CN111447012A - 自组网编队飞机群激光全向通信光学系统及其通信方法 - Google Patents

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Abstract

自组网编队飞机群激光全向光学系统及其通信方法，属于光通信技术领域，为了解决现有技术中光学系统结构复杂，体积和重量受限，不适合搭载到无人机上；无法支持广播式通信；无法支撑分布式协同及无法保证信息有效传递等问题，假设整个网络有N条信息传输路径，将这N条传输路径抽象成飞机群通信传递系统同步模型中的N个节点，在每个节点上搭载激光通信载荷，任意一个节点可以同时发送和接收其它节点传输的信息，如指令、数据等，由此完成无人全自动总体协同。可大大提高无人全自动总体的工作效率和性能。具有体积小、重量轻等特点，适合搭载到无人机上。克服了激光通信自主协同的最大障碍，保证了全自动总体在通信拒止环境中的任务协同。

Description

自组网编队飞机群激光全向通信光学系统及其通信方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种自组网编队飞机群激光全向光学系统及其通信方法。
背景技术
自组网编队的飞机群具有机动性强、成本低、行动隐蔽的优势。为了能够在编队内快速传输战场环境信息，形成群体感知，一种大带宽、高隐蔽的通信传递渠道必不可少。传统技术一般采用点对点通信传递，但其无法支撑分布式协同，且该方法要搭配大口径光学系统，系统整体结构复杂，不适合搭载到无人机上。特别的，在通信拒止环境下多采用微波通信技术，会受到电磁干扰，无法保证信息的有效传递。可见，提出一种自组网编队飞机群激光全向光学方法的必要性。
发明内容
本发明为了解决现有技术中光学系统结构复杂，体积和重量受限，不适合搭载到无人机上；无法支持广播式通信；无法支撑分布式协同及无法保证信息有效传递等问题，提出了一种可实现激光全向传递的光学系统及方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
自组网编队飞机群激光全向通信光学系统，其特征是，该系是由激光全向通信扩散结构和激光全向通信接收结构组成；
所述激光全向通信扩散结构由电机、单反射镜、准直系统和激光器组成；所述激光器出射的光经过准直系统准直后入射到单反射镜上，由电机驱动单反射镜，使其快速扫描，将不同角度接收的光反射出去，实现光信号的全向扩散；
所述激光全向通信接收结构由六个单个激光全向通信接收结构均匀分布拼接而成；
所述单个激光全向通信接收结构为非球面透镜和探测器由壳体封装组成，激光全向通信扩散结构中单反射镜扩散出的光入射到非球面透镜上，然后光经过非球面透镜耦合进入探测器；探测器将光信号转换为电信号，完成信息传递。
所述准直系统的焦距f1的选取根据探测器靶面直径D、通信距离L、激光器发射功率P发及探测器接收功率P收确定，满足
Figure BDA0002415457890000021
先计算出激光器发出的光束发散角θ，再根据
Figure BDA0002415457890000022
计算出焦距f1。
基于权利要求1所述的自组网编队飞机群激光全向通信系统的通信方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，首先，假设整个网络有四条信息传输路径，将这四条传输路径抽象成飞机群通信传递系统同步模型中的四个节点，在每个节点上搭载本发明所述的自组网编队飞机群激光全向通信光学系统，任意一个节点可以同时发送和接收其它节点传输的信息；
步骤二，当前节点位置系统中激光器出射的激光，入射到准直系统中，准直并缩小一定的发散角后再入射到单反射镜上，同时由电机控制单反射镜转动对光路快速扫描，实现360°信息扩散；
步骤三，信息扩散进入下一节点，通过该节点位置的激光全向通信接收结构，由六个均匀分布的非球面透镜接收来自前一节点反射镜出射的不同方向的光，将光耦合入探测器中。探测器捕捉并判断信息入射方向，其电信号通过控制电路驱动前一节点的电机，电机控制反射镜调整光轴指向位置，从而成功实现视轴对准；
步骤四，在视轴对准基础上，前一节点的激光器对发射光信号进行调制，后一节点的探测器对接收到的光信号进行解调实现链路间信息传输；完成全双工全方位的信息传递，实现自组网编队飞机群激光全向通信。
本发明的有益效果是：
其一，本发明提出了一种可实现激光全向传递的光学方案，发射端基于单反射镜快速扫描，接收端采用多块大视场透射式拼接结构。对于这种一发多收的传递机制，提出了全新的飞机群捕获跟踪对准形式：接收端的六个视场角均为62.4°的非球面透镜接收来自反射镜出射的不同方向的光，将光耦合入探测器中，探测器捕获信息并判断出入射方向，其电信号通过控制电路驱动电机，电机控制反射镜调整光轴位置，实现视轴对准。确保每条链路的高效连接，提高了系统的实时性及可靠性。该光学结构简单，无需采用传统粗细复合的形式，具有体积小、重量轻等特点，适合搭载到无人机上。且该方案无需点对点精确瞄准，在保证能量传输的同时，实现发送与接收端的全向通信。克服了激光通信自主协同的最大障碍，保证了全自动总体在通信拒止环境中的任务协同。
其二，传统通信拒止环境一般采用微波通信技术，易受电磁干扰，无法保证协同指令及信息的有效传递。本发明首次提出基于激光通信进行高宽带信息交互，采用红外激光波段作为载波，不受电磁干扰且传递速率高，可大大提高无人全自动总体的工作效率和性能。
附图说明
图1为本发明自组网编队飞机群激光全向通信光学系统结构示意图。
图2为本发明所述激光全向通信扩散结构示意图。
图3为本发明所述单个激光全向通信接收结构示意图。
图4为本发明所述激光全向通信接收结构示意图。
图5为本发明四节点自主协同分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完善的描述。
如图1所示，本发明自组网编队飞机群激光全向通信光学系统是由激光全向通信扩散结构5和激光全向通信接收结构10组成，实现信息发送和接收一体化。
如图2所示，激光全向通信扩散结构5由电机1、单反射镜2、准直系统3和激光器4组成。激光器4出射的光经过准直系统3准直后入射到单反射镜2上，由电机1驱动单反射镜2，使其快速扫描，将不同角度接收的光反射出去，实现光信号的全向扩散。
所述激光器4的中心波长为1064nm。
所述准直系统3的焦距f1的选取根据探测器7靶面直径D、通信距离L、激光器4发射功率P发及探测器7接收功率P收确定，满足
Figure BDA0002415457890000041
先计算出激光器4发出的光束发散角θ，再根据
Figure BDA0002415457890000042
计算出焦距f1。
例如，当激光器4发射功率P发为5w，探测器7的接收功率P收为3×10-8W，通信距离L为150m，探测器7靶面直径D为105μm，发散角θ为3°时可满足功率需求。再由公式
Figure BDA0002415457890000043
计算出准直系统3的焦距f1为2mm。准直系统3的作用是将激光器4出射的激光准直后变成发散角极小的近似平行光束，使光斑能量更集中，分布均匀。
如图3所示，单个激光全向通信接收结构9为非球面透镜6和探测器7由壳体8封装组成。激光全向通信扩散结构中单反射镜2扩散出的光入射到非球面透镜6上，然后光经过非球面透镜6耦合进入探测器7。探测器7将光信号转换为电信号，完成信息传递。
所述探测器7选用的型号为滨松硅APD S8890-30。
本发明中，经考虑系统整体结构及光学设计合理性，设计非球面透镜6的焦距f2＝2.75mm，探测器靶面d2为3mm，可计算出视场角θ2＝d2/f2＝62.4°。只需拼接六个相同的单个激光全向通信接收结构，就可以实现360°全视场接收。此外每个透镜留有2.4°的视场余量，以保证信息传递的可靠性。
如图4所示，激光全向通信接收结构10由六个单个激光全向通信接收结构9均匀分布拼接而成，在保证能量传输的同时，实现了信息的全向传递。
如图5所示，为四节点网络传输拓扑结构图，将四套本发明所述自组网编队飞机群激光全向通信光学系统分别搭载在四架无人机上，使各个节点可以互相发送接收信息，以完成自组网编队飞机群全向信息传递。
自组网编队飞机群激光全向通信方法，包括以下步骤：
步骤一，首先，假设整个网络有四条信息传输路径，将这四条传输路径抽象成飞机群通信传递系统同步模型中的四个节点，在每个节点上搭载本发明自组网编队飞机群激光全向通信光学系统，任意一个节点可以同时发送和接收其它节点传输的信息，如指令、数据等。
步骤二，当前节点位置系统中激光器4出射的激光，入射到准直系统3中，准直并缩小一定的发散角后再入射到单反射镜2上，同时由电机1控制单反射镜2转动对光路快速扫描，实现360°信息扩散。
步骤三，信息扩散进入下一节点，通过该节点位置的激光全向通信接收结构10，由六个均匀分布的非球面透镜6接收来自前一节点反射镜2出射的不同方向的光，将光耦合入探测器7中，探测器7捕捉并判断信息入射方向。其电信号通过控制电路驱动前一节点的电机1，电机1控制反射镜2调整光轴指向位置，从而成功实现视轴对准。
步骤四，在视轴对准基础上，前一节点的激光器4对发射光信号进行调制，后一节点的探测器7对接收到的光信号进行解调实现链路间信息传输。完成全双工全方位的信息传递，实现自组网编队飞机群激光全向通信。
本实施例中只列举了四个节点间信息相互传输，若多个节点进行传输时，亦可增加收发一体化光学系统个数，建立多条链路，实现多传递路径同步收发。完成自组网飞机群激光全向通信，实现未来网络化战场各方信息的高速互联互通。

Claims (5)

1.自组网编队飞机群激光全向通信光学系统，其特征是，该系是由激光全向通信扩散结构(5)和激光全向通信接收结构(10)组成；
所述激光全向通信扩散结构(5)由电机(1)、单反射镜(2)、准直系统(3)和激光器(4)组成；所述激光器(4)出射的光经过准直系统(3)准直后入射到单反射镜(2)上，由电机(1)驱动单反射镜(2)，使其快速扫描，将不同角度接收的光反射出去，实现光信号的全向扩散；
所述激光全向通信接收结构(10)由六个单个激光全向通信接收结构(9)均匀分布拼接而成；
所述单个激光全向通信接收结构(9)为非球面透镜(6)和探测器(7)由壳体(8)封装组成，激光全向通信扩散结构(5)中单反射镜(2)扩散出的光入射到非球面透镜(6)上，然后光经过非球面透镜(6)耦合进入探测器(7)；探测器(7)将光信号转换为电信号，完成信息传递。
2.根据权利要求1所述的自组网编队飞机群激光全向通信光学系统，其特征在于，所述准直系统(3)的焦距f1的选取根据探测器(7)靶面直径D、通信距离L、激光器(4)发射功率P发及探测器(7)接收功率P收确定，满足
Figure FDA0002415457880000011
先计算出激光器(4)发出的光束发散角θ，再根据
Figure FDA0002415457880000012
计算出焦距f1。
3.根据权利要求1所述的自组网编队飞机群激光全向通信光学系统，其特征在于，所述激光器(4)的中心波长为1064nm。
4.根据权利要求1所述的自组网编队飞机群激光全向通信光学系统，其特征在于，所述探测器(7)选用的型号为滨松硅APD S8890-30。
5.基于权利要求1所述的自组网编队飞机群激光全向通信系统的通信方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，首先，假设整个网络有四条信息传输路径，将这四条传输路径抽象成飞机群通信传递系统同步模型中的四个节点，在每个节点上搭载本发明所述的自组网编队飞机群激光全向通信光学系统，任意一个节点可以同时发送和接收其它节点传输的信息；
步骤二，当前节点位置系统中激光器(4)出射的激光，入射到准直系统(3)中，准直并缩小一定的发散角后再入射到单反射镜(2)上，同时由电机(1)控制单反射镜(2)转动对光路快速扫描，实现360°信息扩散；
步骤三，信息扩散进入下一节点，通过该节点位置的激光全向通信接收结构，由六个均匀分布的非球面透镜(6)接收来自前一节点反射镜(2)出射的不同方向的光，将光耦合入探测器(7)中，探测器(7)捕捉并判断信息入射方向，其电信号通过控制电路驱动前一节点的电机(1)，电机(1)控制反射镜(2)调整光轴指向位置，从而成功实现视轴对准；
步骤四，在视轴对准基础上，前一节点的激光器(4)对发射光信号进行调制，后一节点的探测器(7)对接收到的光信号进行解调实现链路间信息传输；完成全双工全方位的信息传递，实现自组网编队飞机群激光全向通信。
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