CN110739994B

CN110739994B - 一种自由空间光通信链路建立方法

Info

Publication number: CN110739994B
Application number: CN201911012043.0A
Authority: CN
Inventors: 陈声健; 张在琛; 冯成义
Original assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Current assignee: Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2039-10-23
Also published as: CN110739994A

Abstract

本发明公开一种自由空间光通信链路建立方法，基于收发一体化光通信装置，包括以下步骤：发射器循环发射低频识别信号与高频前导信号的合成信号；合成信号的一部分进入对端接收器的跟瞄相机，其中的识别信号被所述跟瞄相机提取，调整使目标光源落在跟瞄相机的正中心；对端发射器发射相同的合成信号指向当前端的接收器，当前端发射器停止扫描，回指向对端接收器，完成信号的双向捕获。本发明利用捕获相机的感光带宽，将目标识别的低频调制信号和通信使用的高频调制信号结合起来，在捕获阶段通过激光器循环发送合成的调制信号，让对端跟瞄相机迅速识别正确的目标光源，并在光轴对准的时候能同时解调出前导信号，从而有效缩短通信链路的建立时间。

Description

一种自由空间光通信链路建立方法

技术领域

本发明属于自由空间光通信技术领域，特别涉及一种自由空间光通信链路建立方法。

背景技术

随着无线通信技术和业务的发展，人们对带宽的需求不断提高，但由于射频频谱资源的有限和昂贵，人们将视线投入到光谱范围，开始研究自由空间的光通信。光通信的带宽资源丰富(约200THz)，光谱使用无需申请和付费，通信过程的对准要求使被窃听可能性大大减小，以及没有电磁辐射等优势，使其被主要用于卫星和地面、卫星之间以及地面复杂而难于布线的环境。

对于地面大气短距离自由空间光通信而言，虽然光束对准的精确性没有星地之间要求那么高，但是因为存在大气扰动，环境震动甚至目标低速移动的原因，仍然必须采用捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统来完成信道的建立。ATP系统包括光学天线、分光棱镜、粗瞄装置、精瞄装置构成，当距离较短时，精瞄装置可以省略。快速自动地捕获对端信号和建立双向通信是信息传输的基础。专利CN201010185116.9提出了一种基于位置敏感探测器的自动光束捕获方法，虽然该方法直接使用信号光参与捕获，并基于PSD(四象限探测器)检测光束的偏差量，但是由于检测对端信号的视野非常小，对初始位置信息的准确性要求很高，对于低速移动的目标捕获的难度将更大。

发明内容

本发明的目的是提供一种自由空间光通信链路快速建立的方法，解决了现有技术中对目标位置精度要求较高，目标光源识别能力较弱，光线瞄准和通信分步进行，链路建立时间较慢的问题。

本发明的技术方案是，一种自由空间光通信链路建立方法，基于光通信装置，所述装置的两端均为收发一体化结构，对于任意一端，包括以下步骤：发射器循环发射低频识别信号与高频前导信号的合成信号；所述合成信号在预设误差范围内的空间内扫描，直至扫描到对端接收器所在位置；所述合成信号的一部分进入对端接收器的跟瞄相机，其中的所述识别信号被所述跟瞄相机提取，调整使目标光源落在所述跟瞄相机的正中心；对端发射器发射相同的合成信号指向当前端的接收器，所述发射器停止扫描，回指向所述对端接收器，完成信号的双向捕获。本发明利用捕获相机的感光带宽，将目标识别的低频调制信号和通信使用的高频调制信号结合起来，在捕获阶段通过激光器循环发送合成的调制信号，让对端跟瞄相机迅速识别正确的目标光源，并在光轴对准的时候能同时解调出前导信号，从而有效缩短通信链路的建立时间。

所述前导信号为开关键控(OOK)调制信号，用于对端接收器采样同步，每组所述前导信号为n个宽度为t的脉冲，每个所述识别信号的长度为T，T＝nt，相邻两组所述前导信号之间的时间间隔为T的整数倍。

同时，T＝2/K，K为所述跟瞄相机的拍摄帧率。根据采样定律，T的这一取值可以保证获得低频识别信号的包络，判断正确的光源位置，避免跟瞄相机视野中的干扰光源启动精瞄机构的可能，提高装置捕获信号的效率。

进一步的，所述合成信号的另一部分进入对端接收器的精瞄机构，接着到达光电二极管感光面。精瞄机构通常由压电陶瓷和反射镜构成，可以对入射光角度进行精细调节，由于高速光信号接收的光电二极管感光面非常微小，需要精瞄机构调节后准确进入通信接收机的光电二极管感光面，从而为系统提供较好的信噪比。

更进一步的，完成信号的双向捕获后还包括以下步骤：两端开启精瞄过程，根据所述前导信号为所述精瞄机构提供接收信噪比的反馈信息，通过闭环控制将信号进行精调。

上述自由空间光通信链路建立方法中所述的收发一体化结构，沿光信号的传播方向依次包括反射镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、汇聚透镜、精瞄机构和接收器，还包括发射器和跟瞄相机，所述发射器发射的光由第二分光棱镜接收并向所述第一分光棱镜折射，所述跟瞄相机接收所述第一分光棱镜分出的部分光信号。

本发明具有以下有益效果：通过将低频光源识别信号和高频通信OOK信号进行结合，使对端可以在有干扰光源的环境下识别真正的目标光源，并通过光轴瞄准，同时完成前信号的传递，节约了总体信道建立的时间，为业务的开展打下基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例自由空间光通信链路建立方法流程图；

图2为本发明一实施例中发射的信号波形图；图2(a)为前导信号波形；图2(b)为识别信号波形；

图3为本发明实施例使用的光通信收发一体化装置结构示意图；

附图标记说明：

1—第一潜望式反射镜；2—第二潜望式反射镜；3—第一分光棱镜、4—跟瞄相机、5—第二分光棱镜、6—汇聚透镜、7—发射器、8—精瞄机构、9—接收器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例描述一种自由空间光通信链路建立方法，该方法基于光通信装置实施，装置的两端为结构相同的收发一体化结构，即每一端分别具有发射器和接收器，如图3所示。建立通信链路之前，先将两端的收发一体化结构放置在合适的位置，初始位置信息可通过GPS或北斗定位系统获得，带有一定误差半径，两端的发射器和接收器均了解对端位置信息，两端调整电机转动，互相面对对方。

收发一体化结构沿光信号的传播方向依次包括反射镜、第一分光棱镜3、第二分光棱镜5、汇聚透镜6、精瞄机构8和接收器9，还包括发射器7和跟瞄相机4，对端发射器发射的光由第二分光棱镜5接收并向第一分光棱镜3折射，跟瞄相机4接收第一分光棱镜3分出的部分光信号。图3示出的常用结构中包括两个反射镜，第一潜望式反射镜1和第二潜望式反射镜2。

作为发射端使用时，发射器7射出的调制激光信号经过第二分光棱镜5反射并经过第一分光棱镜3，最后经过第二潜望式反射镜2和第一潜望式反射镜1进入自由空间。

对于任意一端，包括以下步骤：

S1、当前端发射器循环发射低频识别信号与高频前导信号的合成信号。

图2为一种实施方式中的前导信号与识别信号的示例。其中图2(a)为前导信号波形图，10-1-1、10-1-2……10-1-N，10-2-1、10-2-2……10-2-N，……，10-M-1、10-M-2……10-M-N为M组开关键控(OOK)调制信号，每组有N个脉冲，每个脉冲宽度是t，每组长度为T，有T＝Nt。相邻两组所述前导信号之间的时间间隔为T的整数倍。前导信号用来进行接收端采样同步。

图2(b)所示为识别信号的波形，10-1、10-2、……10-M表示1，它们之间的间隔表示0，目标光源的识别码即是由1和0两种bit组成，本图中为1010……，也可以根据需要定义为其他，如1101、101100等等。经调制后的合成信号每个bit的长度为T。事实上，识别信号中每个识别码为1的波形都如图2(a)中的一组前导信号，由于跟瞄相机感光响应速率较低，因此跟瞄相机对图2(a)的检测结果就是图2(b)。

S2、合成信号在预设误差范围内的空间内扫描，直至扫描到对端接收器所在位置。

S3、合成信号的一部分进入对端接收器的跟瞄相机4，其中的识别信号被跟瞄相机4提取，调整使目标光源落在跟瞄相机4的正中心。对端发射相同的合成信号指向当前端的接收器。

当当前端发射器发射的合成信号进入跟瞄相机4的视野，跟瞄相机4将观察到图2(b)的波形，当检测到有符合识别代码的光源，则将偏移信号通知伺服系统，通过调整水平和俯仰角度，让目标光源落在视野的正中心，此时由于通信系统光轴与跟瞄相机4的视野中心一致，对端的发射器将相同的调制合成信号发射到当前端的接收器，当前端使用同样的检测方法可以识别目标光源并调整伺服系统将激光信号瞄准对端发射器的光轴。

在一些实施方式中，如果跟瞄相机4的拍摄帧率为K帧/秒，则设计令

T＝2/K秒

根据采样定律，T符合该条件可以保证获得低频识别信号的包络，判断正确的光源位置，可以避免跟瞄相机4视野中的其他干扰光源启动精瞄机构8的可能，提高装置捕获信号的效率。

合成信号的另一部分进入对端的精瞄机构8，接着到达包括光电二极管的接收器9感光面。精瞄机构8通常由压电陶瓷和反射镜构成，可以对入射光角度进行精细调节，由于高速光信号接收的光电二极管感光面非常微小，需要精瞄机构8调节后准确进入接收器9的光电二极管感光面，从而为系统提供较好的信噪比。

S4、当前端发射器停止扫描，回指向对端接收器，完成信号的双向捕获。

S5、两端开启精瞄过程，根据前导信号可以为精瞄机构8提供接收信噪比的反馈信息，通过闭环控制将信号精调至最佳位置，建立双向链路。

本发明利用捕获相机的感光带宽，将目标识别的低频调制信号和通信使用的高频调制信号结合起来，在捕获阶段通过激光器循环发送合成的调制信号，让对端跟瞄相机迅速识别正确的目标光源，并在光轴对准的时候能同时解调出前导信号，从而有效缩短通信链路的建立时间。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种自由空间光通信链路建立方法，基于光通信装置，所述装置的两端均为收发一体化结构，对于任意一端，其特征在于，包括以下步骤：

发射器循环发射低频识别信号与高频前导信号的合成信号；

所述合成信号在预设误差范围内的空间内扫描，直至扫描到对端接收器所在位置；

所述合成信号的一部分进入对端接收器的跟瞄相机，其中的所述识别信号被所述跟瞄相机提取，调整使目标光源落在所述跟瞄相机的正中心；

对端发射器发射相同的合成信号指向当前端的接收器，所述发射器停止扫描，回指向所述对端接收器，完成信号的双向捕获；

所述前导信号为开关键控调制信号，用于对端接收器采样同步，每组所述前导信号为n个宽度为t的脉冲，每个所述识别信号的长度为T，T＝nt，相邻两组所述前导信号之间的时间间隔为T的整数倍；同时T＝2/K，K为所述跟瞄相机的拍摄帧率。

2.根据权利要求1所述的自由空间光通信链路建立方法，其特征在于，所述合成信号的另一部分进入对端接收器的精瞄机构，接着到达光电二极管感光面。

3.根据权利要求2所述的自由空间光通信链路建立方法，其特征在于，完成信号的双向捕获后还包括以下步骤：两端开启精瞄过程，根据所述前导信号为所述精瞄机构提供接收信噪比的反馈信息，通过闭环控制将信号进行精调。

4.根据权利要求1～3任一项所述的自由空间光通信链路建立方法，其特征在于，所述收发一体化结构沿光信号的传播方向依次包括反射镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、汇聚透镜、精瞄机构和接收器，还包括发射器和跟瞄相机，所述发射器发射的光由第二分光棱镜接收并向所述第一分光棱镜折射，所述跟瞄相机接收所述第一分光棱镜分出的部分光信号。