CN111147137A - 轻小型机载高速激光通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光通信技术领域，具体涉及一种轻小型机载高速激光通信方法。所述方法包括：步骤1：机载终端与地基终端间进行初始对准；步骤2：机载终端与地基终端间进行开环捕获；步骤3：机载终端与地基终端间进行粗跟踪；步骤4：机载终端与地基终端间进行精跟踪，建立通信链路；步骤5：机载终端与地基终端间实现双向通信。所述方法创新性的采用非对称单信标、快速捕获、对准、跟踪技术，具有小型化、高传输速率、抗干扰能力强的优点。

Description

轻小型机载高速激光通信方法
技术领域
本发明属于激光通信技术领域，具体涉及一种轻小型机载高速激光通信方法。
背景技术
随着各平台搭载的有效载荷逐渐向高分辨率、宽谱段方向发展，对于海量数据实时传输的需求越来越迫切，如高分辨率宽谱段可见光遥感系统，若帧频为10Hz、灰度分辨率为10bits、空间分辨率为4096 ×4096，在不经过任何压缩和编码的情况下，其原始的数据率为 1.68Gbps，则要求实时传输通信速率大于2Gbps，如果帧频、灰度分辨率、空间分辨率继续提高，或者多传感器数据融合，则需要更高的通信速率。而当前射频通信的通信速率已接近理论极限，不能满足传输速率的要求，故不得不采用数据压缩(影响分辨率)或海量存储(影响覆盖范围)等权宜之计，阻碍了现代信息化的发展。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种轻小型机载高速激光通信方法。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种轻小型机载高速激光通信方法，所述方法包括：
步骤1：机载终端与地基终端间进行初始对准；
步骤2：机载终端与地基终端间进行开环捕获；
步骤3：机载终端与地基终端间进行粗跟踪；
步骤4：机载终端与地基终端间进行精跟踪，建立通信链路；
步骤5：机载终端与地基终端间实现双向通信。
其中，所述步骤1中，首先由机载终端和地基终端给出各自的位置和姿态信息，通过无线电链路交互，机载终端和地基终端各自获得对方的信息，机载终端和地基终端根据位置、姿态信息解算出各自的初始指向姿态，由捕获跟踪瞄准机构驱动摆镜快速调整视轴，指向对方终端，完成对目标位置的初始指向对准。
其中，机载终端和地基终端的粗跟接收视场均设置为大于对方终端的不确定区域；
所述步骤2中，首先由地基终端发射信标激光，机载终端处于凝视状态，地面终端的信标激光按照设定轨迹扫描，当信标光扫描进入到机载终端粗跟视场，机载终端探测到信标激光，并发射应答信号，由于光路可逆性，地面终端将收到信标激光，并进行视轴校正，实现双方的开环捕获。
其中，所述步骤3中，当机载终端与地基终端实现成功捕获后，双方继续发射己方信标激光，信标激光的束散角设置为大于粗跟踪的最大误差范围，保证所发射的信标光斑始终照射到对方光端机，粗跟踪伺服机构通过调整摆镜的角度将对方的信标光保持在粗视场中心，实现稳定粗跟踪。
其中，所述步骤3中，当信标激光进入精跟踪探测器视场后，通过高带宽的精跟踪伺服系统对粗跟踪残差进行实时精密补偿，进入精跟踪，实现信号光精确覆盖对方光学孔径，完成两个终端光学天线间的精确对准，建立通信链路。
其中，所述步骤3中，通信双方将要传输的通信信息调制、加载至信号光，双方完成接收、探测和解调通信数据，实现双向通信。
其中，所述步骤1中，机载终端的位置和姿态信息由无人机的惯导系统和GPS系统给出。
其中，所述粗跟过程的执行机构采用二维摆镜实现。
其中，所述二维摆镜承担粗指向和粗跟踪功能，放置在发射/接收光学系统前面，通过其摆动将法线±40°的光线反射进发射/接收光学系统。
其中，当通信斜角-40°时二维摆镜与发射/接收光学系统的光轴呈65°角，当通信斜角+40°时二维摆镜与发射/接收光学系统的光轴呈25°角。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
(1)创新性的采用非对称单信标、快速捕获、对准、跟踪技术，具有小型化、高传输速率、抗干扰能力强的优点；
(2)国内首次采用二维摆镜代替传统二维转台作为粗跟执行机构，实现小型化系统设计，满足机载轻量化设计要求；
(3)国内首次提出机载高速激光通信环境适用性技术研究，针对机载平台空间应用环境，采用相应的整体设计方案，对光学、机械和电子学优化设计，从而使激光通信样机满足空间环境使用要求。
附图说明
图1为轻小型机载高速激光通信原理示意图。
图2为轻小型机载高速激光通信系统示意图。
图3轻小型机载高速激光通信光学系统示意图。
图4为轻小型机载高速激光通信光学系统结构示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
针对现有技术射频通信的局限性，用激光作为信息载体的空间激光通信载波频率高、空间和时间相干性好，发射波束窄，具有码率高、通信容量大、天线尺寸小、功耗低、体积小和保密性高等诸多优点，是构建天基宽带网、实现天地一体化信息网络的有效手段，是未来天地一体化信息网络骨干链路建设的必然选择。
本发明提出一种轻小型激光机载高速激光通信，创新性的采用非对称单信标、快速捕获、对准、跟踪技术，具有小型化、高传输速率、抗干扰能力强的优点，突破机载激光通信设备体积大、功耗大的问题。
为解决现有技术问题，本发明提供一种轻小型机载高速激光通信方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤1：机载终端与地基终端间进行初始对准；
步骤2：机载终端与地基终端间进行开环捕获；
步骤3：机载终端与地基终端间进行粗跟踪；
步骤4：机载终端与地基终端间进行精跟踪，建立通信链路；
步骤5：机载终端与地基终端间实现双向通信。
其中，所述步骤1中，首先由机载终端和地基终端给出各自的位置和姿态信息，通过无线电链路交互，机载终端和地基终端各自获得对方的信息，机载终端和地基终端根据位置、姿态信息解算出各自的初始指向姿态，由捕获跟踪瞄准机构驱动摆镜快速调整视轴，指向对方终端，完成对目标位置的初始指向对准。
其中，机载终端和地基终端的粗跟接收视场均设置为大于对方终端的不确定区域；
所述步骤2中，首先由地基终端发射信标(信号)激光，机载终端处于凝视状态，地面终端的信标(信号)激光按照设定轨迹扫描，当信标(信号)激光扫描进入到机载终端粗跟视场，机载终端探测到信标(信号)激光，并发射应答信号，由于光路可逆性，地面终端将收到信标(信号)激光，并进行视轴校正，实现双方的开环捕获。
其中，所述步骤3中，当机载终端与地基终端实现成功捕获后，双方继续发射己方信标(信号)激光，信标激光的束散角设置为大于粗跟踪的最大误差范围，保证所发射的信标光斑始终照射到对方光端机，粗跟踪伺服机构通过调整摆镜的角度将对方的信标光保持在粗视场中心，实现稳定粗跟踪。由于粗跟踪伺服带宽的限制，对相对运动引起的动态滞后误差和平台振动残差抑制能力有限，粗跟踪精度不能直接满足通信要求，需要精跟踪单元对粗跟踪传递过来的残差进一步抑制。
其中，所述步骤3中，当信标(信号)激光进入精跟踪探测器视场后，通过高带宽的精跟踪伺服系统对粗跟踪残差进行实时精密补偿，进入精跟踪，实现信号光精确覆盖对方光学孔径，完成两个终端光学天线间的精确对准，建立通信链路。
其中，所述步骤3中，通信双方将要传输的通信信息调制、加载至信号光，双方完成接收、探测和解调通信数据，实现双向通信。
其中，所述步骤1中，机载终端的位置和姿态信息由无人机的惯导系统和GPS系统给出。
其中，所述粗跟过程的执行机构采用二维摆镜实现。
其中，所述二维摆镜承担粗指向和粗跟踪功能，放置在发射/接收光学系统前面，通过其摆动将法线±40°的光线反射进发射/接收光学系统。
其中，当通信斜角-40°时二维摆镜与发射/接收光学系统的光轴呈65°角，当通信斜角+40°时二维摆镜与发射/接收光学系统的光轴呈25°角；当通信斜角+40°时二维摆镜要求尺寸最大，此时摆镜长边尺寸为70mm/sin25°＝166mm；摆镜短边尺寸为70mm/cos20°＝80mm。
实施例1
本实施例中，提供一套轻小型机载高速激光通信系统如图2所示，包括光学系统、激光发射系统、激光接收系统、粗、精跟系统、总控系统。
光学分系统主要由卡塞格林望远镜、激光整形与扩束镜、分色镜、滤光片、反射镜等组成，主要功能是将激光器发射出的激光扩束整形成近衍射极限的平行光发射出去，然后将经过空间传输之后的激光信号聚焦到光电探测器的光敏面上。同时由于收发共用卡塞格林望远镜，在系统中通过分色镜、滤光片将发射激光和激光实现隔离、分色，消除杂散光。
发射分系统主要由激光器、调制器、激光器驱动、调制器驱动和温控电路等构成。激光发射分系统的功能是将信息调制到激光载波上，然后经发射光学系统发射出去。激光发射分系统的设计借鉴目前较为成熟的光纤通信和无线通信发射机系统设计方法。
接收分系统的主要功能是接收远端发射机发出的调制光载波，并还原光载波所携带的信息。光接收机主要由光学滤光片、光电探测器、信号放大器、自动增益控制单元、信号还原输出单元等几部分构成。
捕获、跟踪、瞄准系统(ATP系统)系统接收探测发射端发出的信标光，并对之进行捕获、跟踪，然后返回一信标光到发射端，以完成点对点的锁定，在两端之间建立通信链接。之后，双方通信光束开始传输数据，实现通信。在整个通信过程中，APT需要一直保持工作。
总控分系统实现以下主要功能：系统总体工作流程及自适应参数控制，包括姿态和位置测量、初始指向、快速捕获、复合轴跟踪和动态通信等全程操控；热控管理，通过整体温控和局部温控，保证各组件参数的稳定性和系统工作的可靠性；电源管理，保证各单元所需的供电电源高效率、安全可靠工作。
其中，粗跟部分采用二维摆镜实现粗指向和粗跟踪功能，电学舱和光学舱分离结构，电学舱包括发射调制系统、接收解调系统和数据接口模块，光学舱包括发射、接收望远镜、分光、滤光及激光分束、合束装置，电学舱和光学舱之间用光纤和电连接器连接。
二维摆镜承担粗指向和粗跟踪功能，放置在发射/接收光学系统前面，通过其摆动将法线±40°的光线反射进发射接收光学系统，当通信斜角-40°时二维摆镜与发射/接收光学系统的光轴呈65°角，当通信斜角+40°时二维摆镜与发射/接收光学系统的光轴呈25°角；当通信斜角+40°时二维摆镜要求尺寸最大，此时摆镜长边尺寸为 70mm/sin25°＝166mm；摆镜短边尺寸为70mm/cos20°＝80mm。
小型化设计：
(1)整机分布设计
在保证性能要求的同时，优化系统布局，进行功能区分、模块化设计，有效减小系统总体尺寸与重量。激光通信终端结构设计分为电学舱和光学舱，电学舱包括发射调制系统、接收解调系统和数据接口模块，光学舱包括发射、接收望远镜、分光、滤光及激光分束、合束装置，电学舱和光学舱之间用光纤和电连接器连接。
本方案中将调制解调、驱动、探测、光学等进行一体化集成设计，减少不必要的结构材料重量。激光发射终端将种子源、调制器和光放大器子系统进行整体封装。各子系统间的连接光纤及接头也被封装于同一机盒内。光源整体对外仅留有高功率激光输出接口、调制信号输入接口及电源接口和控制信号接口。激光通信设备重量小于10Kg。
(2)光路设计
本方案中用信号光替代信标光，减少一个信标激光器，同时光学系统采用了共享卡式天线结构，机载信号发射保证了与机载信号接收系统共光轴、且都位于快反镜之后，简化光路形式，如图3所示。
(3)结构材料选取
考虑光学组件的机械性能、对空间环境的适应性记忆加工工艺等因素，选择微晶玻璃做为主反射镜的材料较理想，其优点是密度较小、线胀系数小、机械强度高、耐化学腐蚀、介电损耗低、电绝缘性号等，同时对其进行轻量化处理工艺比较成熟。
考虑到结构件机械性能、对空间环境的适应性，以及加工工艺性、重量等因素，主反射镜固定结构件的材料选择铸造钛合金ZTC4材料，其优点是密度小、线胀系数小、机械强度高、热导率低、耐化学腐蚀等有约综合性能。为了减小温度的影响，反射镜和分光镜的固定结构采用钛合金TC4。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：机载终端与地基终端间进行初始对准；
步骤2：机载终端与地基终端间进行开环捕获；
步骤3：机载终端与地基终端间进行粗跟踪；
步骤4：机载终端与地基终端间进行精跟踪，建立通信链路；
步骤5：机载终端与地基终端间实现双向通信。
2.如权利要求1所述的轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，所述步骤1中，首先由机载终端和地基终端给出各自的位置和姿态信息，通过无线电链路交互，机载终端和地基终端各自获得对方的信息，机载终端和地基终端根据位置、姿态信息解算出各自的初始指向姿态，由捕获跟踪瞄准机构驱动摆镜快速调整视轴，指向对方终端，完成对目标位置的初始指向对准。
3.如权利要求2所述的轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，机载终端和地基终端的粗跟接收视场均设置为大于对方终端的不确定区域；
所述步骤2中，首先由地基终端发射信标激光，机载终端处于凝视状态，地面终端的信标激光按照设定轨迹扫描，当信标光扫描进入到机载终端粗跟视场，机载终端探测到信标激光，并发射应答信号，由于光路可逆性，地面终端将收到信标激光，并进行视轴校正，实现双方的开环捕获。
4.如权利要求3所述的轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，所述步骤3中，当机载终端与地基终端实现成功捕获后，双方继续发射己方信标激光，信标激光的束散角设置为大于粗跟踪的最大误差范围，保证所发射的信标光斑始终照射到对方光端机，粗跟踪伺服机构通过调整摆镜的角度将对方的信标光保持在粗视场中心，实现稳定粗跟踪。
5.如权利要求4所述的轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，所述步骤3中，当信标激光进入精跟踪探测器视场后，通过高带宽的精跟踪伺服系统对粗跟踪残差进行实时精密补偿，进入精跟踪，实现信号光精确覆盖对方光学孔径，完成两个终端光学天线间的精确对准，建立通信链路。
6.如权利要求5所述的轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，所述步骤3中，通信双方将要传输的通信信息调制、加载至信号光，双方完成接收、探测和解调通信数据，实现双向通信。
7.如权利要求2所述的轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，所述步骤1中，机载终端的位置和姿态信息由无人机的惯导系统和GPS系统给出。
8.如权利要求3所述的轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，所述粗跟过程的执行机构采用二维摆镜实现。
9.如权利要求8所述的轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，所述二维摆镜承担粗指向和粗跟踪功能，放置在发射/接收光学系统前面，通过其摆动将法线±40°的光线反射进发射/接收光学系统。
10.如权利要求9所述的轻小型机载高速激光通信方法，其特征在于，当通信斜角-40°时二维摆镜与发射/接收光学系统的光轴呈65°角，当通信斜角+40°时二维摆镜与发射/接收光学系统的光轴呈25°角。
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