CN110224752A - 一种基于区域分割的空间光通信组网装置 - Google Patents

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朱一峰
于林韬
杨絮
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    • H04B—TRANSMISSION
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Abstract

本发明提出一种基于区域分割的空间光通信组网装置，属于空间激光通信技术领域。该装置由发送终端和接收终端两部分构成，如图1所示，其构成如下：光学天线1，分光棱镜2，APD接收阵列3，CCD相机4，图像处理单元5，信号处理单元6，多用户输出接口单元7，用户输入接口单元8，激光发射单元9，发射光学天线10；8‑9顺次连接组成空间光通信组网装置的发送终端，1‑7顺次连接组成空间光通信组网装置的接收终端。工作时，在视场允许的情况下，实现终端间一对多和多对多不同的组网方式。该装置采用了单镜头多路光信号接收设计，整机的体积与复杂度大大降低；采用了CCD图像处理技术捕获发送端位置信息，使发射和接收天线大大减小、简化；采用了可分割的APD面阵接收技术，简化了接收系统；传输距离能达到5Km，主要应用于多点间空间光通信组网。本发明装置结构简单，操作方便，便于推广应用。

Description

一种基于区域分割的空间光通信组网装置
技术领域
本发明属于空间激光通信领域，涉及一种基于区域分割的空间光通信组网装置。
背景技术
传统空间激光通信由于方向性强、光功率集中、难以窃听等特点，以其高保密性而倍受军事应用的青睐。随着应用的不断发展，空间光通信技术的改型也不断的发展，空间光通信组网技术受到了新的关注。
空间激光通信技术是利用激光束在大气或外层空间中直接进行信息传输的技术，适合应用于无法建立有线或光纤通信网络的场合。空间激光通信与无线电微波通信相比，具有成本低，速率高的特点。激光通信技术由于其单色性好成本低、安装快等特点，而引起各国的高度重视。(参考文献：何熙政,席晓莉.无线激光通信概论[M].北京:北京邮电大学出版社,2004)
随着近年来空间光通信的发展与应用，地对地、地对空、空对空等光通信组网应用需求越来越多，而传统的空间光通信系统往往围绕着高速率的单一链路系统进行，无法满足空间组网需求。迄今为止还未见有能在各通信终端间进行组网的空间光通信的装置，因此，研制一种基于区域分割的空间光通信组网装置有着重要的意义和具有广阔的应用前景。
发明内容
对于空间光通信组网系统而言，区分多目标的不同光信息是重要的技术特点，可靠的激光接收、通用的用户数据接口也都是主要的关键技术。为了能实现空间光通信组网，该装置还需要具有以下功能：(1)高速光调制：由于采用高速率的数字信息流，激光器功率驱动需要考虑有足够高的开关速度和驱动电流，为保护激光器的寿命和适应不同的距离与天气场合，还要考虑激光器功率的自动控制；(2)CCD微弱信号接收：为了适应在恶劣的环境下能可靠的接收还原信号，实现了微弱信号探测技术；(3)数字信号处理：为了保证传输可靠性和通信质量，数字信号通信时需要进行编解码技术。
本发明的基于区域分割的空间光通信组网装置，该装置由发送终端和接收终端两部分构成，如图1所示，其构成如下：接收光学天线1，分光棱镜2，APD接收阵列3，CCD相机4，图像处理单元5，信号处理单元6，多用户输出接口单元7，用户输入接口单元8，激光发射单元9，发射光学天线10；8-9顺次连接组成空间光通信组网装置的发送终端，1-7顺次连接组成空间光通信组网装置的接收终端。工作时，在视场允许的情况下，可以有一个或多个发送终端和一个或多个接收终端进行不同的组网方式。
所述的接收光学天线1：采用普通的广角镜头，以实现大视场的光接收，完成多发射终端的光信号采集。
所述的分光棱镜2：采用非1：1的分光棱镜，将信号光分别送入APD接收阵列3和CCD相机4中，完成光信号的分束。
所述的APD接收阵列3：采用多APD探测器组成大面积阵列式探测单元，将光信号转换为电信号；该单元具有根据发送终端数量任意组合和分割的功能，使每一个发送终端对应的光信号点，有一块单独的接收区域，每一接收区域对应一路信号输出；APD接收阵列3由信号处理单元6来控制分割方法和输出信号路数。
所述的CCD相机4：采用CCD作为探测单元器件，实现将接收光学天线1接收到的光信号转换成视频信号。
所述的图像处理单元5：实现对高帧频视频信号进行数字图像处理，解出相应发送终端的光信号点的数量及位置信息，并将结果以串行数据方式输出。
所述的信号处理单元6：根据图像处理单元5的处理结果，对APD接收阵列3进行分割，并接收APD接收阵列3进行分割后的若干路信号，进行数据的恢复功能，提取时钟和数据交给多用户输出接口单元7。
所述的多用户输出接口单元7：根据接收到的发送终端数量，从控制处理单元6处获得对应发送终端的信息，转换成用户的接口要求，以电信号或光信号的形式输出。
所述的用户输入接口单元9：将用户不同的数据信息转换成统一的适应激光发射单元10所需要的信号电平，主要以电信号或光信号的形式输入，输出均为电信号。
所述的激光发射单元10：将用户输入接口单元9的电信号去驱动激光调制器，输出光信号；采用波长应为CCD相机4所能接收到的波长。
所述的发射光学天线11：将激光发射单元10输出的光信号送入到自由空间中；采用普通的扩束镜头，以实现大视场的光发射，完成多接收终端的覆盖。
在通信的发送端，用户要发送的信息经过用户输入接口单元8转换成统一电平后送到激光发射单元9驱动激光器及调制器转换成光信号，经过发射光学天线10向接收终端所在位置发射出去。
在通信的接收端，接收光学天线1同时接收多个发送终端发出的光信号，经过分光棱镜2一部分光进入CCD相机4，另一部分进入APD接收阵列3；图像处理单元5处理CCD相机4获得的图像信息，分辨出发送终端的数量和各发送终端在图像中的位置，信号处理单元6根据图像处理单元5的结果对APD接收阵列3进行分割，分割APD接收阵列3，使每一个发送终端对应的光信号点，有一块单独的APD接收区域，每一接收区域对应一路电信号输出，信号经信号处理单元6处理后还原出用户信息，并通过多用户输出接口单元7给出不同的接口数据交给接收端的用户。
有益效果
1)针对多点间光通信组网设计，采用了单镜头多路光信号接收设计，整机的体积与复杂度大大降低；
2)采用了CCD图像处理技术捕获发送端位置信息，使发射和接收天线大大减小、简化；
3)采用了可分割的APD面阵接收技术，简化了接收系统；
4)在人眼激光安全范围内，传输距离能达到5Km；
5)本装置结构简单，成本低廉，操作方便。
附图说明
图1为一种基于区域分割的空间光通信组网装置示意图，其中1为接收光学天线，2为分光棱镜，3为APD接收阵列，4为CCD相机，5为图像处理单元，6为信号处理单元，7为多用户输出接口单元，8为用户输入接口单元，9为激光发射单元，10为发射光学天线。
具体实施方式
该装置由接收光学天线1，分光棱镜2，APD接收阵列3，CCD相机4，图像处理单元5，信号处理单元6，多用户输出接口单元7，用户输入接口单元8，激光发射单元9，发射光学天线10组成；其中8-9组成空间光通信组网装置的发送终端，1-7组成空间光通信组网装置的接收终端。
所述的8-9顺次连接组成空间光通信组网装置的发送终端，所述的1-7顺次连接组成空间光通信组网装置的接收终端。工作时，在视场允许的情况下，可以有一个或多个发送终端和一个或多个接收终端进行不同的组网方式。
装置工作过程如下：
步骤1、将一个或多个发送终端和一个或多个接收终端分别安放在需要通信的位置上，调整发射光学天线10和接收光学天线1；在通信的发送端，使每一个发送终端里的发射光学天线10所打出的激光能覆盖到每一个接收终端；在通信的接收端，使每一个接收终端里的接收光学天线1的视场能对向所有发送终端；具体操作时，打开双方电源，利用接收终端里的CCD相机4查看发送终端发射出的激光光斑，调整发送终端的发射光学天线10和接收终端的接收光学天线1，直到在接收终端CCD相机4里出现所有发送终端发射的激光光斑；调整好后固定，以后每次通信前无需再次调整；
步骤2、在通信的发送端，将待发送信息用户的信息输出引线接到用户输入接口单元8的接口上；
步骤3、在通信的接收端，将待接收信息用户的接收引线接到多用户输出接口单元7对应的接口上；存在多用户信息输出时，按照接收终端CCD相机4里出现的光斑从左到右从上到下的顺序给出信号，使用时根据用户通信需要调整接线；
步骤4、打开所有等待通信的通信终端电源，系统即进入通信工作状态，通信双方或多方进行通信。

Claims (3)

1.一种基于区域分割的空间光通信组网装置，其特征在于，该装置由接收光学天线1，分光棱镜2，APD接收阵列3，CCD相机4，图像处理单元5，信号处理单元6，多用户输出接口单元7，用户输入接口单元8，激光发射单元9，发射光学天线10组成；其中8-9组成空间光通信组网装置的发送终端，1-7组成空间光通信组网装置的接收终端；
所述的8-9顺次连接组成空间光通信组网装置的发送终端，所述的1-7顺次连接组成空间光通信组网装置的接收终端；工作时，在视场允许的情况下，可以有一个或多个发送终端和一个或多个接收终端进行不同的组网方式；
所述的接收光学天线1：采用普通的广角镜头，以实现大视场的光接收，完成多发射终端的光信号采集；
所述的分光棱镜2：采用非1：1的分光棱镜，将信号光分别送入APD接收阵列3和CCD相机4中，完成光信号的分束；
所述的APD接收阵列3：采用多APD探测器组成大面积阵列式探测单元，将光信号转换为电信号；该单元具有根据发送终端数量任意组合和分割的功能，使每一个发送终端对应的光信号点，有一块单独的接收区域，每一接收区域对应一路信号输出；APD接收阵列3由信号处理单元6来控制分割方法和输出信号路数；
所述的CCD相机4：采用CCD作为探测单元器件，实现将接收光学天线1接收到的光信号转换成视频信号；
所述的图像处理单元5：实现对高帧频视频信号进行数字图像处理，解出相应发送终端的光信号点的数量及位置信息，并将结果以串行数据方式输出；
所述的信号处理单元6：根据图像处理单元5的处理结果，对APD接收阵列3进行分割，并接收APD接收阵列3进行分割后的若干路信号，进行数据的恢复功能，提取时钟和数据交给多用户输出接口单元7；
所述的多用户输出接口单元7：根据接收到的发送终端数量，从控制处理单元6处获得对应发送终端的信息，转换成电信号形式输出给用户；
所述的用户输入接口单元8：将用户的电信号数据信息转换成统一的适应激光发射单元9所需要的信号电平；
所述的激光发射单元9：将用户输入接口单元8的电信号去驱动激光调制器，输出光信号；采用波长应为CCD相机4所能接收到的波长；
所述的发射光学天线10：将激光发射单元9输出的光信号送入到自由空间中；采用普通的扩束镜头，以实现大视场的光发射，完成多接收终端的覆盖。
2.根据权利要求1所述的一种基于区域分割的空间光通信组网装置，其特征在于，所述的多用户输出接口单元7：根据接收到的发送终端数量，从控制处理单元6处获得对应发送终端的信息，转换成光纤信号形式输出给用户。
3.根据权利要求1所述的一种基于区域分割的空间光通信组网装置，其特征在于，所述的用户输入接口单元9：将用户的光纤信号数据信息转换成统一的适应激光发射单元10所需要的信号电平。
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