CN110233664B - 一种无线光通信的跟瞄控制系统及跟瞄控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线光通信的跟瞄控制系统，包括：发射端和接收端，发射端包括二维伺服控制转台、压电微动平台、伺服控制处理单元和光发射机，伺服控制处理单元还连接有第一定位模块和第一通信模块，接收端包括第一光束检测传感器、第二光束检测传感器、光接收机、控制单元和通信探测器，第一光束传感器和第二光束传感器分别位于光接收机的前后两端，光接收机的后端还设有幕墙，控制单元连接有第二定位模块和第二通信模块；本发明还提供了一种无线光通信的跟瞄控制方法，利用第一光束传感器和第二光束传感器对光发射机的激光束进行捕获，通过二维伺服转台和压电微动平台对光发射机的激光束指向进行调整，实现光发射机和光接收机视轴的精确对准。

Description

一种无线光通信的跟瞄控制系统及跟瞄控制方法

技术领域

本发明属于无线激光通信技术技术领域，涉及一种无线光通信的跟瞄控制系统，还涉及一种无线光通信的跟瞄控制方法。

背景技术

无线光通信又称自由空间光通信(Free-Space Optical ommunication,FSO)，是利用激光作为载波光信号，以大气为传输介质的一种保密性高、通信速率快、带宽广的信息传输方式，在军事和民用领域具有广阔的发展前景，现已日趋成为一种重要的通信方式。

建立无线光通信的前提是通信双方光端机的收发视轴保持精确的对准，但由于激光束具有光束窄、方向性强等特点，通信激光束需要极其精确的指向。除此之外，激光在湍流大气中传输时，会受到大气湍流引起的折射率起伏的影响，会产生光斑抖动、光束飘移和光强闪烁等现象，在远场处形成散斑，对光信号的正常接收造成了不利的影响，严重时甚至会导致通信中断。对准误差和大气湍流的存在限制了无线激光通信系统的性能，这样，就需要捕获、对准、跟踪(Acquisition Pointing and Tracking,APT)系统来建立一条精确、可靠的通信链路，并且在极大程度上补偿大气湍流带来的扰动。

对于远距离无线光通信，具有大运动范围、低带宽、分辨率低的粗对准系统不能满足精确对准的要求。为了实现远距离通信双端的精确对准，需要采用一种粗精对准系统嵌套的复合轴对准方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线光通信的跟瞄控制系统，解决了现有技术中存在的对准系统精度低问题。

本发明的另一目的是提供一种无线光通信的跟瞄控制方法，解决了现有技术中存在的对准方法精度低问题。

本发明所采用的技术方案是，一种无线光通信的跟瞄控制系统，包括：发射端和接收端，发射端包括二维伺服控制转台、压电微动平台、伺服控制处理单元和光发射机，伺服控制处理单元还连接有第一定位模块和第一通信模块，接收端包括第一光束传感器、第二光束传感器、光接收机、控制单元和通信探测器，第一光束传感器和第二光束传感器分别位于光接收机的前后两端，光接收机的后端还设有幕墙，控制单元连接有第二定位模块和第二通信模块；

伺服控制处理单元用于接收二维伺服转台、压电微动平台和控制单元传输的工作状态信息，并向二维伺服转台和压电微动平台发送控制指令；

二维伺服转台和压电微动平台根据伺服控制处理单元发出的控制指令控制光发射机的激光束的发射方向；

光接收机用于接收光发射机发射的激光束，通信探测器用于检测光接收机与光发射机之间是否成功建立连接；

幕墙与第一光束传感器和第二光束传感器的轴线垂直，幕墙用于投射激光束的光斑；

第一光束传感器用于检测光发射端发射的激光束，第二光束传感器用于采集激光束投射到幕墙上的光斑信息，从而对光发射端发射的激光束进行定位；

控制单元用于接收第一光束传感器和第二光束传感器采集到的激光束的信息，并将接收到的信息通过第二通信模块和第一通信模块传输至伺服控制处理单元，控制单元还用于根据第二光束传感器采集到的光斑信息计算激光束相对光接收机的偏移量；

第一定位模块和第二定位模块分别用于对发射端和接收端进行定位，第一通信模块和第二通信模块用于在伺服控制处理单元和控制单元之间建立射频辅助通信连接。

第一定位模块和第二定位模块均为GPS定位模块。

第一通信模块和第二通信模块均为GSM模块。

第一通信模块和第二通信模块均为GPRS模块。

第一光束传感器和第二光束传感器均为高帧频CCD相机。

一种无线光通信的跟瞄控制方法，利用一种无线光通信的跟瞄控制系统，具体跟瞄步骤如下：

步骤1、利用第一定位模块和第二定位模块定位发射端和接收端的位置信息，并将获得的位置信息分别传输至伺服控制处理单元和控制单元；

步骤2、控制单元将步骤1获取的接收端的位置信息通过第二通讯模块和第一通讯模块传输至伺服控制处理单元，伺服控制处理单元根据获取的发射端和接收端的位置信息，向二维伺服转台发出控制指令，由二维伺服转台控制光发射机发射的激光束指向接收端所在的方位；

步骤3、伺服控制处理单元根据步骤2获取的方位信息向二维伺服转台发送控制指令，由二维伺服转台带动光发射机在接收端所在方向的不确定区域进行扫描，接收端的第一光束传感器捕获到激光束时，将捕获的信息反馈至控制单元，控制单元再将接收到的信息通过第一通信模块和第二通信模块传输至伺服控制处理单元，伺服控制处理单元根据接收的信息控制二维伺服转台停止扫描，同时，伺服控制单元根据二维伺服转台的转动速度以及射频辅助通信的延迟时间驱动二维伺服转台反向转动相应的角度，使激光束进入第一光束传感器的视场；

步骤4、在激光束进入第一光束传感器的视场后，伺服控制处理单元向二维伺服转台发送控制指令，二维伺服控制转台带动光发射机在第一光束传感器的视场内扫描，直至幕墙范围内出现激光束的光斑，第二光束传感器捕获到幕墙上的光斑，并将捕获的信息反馈至控制单元，控制单元再将接收到的信息通过第一通信模块和第二通信模块传输至伺服控制处理单元，伺服控制处理单元根据接收的信息控制二维伺服转台停止扫描；

步骤5、根据步骤4获取的光斑信息，控制单元计算出激光束投射到幕墙上的光斑相对光接收机的偏移量；

步骤6、根据步骤5中获取的偏移量信息，伺服控制处理单元驱动二维伺服转台和压电微动平台工作，带动光发射机转动，使光发射机与光接收机的视轴精确对准。

本发明的有益效果是，本发明采用光束发射端粗对准执行机构与精对准伺服机构机械连接的嵌套方式，完成了绝对意义上的精确对准，即实现激光光束主光轴与接收天线视轴相重合，避免了在接收端利用偏摆镜作为精对准系统所需要的复杂光路设计，以及由分光棱镜所带来的通信光功率的损耗。在进行远距离无线光通信时，传统的对准方式难以满足很高的对准精度，而本发明提出的嵌套伺服控制系统通过提高伺服执行单元的精度，即可同时完成大范围扫描和高精度对准。

附图说明

图1是本发明一种无线光通信的跟瞄控制系统原理图；

图2是本发明一种无线光通信的跟瞄控制系统的发射端控制结构图；

图3是本发明一种无线光通信的跟瞄控制系统的初始指向系统框图；

图4是本发明一种无线光通信的跟瞄控制系统捕获光斑时光斑的移动轨迹示意图；

图5是本发明一种无线光通信的跟瞄控制系统对准阶段光斑的移动轨迹示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种无线光通信的跟瞄控制系统，如图1所示，包括：发射端和接收端，发射端包括二维伺服控制转台、压电微动平台、伺服控制处理单元和光发射机，伺服控制处理单元还连接有第一定位模块和第一通信模块，接收端包括第一光束传感器、第二光束传感器、光接收机、控制单元和通信探测器，第一光束传感器和第二光束传感器分别位于光接收机的前后两端，光接收机的后端还设有幕墙，控制单元连接有第二定位模块和第二通信模块；

伺服控制处理单元用于接收二维伺服转台、压电微动平台和控制单元传输的工作状态信息，并向二维伺服转台和压电微动平台发送控制指令；

二维伺服转台和压电微动平台根据伺服控制处理单元发出的控制指令控制光发射机的激光束的发射方向；

光接收机用于接收光发射机发射的激光束，通信探测器用于检测光接收机与光发射机之间是否成功建立连接；

幕墙与第一光束传感器和第二光束传感器的轴线垂直，幕墙用于投射激光束的光斑；

第一光束传感器用于检测光发射端发射的激光束，第二光束传感器用于采集激光束投射到幕墙上的光斑信息，从而对光发射端发射的激光束进行定位；

控制单元用于接收第一光束传感器和第二光束传感器采集到的激光束的信息，并将接收到的信息通过第二通信模块和第一通信模块传输至伺服控制处理单元，控制单元还用于根据第二光束传感器采集到的光斑信息计算激光束相对光接收机的偏移量；

第一定位模块和第二定位模块分别用于对发射端和接收端进行定位，第一通信模块和第二通信模块用于在伺服控制处理单元和控制单元之间建立射频辅助通信连接。

第一定位模块和第二定位模块均为GPS定位模块。

第一通信模块和第二通信模块均为GSM模块。

第一通信模块和第二通信模块均为GPRS模块。

第一光束传感器和第二光束传感器均为高帧频CCD相机。

一种无线光通信的跟瞄控制方法，利用一种无线光通信的跟瞄控制系统，具体跟瞄步骤如下：

步骤1、定位阶段，利用第一定位模块和第二定位模块定位发射端和接收端的位置信息，并将获得的位置信息分别传输至伺服控制处理单元和控制单元；

步骤2、激光束初始指向，控制单元将步骤1获取的接收端的位置信息通过第二通讯模块和第一通讯模块传输至伺服控制处理单元，伺服控制处理单元根据获取的发射端和接收端的位置信息，向二维伺服转台发出控制指令，由二维伺服转台控制光发射机发射的激光束指向接收端所在的方位，由于初始指向存在误差，所以需要驱动伺服转台在不确定区域内进行扫描；

步骤3、初级扫描阶段，伺服控制处理单元根据步骤2获取的方位信息向二维伺服转台发送控制指令，由二维伺服转台带动光发射机在接收端所在方向的不确定区域进行扫描，接收端的第一光束传感器捕获到激光束时，将捕获的信息反馈至控制单元，控制单元再将接收到的信息通过第一通信模块和第二通信模块传输至伺服控制处理单元，伺服控制处理单元根据接收的信息控制二维伺服转台停止扫描，同时，伺服控制单元根据二维伺服转台的转动速度以及射频辅助通信的延迟时间驱动二维伺服转台反向转动相应的角度，使激光束进入第一光束传感器的视场；

步骤4、在激光束进入第一光束传感器的视场后，根据步骤3获取的位置信息，伺服控制处理单元向二维伺服转台发送控制指令，二维伺服控制转台带动光发射机在第一光束传感器的视场内扫描，直至幕墙范围内出现激光束的光斑，第二光束传感器捕获到幕墙上的光斑，并将捕获的信息反馈至控制单元，控制单元再将接收到的信息通过第一通信模块和第二通信模块传输至伺服控制处理单元，伺服控制处理单元根据接收的信息控制二维伺服转台停止扫描；

步骤5、计算偏移量，根据步骤4获取的光斑信息，控制单元计算出激光束投射到幕墙上的光斑相对光接收机的偏移量；

步骤6、对准阶段，根据步骤5中获取的偏移量信息，伺服控制处理单元驱动二维伺服转台和压电微动平台工作，带动光发射机转动，使光发射机与光接收机的视轴精确对准，完成无线激光通信链路的建立。

如图2所示，本发明发射端控制结构是由作为粗对准执行机构的二维伺服转台与作为精对准执行机构的压电微动平台机械连接而组成的。粗对准执行机构可以实现方位360°，俯仰-70°～70°的转动，具有大的动态范围，但其带宽窄、精度较低，主要用于光束的初始指向、捕获扫描、粗对准以及光链路的恢复阶段。精对准执行机构具有精度高、带宽大等特点，主要是用于光束的精对准与精跟踪阶段。电机控制器用以控制粗精伺服执行机构的运动状态，并实时监控执行机构状态(采集伺服执行机构当前姿态角度)，电机控制器连接伺服控制处理单元，通过控制处理器对电机驱动器进行指令输出，进而控制协调粗精伺服执行单元进行工作。

如图3所示，本发明的初始指向系统由GPS定位模块、控制处理单元以及GSM/GPRS通信模块组成，发射端和接收端通过GPS定位模块搜索卫星信号，获取自身位置信息，伺服控制处理单元和控制单元分别采集自身位置信息并通过射频辅助通信模块将自身的位置信息发送给对方，发射端和接收端即可获知彼此位置完成光束的初指向。本实例的射频辅助通信方式是采用Socket网络端口+GSM模块协同完成，与传统ATP系统采用单一的GSM 模块进行辅助通信相比，本实例在网络良好的情况下利用Socket网络端口通信能够有效的降低GSM模块通信所带来的延迟，并且能够在通用分组无线网络覆盖不到的地方切换到电路交换数据业务方式传输。

如图4所示，本发明的扫描模式采用正四边形覆盖，覆盖率为15％的矩形扫描(扫描模式通常分为三种，即矩形扫描、螺旋扫描和螺旋光栅扫描。由于本实例中二维伺服转台的俯仰和方位误差方差较大，故采用矩形扫描方式最佳)，其轨迹可以简单的分为1～4步骤。当接收端前端高帧频CCD相机捕获到光斑，停止发送端扫描，并驱动二维伺服转台反向运动以补偿射频辅助通信的延迟。

完成捕获后，接收端天线后端高帧频CCD相机对激光束投射到幕墙上的光斑信息进行采集，并将采集的信息传输至控制单元，由控制单元计算激光束相对光接收机视轴的偏移量，再将计算结果传输至伺服控制处理单元，由伺服控制处理单元经过粗对准过程和精对准过程驱动二维伺服转台和压电微动平台工作，由二维伺服转台和压电微动平台控制光发射机的激光束的指向，从而完成光发射机和光接收机的视轴精确对准。

粗对准过程中，伺服处理单元根据采集的二维伺服转台角度反馈信息与通过射频辅助通信获取的激光束相对光接收机视轴的偏移量计算出粗对准执行机构需要转动的角度，再驱动二维伺服转台完成激光束粗对准，由于粗对准执行机构的精度有限，不能够精确的指向光接收机的视轴，所以在粗对准过程，主要是将光斑位置中心移动到精对准动态范围内，以便精对准阶段有效的执行。

如图5所示，激光束投射到幕墙5-1上的光斑为目标光斑5-2，目标光斑5-2的中心为光斑中心5-3，光接收机的视轴中心为目标靶心5-5，目标靶心附近的区域为精对准动态范围5-4，粗对准过程中，只需要通过二维伺服转台驱动光发射机将目标光斑5-2的光斑中心5-3移动到精对准动态范围5-4 内，而无需准确的将光斑中心5-3和目标靶心5-5对齐。

粗对准完成后，光斑中心5-3已经处于精对准动态范围5-4内，这时再驱动压电微动平台，令光斑中心5-3与目标靶心5-5重合，即可完成精对准。精对准过程中，根据光斑中心5-3距目标靶心5-5的偏移量和精对准执行机构自身位置信息(此时系统的光通信链路已经建立，光束误差信号可以直接通过激光链路反馈至发送端)，计算出偏摆的角度，并由伺服控制单元驱动压电微动平台将光斑中心5-3移动至与目标靶心5-5重合，此时完成精对准过程。

由于激光在湍流大气中传输时，会受到大气湍流引起的折射率起伏的影响，会产生光斑抖动、光束飘移和光强闪烁等现象，目标位置中心会偏移出目标靶心，通信探测器对不同的情况进行探测，并根据需要重新执行上述部分步骤，具体包括一下三种情况

(1)光斑在精对准执行机构的动态范围内抖动。当光斑位置中心并未偏移出精对准执行机构的动态范围(该情况光斑抖动频率通常较高)，此时利用精对准执行机构的高伺服带宽性能对光斑抖动在极大程度上进行抑制。

(2)光斑偏移精对准执行机构的动态范围外。当光斑位置中心偏移出精对准执行机构的动态范围(该情况出现的概率很低)，此时需要驱动粗对准执行机构将光斑位置中心重新移至精对准执行机构的动态范围内，然后通过经对准执行机构完成光束的精确指向。

(3)光斑的偏移量较大，移出了通信探测器探测的范围，此时无线光通信彻底断开，这时系统重新执行上述全部步骤方可重新完成对激光束的捕获、对准和跟踪。

Claims (6)

1.一种无线光通信的跟瞄控制系统，其特征在于，包括：发射端和接收端，所述发射端包括二维伺服控制转台、压电微动平台、伺服控制处理单元和光发射机，所述伺服控制处理单元还连接有第一定位模块和第一通信模块，所述接收端包括第一光束传感器、第二光束传感器、光接收机、控制单元和通信探测器，所述第一光束传感器和第二光束传感器分别位于光接收机的前后两端，所述光接收机的后端还设有幕墙，所述控制单元连接有第二定位模块和第二通信模块；

所述伺服控制处理单元用于接收二维伺服转台、压电微动平台和控制单元传输的工作状态信息，并向二维伺服转台和压电微动平台发送控制指令；

所述二维伺服转台和压电微动平台根据伺服控制处理单元发出的控制指令控制光发射机的激光束的发射方向；

所述光接收机用于接收光发射机发射的激光束，所述通信探测器用于检测光接收机与光发射机之间是否成功建立连接；

所述幕墙与第一光束传感器和第二光束传感器的轴线垂直，所述幕墙用于投射激光束的光斑；

所述第一光束传感器用于检测光发射端发射的激光束，所述第二光束传感器用于采集激光束投射到幕墙上的光斑信息，从而对光发射端发射的激光束进行定位；

所述控制单元用于接收第一光束传感器和第二光束传感器采集到的激光束的信息，并将接收到的信息通过第二通信模块和第一通信模块传输至伺服控制处理单元，所述控制单元还用于根据第二光束传感器采集到的光斑信息计算激光束相对光接收机的偏移量；

所述第一定位模块和第二定位模块分别用于对发射端和接收端进行定位，所述第一通信模块和第二通信模块用于在伺服控制处理单元和控制单元之间建立射频辅助通信连接。

2.如权利要求1所述的一种无线光通信的跟瞄控制系统，其特征在于，所述第一定位模块和第二定位模块均为GPS定位模块。

3.如权利要求1所述的一种无线光通信的跟瞄控制系统，其特征在于，所述第一通信模块和第二通信模块均为GSM模块。

4.如权利要求1所述的一种无线光通信的跟瞄控制系统，其特征在于，所述第一通信模块和第二通信模块均为GPRS模块。

5.如权利要求1所述的一种无线光通信的跟瞄控制系统，其特征在于，所述第一光束传感器和第二光束传感器均为高帧频CCD相机。

6.一种无线光通信的跟瞄控制方法，其特征在于，利用权利要求1至5中任意一项所述的一种无线光通信的跟瞄控制系统，具体跟瞄步骤如下：

步骤1、利用第一定位模块和第二定位模块定位发射端和接收端的位置信息，并将获得的位置信息分别传输至伺服控制处理单元和控制单元；

步骤2、控制单元将步骤1获取的接收端的位置信息通过第二通讯模块和第一通讯模块传输至伺服控制处理单元，伺服控制处理单元根据获取的发射端和接收端的位置信息，向二维伺服转台发出控制指令，由二维伺服转台控制光发射机发射的激光束指向接收端所在的方位；

步骤3、伺服控制处理单元根据步骤2获取的方位信息向二维伺服转台发送控制指令，由二维伺服转台带动光发射机在接收端所在方向的不确定区域进行扫描，接收端的第一光束传感器捕获到激光束时，将捕获的信息反馈至控制单元，控制单元再将接收到的信息通过第一通信模块和第二通信模块传输至伺服控制处理单元，伺服控制处理单元根据接收的信息控制二维伺服转台停止扫描，同时，伺服控制单元根据二维伺服转台的转动速度以及射频辅助通信的延迟时间驱动二维伺服转台反向转动相应的角度，使激光束进入第一光束传感器的视场；

步骤4、在激光束进入第一光束传感器的视场后，伺服控制处理单元向二维伺服转台发送控制指令，二维伺服控制转台带动光发射机在第一光束传感器的视场内扫描，直至幕墙范围内出现激光束的光斑，第二光束传感器捕获到幕墙上的光斑，并将捕获的信息反馈至控制单元，控制单元再将接收到的信息通过第一通信模块和第二通信模块传输至伺服控制处理单元，伺服控制处理单元根据接收的信息控制二维伺服转台停止扫描；

步骤5、根据步骤4获取的光斑信息，控制单元计算出激光束投射到幕墙上的光斑相对光接收机的偏移量；

步骤6、根据步骤5中获取的偏移量信息，伺服控制处理单元驱动二维伺服转台和压电微动平台工作，带动光发射机转动，使光发射机与光接收机的视轴精确对准。

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