CN109889264A - 自锁定自跟踪的空间光通信发射端、接收端、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种自锁定自跟踪的空间光通信发射端、接收端、系统及方法，其中，系统包括：发射端和接收端，建立空间光通信链路并实现连续跟踪锁定，无需借助额外的信标光收发系统。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，同时该系统具有连续锁定能力，可以更加方便的应用于移动设备上。

Description

自锁定自跟踪的空间光通信发射端、接收端、系统及方法

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的空间光通信发射端、接收端、系统及方法。

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，常规发射端和接收端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。

亟需进一步研究为空间光通信技术产业化应用化，提供更为有效的解决方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种自锁定自跟踪的空间光通信发射端、接收端、系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

一种自锁定自跟踪的空间光通信发射端，包括：调制模块，用于将输入的数据信号调制为激光信号；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；准直扫描模块，用于对所述调制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，控制通过所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向。

在本公开的一些实施例中，所述调制模块采用任意频率的激光信号，以任意的调制格式进行通信。

一种自锁定自跟踪的空间光通信接收端，包括：广角接收模块，用于接收激光信号，解调输出数据信号；分析模块，用于接收所述广角接收模块接收的激光信号，并分析所述激光信号的信号强度信息；微波发射模块，用于将所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号输出。

在本公开的一些实施例中，所述广角接收模块选用反射镜、透射镜以及由反射镜和透射镜组成的镜头中的一种或多种；所述反射镜为任意形状。

在本公开的一些实施例中，所述广角接收模块包括：探测器，对所述广角接收模块接收的激光信号进行光电转换输出数据信号；滤波器，用于对所述广角接收模块接收的激光信号进行滤波；放大器，用于对所述广角接收模块接收的信号进行放大。

一种自锁定自跟踪的空间光通信系统，包括：发射端和接收端；所述发射端包括：调制模块，用于将输入的数据信号调制为激光信号；微波接收模块，用于接收接收端发送的微波信号；控制模块，分析通过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；准直扫描模块，用于对所述调制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，控制通过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，用于在所述接收端窗口角度范围内接收激光信号，解调输出数据信号；分析模块，用于接收所述广角接收模块接收的激光信号，并分析所述激光信号的信号强度信息；微波发射模块，用于将所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号发送至所述发射端的微波接收模块。

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、微机电扫描振镜和旋转双棱镜中一种或多种。

一种自锁定自跟踪的空间光通信方法，包括：步骤S100：发射端在不知道接收端具体位置时，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，经过分析模块得到所述激光信号的信号强度信息输出至微波发射模块，微波发射模块接收的激光信号的信号强度信息发送至发射端的微波接收模块，发射端根据是否收到信号和信号强度信息，确定接收端的位置；步骤S200：确定接收端的位置后，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S100中所述发射端的扫描方式为逐行扫描和/或从区域中间位置螺旋扫描。

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，接收端已经不在路径圆中央，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，本公开自锁定自跟踪的空间光通信发射端、接收端、系统及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开利用单个接收端和单个发射端建立空间光通信系统，实现跟踪锁定，降低光通信链路中断概率，光通信链路的稳定性得到提高。

(2)本公开实现无需再额外设置信标光收发装置，接收端和发射端均得到简化，系统重量和体积均可以有效降低。

(3)本公开中的数据信号通过激光传输，具有更高的数据安全性。

附图说明

图1为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信发射端的示意图。

图2为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信接收端的示意图。

图3为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信系统的示意图。

图4为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信方法的流程框图。

图5为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信系统中信号光束强度分布示意图。

图6为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信系统中信号光束圆形轨迹扫描强度叠加图。

具体实施方式

本公开提供了一种自锁定自跟踪的空间光通信发射端、接收端、系统及方法，其中，系统包括：发射端和接收端，建立空间光通信链路并实现连续跟踪锁定，无需借助额外的信标光收发系统。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，同时该系统具有连续锁定能力，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。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种自锁定自跟踪的空间光通信发射端。图1为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信发射端的示意图。如图1所示，本公开自锁定自跟踪的空间光通信发射端包括：调制模块、准直扫描模块、微波接收模块和控制模块；调制模块用于将输入的数据信号调制为激光信号；微波接收模块用于接收微波信号的信号强度信息；控制模块分析通过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；准直扫描模块用于对所述调制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，控制通过所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向。

具体的，关于准直扫描模块的应用可以选择一下方式：其一，先用准直透镜准直，再利用扫描设备改变激光信号的发射方向。其二，使用小型准直透镜并利用三维机械控制系统控制透镜的指向，控制通过准直扫描模块输出的激光信号的输出方向。进一步关于准直扫描模块的设计可以采用但不限于上述两种设计方式，甚至，在接收端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。

可选择的，选用二维扫描设备，包括机械反射式扫描振镜、微机电(MEMS)扫描振镜和旋转双棱镜(里斯利棱镜)中一种或多种，但并不以此为限。

具体的，在发射端的调制模块中，可以采用任意频率的激光信号，以任意的调制格式进行通信。所用的激光器可以是任意结构，任意材料的激光器。调制模式可以是直调和/或外调，但不限于上述的任意调制模式。调制格式可以为OOK、PPM和QAM中一种或多种，但不限于上述的任意调制格式。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种自锁定自跟踪的空间光通信接收端。图2为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信接收端的示意图。如图2所示，所述接收端包括：广角接收模块、分析模块和微波发射模块；广角接收模块用于在所述接收端窗口角度范围内接收激光信号，解调输出数据信号；分析模块用于接收所述广角接收模块接收的激光信号，并分析所述激光信号的信号强度信息；微波发射模块用于将所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号输出。

具体的，关于广角接收模块，可以采用任何形状的反射镜、透射镜以及由反射镜和透射镜组成的镜头中的一种或多种。光信号通过上述镜头汇聚后，可以直接采用探测器进行电光转换，也可以接收后进行滤波放大等处理，然后采用探测器进行电光转换。所用的光电探测器的材料可以是硅基和/或三五族，也可以是APD和/或PIN的任何结构，并不以此为限。

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种自锁定自跟踪的空间光通信系统。图3为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信系统的示意图。如图3所示，发射端和接收端，其中发射端包括：调制模块、准直扫描模块、微波接收模块和控制模块。调制模块用于将输入的数据信号调制为激光信号；微波接收模块用于接收接收端发送的微波信号；控制模块分析通过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；准直扫描模块用于对所述调制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，控制通过所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向。接收端包括：广角接收模块、分析模块和微波发射模块；广角接收模块用于在所述接收端窗口角度范围内接收激光信号，解调输出数据信号；分析模块用于接收所述广角接收模块接收的激光信号，并分析所述激光信号的信号强度信息；微波发射模块用于将所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号发送至所述发射端的微波接收模块。

优选地，发射端窗口角度范围与所述接收端窗口角度范围相一致。这里需要说明的是，一致应理解为在同一个数量级内即可。建议发射端窗口角度范围与所述接收端窗口角度范围在±20度范围内。发射端窗口角度范围与所述接收端窗口角度范围的具体数据可以在系统实现阶段做出调整。

可选择的，通信双方可以均同时安装发射端和接收端，实现双向通信。也可以一方只安装发射端，另一方只安装接收端，实现单向通信。

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种自锁定自跟踪的空间光通信方法。图4为本公开实施例自锁定自跟踪的空间光通信方法的流程框图。如图4所示，空间光通信方法包括：

步骤S100：发射端在不知道接收端具体位置时，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，经过分析模块得到所述激光信号的信号强度信息输出至微波发射模块，微波发射模块接收的激光信号的信号强度信息发送至发射端的微波接收模块，发射端根据是否收到信号和信号强度信息，确定接收端的位置。

具体的，发射端须提前知道接收端大体位置，具体可以通过相机拍照分辨或者其他方式确定。当确定大致方向后，发射端可以按照一定的模式对该区域进行扫描，具体可以采用逐行扫描的形式和/或从中间区域开始螺旋扫描的方式，对整个区域进行扫描。扫描过程中，发射端可以发射一些特定代码，当接收端收到该代码后，立即通过微波信号回应发射端，这样发射端就可以确定接收端的具体位置，即使无法具体确定，也能进一步缩小扫描范围，重复扫描并最终确定接收端位置。

步骤S200：确定接收端的位置后，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；其中，旋转路径直径小于光斑直径。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。其中，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。

其中，控制模块主要用于控制准直扫描模块实现信号的扫描和锁定，在具体实现过程中，可以根据实际环境采用不同的扫描锁定算法，具体来说，在扫描阶段可以采用单次全局扫描直接计算目标位置；也可以多次全局扫描，根据累加值计算目标位置；还可以通过多次扫描，每次扫描区域逐渐缩小，最终确定目标位置。在锁定阶段，需要进行多次旋转扫描后根据扫描结果判定目标位置，旋转扫描次数及扫描后运动步长等均有较大调整自由度。

这里作一个简单说明，如果不做特殊处理，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，则他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的空间光通信发射端、接收端、系统及方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开利用单个接收端和单个发射端建立空间光通信系统，实现跟踪锁定，降低光通信链路中断概率，光通信链路的稳定性得到提高；无需再额外设置信标光收发装置，使接收端和发射端均得到简化，系统重量和体积均可以有效降低。

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。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

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)

1.一种自锁定自跟踪的空间光通信发射端，包括：

调制模块，用于将输入的数据信号调制为激光信号；

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；

准直扫描模块，用于对所述调制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，控制通过所述准直扫描模块输出的激光信号的输出方向。

2.根据权利要求1所述的自锁定自跟踪的空间光通信发射端，其中，所述调制模块采用任意频率的激光信号，以任意的调制格式进行通信。

3.一种自锁定自跟踪的空间光通信接收端，包括：

广角接收模块，用于接收激光信号，解调输出数据信号；

分析模块，用于接收所述广角接收模块接收的激光信号，并分析所述激光信号的信号强度信息；

微波发射模块，用于将所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号输出。

4.根据权利要求3所述的自锁定自跟踪的空间光通信接收端，其中，所述广角接收模块选用反射镜、透射镜以及由反射镜和透射镜组成的镜头中的一种或多种；所述反射镜为任意形状。

5.根据权利要求3所述的自锁定自跟踪的空间光通信接收端，其中，所述广角接收模块包括：

探测器，对所述广角接收模块接收的激光信号进行光电转换输出数据信号；

滤波器，用于对所述广角接收模块接收的激光信号进行滤波；

放大器，用于对所述广角接收模块接收的信号进行放大。

6.一种自锁定自跟踪的空间光通信系统，包括：发射端和接收端；

所述发射端包括：

调制模块，用于将输入的数据信号调制为激光信号；

微波接收模块，用于接收接收端发送的微波信号；

控制模块，分析通过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；

准直扫描模块，用于对所述调制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，控制通过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，用于在所述接收端窗口角度范围内接收激光信号，解调输出数据信号；

分析模块，用于接收所述广角接收模块接收的激光信号，并分析所述激光信号的信号强度信息；

微波发射模块，用于将所述分析模块得到的信号强度信息以微波信号发送至所述发射端的微波接收模块。

7.根据权利要求6所述的一种自锁定自跟踪的空间光通信系统，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、微机电扫描振镜和旋转双棱镜中一种或多种。

8.一种自锁定自跟踪的空间光通信方法，包括：

步骤S100：发射端在不知道接收端具体位置时，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，经过分析模块得到所述激光信号的信号强度信息输出至微波发射模块，微波发射模块接收的激光信号的信号强度信息发送至发射端的微波接收模块，发射端根据是否收到信号和信号强度信息，确定接收端的位置；

步骤S200：确定接收端的位置后，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所述的一种自锁定自跟踪的空间光通信方法，其中，所述步骤S100中所述发射端的扫描方式为逐行扫描和/或从区域中间位置螺旋扫描。

10.根据权利要求8所述的一种自锁定自跟踪的空间光通信方法，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，接收端已经不在路径圆中央，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。