CN110336613B - 一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统及控制方法，属于激光通信技术领域，特别是检流式振镜的光通信系统。本发明提出了采用检流式振镜替代粗精两级构建捕跟机构的方案，简化系统复杂度；针对杂光干扰问题，提出了可人为参与捕获的方法，加快捕获的速度。本发明创新性的采用了一级跟瞄的方式，结合成熟的商用光收发模块，可兼容有线通信链路，非常有利于以较低的成本、较小的技术复杂度，搭建轻快型无线光通信系统，有助于无线光通信小型化和商用化发展。

Description

一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统及控制方法

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，特别是检流式振镜的光通信系统。

背景技术

在当今信息时代下，通信技术不断革新，各个国家早已展开对5G、6G的研究。而光通信技术发展速度也十分迅猛，因其具有容量大、速率高、功耗低、保密性高及抗干扰性强等独有特点，被广泛的应用于海洋、陆地、太空等，且被美国《国家防务》定义为颠覆性技术。同时，两大商业巨头Google、Facebook分别利用热气球、无人机大力推进无线光接入网计划，为偏远地区提供快速光无线网络服务。随着科技的发展，无线光通信对未来全球通信有着重要的影响，具有广阔的应用前景。

在卫星光通信领域，美国、欧洲、中国等世界主要强国都已经成功开展了地-月、低轨卫星-低轨卫星、低轨卫星-地等多种卫星光通信试验。卫星光通信终端典型结构为粗级捕跟机构(含收发合一天线)置于舱外，精级捕跟机构和通信模块置于舱内。卫星光通信典型捕跟机构主要采用粗精两级捕跟机构，解决窄光束在近半球型大空域内的精密对准问题；采用射频勤务通道，解决通信双方的链路初始化问题。

在机载光通信领域，美国空军、NASA下属的JPL实验室、欧洲空间局都已经成功开展了机-地、机间光通信实验。机载光通信典型捕跟机构与卫星光通信相似，采用粗精两级捕跟机构进行窄光束大空域精密对准、采用射频勤务通道进行初始化。与卫星光通信不同的是，为了抑制大气湍流和气动湍流效应，采用多光束发射和大口径接收方式。

在舰船光通信领域，舰船光通信主要由美国和德国开展，涉及两种截然不同的技术方案。一种是回溯光通信方案，另一种是粗精两级捕跟方案。回溯光通信的核心器件是MEMS工艺制成的调制角反射器，调制角反射器的工作方式是单工的，适合某个通信终端功率和安装位置严重受限的场合。粗精两级捕跟方案是舰载光通信中普遍采用的研究方案，应用场合较多。

在卫星、机载、舰船领域中，无线光通信系统普遍采用的粗精两级捕跟机构是在系统成功捕获信标光后，粗跟踪伺服单元快速实现动态粗跟踪，以保证目标进入并稳定在精跟踪视场内。然后精跟踪伺服单元对粗跟踪残差进一步抑制，以此来实现系统的高精度跟踪，建立通信光链路的。这种粗精两级的捕跟机构，结构复杂、研制成本高，不利于维护；并且现有粗精两级捕跟机构普遍采用自动扫描捕获的方式，在杂光背景下，链路开通极易受影响，严重影响了无线光通信的商用化、民用化发展。

发明内容

针对捕跟机构复杂性问题，本发明提出了采用检流式振镜替代粗精两级构建捕跟机构的方案，简化系统复杂度；针对杂光干扰问题，提出了可人为参与捕获的方法，加快捕获的速度。本发明创新性的采用了一级跟瞄的方式，结合成熟的商用光收发模块，可兼容有线通信链路，非常有利于以较低的成本、较小的技术复杂度，搭建轻快型无线光通信系统，有助于无线光通信小型化和商用化发展。

本发明技术方案为一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统，该系统包括:输入光路、输出光路、图像采集模块、控制系统；所述输入光路包括：检流式振镜、分色片、耦合镜、多模光纤跳线、光收发模块，输入光通过检流式振镜输入，然后依次经过分色片、耦合镜、多模光纤跳线后输入光收发模块，通过光纤收发模块将光信号转换为电信号后输出；所述输出光路包括：光收发模块、单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片、检流式振镜，光收发模块接收到电信号后，将电信号转换为光信号，该光信号依次经过单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片后输入检流式振镜，通过检流式振镜输出；所述输入光路和输出光路共用同一个光收发模块、分色片、检流式振镜，所述输入光路和输出光路中的一路光使用分色片的反射功能，另一路使用分色片的透射功能；所述图像采集模块包括：分束片、聚焦镜、滤光片、图像传感器，所述分束镜设置于输入光路中，位于分色片与耦合镜之间，将输入光路中的输入光额外的分出一束，然后依次经过聚焦镜、滤光片后输入图像传感器；所述控制系统包括：数据采集器、陀螺仪、控制器，所述控制器接收图像传感器的信号，并根据图像传感器是否接收到光信号或接收到光信号的强弱产生对检流式振镜俯仰方位角的控制信号，并将该控制信号输入给数据采集器；所述数据采集器需要采集陀螺仪的滚转角速率、采集检流式振镜的俯仰方位角、发出从控制器接收到的对检流式振镜的控制信号。

进一步的，所述控制系统还额外包括有操控手柄和图像显示器，所述操控手柄发出对检流式振镜的控制指令并传输给控制器，所述控制器将接收到的图像传感器的信号传输给图像显示器进行显示，图像显示器为操控者提供操控手柄的辅助信息。

一种用于无线光通信系统中的操控手柄的控制方法，该方法的核心为手柄控制量输出按坐标旋转关系变换到检流式振镜俯仰角的变化，即

C_x＝xcosθ_z-ysinθ_z,C_y＝xcosθ_z+ysinθ_z

其中，x表示手柄方位向输入量，y表示手柄俯仰向输入量，θ_z表示陀螺仪的滚转角，C_x表示手柄在x方向的控制量输出，C_y表示手柄在y方向的控制量输出。

第一阶段为捕获阶段，即捕获对方信标光。通过操作手柄来直接控制振镜，振镜内部拨片会做出相应的旋转，调整信标光路，从而使得信标光斑向跟踪窗口运动。

一种用于无线光通信系统中自动跟踪时的图像跟踪方法，该方法为根据图像传感器的数据设置一个跟踪窗口m×n，并显示在图像显示器上；首先人工控制手柄扫描直接使信标光斑向跟踪窗口运动；当跟踪窗口区域内的灰度大于检测阈值时，采用图像重心跟踪方法对光斑进行自动跟踪；图像重心跟踪方法为

其中，x表示跟踪窗口中像素点的横坐标，y表示跟踪窗口中像素点的纵坐标，m表示窗口x坐标轴像素个数，n表示窗口y坐标轴像素个数，(x_p,y_p)表示信标光斑重心，h_t表示事先设置的灰度阈值；

对于跟踪窗口内光斑运动的控制，当考虑滚转角θ_z时，即为坐标旋转下的跟踪；假设角坐标系XOY中某点A旋转θ_z角度时，在旋转角坐标系X′OY′中为A′点，要使得A′点保持在原来的A点位置，则分别计算A′A在X′轴和Y′轴上的投影量差值，使检流式振镜控制轴与陀螺传感轴同轴。

进一步的，所述h_t的值为200。

一种用于无线光通信系统中振镜方位向和俯仰向控制的消像旋方法，该方法根据图像俯仰方位轴与振镜俯仰方位轴存在14°固定偏置，将方位向与俯仰向的实际跟踪控制量修改为：

t_x＝U_ysin14°-U_xcos14°,t_y＝U_xsin14°-U_ycos14°

其中:U_x表示图像x控制输出，U_y表示图像y控制输出，t_x表示振镜方位向实际跟踪控制量，t_y表示振镜俯仰向实际跟踪控制量；

该处以计算出的图像重心(x_p,y_p)为基础，得出图像的控制量输出(U_x,U_y)，从PID控制角度来说，输出(U_x,U_y)本质上即为偏差信号的P(比例)处理，然后根据14°固定偏置，推出实际跟踪控制量(t_x,t_y)。

修正了14°固定像旋后，此时的图像与振镜还存在着90°的偏转，故在跟踪状态下，振镜方位向和俯仰向控制量进行重新设定，即

V_x＝(x+t_y)cosθ_z-(y+t_x)sinθ_z,V_y＝(x+t_y)sinθ_z-(y+t_x)cosθ_z

其中：x、y分别表示手柄方位向和俯仰向输入量，V_x表示振镜方位向的控制量，V_y表示振镜俯仰向的控制量，θ_z表示陀螺仪的滚转角。

第二阶段为跟踪阶段，对方信标光斑已经在跟踪窗口，故不需要操作手柄，所以此处的x与y的输入量为0即可。

本发明的工作流程设计如图2所示，初始化包括数据采集器、高帧频图像传感器和操作手柄的软件初始化。陀螺输出预处理用于修正因放大电路温漂产生的偏置电压输出。指示激光由可见光激光器准直发射，通过手柄控制振镜改变图像传感器观察方位，如果双方约定的位置附近出现指示光，则完成了无射频勤务通道的、人工辅助链路初始化。进一步调整图像传感器观察方位，当对方指示光进入更小的图像跟踪窗口后，可开启图像跟踪程序。此时仅使用陀螺滚转轴姿态信息、而不再依赖陀螺俯仰方位轴姿态信息。当跟踪结束后，将自动存储振镜控制量、陀螺输出角度、手柄控制量、跟踪控制量、工作时间、图像传感器输出图片等数据。

附图说明

图1为基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统框图；

图2为本发明所述的无线光通信系统工作流程图；

图3为本发明所述的无线光通信系统实物图；

图4为使振镜控制轴与陀螺传感轴同轴的原理图。

具体实施方式

本发明所述的无线光通信系统具体实施方案如下：

根据附图1对本发明一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统进行详细的说明：

(1)光收发模块。绿光激光器通过光源驱动，输出功率稳定的近高斯基模光束；该光束通过商用准直镜后，发散角可达mrad量级，然后经过分色片反射进入振镜，最后经过振镜两块镜面反射后向对方发射。

(2)检流式振镜。本发明的光束指向控制器件采用扫描范围为正负15度、执行精度优于10μrad、执行带宽优于20Hz的检流式振镜，它是一种广泛应用于3D打印的光束指向控制机构，在无线光通信中的应用案例极其稀少。若正负15度的俯仰方向扫描范围不够，可简单配置通过步进电机和滚珠丝杠驱动的光学转台，只需要补偿角度变化即可实现180度方位覆盖。相对于粗精两级捕跟机构而言，检流式振镜具有转动范围小于典型粗对准机构、大于典型精对准机构，执行精度高于典型粗对准机构、低于典型精对准机构的特点，只需要控制镜面转动，负载简单，不需要配备大功率伺服电机和精密光电码盘，可以大大节省粗跟踪机构成本，非常适合转动范围要求不大、精度要求较高、需要快速部署的无线光通信应用需求。

(3)陀螺仪。本发明的陀螺仪采用零偏稳定性4度/h的开环光纤陀螺，开环光纤陀螺使用时需要通过预采集方式消除温漂。即是将预采集陀螺输出的传感角速度积分成角度，然后计算相对传输轴的滚转角。因振镜是俯仰方位补偿，在有滚转角的情况下，俯仰方位补偿量要重新换算。

(4)数据采集器。数据采集器使用一个AD输入通道来采集光纤陀螺的滚转角速率输出数据，使用二个通道DA输出通道来控制振镜俯仰方位轴。其中，AD输入通道采用多通道轮询连续采集模式，单端输入方式连接，采样频率90KHz，量程±10mV，转换精度16位。DA输出通道采样频率1M/s，量程±5mV，转换精度16位。

(5)图像采集模块。该模块包括高帧频面阵探测器和聚焦镜。面阵探测器主要是用来提取光斑的，使捕获阶段能快速瞄准对方的位置。对方发射的红色激光经过振镜两块镜面反射后，透过收发分色片，再经聚焦镜聚焦和滤光片后，照射到高帧频面阵探测器感光面上，实现光束的接收。

(6)本系统主要通过光收发模块来实现光信号和电信号的转换。由于多模光纤跳线芯径大、便于接收，所以光收发模块的输入端由多模光纤跳线与耦合镜和分束片相连。而单模光纤跳线仅仅用于传输，故输出端由单模光纤跳线与光放大器和准直镜相连。

(7)分色片和滤光片。分色片分别为红透绿反和绿透红反分色片，且采用自定心光学夹具夹持。滤光片在图像传感器内部粘接，主要作用是滤除背景光。

(8)控制器和操控手柄。控制器采用嵌入式软件Labview 2013，操控手柄采用微软Xbox360手柄，两者配合使用。在链路初始化时接收人工控制指令，来控制检流式振镜快速瞄准对方区域。

(9)图像显示模块。高帧频面阵探测器接收的图像数据传输至图像显示模块，在捕获时为人工操控提供图像显示，若无人操控则自动大视场扫描捕获，进入跟踪状态后，面阵探测器开窗读取。

在海面上，为避免可见激光干扰航行，使两船间距约6公里并行或前后行进。试验地点选择船舱内或者驾驶室顶部。舱内实验不受天气影响，试验时将窗户打开，注意窗户反射。驾驶室顶部实验时应避开甲板潮湿环境。根据外场条件使用最小激光发射功率进行试验。

试验人员通过对讲机初步对准对方实验机方向，首先进行人工辅助初始化。夜间时，当红外指示灯安装在YW21号驾驶室时，由于相机接收视场2.85×1.84度，在1km距离上可覆盖49.58m×32.46m方形区域，手柄每次控制步长为0.046度。在手柄控制下，相机视场很容易覆盖舰船整个驾驶舱。只要红外指示灯对准误差小于15度，便能在数秒内，通过人眼和相机图像对比辨识、或通过遮挡光源等方式发现并定位红外指示灯位置。另外，由于夜间参照物较少，试验时不采用滤光片。白天时，当接收视场对准约定位置时，两船航线夹角小于指示灯角度范围时，能够立即发现信号。

然后进入自动跟踪状态，直接计算图像中心区域20×20的像素窗口内的图像灰度重心，若重心偏离图像中心，则控制振镜设法使跟踪窗口内的图像灰度重心与图像中心重合。记录跟踪图像、计算重心随时间变化曲线、统计重心方差、结合光学参数换算跟踪误差。当船停锚时，跟踪码头上一静止的、正在反射太阳光的目标。跟踪数据均值0.2458像素、标准方差0.3640像素。根据标准方差换算跟踪精度为0.3640×5μm/75mm＝24.26μrad。当船行进时，跟踪另一个船尾的红外指示灯。行进过程中的跟踪数据均值0.5933像素、标准方差0.7096像素。根据标准方差换算跟踪精度为0.3640×5μm/75mm＝47.31μrad。

从试验结果看，本发明系统所采用的检流式振镜能够较为容易的达到数十μrad的跟踪精度，与典型万向节光电跟踪机构典型指标0.05度(870μrad)相比更加精确。

Claims (4)

1.一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统，该系统包括:输入光路、输出光路、图像采集模块、控制系统；所述输入光路包括：检流式振镜、分色片、耦合镜、多模光纤跳线、光收发模块，输入光通过检流式振镜输入，然后依次经过分色片、耦合镜、多模光纤跳线后输入光收发模块，通过光纤收发模块将光信号转换为电信号后输出；所述输出光路包括：光收发模块、单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片、检流式振镜，光收发模块接收到电信号后，将电信号转换为光信号，该光信号依次经过单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片后输入检流式振镜，通过检流式振镜输出；所述输入光路和输出光路共用同一个光收发模块、分色片、检流式振镜，所述输入光路和输出光路中的一路光使用分色片的反射功能，另一路使用分色片的透射功能；所述图像采集模块包括：分束片、聚焦镜、滤光片、图像传感器，分束镜设置于输入光路中，位于分色片与耦合镜之间，将输入光路中的输入光额外地分出一束，然后依次经过聚焦镜、滤光片后输入图像传感器；所述控制系统包括：数据采集器、陀螺仪、控制器，所述控制器接收图像传感器的信号，并根据图像传感器是否接收到光信号或接收到光信号的强弱产生对检流式振镜俯仰方位角的控制信号，并将该控制信号输入给数据采集器；所述数据采集器需要采集陀螺仪的滚转角速率、采集检流式振镜的俯仰方位角、发出从控制器接收到的对检流式振镜的控制信号；其特征在于，所述控制系统还包括有操控手柄和图像显示器，所述操控手柄发出对检流式振镜的控制指令并传输给控制器，所述控制器将接收到的图像传感器的信号传输给图像显示器进行显示，图像显示器为操控者提供操控手柄的辅助信息；

通过如下消像旋方法控制所述无线光通信系统中检流式振镜方位向和俯仰向，该消像旋方法根据图像俯仰方位轴与检流式振镜俯仰方位轴存在14°固定偏置，将方位向与俯仰向的实际跟踪控制量修改为：

t_x＝U_ysin14°-U_xcos14°,t_y＝U_xsin14°-U_ycos14°

其中:U_x表示图像x控制输出，U_y表示图像y控制输出，t_x表示检流式振镜方位向实际跟踪控制量，t_y表示检流式振镜俯仰向实际跟踪控制量；

修正了14°固定像旋后，此时的图像与检流式振镜还存在着90°的偏转，故在跟踪状态下，检流式振镜方位向和俯仰向控制量进行重新设定，即

V_x＝(x+t_y)cosθ_z-(y+t_x)sinθ_z,V_y＝(x+t_y)sinθ_z-(y+t_x)cosθ_z

其中：x、y分别表示手柄方位向和俯仰向输入量，V_x表示检流式振镜方位向的控制量，V_y表示检流式振镜俯仰向的控制量，θ_z表示陀螺仪的滚转角。

2.一种用于权利要求1所述的无线光通信系统中的操控手柄的控制方法，该方法的核心为手柄控制量输出按坐标旋转关系变换到检流式振镜俯仰角的变化，即

C_x＝xcosθ_z-ysinθ_z,C_y＝xcosθ_z+ysinθ_z

其中，x表示手柄方位向输入量，y表示手柄俯仰向输入量，θ_z表示陀螺仪的滚转角，C_x表示手柄在x方向的控制量输出，C_y表示手柄在y方向的控制量输出。

3.一种用于权利要求1所述无线光通信系统中自动跟踪时的图像跟踪方法，该方法为根据图像传感器的数据设置一个跟踪窗口m×n，并显示在图像显示器上；首先人工控制手柄扫描直接使信标光斑向跟踪窗口运动；当跟踪窗口区域内的灰度大于检测阈值时，采用图像重心跟踪方法对光斑进行自动跟踪；图像重心跟踪方法为

其中，x表示跟踪窗口中像素点的横坐标，y表示跟踪窗口中像素点的纵坐标，m表示窗口x坐标轴像素个数，n表示窗口y坐标轴像素个数，(x_p,y_p)表示信标光斑重心，h_t表示事先设置的灰度阈值；

对于跟踪窗口内光斑运动的控制，当考虑滚转角θ_z时，即为坐标旋转下的跟踪；假设角坐标系XOY中某点A旋转θ_z角度时，在旋转角坐标系X′OY′中为A′点，要使得A′点保持在原来的A点位置，则分别计算A′A在X′轴和Y′轴上的投影量差值，使检流式振镜控制轴与陀螺传感轴同轴。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述h_t的值为200。

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