CN112491470A - 利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置及方法属于无线光通信技术领域。现有吉比特速率无线光通信系统体积、重量和功耗均较大。在本发明之装置的多象限光电探测器中，若干个相同的对准跟踪探测器围绕在一个通信探测器周围，构成一个整体光敏面；在探测接收模块中，对准跟踪跨阻放大器与对准跟踪限幅放大器连接构成放大电路，多条放大电路并行且分别与多通道A/D采集芯片连接，多通道A/D采集芯片还与运算器连接；在多象限光电探测器与探测接收模块之间，每个对准跟踪探测器与每条放大电路中的对准跟踪跨阻放大器的输入端连接。本发明之方法由若干个对准跟踪探测器提取对准跟踪控制信号，由通信探测器提取通信电信号，通信、对准跟踪同步。

Description

利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置及方法，属于无线光通信技术领域。

背景技术

在一个无线光通信系统中，通信分系统与捕获对准跟踪分系统，以及捕获对准跟踪分系统内部，并不具有完全的共口径结构，因此需要保证多光轴精密同轴，包括：1、捕获/粗跟踪探测视轴同轴；2、精密跟踪探测视轴同轴；3、通信视轴同轴。不仅结构复杂，也必然导致无线光通信系统的整体设计、加工以及装调难度都很大，成本无法降低。

于是申请号为201210102198.5的一件中国专利申请给出一种名称为“采用阵列光电探测器的无线光通信装置”的技术方案。该方案采用阵列光电探测器同时接收通信光和信标光，并同时提取通信信号和捕获、对准、跟踪信息，使得无线光通信装置中的捕获对准跟踪分系统的结构得到简化，体积、重量以及能耗也均得到了减小、降低。但是，一方面其采用的阵列光电探测器为同种光电探测器阵列，而另一方面吉比特甚至更高速度无线光通信系统其光通信速率为Gbps级甚至更高，实现捕获、对准、跟踪的信号传输速率却小于kbps，两个速率相差10⁶甚至更高，并且，光电探测器以及相应的电路元件为带通器件，存在最优的工作带宽，因此，所述现有光电探测器根本无法同时在Gbps和kbps两个量级的速率上工作。所以，该现有技术只好就低不就高，以远低于Gbps的低速率完成无线光通信。

在现有技术中，还有一类方案，将接收到的通信光光能量分出一部分用作信标光光能量，据此完成无线光通信过程中的捕获、对准、跟踪。该类方案也能够简化结构，减小、降低体积、重量以及能耗。可是，由于通信光接收光学系统只能将接收到的光信号的一部分聚焦到微米量级尺度的光电探测器上，光能量损失原本已经较大，在分出一部分用于捕获对准跟踪，光信号进一步减弱，不得已通过提高发射光强度来弥补，又另外增大装置重量、体积和功耗。

发明内容

为了在实现吉比特速率无线光通信的前提下，减小无线光通信系统的体积、重量，降低无线光通信系统的功耗，简化无线光通信系统的结构，我们发明了一种利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置及方法，能够利用通信光外围部分实现对准、跟踪，不必提高发射光功率，保证正常接收到的通信光能量全部用于通信。

在本发明之利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置中，如图1所示，其特征在于，发射光学系统1的光轴与接收光学系统2的光轴平行；激光二极管3的出光口位于发射光学系统1的物方焦点处，多象限光电探测器4的感光面位于接收光学系统2的像方焦平面处；二轴转台5承载所述无线光通信装置中除二轴转台5之外其他各个组成部分；捕获模块6、对准跟踪控制模块7、二轴转台5依次电连接；多象限光电探测器4、探测接收模块8、通信控制模块9、接口模块10依次电连接，探测接收模块8还与对准跟踪控制模块7电连接，通信控制模块9还与发射模块11、激光二极管3依次电连接；在多象限光电探测器4中，如图2所示，若干个相同的对准跟踪探测器4-1围绕在一个通信探测器4-2周围，构成一个整体光敏面；在探测接收模块8中，如图3所示，对准跟踪跨阻放大器8-1与对准跟踪限幅放大器8-2连接构成放大电路，多条放大电路并行且分别与多通道A/D采集芯片8-3连接，多通道A/D采集芯片8-3还与运算器8-4连接，通信跨阻放大器8-5与通信限幅放大器8-6连接；如图1、图3所示，在多象限光电探测器4与探测接收模块8之间，每个对准跟踪探测器4-1与每条放大电路中的对准跟踪跨阻放大器8-1的输入端连接，通信探测器4-2与通信跨阻放大器8-5的输入端连接；所述运算器8-4对外与对准跟踪控制模块7连接，所述通信限幅放大器8-6对外与通信控制模块9连接。

在本发明之利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信方法中，如图1所示，通信双方同时由各自的捕获模块6、对准跟踪控制模块7、二轴转台5开始并完成彼此之间的初始对准；发送方将原始通信数据依次通过接口模块10、通信控制模块9、发射模块11、激光二极管3、发射光学系统1以通信光信号方式向接收方发送，完成原始通信数据的发送；其特征在于，如图1、图3所示，接收方的接收光学系统2接收到所述通信光信号后汇聚到多象限光电探测器4上，一方面，在若干个对准跟踪探测器4-1上产生的若干个电信号由探测接收模块8处理后输出一组电压信号给对准跟踪控制模块7，对准跟踪控制模块7读取该组电压信号后计算出通信双方的发射光学系统1、接收光学系统2彼此光轴的对准误差，根据该对准误差计算得到二轴转台5所需转动量，控制二轴转台5转动，完成对准跟踪；另一方面，在通信探测器4-2上产生的通信电信号由探测接收模块8处理后发送给通信控制模块9解码，解码后得到的电信号由接口模块10进行数据格式还原，完成原始通信数据的接收。

本发明其技术效果如下所述。

本发明不设信标光，借助通信光的外围部分实现对准跟踪，因此，一方面省去了现有技术中专门配备的一整套对准跟踪系统，另一方面也不同于另外的现有技术中的分光措施，通信光的外围部分原本就因溢出而未被通信探测器接收，本发明是将原本就已损失的光能量用于对准跟踪，通信探测器接收的通信光不变，从而不必为提高通信光的光功率，弥补因分光导致的通信光光能减少而提高光通信装置的硬件设置，再有就是用于对准跟踪的光与通信光相同，不论是对准跟踪探测器4-1还是通信探测器4-2，以及后续电路元件，其选用只需顾及通信需要即可，如通信速率的需要，因此，不存在实现吉比特速率无线光通信的带宽障碍，并且，在此前提下，减小无线光通信系统的体积、重量，降低无线光通信系统的功耗，简化无线光通信系统的结构。

本发明还有一个附带的技术效果，由于采用同一接收光学系统2、多象限光电探测器4和探测接收模块8同时实现对准跟踪和光通信，或者说利用同一束通信光的外围部分实现对准跟踪，相比于现有采用信标光实现对准跟踪的方案，本发明不论是理论上还是实际上，实现了通信光光学系统和“信标光光学系统”的完全“同轴”，对准跟踪精度高，装调更简便，通信效果明显改善。

附图说明

图1是本发明之利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置的整体结构示意图，该图同时表示通信双方对准跟踪及通信状态。图2是本发明之利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置中的多象限光电探测器结构放大示意图。图3是本发明之利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置中的探测接收模块结构框图，该图同时从探测接收模块内部进一步表示其与多象限光电探测器、对准跟踪控制模块以及通信控制模块的结构及工作关系，该图同时作为摘要附图。图4是本发明之利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置中的捕获模块结构示意图，该图同时从捕获模块内部进一步表示其与对准跟踪控制模块的结构与工作关系。图5是本发明之利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置中的发射模块结构示意图，该图同时从发射模块内部进一步表示其与通信控制模块、激光二极管以及发射光学系统的结构与工作关系。

具体实施方式

以下是对本发明之利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置的进一步说明。

发射光学系统1由一个平凸透镜担当，口径5mm，焦距5mm。

接收光学系统2由单个平凸透镜担当，口径10mm，焦距5mm。

激光二极管3采用DFB型激光二极管，发光波长为1550nm，出光端面为平面。

多象限光电探测器4内设4个对准跟踪探测器4-1和1个通信探测器4-2，对准跟踪探测器4-1与通信探测器4-2由相同的光电器件担当，如PIN式光电二极管或者APD式光电二极管，光谱响应范围900～1700nm；所述对准跟踪探测器4-1的几何尺度为毫米量级，如当其形状为扇形时，半径为2mm，所述通信探测器4-2的光敏面的形状、几何尺度与现有技术相同，分别为圆形、微米量级，例如直径为100μm；所述对准跟踪探测器4-1的光敏面为扇形，4个对准跟踪探测器4-1按四象限分布，能够提供上下左右四路信号给对准跟踪控制模块7，进而控制二轴转台5在俯仰和方位两个维度上调整无线光通信装置的空间姿态。各个对准跟踪探测器4-1和1个通信探测器4-2均安装于一块层压聚酯板(PCB)上，如图2所示。

所述捕获模块6由成像光学系统6-1和相机6-2组成，如图4所示，成像光学系统6-1的光轴与接收光学系统2的光轴平行，相机6-2的感光面位于与成像光学系统6-1的像面处，成像光学系统6-1具有多透镜结构，等效焦距为50mm，相机6-2是一个CMOS图像传感器，分辨率为1024×1024；相机6-2对外与对准跟踪控制模块7连接，将捕获的通信对方的无线光通信装置的图像信号传送给对准跟踪控制模块7。

对准跟踪控制模块7是一个DSP、FPGA或者ASIC处理芯片。

在探测接收模块8中，如图3所示，对准跟踪跨阻放大器8-1由MAX4206芯片担当，其带宽小于10kHz；对准跟踪限幅放大器8-2采用零漂移的MAX40100芯片，能够抑制噪声；多通道A/D采集芯片8-3采用具有24位模数转换精度的AD7191芯片，利于信号的捕获，能够满足采样精度要求；运算器8-4采用专用DSP芯片，具有复杂的计算功能；通信跨阻放大器8-5由PHY1090芯片担当，具有10GHz的带宽增益，通信限幅放大器8-6由MAX3945型芯片担当。

通信控制模块9、接口模块10采用的处理芯片相同，为DSP、FPGA或者ASIC。

在所述发射模块11中，如图5所示，监测光电二极管11-1位于分光原件11-2的反射光路上，监测光电二极管11-1与激光器驱动芯片11-3连接，激光器驱动芯片11-3由MAX3948型激光驱动芯片担当；激光器驱动芯片11-3对外分别与通信控制模块9、激光二极管3连接，驱动激光二极管3发射通信光，分光原件11-2对外有两个结构关系，一是分光原件11-2位于激光二极管3的发光光路上，二是在分光原件11-2的透射光路上设置发射光学系统1。

以下是对本发明之利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信方法的进一步说明。

1、初始对准

通信双方的捕获模块6将捕获的通信对方的无线光通信装置的图像信号传送给对准跟踪控制模块7，由对准跟踪控制模块7提取通信双方的无线光通信装置的一方发射光学系统1与另一方接收光学系统2的光轴对准误差，并根据对准误差计算光轴偏移量，将光轴偏移量作为控制信号控制二轴转台5的转动量，完成初始对准。初始对准后依然存在较大光轴对准误差。

2、原始通信数据的发送

通信双方将需要发送的原始通信数据输入接口模块10，由接口模块10进行数据电平格式转换后成为电信号，将所述电信号传送给通信控制模块9进行编码后成为通信电信号，所述编码如强度编码，将所述通信电信号发送给发射模块11，由发射模块11驱动激光二极管3发光，同时实现发光强度调制生成通信光信号，通信光信号经发射光学系统1整形后发出，完成原始通信数据的发送。其中，由发射模块11中的激光器驱动芯片11-3驱动激光二极管3发光，同时，由分光原件11-2从激光二极管3的发光中分出一部分到监测光电二极管11-1，转换为电信号后输入到激光器驱动芯片11-3中，由激光器驱动芯片11-3对通信光信号进行分析，获取激光二极管3的工作状态，并对驱动过程进行优化。

3、对准跟踪

通信双方的接收光学系统2将接收到的通信光信号汇聚到多象限光电探测器4上，多象限光电探测器4的4个对准跟踪探测器4-1输出4路光电流信号，所述4路光电流信号分别输入到探测接收模块8中的4路放大电路中，先由每路放大电路中的对准跟踪跨阻放大器8-1将光电流转化为电压信号，再由对准跟踪限幅放大器8-2对所述电压信号进行高信噪比放大，将放大后的电压信号交由多通道A/D采集芯片8-3进行信号采集后输入到运算器8-4中，由运算器8-4提取多象限光电探测器4的整体光敏面上由4个电压信号确定的光斑的质心位置，并将这一计算结果供对准跟踪控制模块7读取，之后由对准跟踪控制模块7计算出通信双方的发射光学系统1、接收光学系统2彼此光轴的对准误差，根据该对准误差计算得到二轴转台5所需转动量，控制二轴转台5转动，完成对准跟踪。

4、原始通信数据的接收

与通信双方的对准跟踪同步，在通信探测器4-2上产生的通信光电流输入给探测接收模块8，先由通信跨阻放大器8-5将所述通信光电流转化为电压信号，再由通信限幅放大器8-6对所述电压信号进行高信噪比放大得到通信电信号，将所述通信电信号发送给通信控制模块9解码，解码后得到的电信号由接口模块10进行数据格式还原，完成原始通信数据的接收。

Claims (5)

1.一种利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置，其特征在于，发射光学系统（1）的光轴与接收光学系统（2）的光轴平行；激光二极管（3）的出光口位于发射光学系统（1）的物方焦点处，多象限光电探测器（4）的感光面位于接收光学系统（2）的像方焦平面处；二轴转台（5）承载所述无线光通信装置中除二轴转台（5）之外其他各个组成部分；捕获模块（6）、对准跟踪控制模块（7）、二轴转台（5）依次电连接；多象限光电探测器（4）、探测接收模块（8）、通信控制模块（9）、接口模块（10）依次电连接，探测接收模块（8）还与对准跟踪控制模块（7）电连接，通信控制模块（9）还与发射模块（11）、激光二极管（3）依次电连接；在多象限光电探测器（4）中，若干个相同的对准跟踪探测器（4-1）围绕在一个通信探测器（4-2）周围，构成一个整体光敏面；在探测接收模块（8）中，对准跟踪跨阻放大器（8-1）与对准跟踪限幅放大器（8-2）连接构成放大电路，多条放大电路并行且分别与多通道A/D采集芯片（8-3）连接，多通道A/D采集芯片（8-3）还与运算器（8-4）连接，通信跨阻放大器（8-5）与通信限幅放大器（8-6）连接；在多象限光电探测器（4）与探测接收模块（8）之间，每个对准跟踪探测器（4-1）与每条放大电路中的对准跟踪跨阻放大器（8-1）的输入端连接，通信探测器（4-2）与通信跨阻放大器（8-5）的输入端连接；所述运算器（8-4）对外与对准跟踪控制模块（7）连接，所述通信限幅放大器（8-6）对外与通信控制模块（9）连接。

2.根据权利要求1所述的利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置，其特征在于，多象限光电探测器（4）内设4个对准跟踪探测器（4-1）和1个通信探测器（4-2），对准跟踪探测器（4-1）与通信探测器（4-2）由相同的光电器件担当，所述光电器件为PIN式光电二极管或者APD式光电二极管，光谱响应范围900~1700nm；所述对准跟踪探测器（4-1）的几何尺度为毫米量级，其形状为扇形，半径为2mm，所述通信探测器（4-2）的光敏面为圆形，直径为100μm；所述4个扇形对准跟踪探测器（4-1）按四象限分布，能够提供上下左右四路信号给对准跟踪控制模块（7），进而控制二轴转台（5）在俯仰和方位两个维度上调整无线光通信装置的空间姿态；各个对准跟踪探测器（4-1）和1个通信探测器（4-2）均安装于一块层压聚酯板上。

3.根据权利要求1所述的利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信装置，其特征在于，在探测接收模块（8）中，对准跟踪跨阻放大器（8-1）由MAX4206芯片担当，其带宽小于10kHz；对准跟踪限幅放大器（8-2）采用零漂移的MAX40100芯片，能够抑制噪声；多通道A/D采集芯片（8-3）采用具有24位模数转换精度的AD7191芯片，利于信号的捕获，能够满足采样精度要求；运算器（8-4）采用专用DSP芯片，具有复杂的计算功能；通信跨阻放大器（8-5）由PHY1090芯片担当，具有10GHz的带宽增益，通信限幅放大器（8-6）由MAX3945型芯片担当。

4.一种利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信方法，通信双方同时由各自的捕获模块（6）、对准跟踪控制模块（7）、二轴转台（5）开始并完成彼此之间的初始对准；发送方将原始通信数据依次通过接口模块（10）、通信控制模块（9）、发射模块（11）、激光二极管（3）、发射光学系统（1）以通信光信号方式向接收方发送，完成原始通信数据的发送；其特征在于，接收方的接收光学系统（2）接收到所述通信光信号后汇聚到多象限光电探测器（4）上，一方面，在若干个对准跟踪探测器（4-1）上产生的若干个电信号由探测接收模块（8）处理后输出一组电压信号给对准跟踪控制模块（7），对准跟踪控制模块（7）读取该组电压信号后计算出通信双方的发射光学系统（1）、接收光学系统（2）彼此光轴的对准误差，根据该对准误差计算得到二轴转台（5）所需转动量，控制二轴转台（5）转动，完成对准跟踪；另一方面，在通信探测器（4-2）上产生的通信电信号由探测接收模块（8）处理后发送给通信控制模块（9）解码，解码后得到的电信号由接口模块（10）进行数据格式还原，完成原始通信数据的接收。

5.根据权利要求4所述的利用通信光外围部分实现对准跟踪无线光通信方法，其特征在于，通信双方的接收光学系统（2）将接收到的通信光信号汇聚到多象限光电探测器（4）上，多象限光电探测器（4）的4个对准跟踪探测器（4-1）输出4路光电流信号，所述4路光电流信号分别输入到探测接收模块（8）中的4路放大电路中，先由每路放大电路中的对准跟踪跨阻放大器（8-1）将光电流转化为电压信号，再由对准跟踪限幅放大器（8-2）对所述电压信号进行高信噪比放大，将放大后的电压信号交由多通道A/D采集芯片（8-3）进行信号采集后输入到运算器（8-4）中，由运算器（8-4）提取多象限光电探测器（4）的整体光敏面上由4个电压信号确定的光斑的质心位置，并将这一计算结果供对准跟踪控制模块（7）读取，之后由对准跟踪控制模块（7）计算出通信双方的发射光学系统（1）、接收光学系统（2）彼此光轴的对准误差，根据该对准误差计算得到二轴转台（5）所需转动量，控制二轴转台（5）转动，完成对准跟踪。

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