CN114221697B - 一种无线无源双向激光通信模块 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业通信技术领域，公开了一种无线无源双向激光通信模块，包括配对使用的第一激光通信单元和第二激光通信单元，第一激光通信单元包括第一底板，第一底板中心固定设置有第一探测器，第一探测器两侧分别设置固定有一个第一激光器；第二激光通信单元包括第二底板，第二底板中心固定设置有第二探测器，第二探测器两侧分别设置固定有一个第二激光器；第一激光器和第二激光器用于发出携带编码信号的激光信号，探测器和第二探测器用于分别接收第二激光器和第一激光器发出的激光；本发明不仅可以实现激光无线双向通信，而且还能提高通信信号的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于工业通信技术领域，具体涉及一种小型无线无源双向激光通信模块，可以用于强电磁干扰、高旋转、需无源供电以及有保密性要求的信号传输控制等工况环境。
背景技术
目前各种特种装备研制都需要大量测试试验去验证其功能性、可靠性，切实提高产品质量，但是试验过程中设备参数很难通过有线方式获取，同时测试环境存在着很强的电磁干扰，无法通过传统的蓝牙，WIFI，LORA，Zigbee等方式进行无线通信，同时为了获取较高的采集精度和采样频率，需要较高的传输码率，传统的无线传输除了WIFI，其他码率都很低，而WIFI通信安全性较低，容易受干扰，同时外围设计部件复杂。另外，有些复杂应用环境下无法通过有线方式对通信设备进行供电，需要无线供电或者使用电池等方式。电池有天然的使用缺陷，环境要求比较高，温度、压力都会影响其寿命和使用。因此，现有技术中的通信模块在强电磁干扰、高旋转、高温等环境下都无法可靠的获取信号。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种无线无源激光通信模块，以实现恶劣环形下的无线通信，并提高通信安全性和可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种无线无源双向激光通信模块，包括：配对使用的第一激光通信单元和第二激光通信单元，所述第一激光通信单元包括第一底板，所述第一底板中心固定设置有第一探测器，所述第一探测器两侧分别设置固定有一个第一激光器；所述第二激光通信单元包括第二底板，所述第二底板中心固定设置有第二探测器，所述第二探测器两侧分别设置固定有一个第二激光器；
所述第一激光器和第二激光器用于发出携带编码信号的激光信号，所述探测器和第二探测器用于分别接收所述第二激光器和第一激光器发出的激光；
所述第一激光通信单元和第二激光通信单元还包括通信控制模块，所述通信控制模块用于对要发送的通信信号进行编帧、编码后控制对应的激光器发出信号，还用于对对应的探测器接收的激光信号进行编码后发送出去。
所述第一激光器和第二激光器的波段不同。
所述第一激光通信单元还包括第一电源管理组件、无线充电发射组件和第一利兹线圈；所述第二激光通信单元包括第二电源管理组件和无线充电接收组件和第二利兹线圈；
所述无线充电发射组件通过第一利兹线圈对第二激光通信单元进行充电，所述无线充电接收组件通过第二利兹线圈从第一激光通信单元获取电能；
所述第一电源管理组件和第二电源管理组件分别用于向所述第一激光通信单元和第二激光通信单元供电。
所述第一利兹线圈和第二利兹线圈的距离小于20mm。
所述无线充电发射组件包括与第一利兹线圈依次连接的滤波补偿电路和高频逆变电路，所述无线充电接收组件包括与第二利兹线圈依次连接的整流滤波电路和稳压调压电路。
所述第一激光通信单元和第二激光通信单元还包括驱动模块，所述驱动模块包括驱动电路、匹配电路和保护电路，编码信号经所述匹配电路和驱动电路后，驱动对应的激光器发出激光信号。
所述第一激光通信单元和第二激光通信单元还包括信号处理电路，所述信号处理电路包括前置放大电路、主放大电路和匹配均衡线路，所述第一探测器和第二探测器接收对应的激光器发出的激光信号并进行光电转换后发送给前置放大电路，然后经主放大电路、匹配均衡电路后输出给所述通信控制模块。
所述第一激光通信单元和第二激光通信单元中的激光器和探测器满足以下条件：
其中，l表示同一激光通信单元上的两个激光器之间的距离，L表示第一激光通信单元与第二激光通信单元的距离，HP表示激光器的半功率角，d表示探测器的有效探测直径；δ表示所述第一激光通信单元和第二激光通信单元之间的激光器沿Y方向的偏移值，φ表示所述第一激光通信单元和第二激光通信单元之间探测器沿X方向的偏移值。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供了一种无线无源激光通信模块，其基于短距离激光实现双向无线通信，利用电磁感应无线充电技术实现无线供电，可以解决高旋，强磁等恶劣环境下数据采集、存储与测量设备可靠连接、信号可靠传输与供电、结构可适配性设计，为各种设备关键参数安全可靠传输提供一种的信号提取手段。而且，本发明中，通过对激光器和探测器的位置进行特殊布置和设置，可以提高激光通信信号接收的稳定性和可靠性，有利于提高振动环境下的通信稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种无线无源双向激光通信模块的结构示意图；
图2为本发明实施例中第一激光通信单元的正视图；
图3为本发明实施例提供的一种无线无源双向激光通信模块的电路结构框图；
图4为本发明实施例中无线充电的原理示意图；
图5为本发明实施例中通信控制模块的原理示意图；
图6为本发明实施例中驱动模块的原理示意图；
图7为本发明实施例中信号处理电路的原理示意图；
图8为本发明实施例中激光收发时Y方向偏移的模型示意图；
图9为本发明实施例中激光收发时X方向偏移的模型示意图；
图10为本发明实施例中无偏移时的仿真结果示意图，其中（a）为光路示意图，（b）为探测器上的光斑示意图；
图11为本发明实施例中Y方向偏移时的仿真结果示意图；其中（a）为光路示意图，（b）为探测器上的光斑示意图；
图12为本发明实施例中X方向偏移时的仿真结果示意图；其中（a）为光路示意图，（b）为探测器上的光斑示意图。
图中：1为第一激光通信单元，2为第一底板，3为第一激光器，4为第一探测器，5为第一利兹线圈，6为第二激光通信单元，7为第二底板，8为第二探测器，9为第二激光器，10为第二利兹线圈，11为光束圈。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例一提供了一种无线无源双向激光通信模块，包括：配对使用的第一激光通信单元1和第二激光通信单元6，所述第一激光通信单元1包括第一底板2，所述第一底板2中心固定设置有一个第一探测器4，所述第一探测器4两侧分别设置固定有一个第一激光器3；所述第二激光通信单元6包括第二底板7，所述第二底板7中心固定设置有第二探测器8，所述第二探测器8两侧分别设置固定有一个第二激光器9；所述第一激光器3和第二激光器9用于发出携带编码信号的激光信号，所述第一探测器4和第二探测器8用于分别接收两个第二激光器9和两个第一激光器3发出的激光；所述第一激光通信单元1和第二激光通信单元6还包括通信控制模块，所述通信控制模块用于对要发送的通信信号进行编帧、编码后控制对应的激光器发出信号，还用于对探测器接收的激光信号进行编码后发送出去。通信控制模块除了对信号进行编帧编码外，还可以进行总线适配，可与外设进行USB，LVDS，RS485等总线通信。
具体地，本实施例中，所述第一激光器3和第二激光器9的波段优选为不同波段，不同波段可以避免激光信号的反射和散射造成的噪声干扰，确保信号不会受到干扰。
具体地，如图3所示，所述第一激光通信单元1还包括第一电源管理组件、无线充电发射组件和第一利兹线圈；所述第二激光通信单元6包括第二电源管理组件和无线充电接收组件和第二利兹线圈。所述无线充电发射组件通过第一利兹线圈对第二激光通信单元6进行充电，所述无线充电接收组件通过第二利兹线圈从第一激光通信单元1获取电能；所述第一电源管理组件和第二电源管理组件分别用于向所述第一激光通信单元1和第二激光通信单元6供电。
具体地，本实施例中，所述第一利兹线圈和第二利兹线圈的距离小于20mm。
进一步地，如图4所示，所述无线充电发射组件包括与第一利兹线圈依次连接的滤波补偿电路和高频逆变电路，所述无线充电接收组件包括与第二利兹线圈依次连接的整流滤波电路和稳压调压电路。无线充电组件配合电源管理组件完成电源的稳压滤波和二次电源输出，为负载提供可靠的电源电压。高频逆变电路将直流输入电压转化为高频交流电，电路中采用补偿电容，做无功补偿，提高变压器耦合系数。高频逆变电路输出的高频交流信号经过利兹线圈对转化为接收端高频交流信号，发射电路经过线圈的无线传输到达接收电路中输出的是高频的交变电流，而最后需要的是稳定的直流电压，因此必须使用整流滤波稳压电路得到稳定的直流电压。
具体地，如图5所示，本实施例中，通信控制模块负责将输入的数字信号，通过编帧编码，形成串行数据流驱动激光调制电路进行电光转换，经过无线激光通信组件传输到对侧的通信控制组件进行数字滤波和整形，按照10倍奈奎斯特采样原理对光电信号进行采样，解码和识别，转换成相应的总线适配信号进行传输。最后传到后端服务器进行可视化显示。
具体地，如图1所示，本实施例中，所述第一激光通信单元1和第二激光通信单元6还包括驱动模块，如图6所示，所述驱动模块包括驱动电路、匹配电路和保护电路。其中，编码信号经所述匹配电路和驱动电路后，驱动对应的激光二极管发出携带编码信号的激光信号。
进一步地，如图1所示，本实施例中，所述第一激光通信单元1和第二激光通信单元6还包括信号处理电路，如图7所示，所述信号处理电路包括前置放大电路、主放大电路和匹配均衡线路，所述第一探测器4和第二探测器8接收对应的激光器发出的激光信号并进行光电转换后发送给前置放大电路，然后经主放大电路、匹配均衡电路后输出给所述通信控制模块。其中，第一探测器4和第二探测器8可以为高速电光探测器，高速光电探测器是构成高速光模块接收部分的核心器件，它为光模块通信提供光检测，其性能好坏同样决定着整个光收发系统的性能。光电探测器的主要工作原理是在接收激光器发出光信号，并将其转变为电信号，供后级电路使用。信号处理电路是光信号接收部分的核心电路，主要功能是将光电探测器光-电转换生成的弱电流信号进行适当增益的放大。在光模块接收部分由于光电探测器生成的光电流很微弱，所以必须进行信号放大处理才能还原出用户信号。因此信息处理电要求能够无失真检测小信号并可以对弱小信号进行适当增益的放大，同时还要有效的抑制噪声和干扰。
如图8~9所示，为发明本实施例中，激光收发时Y和X方向偏移的模型示意图。在视距通信的链路结构中，单激光器光线覆盖面积Ac（mm2）由激光器固有的半功率角HP（-3dB）对应的角度值决定，即：
AC=π*(L*tanHP)2；（1）
其中单激光器辐射直径为D=2L*tanHP，L为激光模块通信距离。
同一个激光通信单元中，两个激光器之间的距离为l，探测器的有效探测直径为d。两个激光通信单元能双向通信的条件是，双方能互相稳定地接收对方发送的激光信息。因此，两个激光通信单元之间能互相通信的条件为：
其中，l表示同一个激光通信单元中两个激光器之间的距离，δ表示相互配对的两个激光通信单元之间在Y方向的轴心偏移量，φ表示相互配对的两个激光通信单元之间的在X方向的轴心偏移量。
L的大小决定于光源发射光功率Pt (dBm)，接收器灵敏度Se (dBm)以及光束传播过程中的损耗Ps (dBm)，在室内试验视距光通信，可忽略大气损耗、分子损耗，主要关注几何损耗。几何损耗主要与光束发散角HP，传播距离L以及探测器的直径d有关。当激光器和探测器选定，几何损耗主要于传输距离L有关。
如上式（5）几何损耗与传输距离L正比，距离越远，损耗越大。为了可靠，可以对传输距离L和光链路损耗间折中考虑。
综上，只要相互配对的两个激光通信单元满足相对位置满足式（3）和式（4），单个激光通信单元中激光器相对距离满足式（1），同时接收的可用光功率P r (dBm)满足式（6），那么就可以保证两个激光通信单元在存在轴向偏移和旋转的情况下，仍然可以有效通信。
P r (dBm)=P t (dBm)-P s (dBm)>S e (dBm)； （6）
具体地，本实施例中，采用激光器采用欧司朗850nm的SFH4855红外发射管，探测器采用北京敏光科技的Si-PIN管LSSPD1.2-3P-L1，搭建了LOS光学模型进行光学仿真验证了以上分析。
实验例：激光器距离l=12mm，探测器直径为d=1.2mm。 L=100-2.7(激光器相对位置)-3(探测器相对位置)=94.3mm，模拟光线数每个激光器100，分析光线束100000，激光器光源参数为35mW，半发散角8°，探测器的灵敏度为-69.6dBm（手册推算），最终按照ZEMAX仿真得出探测器的接收光功率为0.64mW(约-2dBm)，如图10所示。由公式（2）计算|δ|＜94.3*tan (8°)+6-1.2=18mm，由公式（3）计算
=10.6mm。
当单侧激光模块Y向18mm时，接收光功率0.0232mW(约-16.3dBm)，如图11所示。远大于探测器的探测灵敏度，满足设计要求。当单侧激光模块X向偏移按照10.6mm时，接收光功率0.0351mW(约-14.5dBm)，如图12所示，远大于探测器的探测灵敏度，满足设计要求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种无线无源双向激光通信模块，其特征在于，包括：配对使用的第一激光通信单元（1）和第二激光通信单元（6），所述第一激光通信单元（1）包括第一底板（2），所述第一底板（2）中心固定设置有第一探测器（4），所述第一探测器（4）两侧分别设置固定有一个第一激光器（3）；所述第二激光通信单元（6）包括第二底板（7），所述第二底板（7）中心固定设置有第二探测器（8），所述第二探测器（8）两侧分别设置固定有一个第二激光器（9）；
所述第一激光器（3）和第二激光器（9）用于发出携带编码信号的激光信号，所述第一探测器（4）和第二探测器（8）用于分别接收所述第二激光器（9）和第一激光器（3）发出的激光；
所述第一激光通信单元（1）和第二激光通信单元（6）还包括通信控制模块，所述通信控制模块用于对要发送的通信信号进行编帧、编码后控制对应的激光器发出信号，还用于将对应的探测器接收的激光信号进行编码后发送出去；
所述第一激光通信单元（1）还包括第一电源管理组件、无线充电发射组件和第一利兹线圈；所述第二激光通信单元（6）包括第二电源管理组件和无线充电接收组件和第二利兹线圈；
所述无线充电发射组件通过第一利兹线圈对第二激光通信单元（6）进行充电，所述无线充电接收组件通过第二利兹线圈从第一激光通信单元（1）获取电能；
所述第一电源管理组件和第二电源管理组件分别用于向所述第一激光通信单元（1）和第二激光通信单元（6）供电；
所述第一利兹线圈和第二利兹线圈的距离小于20mm；
所述第一激光通信单元（1）和第二激光通信单元（6）中的激光器和探测器满足以下条件：
其中，l表示同一激光通信单元上的两个激光器之间的距离，L表示第一激光通信单元（1）与第二激光通信单元（6）的距离，HP表示激光器的半功率角，d表示探测器的有效探测直径；δ表示所述第一激光通信单元（1）和第二激光通信单元（6）之间的激光器沿Y方向的偏移值，φ表示所述第一激光通信单元（1）和第二激光通信单元（6）之间探测器沿X方向的偏移值。
2.根据权利要求1所述的一种无线无源双向激光通信模块，其特征在于，所述第一激光器（3）和第二激光器（9）的波段不同。
3.根据权利要求1所述的一种无线无源双向激光通信模块，其特征在于，所述无线充电发射组件包括与第一利兹线圈依次连接的滤波补偿电路和高频逆变电路，所述无线充电接收组件包括与第二利兹线圈依次连接的整流滤波电路和稳压调压电路。
4.根据权利要求1所述的一种无线无源双向激光通信模块，其特征在于，所述第一激光通信单元（1）和第二激光通信单元（6）还包括驱动模块，所述驱动模块包括驱动电路、匹配电路和保护电路，编码信号经所述匹配电路和驱动电路后，驱动对应的激光器发出激光信号。
5.根据权利要求1所述的一种无线无源双向激光通信模块，其特征在于，所述第一激光通信单元（1）和第二激光通信单元（6）还包括信号处理电路，所述信号处理电路包括前置放大电路、主放大电路和匹配均衡线路，所述第一探测器（4）和第二探测器（8）接收对应的激光器发出的激光信号并进行光电转换后发送给前置放大电路，然后经主放大电路、匹配均衡电路后输出给所述通信控制模块。
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