CN110838874B - 一种支持高速多波束跟踪的移动光通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持高速多波束跟踪的移动光通信装置，该装置包括主机、多个设置在主机在空间中投射出光场内的从机以及用以实现从机跟踪定位的定位跟踪系统，所述的主机内设有用以产生光束的调制光源系统以及接收准直光束并在空间中投射出光场的全息投影系统和内部光路转向器件，所述的从机内设有用以输出信息的接收解调器。与现有技术相比，本发明具有高速率高移动性、响应速度高、定位准确、空间占用小、成本低等优点。

Description

一种支持高速多波束跟踪的移动光通信装置

技术领域

本发明涉及无线光通信领域，尤其是涉及一种支持高速多波束跟踪的移动光通信装置。

背景技术

移动通信技术从1G发展到5G，其所采用的载波越来越高，在5G技术中所采用的电磁波频率更是达到了几十GHz。根据香农定律，无线通信的载波频率越高，所能提供的信道带宽越大。因此，而未来的移动通信将可能采用更高频率的电磁波，以提供更大的通信带宽。光也是在电磁波谱里一个频段的电磁波，其频率可以达到几百THz，远高于现在5G所采用的频段，因此光波是下一代移动通信的一个极佳的载体。

一般利用白光LED作为发光器件实现无线移动通信的方案较为常见。然而，由于LED等的大范围辐射特性，这种方案存在接收功率低的问题。为了让接收机可以接收更多的功率，一些研究里是将LED灯的光波聚集起来指向接收机，也有的研究直接利用了激光器作为光源发生器，这些方案面临着移动性的挑战。如中国发明专利CN201480074547、“用于移动设备的自由空间光通信”所公开的装置，其发射机利用了可以转向的反射镜来改变所发出的光束的方向，使光束在空间中扫描，以定位和跟踪接收机，但该装置的扫描速度较慢。

也有一些研究利用了空间光调制器或光栅实现非机械性的光束转向。其中，空间光调制器的受光面具有很多排列的像素，入射光线经过这些像素后其相位或幅度可以被改变，而这改变的量是可以根据外部电信号控制的。光学透镜具有傅里叶变换的性质，所以通过空间光调制器生成的光场可以在穿过透镜后生成任何期待的图像，这就是全息投影。投影的图案中可以有明亮的区域和黑暗的区域，光能量都集中在明亮的区域。在中国发明专利CN201810341650、“二维全息投影显示方法及系统”介绍了这种全息投影的方式。当采用全息投影来实现移动通信时，发射机只需要在投影图像中产生明亮的区域以覆盖接收机，即可将增加接收机的接收光功率。

采用全息投影只实现了非机械性地光束转向，但并没有解决最终的移动性问题。如何准确定位是实现高灵活的移动性所必须要解决的问题。发射机需要得知接收机的准确位置才能将光束对准接收机。一般采用射频的定位方案定位精度不高，且存在多径效应、相互干扰等问题。另一种，通过摄像头识别移动终端的定位方案面临可靠性不强的问题，因此难以适应实时移动的通信系统。在中国发明专利CN201810171316、“基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准方法”中公开了利用了安装在接收机上的逆反射器件实现定位，可以实现精确地对准。但是简单地利用逆反射器实现精确对准并非能提高移动性，因为在一开始扫描的过程中需要耗费非常多的时间，这对移动通信系统来说是难以接受的。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种支持高速多波束跟踪的移动光通信装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种支持高速多波束跟踪的移动光通信装置，该装置包括主机、多个设置在主机在空间中投射出光场内的从机以及用以实现从机跟踪定位的定位跟踪系统，所述的主机内设有用以产生光束的调制光源系统以及接收准直光束并在空间中投射出光场的全息投影系统和内部光路转向器件，所述的从机内设有用以输出信息的接收解调器。

所述的调制光源系统包括依次设置的激光器、光调制器、扩束器和偏振器，所述的全息投影系统包括依次连接的图像传感器、主控制器和空间光调制器，所述的空间光调制器接收调制光源系统发出的前向光束。

所述的定位跟踪系统包括设置在主机内的第一远心猫眼逆反射器结构以及设置在从机内的第二逆反射器结构，所述的第一远心猫眼逆反射器结构与第二逆反射器结构之间构成用以形成振荡光束的自由空间光学共振腔。

所述的接收解调器包括遮光面板、设置在遮光面板上的透光孔和光电探测器以及与光电探测器连接的解调模块，所述的第二逆反射器结构包括依次设置在透光孔后的第二透镜和第二后部反射镜。

所述的接收解调器包括遮光面板、设置在遮光面板上的透光孔、设置在透光孔后方的光电探测器以及与光电探测器连接的解调模块，所述的第二逆反射器结构包括依次设置在透光孔与光电探测器之间的逆反射器和耦合器件。

所述的空间光调制器为透射式空间光调制器或反射式空间光调制器，所述的内部光路转向器件采用分束器和/或平面反射镜。

当空间光调制器采用透射式空间光调制器且内部光路转向器件采用分束器时，所述的第一远心猫眼逆反射器结构包括第一透镜和第一后部反射镜，具体光路如下：

调制光源系统发出的前向光束依次穿过透射式空间光调制器和分束器的背面后，由第一后部反射镜反射回分束器的正面，分束器将该发射光引导到第一透镜投射形成光场，在第二逆反射器结构反射后形成后向光束，该后向光束通过第一透镜后由分束器分为两束，第一束经由第一后部反射镜形成振荡光束，另一束由图像传感器接收实现跟踪定位。

当空间光调制器采用透射式空间光调制器且内部光路转向器件采用背面可透射的平面反射镜时，所述的第一远心猫眼逆反射器结构包括第一透镜和具有部分透射性的第一后部反射镜，具体光路如下：

调制光源系统发出的前向光束依次穿过透射式空间光调制器和平面反射镜背面后经由第一透镜投射形成光场，经过第二逆反射器结构反射形成后向光束，第一透镜接收后向光束并由平面反射镜正面反射到第一后部反射镜上，一部分光束被第一后部反射镜反射回去形成振荡光束，另一部分透射过第一后部反射镜由紧贴在第一后部反射镜背面的图像传感器接收实现跟踪定位。

当空间光调制器采用透射式空间光调制器且内部光路转向器件采用背面可透射的平面反射镜和分束器时，所述的第一远心猫眼逆反射器结构包括第一透镜和第一后部反射镜，具体光路如下：

调制光源系统发出的前向光束依次穿过透射式空间光调制器和平面反射镜背面后经由第一透镜投射形成光场，经过第二逆反射器结构反射形成后向光束，第一透镜接收后向光束并由平面反射镜正面反射到分束器上分为两束，第一束依次经由第一后部反射镜、分束器和平面反射镜反射形成振荡光束，另一束由图像传感器接收实现跟踪定位。

当空间光调制器为反射式空间光调制器且内部光路转向器件采用分束器时，所述的第一远心猫眼逆反射器结构包括第一透镜和反射式空间光调制器的反射面，具体光路如下：

调制光源系统发出的前向光束穿过分束器的背面进入反射式空间光调制器内，经调制反射后返回分束器的正面，分束器将该发射光引导到第一透镜投射形成光场，在第二逆反射器结构反射后形成后向光束，该后向光束通过第一透镜后由分束器分为两束，第一束经由反射式空间光调制器的反射面反射形成振荡光束，另一束由图像传感器接收实现跟踪定位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明包含了调制光源系统、全息投影系统、定位跟踪系统和一些接收解调器件，实现了高速率高移动性无线光通信；本发明创造性地采用逆反射结构和光学成像器件实现了定位跟踪系统，具有极高的响应速度和可靠性；本发明创造性地在主机和从机之间建立自由空间共振腔，使主机和每一个从机之间均自发建立高功率的振荡光束。由于震荡光束的存在，从机位置在传感图像中更为清晰明显，极大地提高了定位的准确性；本发明通过对成像器件的精心设计，使定位跟踪系统和全息投影系统融合在一起，具有空间占用小、成本低的优势。

附图说明

图1A为角锥逆反射器的结构和原理示意图。

图1B为常规猫眼逆反射器的结构和原理示意图。

图1C为远心猫眼逆反射器的结构和原理示意图。

图2为本发明的一个实例结构原理图。

图3为图2实例结构的细节原理图。

图4为一种基于控制输入电流的调制光源的结构示意图。

图5为图2实例中的一种主机的实施结构示意图。

图6为图2实例中的另一种主机的实施结构示意图。

图7为图2实例中的第三种主机的实施结构示意图。

图8A为从机检测和解调部分的一种实施结构示意图。

图8B为遮光面板上光电探测器围绕透光孔分布的实施结构示意图。

图9为遮光面板上光电探测器处于通光孔上方的实施结构示意图。

图10为光电探测器置于逆反射之后的从机实施结构示意图，包括用于汇聚光束的耦合器件。

图中标记说明：

1、主机，2、从机，3、自由空间，10、激光器，11、光调制器，12、扩束器，13、偏振器，14、分束器，140、平面反射镜，141、分束器，15、透射式空间光调制器，151、反射式空间光调制器，16、第一透镜，17、图像传感器，18、主控制器，19、第一后部反射镜，190、后部反射镜，20、遮光面板，21、透光孔，22、第二透镜，23、第二后部反射镜，24、光电探测器，25、解调模块，240、光电探测器，241、光电探测器，242、光电探测器，243、光电探测器，244、光电探测器，25、解调模块，26、导线，27、逆反射器，28、耦合器件，50、第一聚焦光斑，60、第二聚焦光斑，70、偏置器，80、反射面，811、入射光线，812、反射光线，82、透镜，83、凹面反射镜，841、入射光线，842、反射光线，85、透镜，86、后部反射镜，87，光瞳，88、光束，89、光束，881、聚焦光斑，892、聚焦光斑，90、调制光源系统，91、全息投影系统，910、空间光调制器，911、具有反射性质的平面，912、透镜，92、定位跟踪系统，93、第二逆反射器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于空间光调制器和逆反射器的支持高速多波束跟踪的移动光通信装置。该装置包括主机和从机，主机可以发出带有信息的调制光束到从机，并保持调制光束始终跟踪从机。为了实现上述要求，本装置中包含了调制光源系统、全息投影系统、定位跟踪系统、以及相关的接收和解调器件。

调制光源系统是主机内的子系统，可输出带有信息的偏振光束。输入到调制光源系统的信息信号则被加载到输出光束之上。调制光源系统包括了发光器、可选的扩束器、偏振器。发光器发出光束，经过扩束器扩大到一定的直径，再经过偏振器产生偏振光。根据不同的实施方式，扩束器和偏振器的位置可以替换。一般空间光调制器的输入光束应是具有固定偏振角度的线偏振光，如此才能保证准确有效的空间光调制效果。除非空间光调制器自带偏振器，否则所输入的光束应预先经过偏振器进行转化。扩束器作为可选的器件，适用于直径小的激光光源，实现光束直径的扩大和准直。

全息投影系统是主机内的子系统，包括了空间光调制器和光学镜组。空间光调制器一般有反射式空间光调制器和透射式空间光调制器两种类型。空间光调制器的受光面上每一个像素的物理特性均可以被控制，经过这些像素的光场的振幅或相位可以因此而被改变。因此，通过空间光调制器可以获得任意渴望得到的光场。光束经过空间光调制器后还将经过一个光学镜组。光学镜组包含至少一个投影透镜，用于傅里叶变换和扩大可投影区域范围。

由调制光源系统发出的光经全息投影系统转换后可以在空间中的被投影物体上显示不同图案，这些图案包含了不同形状的明、暗区域。投影的图案是由空间光调制器的输入信号控制，因此光斑覆盖的区域可以为任意形状。利用该投影系统，主机可将光投射到空间中若干任意指定的区域以覆盖多个从机，在这些从机上显示出光斑。这种投影系统具有如下特点：

a)投影系统的空间覆盖范围大；

b)投射到空间的光斑图案可以任意控制，即投影的光斑数量和形状可控；

c)投射到空间的光斑可以任意移动；

d)投射到空间的各个光斑的功率可以独立控制。

基于上述特点，主机可以对多个从机定向发射多束能量集中的光束，实现一对多通信。相比一般的全向辐射的发射器，本发明从机接收的光功率更高，因此具有更高的信噪比。相比传统的基于微机电系统实现的机械性的光束转动，本发明主机只通过软件改变空间光调制器的输入即可实现非机械性的光束转动，因此具有更快的响应速度。

定位跟踪系统是由主机和从机内的一些器件共同构成的子系统，用于确定从机的位置，并控制主机发射的光束始终指向从机方位，使各个从机在移动过程中也可以被主机发出的光斑覆盖。

在定位跟踪系统的从机部分，至少包含一个逆反射器或具有逆反射性质的逆反射阵列。逆反射器是一种具有反向反射功能的器件。标准的逆反射器可使入射光束按原路径反射回去，即反射光束应当与入射光束重合。一些逆反射器的范例是，角锥逆反射器；常规的猫眼逆反射器；远心猫眼逆反射器；其他广义的猫眼逆反射器；相位共轭镜；反射球镜；全息图逆反射器；其他基于光学镜组或光子晶体等实现的具有逆反射性质的器件。本发明中所采用的逆反射器不必严格要求反射光束与入射光束重合，但至少应保证反射光束能够有一部分与入射光束重合。因此，在主机发出的前向光束照射到从机时，一部分光束将被逆反射器反射回主机。这些经逆反射回主机的光束在下文中均称作后向光束。

在定位跟踪系统的主机部分，至少包含一个图像传感器和主控制器。图像传感器用于检测从机反射回的光束的位置和强度。主控制器用于处理图像传感器的信号，同时用于控制空间光调制器。由于接收机反射回的光束具有极强的方向性，因此主机中的图像传感器可以轻易地获知接收机位置。还可以通过持续监测光斑的形状、亮度等参数，并基于合理的软件算法，获得主机到从机的距离。另外，光束到达图像传感器之前应设置至少一个成像透镜，其目的包括聚焦或构成下文自由空间光学共振腔，以有利于图像传感器采集光。成像透镜可以为单独设置，但也可以直接借用主机的用于扩大可投影区域范围的投影透镜。

相比于传统的基于射频的接收信号强度Received Signal StrengthIndication，RSSI、到达角、到达时间等方案，本方案基于逆反射器的定位跟踪系统具有如下优势：

a)光束方向性极强，通过图像传感器很容易识别；

b)往返的光束均聚集在主机和从机之间的直线路径上，无多径效应干扰；

c)多光束之间无干扰。

基于上述优势，定位跟踪系统具有更高的定位精度和可靠度。

在本主机中，由主机光源发往从机的前向光束和由从机逆反射到主机的后向光束所共同必经的路径上应包含至少一个具有反射性质的平面，用于将后向光束从前向光束路径中分离出来，便于后续光学处理和图像传感器采集。具有反射性质的平面包括使用分束器或平面镜实现。这种配置引导了后向光束在主机内传播的路径，从而为主机内设置任何利于图像传感器采集光线的器件提供了空间。

定位跟踪系统的增强方案是在主机中增加一个具有逆反射性质的结构，使其与从机的逆反射器形成自由空间光学共振腔。由于逆反射器的逆反射功能，由从机反射回主机的后向光束又可以被主机中的逆反射结构反射回从机。于是，光束可以在主机的逆反射结构和从机的逆反射器之间往返振荡，形成振荡光束。持续振荡的往返光束不断叠，因此光功率相比非振荡光束更高。相比前述的只有从机具备逆反射器的设计，在主机中增加了逆反射器后，主机和从机之间的光束具有更高的光强，因此更容易被图像传感器探测到，使定位跟踪系统具有更好的抗干扰性。根据不同的实施方式，主机中的逆反射结构可以借用主机中原有的用于扩大可投影区域范围的投影透镜和一个平坦的后部反射镜实现，而这个平坦的后部反射镜既可以是单独的平面镜，也可以是借用反射式空间光调制器的反射面。上述基于自由空间光学共振腔的定位增强方案具有如下优点：

a准直的振荡光束，可增加定位精度；

b增强的振荡光束功率，减小了环境光对定位的干扰；

c形成半径极小的聚焦光斑，不需要对焦。

在从机中，包含一些用于接收和解调的器件，其中包括了遮光面板、透光孔、光电探测器、解调模块。

遮光面板置于第二逆反射器之上。遮光面板上有透光孔，外部光束通过透光孔照射到第二逆反射器。无论是镂空的还是透明的透光孔，其目的是允许光束透过遮光面板并照射到从机的逆反射器之上。在不同的实施方式中，对于采用远心猫眼逆反射器的从机，其通光孔的位置应当与远心猫眼逆反射器的光瞳处重叠。而对于采用不具有光瞳的逆反射器时，通光孔的大小和位置的设置应尽可能扩大从机的逆反射视野。

从机应包括至少一个光电探测器，用于检测由主机发往从机的光束，然后转化为相应的电信号。在具体的实施方式中，光电探测器的安装位置应能保证持续接收到主机发送的光束，同时避免接收到主机与从机之间用于定位的振荡光束。因此可选择围绕着透光孔放置多个光电探测器，或者可选择将光电探测器置于通光孔中央，但应不完全阻塞通光孔。

解调模块接收光电探测器输出的电信号，并从中获取主机传递的信息。即便有多路光电探测器信号，解调模快可以选择将多路信号通过连接点融汇成一路信号，然后进行解调。上述将多路连在一起的实施方式中，应当保证各路光电探测器信号传导到连接点的线路长度一致，以避免高频通信中各路的延迟差异造成的误码。解调模块也可以分别解调各路光电探测器信号，然后综合各路解调的信息得出最终输出的信息。

实施例：

逆反射器是本专利基础且核心的部件，因此首先描述其原理和结构。逆反射器有不同的结构，图1A示例了角锥逆反射器结构。角锥逆反射器具有三个相互垂直的平坦的反射面80，入射光线811被角锥逆反射器反射后，其反射光线812与入射光线811平行，因此任何光线入射到角锥逆反射器后均能按原来方向反射回去。但实际中，角锥逆反射器三个反射面的顶点不具有反射性，因此是个盲点。

图1B示例了常规的猫眼逆反射器结构，包括一个透镜82和置于透镜之后的凹面反射镜83。在这种设计中，凹面反射镜83放置在透镜82的焦距处，使入射光束聚焦于凹面反射镜83之上。类似于角锥逆反射器，图1B中的常规猫眼逆反射器的入射光线841和反射光线842平行且方向相反。当入射光线841和反射光线842之间间距逐渐减小，即穿过透镜82中心位置时，其反射光线842将与入射光线841重叠。因此称具有如上述透镜82中心位置为逆反射器的光瞳。对于具有光瞳的逆反射器，其逆反射功能只作用于经过光瞳而进入该逆反射器的光束。

图1C示例了远心猫眼逆反射器结构，包括一个透镜85和处在透镜85焦平面处的平坦的后部反射镜86。在透镜85的另一侧的焦点位置处为该远心猫眼逆反射器的光瞳87。准直的光束88经过光瞳入射到透镜85后聚焦在后部反射镜86上，形成一个半径极小的聚焦光斑881，被后部反射镜86反射的光束与入射光束路径重叠。同样对于另一路不通方向的经过光瞳87的准直光束89，在穿过透镜85之后，在后部反射镜86上形成半径极小的聚焦光斑891。由于不同路径在平面镜上形成的聚焦光斑位置不同，可以通过对聚焦光斑的位置的识别来判定光束入射的方向。因此本专利的实施例中，远心猫眼逆反射器结构不仅用于逆反射光束，也用于定位入射光束。

本发明中的第二逆反射器93可以选择远心猫眼逆反射器、常规的猫眼逆反射器和角锥逆反射器结构。

如图2所示，该移动光通信装置包括主机1和从机2。在主机1和从机2之间是自由空间3。其中，主机1内设有调制光源系统90、全息投影系统91和定位跟踪系统92。调制光源系统90输出准直的符合直径要求的光束，所输出的光束已经过内部调制器调制，携带有信息。在全息投影系统91中至少包括了空间光调制器910和用于扩大投影范围的透镜912。光源发出的前向光束，经由空间光调制器910转换后具备所需要的光场，再经过透镜912后投射到从机2上，覆盖从机2的接收器。在从机2中至少包括一个第二逆反射器93，将进入其中的光束逆向反射回主机1。因此，在空间光调制器910和透镜912之间，具备一个光学镜组将从机光束聚焦到定位跟踪系统92上的图像传感器上。在图2的实施例中，光学镜组包含至少一个具有反射性质的平面911，将从机2反射回的后向光束从前向光束路径上分离。

基于图2给出的示范性的实施例装置结构，下面图3示范性地给出了具有更为细节的实施方式。在图3中，调制光源系统的具体包括激光器10、光调制器11、扩束器12和偏振器13。这里采用激光器10作为发光器件，因为激光具有同频同相的特点，相比普通光源更适合用于通信。信号从光调制器11输入，并被调制到激光器10发出的前向光束之上。扩束器12将前向光束的半径放大到合理尺度，并保证输出的光束的准直性。最后，偏振器13将光束变成线偏振光，并传入全息投影系统。

如图3所示，全息投影系统具体包括透射式空间光调制器15、分束器14、第一后部反射镜19和第一透镜16。光源发出的前向光束依次穿过透射式空间光调制器15和第一透镜16，在空间中投射出所需要的光场。分束器14和平坦的第一后部反射镜19引导前向光束到第一透镜16中。具体地，分束器16内包括了一个高反射率的反射面，前向光束可以从该反射面的背面穿过，再经第一后部反射镜19反射回该反射面的正面，最终被反射到第一透镜16上。

在图3中，定位跟踪系统包括了图像传感器17和主控制器18。此外，图3中的分束器14和第一后部反射镜19也用作后向光束从前向光束路径中分离并引导到图像传感器17。由于分束器14对光束路径的引导，第一透镜16和第一后部反射镜19共同构成了主机内的远心猫眼逆反射器。因此，从机中由第二透镜22和第二后部反射镜23构成的远心猫眼逆反射器与主机的逆反射器之间构成了自由空间光学共振腔。前向光束被从机的逆反射器反射回主机，并被主机逆反射器又反射回从机，从而在主机逆反射器和第二逆反射器之间形成振荡光束。根据图C中示例的远心猫眼逆反射器原理，所形成的振荡光束在自由空间3中应是准直的，且经过远心猫眼逆反射器的光瞳，并在后部的第一后部反射镜19上形成第一聚焦光斑50，该光斑的在第一后部反射镜19上的位置反映了从机相对于主机的方位。在此，分束器14的一个重要作用是将振荡光束一分为二，一部分振荡光束反射到第一后部反射镜19继续参与振荡，另一部分振荡光束透过分束器14聚焦到图像传感器17上，形成第二聚焦光斑60。由于分束器的14作用，第二聚焦光斑60实际上是第一聚焦光斑50的一个映射。因此，第二聚焦光斑60在图像传感器17上的位置即反映了从机相对于主机的方位。图像传感器17所采集的图像信息经主控制器18处理获得从机得方位。主控制器18根据已经检测的从机方位信息控制空间光调制器，将更高功率的前向光束集中在从机方位，实现定位跟踪。

在图3中，从机中的遮光板20位于由第二透镜22和第二后部反射镜23构成的远心猫眼逆反射器之上。遮光板20上的透光孔21位于从机远心猫眼逆反射器的光瞳处，所以振荡光束必然经过透光孔21。位于遮光板20之上的光电探测器24接收来自主机的前向光束，其位置应尽量靠近透光孔21，这样主机发出的前向光束的范围可以减小以提高光能量的利用率。有时光电探测器24与透光孔21也要保持一定距离以免振荡光束泄露的能量干扰通信过程。最后，光电探测器24生成的电流信号传输到解调模块25，经解调后输出主机传递的信息。

如图4所示，该装置不再采用光调制器，而是直接对激光器10的输入电流进行调制。偏置器70将恒流电和信号电流进行叠加，再输出叠加的电流到激光器10。因为普通的可直接电流调制的激光器较为普遍，所以图4中的实施方式相比于图3具有更低的成本。

图5是基于图3所示例的结构的一种改造方案。在图5中不再采用图3的分束器14，而是用了一个平面反射镜140作为转向面，使第一透镜16和具有部分透射性的第一后部反射镜19构成了远心猫眼逆反射器结构。后向光束的传播路径经平面反射镜140后与前向光束路径分离。这里平面反射镜140只有一面镀反射膜，因此从光源发出并经空间光调制器处理的前向光束可以透过平面反射镜140。主机和从机内两个逆反射器之间形成的振荡光束被平面反射镜140反射到具有部分透射性的第一后部反射镜19上，并在第一后部反射镜19上形成第一聚焦光斑50。图像传感器17紧贴第一后部反射镜19，以采集第一聚焦光斑50透过具有部分透射率的后部镜子19的光线。图5所示的实施例的优点是具有较小的体积和成本，内部更为紧凑，但因后部镜子必然具有厚度，导致光束聚焦在第一后部反射镜19的反射面上而非图像传感器17的感光面板上，这对定位准确度有一定影响。

图6示例了基于图5所示结构的一种改造方案。在图6中采用了平面反射镜140和分束器141引导振荡光束。其中，平面反射镜140将振荡光束路径从前向光束路径中分离，分束器141将振荡光束按一定功率比例分为两路光束，一路光束反射到平坦的第一后部反射镜19，另一路光束透过分束器照射到图像传感器17上。可见，由于平面反射镜140和分束器141的光路转向作用，使得平坦的第一后部反射镜19和第一透镜16构成了远心猫眼逆反射器。因此振荡光束分别被聚焦到第一后部反射镜19和图像传感器17上，形成第一聚焦光斑和第二聚焦光斑，其中第二聚焦光斑被图像传感器17所采集。图6所示例的实施方案减少了前向光束从空间光调制器传播到用于扩大投影范围的透镜的距离，在一些情况下是有益的。同时，图6所示例的方案的第二聚焦光斑是聚焦在图像传感器17的感光面板上的，因此而实现的定位功能比图5所示的实施方案具有更高的准确性。

反射式空间光调制器和透射式空间光调制器不同的是，光束从一个面进入反射式空间光调制器，还依旧从这个面被反射出来，在反射的过程中实现了空间光调制。图7示意性地给出了利用反射式空间光调制器的实施方案。由光源发出的前向光束先透过分束器14入射到反射式空间光调制器151，经过空间光调制的光束被反射回分束器14。分束器14内具有一较高反射率的平坦反射面，使从反射式空间光调制器151反射回来的光束被该反射面反射到第一透镜16。根据分束器14内反射面对后向光束路径的改变，可使第一透镜16和反射式空间光调制器151的反射面构成远心猫眼逆反射器。因此，类似于图3，主机和从机之间形成了振荡光束。由于远心猫眼逆反射器的特性，振荡光束将在反射式空间光调制器151的反射面上被聚焦，形成第一聚焦光斑50。振荡光束按一定功率比例透过分束器14，在图像传感器的感光面板上形成第二聚焦光斑60。图7所示方案只用到一个分束器14，相比图3所示的方案可以减小主机体积和节省成本。

根据本专利公开的从机的接收和解调部分的技术特征，现描述几种具体实施方式。如图8A所示，图示为设置在从机的遮光板20上包括了多个光电探测器的实时方式。光电探测器240和光电探测器241均与解调模块25连接。光电探测器均接受主机发来的前向光束，然后产生响应的信号电流发送给解调模快25。在图8B中示意性地演示了多个光电探测器在遮光面板20上的位置分布，即围绕着透光孔21设置光电探测器240、光电探测器241、光电探测器242、光电探测器243。

如图9所示，将光电探测器244放置在透光孔21中心之上的实施方式。这种配置可以极大减小前向光束的半径，且能保证时刻接受到来自主机的前向光束。然而，由于放置在透光孔中心位置会改变主机内聚焦光斑的图案，因此需要针对性地优化主控制器18所采用的位置估算算法。为了减小对震荡光束的影响，应尽量减小光电探测器遮光的面积和增加透光孔面积。此外应至少具有导线26用于将光电探测器输出的电流信号引出到通光孔之外，供解调模块处理。

根据本专利公开的从机的技术特征，现描述从机可以收集更多光束到光电探测器的实施方式。如图10所示，从机的逆反射器27设置在透光孔21中央位置之下。主机发出的前向光束27经耦合器件28聚集到光电探测器24上。在此例中，从逆反射器27周围透出的光束均被耦合器件28所汇聚，因此光电探测器24上所接收的前向光束功率较前述几个实施例要更高很多。此外，图10所示的实施例只需要一个光电探测器，减小了硬件电路的复杂度。

本专利领域技术人员意识到当前发明不限于已经上文特定地示出或描述的那些，当前发明的范围包含本领域技术人员一旦阅读了以上的描述就想起的并且不在现有技术中的不在上下文描述的各个特征的组合和子组合及其变动和修改。

Claims (1)

1.一种支持高速多波束跟踪的移动光通信装置，其特征在于，该装置包括主机(1)、多个设置在主机(1)在空间中投射出光场内的从机(2)以及用以实现从机(2)跟踪定位的定位跟踪系统(92)，所述的主机内设有用以产生光束的调制光源系统(90)以及接收准直光束并在空间中投射出光场的全息投影系统(91)和内部光路转向器件，所述的从机(2)内设有用以输出信息的接收解调器，所述的调制光源系统(90)包括依次设置的激光器(10)、光调制器(11)、扩束器(12)和偏振器(13)，所述的全息投影系统(91)包括依次连接的图像传感器(17)、主控制器(18)和空间光调制器，所述的空间光调制器接收调制光源系统(90)发出的前向光束，所述的定位跟踪系统(92)包括设置在主机(1)内的第一远心猫眼逆反射器结构以及设置在从机(2)内的第二逆反射器结构(93)，所述的第一远心猫眼逆反射器结构与第二逆反射器结构(93)之间构成用以形成振荡光束的自由空间光学共振腔；

所述的接收解调器包括遮光面板(20)、设置在遮光面板(20)上的透光孔(21)和光电探测器(24)以及与光电探测器(24)连接的解调模块(25)，所述的第二逆反射器结构(93)包括依次设置在透光孔(21)后的第二透镜(22)和第二后部反射镜(23)；

所述的接收解调器包括遮光面板(20)、设置在遮光面板(20)上的透光孔(21)、设置在透光孔(21)后方的光电探测器(24)以及与光电探测器(24)连接的解调模块(25)，所述的第二逆反射器结构(93)包括依次设置在透光孔(21)与光电探测器(24)之间的逆反射器(27)和耦合器件(28)；

所述的空间光调制器为透射式空间光调制器(15)或反射式空间光调制器(151)，所述的内部光路转向器件采用分束器(14)和/或平面反射镜(140)；

当空间光调制器采用透射式空间光调制器(15)且内部光路转向器件采用分束器(14)时，所述的第一远心猫眼逆反射器结构包括第一透镜(16)和第一后部反射镜(19)，具体光路如下：

调制光源系统(90)发出的前向光束依次穿过透射式空间光调制器(15)和分束器(14)的背面后，由第一后部反射镜(19)反射回分束器(14)的正面，分束器(14)将发射光引导到第一透镜(16)投射形成光场，在第二逆反射器结构(93)反射后形成后向光束，后向光束通过第一透镜(16)后由分束器(14)分为两束，第一束经由第一后部反射镜(19)形成振荡光束，另一束由图像传感器(17)接收实现跟踪定位；

当空间光调制器采用透射式空间光调制器(15)且内部光路转向器件采用背面可透射的平面反射镜(140)时，所述的第一远心猫眼逆反射器结构包括第一透镜(16)和具有部分透射性的第一后部反射镜(19)，具体光路如下：

调制光源系统(90)发出的前向光束依次穿过透射式空间光调制器(15)和平面反射镜(140)背面后经由第一透镜(16)投射形成光场，经过第二逆反射器结构(93)反射形成后向光束，第一透镜(16)接收后向光束并由平面反射镜(140)正面反射到第一后部反射镜(19)上，一部分光束被第一后部反射镜(19)反射回去形成振荡光束，另一部分透射过第一后部反射镜(19)由紧贴在第一后部反射镜(19)背面的图像传感器(17)接收实现跟踪定位；

当空间光调制器采用透射式空间光调制器(15)且内部光路转向器件采用背面可透射的平面反射镜(140)和分束器(141)时，所述的第一远心猫眼逆反射器结构包括第一透镜(16)和第一后部反射镜(19)，具体光路如下：

调制光源系统(90)发出的前向光束依次穿过透射式空间光调制器(15)和平面反射镜(140)背面后经由第一透镜(16)投射形成光场，经过第二逆反射器结构(93)反射形成后向光束，第一透镜(16)接收后向光束并由平面反射镜(140)正面反射到分束器(141)上分为两束，第一束依次经由第一后部反射镜(19)、分束器(141)和平面反射镜(140)反射形成振荡光束，另一束由图像传感器(17)接收实现跟踪定位；

当空间光调制器为反射式空间光调制器(151)且内部光路转向器件采用分束器(14)时，所述的第一远心猫眼逆反射器结构包括第一透镜(16)和反射式空间光调制器(151)的反射面，具体光路如下：

调制光源系统(90)发出的前向光束穿过分束器(14)的背面进入反射式空间光调制器(151)内，经调制反射后返回分束器(14)的正面，分束器(14)将发射光引导到第一透镜(16)投射形成光场，在第二逆反射器结构(93)反射后形成后向光束，后向光束通过第一透镜(16)后由分束器(14)分为两束，第一束经由反射式空间光调制器(151)的反射面反射形成振荡光束，另一束由图像传感器(17)接收实现跟踪定位。

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