接收的微波信号的信号强度信息，生成控制指令；标记光模块，用于产生标记光信号；合束模块，用于接收数据光信号和标记光模块输出的标记光信号，混合所述数据光信号和所述标记光信号，输出激光信号；准直扫描模块，用于对所述合束模块输出的激光信号进行准直，接收所述控制模块的控制指令，控制所述激光信号的输出方向。

在本公开的一些实施例中，所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向为发射机窗口角度范围内任意角度。

在本公开的一些实施例中，所述标记光信号的波长与所述数据光信号波长不相同。

在本公开的一些实施例中，所述标记光信号携带数据信息。

根据本公开的一个方面，提供了一种空间光通信接收端，包括：广角接收模块，用于广角接收激光信号；分束模块，用于将所述广角接收模块接收的激光信号分离标记为标记光信号和数据光信号；分析模块，用于接收通过所述分束模块分离标记的标记光信号，并分析所述标记光信号的信号强度信息；微波发射模块，用于将通过所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号输出。

根据本公开的一个方面，提供了一种自锁定自跟踪全光透传空间光通信系统，包括：发射端和接收端；所述发射端包括：微波接收模块，用于接收所述接收端提供的微波信号的信号强度信息；控制模块，分析所述微波接收模块接收的所述接收端提供的微波信号的信号强度信息，生成控制指令；标记光模块，用于产生标记光信号；合束模块，用于接收数据光信号和标记光模块输出的标记光信号，混合所述数据光信号和所述标记光信号，输出激光信号；准直扫描模块，用于对所述合束模块输出的激光信号进行准直，接收所述控制模块的控制指令，控制所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向；所述接收端包括：广角接收模块，用于广角接收所述发射端输出的激光信号；分束模块，用于将所述广角接收模块接收的激光信号分离标记为标记光信号和数据光信号；分析模块，用于接收通过所述分束模块分离标记的标记光信号，并分析所述标记光信号的信号强度信息；微波发射模块，用于将通过所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号输出至所述发射端。

在本公开的一些实施例中，所述准直扫描模块选用二维扫描设备，包括机械反射式扫描振镜、微机电扫描振镜、旋转双棱镜中任一种。

根据本公开的一个方面，提供了一种自锁定自跟踪的空间光通信方法，包括：步骤S100：发射端在任一区域连续扫描发射激光信号搜索接收端位置，直至接收端接收到激光信号，经过分束模块将激光信号分离标记为标记光信号和数据光信号，再经过分析模块对标记光信号的信号强度信息进行分析，判断接收到的数据信息和信号强度是否正确，若正确则接收端将信号强度信息通过微波发射模块向发射端发射微波信号，发射端根据接收到的微波信号和信号强度信息，确定接收端的位置；若不正确则重复步骤100；步骤S200：发射端确定接收端的位置区域后，发射端向接收端旋转扫描发射激光信号，使激光信号的信号光斑最强点围绕接收端按照圆形和/或多边形路径旋转；同时接收端通过分析模块对接收的激光信号的光强度信息进行分析并通过微波发射模块向发射端发射微波信号。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S200中路径的直径小于信号光斑的直径。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S200中，当接收端某一时刻收到的信号强度信息大于其他时刻，接收端不在路径圆中央，发射端需要调整发射方向，重新将接收端位置设为路径圆中心，实现对接收端位置锁定。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开空间光通信发射端、接收端、系统和方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开无需再设置信标光收发装置，系统得到简化的同时系统的重量和体积均有效降低。

(2)本公开通过单一的收发系统实现跟踪锁钉，降低光通信链路中断概率，光通信链路稳定性得到提高。

(3)本公开具有更高的通信带宽。

(4)本公开具有更高的安全性，数据信号通过激光传输，难以对系统数据信息进行窃取。

附图说明

图1为本公开实施例自锁定自跟踪全光透传空间光通信发射端示意图。

图2为本公开实施例自锁定自跟踪全光透传空间光通信接收端示意图。

图3为本公开实施例自锁定自跟踪全光透传空间光通信系统示意图。

图4为本公开实施例自锁定自跟踪全光透传空间光通信方法的示意图。

图5为本公开实施例中信号光束强度分布示意图。

图6为本公开实施例中信号光束圆形轨迹扫描强度叠加图。

具体实施方式

本公开提出的空间光通信发射端、接收端、系统和方法，只用一个信号发射源和单一信号接收机，无需额外信标光，即可实现稳定连续的空间光通信，为空间光通信技术产业化应用化，提供了一种有效的解决方案。

本公开提供了一种空间光通信发射端、接收端、系统和方法，其系统包括：包括发射端，所述发射端包括：微波接收模块、控制模块、标记光模块、合束模块和准直扫描模块，控制模块分析微波接收模块接收的微波信号的信号强度信息，生成控制指令；标记光模块产生标记光信号，通过合束模块混合所述数据光信号和所述标记光信号，输出激光信号；准直扫描模块对合束模块输出的激光信号进行准直，接收控制模块的控制指令，控制准直扫描模块输出的激光信号的输出方向。本公开相较于常规空间光通信系统，结构更加简单，体积功耗可以进一步缩小，同时本公开具有连续锁定能力，可以更加方便的应用于移动设备上。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种空间光通信发射端。图1为本公开实施例自锁定自跟踪全光透传空间光通信发射端示意图。如图1所示，本公开自锁定自跟踪全光透传空间光通信发射端包括：微波接收模块、控制模块、标记光模块、合束模块和准直扫描模块；微波接收模块，用于接收微波信号的信号强度信息；控制模块，分析所述微波接收模块接收的微波信号的信号强度信息，生成控制指令；标记光模块，用于产生标记光信号；合束模块，用于接收数据光信号和标记光模块输出的标记光信号，混合所述数据光信号和所述标记光信号，输出激光信号；准直扫描模块，用于对所述合束模块输出的激光信号进行准直，接收所述控制模块的控制指令，控制所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向。

具体的，标记光模块，用于生成一束波长与数据光信号不同的标记光，并在标记光模块上调制一定数据信息，数据信息可以是以下信息中的一种或几种：a.发射机身份信息；b.本端接收机提供的信号强度信息(当链路为双向链路时)；c.其他任何数据信息。

这里的标记光模块，主要功能是用于给接收端进行信号分析用的，接收端必须从激光信号中剥离出一部分光信号，从而分析光路质量，如果直接剥离数据光信号，则会增加传输损耗，且数据光信号调制速率格式将因此受到限制。在本公开中，在数据光信号中增加一路标记光，该标记光由发射端产生，调制速率、调制格式等均已知。而且由于标记光不用来传输大量数据，因此调制速率无需较高，更有利于对标记光信号进行采样分析。

具体的，准直扫描模块中使用的扫描设备可以采是机械反射式扫描振镜，可以是微机电(MEMS)扫描振镜，也可以是旋转双棱镜(里斯利棱镜)结构等任何二维扫描设备，并不以此为限。关于准直扫描模块使用的扫描设备可以采用但不限于上述扫描设备。甚至，在接收机移动速度较为缓慢的应用环境下，可以使用机械捕跟瞄(ATP)系统控制光信号输出方向。关于光束准直效果的设计，光束发散角越大，则通信距离越近，但是链路建立时间和锁定效果会随之得到提升，反之亦然。因此发散角数值的确定要根据使用环境决定。

在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种空间光通信接收端。图2为本公开实施例自锁定自跟踪全光透传空间光通信接收端示意图。如图2所示，包括：广角接收模块、分束模块、分析模块和微波发射模块；广角接收模块，用于广角接收激光信号；分束模块，用于将所述广角接收模块接收的激光信号分离标记为标记光信号和数据光信号；分析模块，用于接收通过所述分束模块分离标记的标记光信号，并分析所述标记光信号的信号强度信息；微波发射模块，用于将通过所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号输出。

在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种空间光通信系统。图3为本公开实施例自锁定自跟踪全光透传空间光通信系统示意图。如图3所示，包括：发射端和接收端。其中，所述发射端包括：微波接收模块、控制模块、标记光模块、合束模块和准直扫描模块；微波接收模块，用于接收所述接收端提供的微波信号的信号强度信息；控制模块，分析所述微波接收模块接收的所述接收端提供的微波信号的信号强度信息，生成控制指令；标记光模块，用于产生标记光信号；合束模块，用于接收数据光信号和标记光模块输出的标记光信号，混合所述数据光信号和所述标记光信号，输出激光信号；准直扫描模块，用于对所述合束模块输出的激光信号进行准直，接收所述控制模块的控制指令，控制所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向。其中，所述接收端包括：广角接收模块、分束模块、分析模块和微波发射模块；广角接收模块，用于广角接收所述发射端输出的激光信号；分束模块，用于将所述广角接收模块接收的激光信号分离标记为标记光信号和数据光信号；分析模块，用于接收通过所述分束模块分离标记的标记光信号，并分析所述标记光信号的信号强度信息；微波发射模块，用于将通过所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号输出至所述发射端。

这里的微波接收模块和微波发射模块，主要用于传输接收信号强度信息，对实时性有一定要求，对传输带宽几乎没有要求，因此可以采用的通信带宽范围较广，甚至在特殊条件下，可以考虑采用超声波等微波以外的手段实现通信。

最后补充前面没有详细介绍的合束模块和分束模块，二者的功能分别是将标记光信号与数据光信号进行混合、将标记光信号与数据光信号进行分离。在具体实施阶段，可以采用但不限于以下方法：合束模块可以简单实用二合一光合束器实现；分束模块可以采用环路器配合滤波器实现，这里的滤波器波长必须与标记光波长保持严格一致。

在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种自锁定自跟踪全光透传空间光通信方法。图4为本公开实施例自锁定自跟踪全光透传空间光通信方法的示意图。如图4所示，包括：。

步骤S100：在搜索阶段，发射端将激光信号在一定范围内连续扫描发射，接收端一旦收到疑似数据信号后，通过分析模块对标记光信号的信号强度信息进行分析，确定收到的数据信息和信号强度是否正确。如收到为正确信号，则立刻通过微波发射模块告知发射端并将接收到的激光信号强度信息也告知发射端。发射端根据接收机是否收到信号，以及收到标记光强度信息，即可确定接收端位置。

步骤S200：在锁定阶段，发射端知道接收端具体位置后，将激光信号围绕接收端旋转扫描发射，激光信号的信号光斑最强点围绕接收端按照圆形和/或多边形路径旋转，旋转路径直径小于光斑直径。同时，接收端不断将接收到的光信号强度信息告知发射端，当接收端某一时刻收到的信号强度信息大于其他时刻，则说明接收端已经不在路径圆中央，发射端则调整发射方向，重新将接收端位置设为路径圆中心，实现对接收端位置锁定。

这里作一个简单说明，如果不做特殊处理，激光器输出的光束分布通常是呈现中间强边缘弱的特点，特别的，如果是单模光则强度呈高斯分布。而且，由于激光在大气中传播过程中受到湍流、污染物的散射、折射影响，即使是原始强度分布均匀的光束，在传输一定距离后也将呈现出中间强边缘弱的特点，如图5所示。当这样一个不均匀光斑作前文所述的圆周旋转时，光强积累将产生如图6所示的光环。如果接收端在该光环正中央，则收到的光信号强度将不随光斑旋转而发生改变。一旦由于发射端或者接收端的移动，导致接收端位置偏离光环中央，则接收端收到的信号强度将随着光斑旋转而发生变化，接收端将信号强度变化情况告诉发射端，发射端就能据此判断出接收端偏离的位置信息，从而调整发射方向，重新将接收端圈到光环正中央，从而实现对发射端的持续锁定。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开自锁定自跟踪全光透传空间光通信系统和方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种相较于常规空间光通信系统，结构更加简单，体积功耗可以进一步缩小，同时本公开具有连续锁定能力，可以更加方便的应用于移动设备上的子锁定自跟踪全光透传空间光通信系统和方法。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间光通信发射端，包括：

微波接收模块，用于接收微波信号的信号强度信息；

控制模块，分析所述微波接收模块接收的微波信号的信号强度信息，生成控制指令；

标记光模块，用于产生标记光信号；

合束模块，用于接收数据光信号和标记光模块输出的标记光信号，混合所述数据光信号和所述标记光信号，输出激光信号；

准直扫描模块，用于对所述合束模块输出的激光信号进行准直，接收所述控制模块的控制指令，控制所述激光信号的输出方向；

其中，所述发射端确定接收端的位置区域后，发射端向接收端旋转扫描发射激光信号，使激光信号的信号光斑最强点围绕接收端按照圆形路径旋转。

2.根据权利要求1所述的空间光通信发射端，其中，所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向为发射机窗口角度范围内任意角度。

3.根据权利要求1所述的空间光通信发射端，其中，所述标记光信号的波长与所述数据光信号波长不相同。

4.根据权利要求1所述的空间光通信发射端，其中，所述标记光信号携带数据信息。

5.一种空间光通信接收端，包括：

广角接收模块，用于广角接收激光信号；

分束模块，用于将所述广角接收模块接收的激光信号分离标记为标记光信号和数据光信号；

分析模块，用于接收通过所述分束模块分离标记的标记光信号，并分析所述标记光信号的信号强度信息；

微波发射模块，用于将通过所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号输出至发射端；

当接收端某一时刻收到的信号强度信息大于其他时刻，接收端不在路径圆中央，发射端需要调整发射方向，重新将接收端位置设为路径圆中心，实现对接收端位置锁定。

6.一种空间光通信系统，包括：发射端和接收端；

所述发射端包括：

微波接收模块，用于接收所述接收端提供的微波信号的信号强度信息；

控制模块，分析所述微波接收模块接收的所述接收端提供的微波信号的信号强度信息，生成控制指令；

标记光模块，用于产生标记光信号；

合束模块，用于接收数据光信号和标记光模块输出的标记光信号，混合所述数据光信号和所述标记光信号，输出激光信号；

准直扫描模块，用于对所述合束模块输出的激光信号进行准直，接收所述控制模块的控制指令，控制所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向；

其中，所述发射端确定接收端的位置区域后，发射端向接收端旋转扫描发射激光信号，使激光信号的信号光斑最强点围绕接收端按照圆形路径旋转；

所述接收端包括：

广角接收模块，用于广角接收所述发射端输出的激光信号；

分束模块，用于将所述广角接收模块接收的激光信号分离标记为标记光信号和数据光信号；

分析模块，用于接收通过所述分束模块分离标记的标记光信号，并分析所述标记光信号的信号强度信息；

微波发射模块，用于将通过所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号输出至所述发射端至发射端；

当接收端某一时刻收到的信号强度信息大于其他时刻，接收端不在路径圆中央，发射端需要调整发射方向，重新将接收端位置设为路径圆中心，实现对接收端位置锁定。

7.根据权利要求6所述的空间光通信系统，其中，所述准直扫描模块选用二维扫描设备，包括机械反射式扫描振镜、微机电扫描振镜、旋转双棱镜中任一种。

8.一种空间光通信方法，包括：

步骤S100：发射端在任一区域连续扫描发射激光信号搜索接收端位置，直至接收端接收到激光信号，经过分束模块将激光信号分离标记为标记光信号和数据光信号，再经过分析模块对标记光信号的信号强度信息进行分析，判断接收到的数据信息和信号强度是否正确，若正确则接收端将信号强度信息通过微波发射模块向发射端发射微波信号，发射端根据接收到的微波信号和信号强度信息，确定接收端的位置；若不正确则重复步骤100；

步骤S200：发射端确定接收端的位置区域后，发射端向接收端旋转扫描发射激光信号，使激光信号的信号光斑最强点围绕接收端按照圆形和/或多边形路径旋转；同时接收端通过分析模块对接收的激光信号的光强度信息进行分析并通过微波发射模块向发射端发射微波信号。

9.根据权利要求8所述的空间光通信方法，其中，所述步骤S200中路径的直径小于信号光斑的直径。

10.根据权利要求8所述的空间光通信方法，其中，所述步骤S200中，当接收端某一时刻收到的信号强度信息大于其他时刻，接收端不在路径圆中央，发射端需要调整发射方向，重新将接收端位置设为路径圆中心，实现对接收端位置锁定。

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