CN109905168B - 一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端及方法，终端包括：控制单元、信号光源、信标光源、飞秒光梳模块、光耦合器A、光耦合器B、光电探测模块A、光电探测模块B、电放大器、电锁相环、信号调制解调模块、光射光路、指向对准系统、分光镜A、分光镜B、分光镜D、望远镜系统、反光镜C、CCD摄像头、伺服驱动。通过调整发端光梳信号的发光功率使发端获得两终端之间的精密测距信号，以确保实现测距功能。本发明采用光梳作为星间精密测距依据，采用一套光束跟瞄装置同时实现星间精密测距和宽带通信，具备高可靠和多功能，可提升了未来空间光网络的灵活性。

Description

一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端及方法

技术领域

本发明属于空间激光通信的技术领域，涉及一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端及方法。

背景技术

空间光通信具有通信容量大、天线体积小以及保密性好等优势，已成为未来空间高速通信的重要技术手段。为了实现星上对地的高精度观测和地面重力场、引力场的反演，需要实现星间高精度的距离测量。由于星间高精度测距和宽带通信都首先需要维持准确对准，以此如果能实现测距与通信的一体化设计，将大大降低星上的体积，重量和功耗负担。

目前关于空间光通信终端和光梳测距的研究比较多，但是可实现光梳测距和空间光通信一体化，且通过光梳与光通信共用同样的波长范围的研究比较少。

专利“一种空间光通信方法及空间光通信系统”(CN201611010356.9)公开了一种空间光通信系统，利用星载导航接收机周期性地更新卫星星历信息，对低轨卫星进行定位，根据不同卫星的空间位置信息，调整指向，从而实现星间组网。其采用定位体制为卫星微波信号定位体制，测距精度远低于本专利采用的光梳测距的精度。

专利“基于光频率梳的超高速空间相干光通信方法和系统”(CN201610153188.2)公开了一种基于光频率梳的超高速空间相干光通信方法和系统。该方法利用光频率梳发生器及光频率梳放大整形单元产生多波长自相关光源，将多路高速通信电信号调制到上述光源形成多波长自相关高速二进制相移键控(BPSK)相干光信号。主要采用了光梳作为光通信终端的信号源，实现在多个波长的相干光源上调制同样的信号。此专利不具有光梳测距功能，也不具备大气信道探测和高可靠路由重构功能。

专利“一种基于光梳探测的高可靠空间光网络通信终端及方法”(201810876518.X)公开了一种使用不同频段的光梳和通信信号的高可靠空间光网络通信终端及方法。通过控制光梳在星间通信和星地通信时分别工作在测距状态和信道探测状态，从而充分发挥光梳脉冲能量集中，周期固定准确的特性，提升一体化终端的灵活性和可靠性。此专利主要采用了不用频段来区分光梳信号和通信信号，以同时实现光梳测距，大气信道探测和通信。此专利需要采用较为复杂的光滤波器和合波器，增加了终端的复杂度和实现难度。

通过国内外专利和文献检索，未见可用相同频段，可同时实现光梳测距和空间光通信的一体化的方法和终端的报道。

发明内容

发明所要解决的课题是，解决星间精密测距和宽带通信采用相同波长范围的问题和提升星间测距与通信可靠性的问题。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端及方法，采用飞秒光梳作为星间精密测距的重要手段，光梳信号与信号光共用相同的波长范围，空间光通信部分和光梳探测测距部分不但可共用一套光学跟瞄装置，而且减少了波分和合波的光学器件，可提升通信的可靠性。

一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端，包括：控制单元、信号光源、信标光源、飞秒光梳模块、光耦合器A、光耦合器B、光电探测模块A、光电探测模块B、电放大器、电锁相环、信号调制解调模块、光射光路、指向对准系统、分光镜A、分光镜B、分光镜D、望远镜系统、反光镜C、CCD摄像头、伺服驱动；所述飞秒光梳模块产生的光梳信号经过光耦合器A分成两部分，一部分进入光电探测模块B，将光梳信号转化为电信号经过电放大器放大后进入电锁相环，在电锁相环进行锁定频率和相位后发给信号调制解调模块解算出重复频率和前后保护时间；另一部分进入光耦合器B，所述的信号光源发出连续的信号光发给信号调制解调模块，信号调制解调模块根据锁定的频率和相位在确定的时隙将光梳信号调制到连续的信号光上，再经过光耦合器B将光梳信号与信号光耦合之后，经发射光路、分光镜A、指向对准系统、分光镜D和望远镜系统发射至对端；并且，所述信标光源将产生的信标光通过分光镜D和望远镜系统发射到对端；

所述望远镜系统接收到对端发送的光梳信号，经过分光镜D、指向对准系统、分光镜A、分光镜B后进入飞秒光梳模块，在飞秒光梳模块与本地产生的光梳信号进行干涉，实现测距；以及，所述望远镜系统接收到对端发送的信号光，经过分光镜D、指向对准系统、分光镜A、分光镜B进入光电探测模块A将其转变为电信号之后，传给信号调制解调模块，由信号调制解调模块将信号解调分离出来，发送给对外收发通信接口；并且，所述望远镜系统接收到对端发送的信标光，经分光镜D、反光镜C后进入CCD摄像头进行数据采集，控制单元根据采集的数据进行残差计算得到残差控制信号并据此控制伺服驱动调整信标光指向对准对端。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述信号光源产生的信号光和飞秒光梳模块产生的光梳信号设置为同一波段。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述信号调制解调模块根据监测的对端发射的信号质量，调整前后保护时间间隔及控制信号发射速率。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述信号调制解调模块还包括根据飞秒光梳模块的测距结果，调整信号光的信号发射功率。

一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用方法，包括以下步骤：

将通信终端和对端在星间通信或星地通信之前进行光束指向对准；

所述通信终端接收对端发来的同一波段的光梳和通信信号，经过光电转换，经过锁相环锁定频率和相位，得到用作测距的光梳信号、用作传输链路数据的通信信号及前后保护时间间隔参数；同时，将得到的光梳信号与本地光梳信号进行干涉，实现测距；

并且，判断通信终端是否使用正常通信测距策略：

若是，则进入星间正常通信测距状态：通过逐步减低信号调制速率和增加前后保护间隔时间，提升链路通信质量；同时，通过降低信号光源发射功率，降低调制信号对光梳测距的影响，提升测距稳定度；

否则，判断通信终端是否采用通信优先策略，若是，则进入星间通信优先状态：将光梳信号关闭，前后保护间隔时间降为零，通过逐步减低信号调制速率提升通信的可靠性；否则，通信终端采用测距优先策略，进入星间测距优先状态，通过降低信号光的功率，提升星间测距的稳定性。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法还包括在星间正常通信测距状态时，根据监测的对端发射的信号质量，调整前后保护时间间隔及控制信号发射速率，具体为：

初始化时将光梳信号发射功率P1和信号光发射功率P₂设为最大；

在后续迭代调整过程中，根据测距稳定性，以信号光发射功率P2的10％的功率为步进降低信号光发射功率P2的光功率，直至功率减少到原来得30％；

当信号误码率低于10^-4时，以0.5倍的原速率降低信号发射速率，直到通信速率低于50Mb/s；

当信号速率低于50Mb/s时，且误码率也低于10^-4时，前保护时间间隔T₁和后保护时间间隔T₂以(T-T₁-T₂)×10％的步进增加，以减小通信速率，直至T₁和T₂增加了(T-T₁-T₂)×30％。

发明效果为：

本发明可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端及方法，将飞秒光梳模块安装在光通信终端中，可与光通信终端共用光束指向瞄准机构。通过指令控制，终端可采用正常通信测距策略，通信优先策略和测距优先策略等工作状态。可分别实现星间通信、测距兼顾，首先确保星间通信和首先确保星间测距等多种应用需要，适应多种应用场合。通过调整保护时间间隔，通信速率，信号光功率和光梳功率，可以提升通信测距一体化终端的灵活性和可靠性，从而可以较好的解决高可靠空间光网络通信的问题。本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.可根据指令切换终端采用正常通信测距策略或者通信优先策略或者测距优先策略。正常通信测距策略适合于星群之间同时需要宽带通信和精密测距的应用场合，特别是同时需要宽带星间通信和星间测距的高精度分布式对地观测；通信优先策略适合于需确保高度可靠星间通信的应用场合，如低轨移动卫星星座等；测距优先策略适合于具有较高测距要求的应用场合，如引力场和重力场探测卫星等。

2.通过将光梳、信号光源设置为相同的波段，可提高频谱利用率，减少合波和波分器件的使用，提升了终端可靠性，降低了终端成本。通过在光通信终端中集成飞秒光梳模块，可采用一套光束跟瞄装置同时实现星间精密测距和宽带通信，减少了终端体积、重量、功耗，减轻了星上资源压力。

3.通过引入前保护时间间隔和后保护时间间隔的参数，并采用迭代的方法，动态调整时间间隔的长度，可确保在测距与通信互不干扰的情况下，尽可能的提升通信速率，同时确保测距与通信的可靠性。

附图说明

图1为本发明可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端结构示意图。

图2为本发明可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用方法的流程示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1所示，本发明设计了一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端，主要包括：控制单元101，飞秒光梳模块102，信号调制解调模块103，光耦合器B 104，发射光路105，伺服驱动106，CCD摄像头107，指向对准系统108，望远镜系统109，分光镜A110，分光镜D 111，光电探测模块A112，信号光源113，信标光源114，反光镜C 115，反光镜B 116，电放大器117，电锁相环118，光电探测模块B 119，光耦合器A120。

根据星间测距的不同应用环境，飞秒光梳模块102能够工作在不用的应用策略和工作状态下。光梳具有良好的时间稳定性和频率稳定性，通过对端光梳信号与本地光梳进行干涉能够实现精密测距。光梳具有窄脉宽和高峰值功率的特性，通过将一部分光梳和光通信合成的信号在光电探测模块B 119上进行光电变换，并通过电锁相环118将电信号锁定在其重复频率上，可实现通信信号与光梳信号的分离，减少合波器件和波分器件的使用，减少终端的体积、重量，并提升可靠性。

所述终端的工作原理为：

当终端进行星间通信与测距时，所述飞秒光梳模块102产生的光梳信号经过光耦合器A 120分成两部分，一部分进入光电探测模块B 119，将光梳信号转化为电信号经过电放大器117放大后进入电锁相环118，在电锁相环118进行锁定频率和相位后发给信号调制解调模块103解算出重复频率和前后保护时间；另一部分进入光耦合器B 104，所述的信号光源113发出连续的信号光发给信号调制解调模块103，信号调制解调模块103根据锁定的频率和相位在确定的时隙将光梳信号调制到连续的信号光上，再经过光耦合器B 104将光梳信号与信号光耦合在一起之后，经发射光路105、分光镜A 110、指向对准系统108、分光镜D 111和望远镜系统发射109发射至对端；并且，所述信标光源114将产生的信标光通过分光镜D 111和望远镜系统109发射到对端。

所述的飞秒光梳模块102和信号光源113分别发出的飞秒光梳信号和信号光的功率，可根据信号调制解调模块103发出的信号进行调整。

所述终端接收到对端发射的信号，终端对收到的光梳与信号光合成的光信号处理，其中所述望远镜系统109接收到对端发送的光梳信号一部分光进入飞秒光梳模块102，经过分光镜D111、指向对准系统108、分光镜A110、分光镜B 116后进入飞秒光梳模块102，在飞秒光梳模块102与本地产生的光梳信号进行干涉，实现精密测距，获得精密距离测量信号并实现本地光梳与远端光梳的双向锁定。以及，另一部分光进入光电探测模块A 112，所述望远镜系统109接收到对端发送的信号光，经过分光镜D 111、指向对准系统108、分光镜A110、分光镜B 116进入光电探测模块A 112将其转变为电信号之后，传给信号调制解调模块103，由信号调制解调模块103将信号解调分离出来，发送给对外收发通信接口，实现信号的接收和发射信号的速率，调制格式和发射信号功率的调整，实现信号的恢复；优选地，所述的信号调制解调模块103可以根据飞秒光束模块102发来的精密测距信号，进行延时计算，以更准确的将通信信号与光梳信号在时域上进行分离。

并且，所述望远镜系统109接收到对端发送的信标光，经分光镜D111、反光镜C115后进入CCD摄像头107进行数据采集，采集的图像信号进入控制单元101，控制单元101根据采集的数据进行质心的残差计算得到残差控制信号并据此控制伺服驱动106调整分光镜D111，控制信标光指向对准对端。

优选地，所述信号光源114产生的信号光和飞秒光梳模块102产生的光梳信号设置可为同一波段，避免了复杂易损的合波和波分器件。

所述光电探测模块B 119、电放大器117和电锁相环118将飞秒光梳模块102产生的光梳信号的周期和相位进行提取，并发送给信号调制解调模块103，将通信信号调制在光梳脉冲以外的时间片段中，实现光梳信号与调制信号的时间上的复用。

本发明中，通过在信号调制解调模块103中调整前保护时间间隔和后保护时间间隔及控制信号发射速率，可以灵活的调整通信速率并增加光梳信号与通信信号的隔离度，提升整个系统的灵活性和可靠性。

所述信号调制解调模块103还可以根据飞秒光梳模块的测距结果，调整信号光的信号发射功率；可根据测距优先策略或通信优先策略，调整调制信号的光功率，满足不同应用场景下的使用需求。

本发明还提出一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用方法，包括以下步骤：

首先，将通信终端和对端在星间通信或星地通信之前进行光束指向对准；通过信标光和终端内部的跟踪指向环路，确保信标光始终保持在视场中的确定位置，从而实现信号光的准确接收和空间光到光纤的耦合。

然后，所述通信终端接收对端发来的同一波段的光梳和通信信号，经过光电转换，经过锁相环锁定频率和相位，得到用作测距的光梳信号、用作传输链路数据的通信信号及前后保护时间间隔参数；同时，将得到的光梳信号与本地光梳信号进行干涉，实现测距；

并且，判断通信终端是否使用正常通信测距策略：

若是，则进入星间正常通信测距状态：通过逐步减低信号调制速率和增加前后保护间隔时间，提升链路通信质量；同时，通过降低信号光源发射功率，降低调制信号对光梳测距的影响，提升测距稳定度；

否则，判断通信终端是否采用通信优先策略，若是，则进入星间通信优先状态：将光梳信号关闭，前后保护间隔时间降为零，通过逐步减低信号调制速率提升通信的可靠性；否则，通信终端采用测距优先策略，进入星间测距优先状态，通过降低信号光的功率，提升星间测距的稳定性。

所述方法还包括在星间正常通信测距状态时，根据监测的对端发射的信号质量，调整前后保护时间间隔及控制信号发射速率，具体为：

将光梳信号发射功率P1和信号光源发射功率P₂设为最大；

在后续迭代调整过程中，根据测距稳定性，以信号光源发射功率P2的10％的功率为步进降低信号光源发射功率P2的光功率，直至功率减少到原来得30％；

当信号误码率低于10^-4时，以0.5倍的原速率降低信号发射速率，直到通信速率低于50Mb/s；

当信号速率低于50Mb/s时，且误码率也低于10^-4时，前保护时间间隔T₁和后保护时间间隔T₂以(T-T₁-T₂)×10％的步进增加，以减小通信速率，直至T₁和T₂增加了(T-T₁-T₂)×30％。

下面给出本发明方法的一个实施例，如图2所示，其通信实施包括以下步骤：

首先进行初始化。根据轨道位置和地面发来指令设置光通信终端是否采用测距优先策略或通信优先策略，若都不使用则默认使用正常通信测距策略。设置初始光梳信号发射功率P₁，即飞秒光梳峰值功率为P₁，信号光源发射功率为P₂，初始数据速率为1.25Gb/s，前保护时间间隔为T₁，后保护时间间隔为T₂，设光梳重复周期为T，T>T₁+T₂，测距稳定度为D。

然后执行以下步骤：

步骤1：根据指令检测，判断通信终端是否采用正常通信测距策略，若是进入步骤2，若不是进入步骤10；

步骤2：将飞秒光梳峰值功率P1和信号光源发射功率P₂设为最大；

步骤3：检测对端发来的信号，误码率是否劣于10^-4，若是进入步骤5，若不是进入步骤8；

步骤4：判断光通信终端策略是否改变，若是进入步骤1，若不是进入步骤3；

步骤5：以0.5倍原速率为步进降低信号发射速率，并进入步骤6；

步骤6：通信速率低于50Mb/s，且误码率劣于10^-4，若是进入步骤7，若不是进入步骤3；

步骤7：前保护时间间隔T₁和后保护时间间隔T₂以(T-T₁-T₂)×10％的步进增长，光梳重复周期为T，减少T周期内信号传输时长，直至增加了(T-T₁-T₂)×30％，进入步骤8；

步骤8：测距稳定度达到D，或P2功率减少到原来的30％，若是进入步骤4，若不是进入步骤9；

步骤9：信号光源发射功率P₂以10％的步进减少光功率，进入步骤3；

步骤10：判断通信终端是否采用通信优先策略，若是进入步骤11，若不是进入步骤15；

步骤11：将飞秒光梳峰值功率P₁设为0，信号光源发射功率P₂设为最大，前保护时间间隔T₁和后保护时间间隔T₂设为0，进入步骤12；

步骤12：判断通信终端是否采用通信优先策略，若是，进入步骤13，若不是，进入步骤15；

步骤13：检测对端发来的信号，误码率是否劣于10^-4，若是，进入步骤14，若不是，回到步骤12；

步骤14：以0.5倍原速率为步进降低信号发射速率，并回到步骤12；

步骤15：判断通信终端是否采用测距优先策略，若是进入步骤16，若不是回到步骤1；

步骤16：将飞秒光梳峰值功率P₁和信号光源发射功率P₂设为最大，然后进入步骤17；

步骤17：判断通信终端是否采用测距优先策略，若是进入步骤18，若否回到步骤1；

步骤18：判断测距稳定度是否达到D，若是回到步骤17，若否进入步骤19；

步骤19：以0.5倍原功率为步进降低信号光源发射功率P₂功率，回到步骤17。

综上，本发明采用光梳作为星间精密测距的技术手段，同时空间光通信部分和光梳探测测距部分共用一套光学跟瞄装置和相同的波长区域，实现了高可靠，多功能的通信终端，可提升了未来空间光网络的灵活性。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端，其特征在于，包括：控制单元、信号光源、信标光源、飞秒光梳模块、光耦合器A、光耦合器B、光电探测模块A、光电探测模块B、电放大器、电锁相环、信号调制解调模块、光射光路、指向对准系统、分光镜A、分光镜B、分光镜D、望远镜系统、反光镜C、CCD摄像头、伺服驱动；所述飞秒光梳模块产生的光梳信号经过光耦合器A分成两部分，一部分进入光电探测模块B，将光梳信号转化为电信号经过电放大器放大后进入电锁相环，在电锁相环进行锁定频率和相位后发给信号调制解调模块解算出重复频率和前后保护时间；另一部分进入光耦合器B，所述的信号光源发出连续的信号光发给信号调制解调模块，信号调制解调模块根据锁定的频率和相位在确定的时隙将光梳信号调制到连续的信号光上，再经过光耦合器B将光梳信号与信号光耦合之后，经发射光路、分光镜A、指向对准系统、分光镜D和望远镜系统发射至对端；并且，所述信标光源将产生的信标光通过分光镜D和望远镜系统发射到对端；

所述望远镜系统接收到对端发送的光梳信号，经过分光镜D、指向对准系统、分光镜A、分光镜B后进入飞秒光梳模块，在飞秒光梳模块与本地产生的光梳信号进行干涉，实现测距；以及，所述望远镜系统接收到对端发送的信号光，经过分光镜D、指向对准系统、分光镜A、分光镜B进入光电探测模块A将其转变为电信号之后，传给信号调制解调模块，由信号调制解调模块将信号解调分离出来，发送给对外收发通信接口；并且，所述望远镜系统接收到对端发送的信标光，经分光镜D、反光镜C后进入CCD摄像头进行数据采集，控制单元根据采集的数据进行残差计算得到残差控制信号并据此控制伺服驱动调整信标光指向对准对端。

2.根据权利要求1所述的可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端，其特征在于，所述信号光源产生的信号光和飞秒光梳模块产生的光梳信号设置为同一波段。

3.根据权利要求1所述的可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端，其特征在于，所述信号调制解调模块根据监测的对端发射的信号质量，调整前后保护时间间隔及控制信号发射速率。

4.根据权利要求1所述的可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用终端，其特征在于，所述信号调制解调模块还包括根据飞秒光梳模块的测距结果，调整信号光的信号发射功率。

5.一种可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将通信终端和对端在星间通信或星地通信之前进行光束指向对准；

所述通信终端接收对端发来的同一波段的光梳和通信信号，经过光电转换，经过锁相环锁定频率和相位，得到用作测距的光梳信号、用作传输链路数据的通信信号及前后保护时间间隔参数；同时，将得到的光梳信号与本地光梳信号进行干涉，实现测距；

并且，判断通信终端是否使用正常通信测距策略：

若是，则进入星间正常通信测距状态：通过逐步减低信号调制速率和增加前后保护间隔时间，提升链路通信质量；同时，通过降低信号光源发射功率，降低调制信号对光梳测距的影响，提升测距稳定度；

否则，判断通信终端是否采用通信优先策略，若是，则进入星间通信优先状态：将光梳信号关闭，前后保护间隔时间降为零，通过逐步减低信号调制速率提升通信的可靠性；否则，通信终端采用测距优先策略，进入星间测距优先状态，通过降低信号光的功率，提升星间测距的稳定性。

6.根据权利要求5所述的可用于测距通信一体的光梳与信号调制复用方法，其特征在于，所述方法还包括在星间正常通信测距状态时，根据监测的对端发射的信号质量，调整前后保护时间间隔及控制信号发射速率，具体为：

初始化时将光梳信号发射功率P1和信号光源发射功率P₂设为最大；

在后续迭代调整过程中，根据测距稳定性，以信号光发射功率P2的10％的功率为步进降低信号光发射功率P2的光功率，直至功率减少到原来的30％；

当信号误码率低于10^-4时，以0.5倍的原速率降低信号发射速率，直到通信速率低于50Mb/s；

当信号速率低于50Mb/s时，且误码率也低于10^-4时，前保护时间间隔T₁和后保护时间间隔T₂以(T-T₁-T₂)×10％的步进增加，以减小通信速率，直至T₁和T₂增加了(T-T₁-T₂)×30％。

Images