CN115065406B - 一种阵列多波束并行无线激光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列多波束并行无线激光通信系统及方法，系统包括两组无线激光通信单元，每组无线激光通信单元包括控制中心、激光器、扩束镜、1/2波片、激光任意二维多波束生成器、集成驱动器、集成阵列光电探测器模组、全反镜、HDLC光电探测器和分光镜；集成驱动器分别与控制中心、激光器、激光任意二维多波束生成器、HDLC光电探测器和集成阵列光电探测器模组连接。本发明基于激光任意二维多波束生成器，不仅可以生成个数100以上阵列波束，并且可以在同一时间对每个波束进行独立调制，实现HDLC和业务数据快速并行调制；本发明可以通过特殊映射表和加密矩阵，实现高速安全无线激光通信。

Description

一种阵列多波束并行无线激光通信系统及方法

技术领域

本发明属于自由空间光通信技术、电光隔离通信技术领域，特别涉及一种阵列多波束并行无线激光通信系统及方法。

背景技术

当前无线激光通信、光电中继以及光电隔离，受限于与激光波束数量的限制，均只能实现点对点通信。因此市场上无论是有限光纤通信的光模块，还是无线激光通信的调制解调器，最终输出的信号均只能以bit流的形式串行输出，接收端需要一定的等待时间并缓存。在实际光通信中，由于色散、大气湍流等原因，容易导致串行数据包传输过程中丢包而断链。其次，当前基于串行器和解串器的光电调制解调器调制频率高、功耗大且时序复杂，无法实现单路大于等于400Gbit调制速率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于激光任意二维多波束生成器，可以在同一时间对每个波束进行独立调制，实现HDLC和业务数据快速并行调制的阵列多波束并行无线激光通信系统，并提供一种阵列多波束并行无线激光通信方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种阵列多波束并行无线激光通信系统，包括两组无线激光通信单元，每组无线激光通信单元包括控制中心、激光器、扩束镜、1/2波片、激光任意二维多波束生成器、集成驱动器、集成阵列光电探测器模组、HDLC光电探测器和分光镜；集成驱动器分别与控制中心、激光器、激光任意二维多波束生成器、HDLC光电探测器和集成阵列光电探测器模组连接；

集成阵列光电探测器模组中包括多个光电探测单元和一个光学发射天线单元，光学发射天线单元位于集成阵列光电探测器模组中心，多个光电探测单元呈蜂窝空间结构紧密排列在光学发射天线单元周围；

激光器出射光束依次扩束镜、1/2波片、激光任意二维多波束生成器和分光镜，到达集成阵列光电探测器模组的光学发射天线单元，然后通过发射天线发送出去；

激光入射到光电探测单元的接收靶面后，光电探测单元将接收到的光信号转化为电信号，并通过数据总线上传至集成驱动器，最终被集成驱动器进行数据并串转化处理和打包后，发送至控制中心；

通信系统通过高级数据链路控制HDLC传输控制字信号，控制字信号通过光学发射天线单元发射，接收端的光电探测单元接收到的控制字信号通过分光镜和全反镜后达到HDLC光电探测器。

所述光学发射天线单元为圆柱结构，光学发射天线单元的直径和长度与光电探测单元直径和长度相等；光学发射天线单元的两个柱状底面分别设有非球面镜和增透平面镜，非球面镜安装在光出射方向，增透平面镜安装在光入射方向；

所有光电探测单元接收靶面均处于另一组无线激光通信单元的集成阵列光电探测器模组的非球面光学发射天线的焦平面上。

所述光电探测单元的接收靶面平行于单元腔体截面，并朝向另一组无线激光通信单元，光电探测单元的电信号电气接口位于光电接收靶面正对面的尾盖板上。

所述激光任意二维多波束生成器包括第一全反射棱镜、第二全反射棱镜、半反射棱镜、起偏器、二维空间光调制器、1/4波片和检偏器；

在空间结构中，第一全反射棱镜、第二全反射棱镜的90°棱镜顶角向内，第一全反射棱镜斜面和第二全反射棱镜斜面向外并且相互平行；半反射棱镜包括两个对称的半透半反面，以及与第一全反射棱镜斜面和第二全反射棱镜斜面垂直的半反射棱镜底面；第一全反射棱镜增透面和半反射棱镜的第一半透半反面无缝贴合，第二全反射棱镜增透面和半反射棱镜的第二半透半反面无缝贴合；第一全反射棱镜、第二全反射棱镜和半反射棱镜底面形成的结构横截面形呈“区”字形；

二维空间光调制器位于半反射棱镜底面外侧，检偏器位于第二全反射棱镜斜面外侧；起偏器和1/4波片并行地设置在二维空间光调制器与半反射棱镜底面之间。

所述集成驱动器首先将二级数据总线的串行数据转化成并行数据，之后将并行数据组合成数据帧矩阵，矩阵单元个数与接收方集成阵列光电探测器模组单元个数一样，并且矩阵单元数据与接收方集成阵列光电探测器模组的光电接收单元一一映射；根据数据帧矩阵单元的数据大小，生成接收方集成阵列光电探测器模组的光电接收单元的激光功率系数矩阵；最后结合接收方光电接收单元的空间角度矩阵和激光功率系数矩阵，生成波束调制位图，加载到激光任意二维多波束生成器，实现对出射的每一束不同偏转方向的激光功率进行并行、同步、独立控制，进而实现超大规模的阵列多波束并行无线激光通信。

所述通信系统使用HDLC控制字进行系统握手，相互传输本地发射空间波束的二维矩阵映射表、帧格式和加密方式；

HDLC控制字只经过集成阵列光电探测器模组光学发射天线发射和接收，并经过分光镜和全反镜到达HDLC光电探测器，实现协议控制字和系统命令的独立传输，并且实现HDCL通信光束和业务通信波束发射天线复用。

HDLC通信数据和业务数据的光电转换调制均由激光任意二维多波束生成器完成。

本发明的另一个目的是提供一种阵列多波束并行无线激光通信方法，利用本发明所述的通信系统实现，包括以下步骤：

步骤1、参数确定：确定激光工作波长、收发双方的光电探测单元纵横排列、单元个数、光电探测单元直径、通信距离、通信协议、加密方式和激光任意二维多波束生成器工作模式；

步骤2、系统搭建以及校准：搭建阵列多波束并行无线激光通信系统，初始化控制中心和集成驱动器，检测光电探测单元是否均在位并工作正常，校正激光任意二维多波束生成器初始化0°出射光正入射光学发射天线单元；依次使所有光电探测单元工作，在不同温度的场景下，遍历测试不同批次的光电探测单元的光电响应增益大小和曲线，测定光电探测单元到集成控制器的时延；完成探测器时延表、增益差值表、增益批补表和温补表的测试与标定；

步骤3、进行以下参数配置：

配置本地阵列探测器时延表T1；

配置本地阵列探测器增益归一化参数：同一集成阵列光电探测器模组的光电探测单元进行增益归一化处理，标定统一的增益标准值；

配置本地阵列探测器增益差值表G1：根据归一化标准值，配置集成光电探测器阵列中不同的探测器在不同功率光束照射下，增益值与归一化标准值的差值，并生成增益差值表并配置到集成控制器；

配置本地阵列探测器增益批补表G2；

配置本地阵列探测器增益温补表G3；

生成本地阵列探测器总补表G_total＝G1+G2+G3；

步骤4、HDCL握手；

步骤5、传输集成探测器阵列规模和光学天线参数：集成控制器通过HDLC链路，传输给对方自己的光电探测单元的横纵排列、单元个数N、光电探测单元直径d和焦距f；

步骤6、生成空间角度矩阵：集成驱动器基于接收方的集成光电探测器阵列的横纵排列、单元个数N、光电探测单元直径d和焦距f，计算出每一个光电探测器相对于发射天线中心轴的二维空间角度θ_ij＝(θ_i，θ_j),其中i，j分别表示第i行和第j列，并且沿着光传播方向看，定义i，j的值在发射天线单元处均为0；在发射天线单元左边和下边为负数，在发射天线单元右边和上边为正数；基于此，生成二维空间角度矩阵J_θ(x_i，y_j)；

步骤7、设置数据帧格式、通信协议和加密方式；

步骤8、交互映射表、帧格式和加密方式：集成控制器通过HDLC链路，传输给对方本端发送的空间波束角度-数据二维矩阵映射表、数据帧格式、通信协议和加密方式；

步骤9、发射数据组帧：集成驱动器基于对方集成光电探测器阵列的单元个数，根据特定的通信协议、加密算法、帧结构和空间波束的二维矩阵映射表。从控制中心下发的数据包中，截取帧结构对应数据位数的串行数据，重新组帧S_d；

步骤10、生成激光功率系数矩阵：集成驱动器根据本端配置好的角度-数据二维矩阵映射表，将步骤9的重新组帧数据S_d，生成与空间波束指向角度一一映射的二维激光功率系数矩阵J_p(x_i，y_j)；

步骤11、生成激光二维角度-功率复合系数矩阵：集成驱动器将步骤6生成的二维空间角度矩阵J_θ(x_i，y_j)点乘步骤10生成的二维激光功率系数矩阵J_p(x_i，y_j)，生成角度-功率复合矩阵Q_a(x_i，y_j)＝J_θ(x_i，y_j)·J_p(x_i，y_j)；

步骤12、生成多波束生成调制位图：集成驱动器根据激光任意二维多波束生成器的相位表或者角度控制表，将角度-功率复合矩阵Q_a(x_i，y_j)数据送入多波束生成调制函数，生成二维多波束调制位图，并将位图加载到激光任意二维多波束生成器，实现多波束生成和功率调制；

步骤13、数据接收与解码：光电探测单元将各自接收到的光信号转换成电信号后，通过一级数据总线发送至集成驱动器；集成驱动器根据发送端空间波束的二维矩阵映射表和数据帧结构，对数据进行解帧处理；之后基于发送端特定的通信协议、加密算法，解码得到核心业务数据；

步骤14、解码数据打包上传：集成驱动器解码数据，使用二级总线协议进行数据打包，并上传至控制中心；

步骤15、重复步骤4-14流水线步骤，直到数据收发完毕。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种阵列多波束并行无线激光通信系统和方法。该系统基于激光任意二维多波束生成器，不仅可以生成个数100以上阵列波束，并且可以在同一时间对每个波束进行独立调制，实现HDLC和业务数据快速并行调制；通过接收端阵列探测器的时延补偿和增益补偿，实现并行多波束的零时延和同增益接收，实现阵列多波束的并行无线激光通信。本发明系统可以在单个光电调制器的速度基础上，提升100倍以上的通信速率，极大缩小通信数据传输时间，减小数据丢包和误码率；通过特殊映射表和加密矩阵，实现高速安全无线激光通信，独立的HDLC通道增加了系统的长期可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的阵列多波束并行无线激光通信系统结构示意图；

图2为集成阵列光电探测器模组截面示意图；

图3为光学发射天线单元示意图；

图4为光电探测探测单元示意图；

图5为本发明的激光任意二维多波束生成器示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的一种阵列多波束并行无线激光通信系统，包括两组无线激光通信单元，两组无线激光通信单元的结构相同，可以相互收发信号。每组无线激光通信单元包括控制中心(5、14)、激光器(1、13)、扩束镜(2、12)、1/2波片(3、11)、激光任意二维多波束生成器(4、10)、集成驱动器(6、9)、集成阵列光电探测器模组(7、8)、HDLC光电探测器(16、19)和分光镜(17、20)；集成驱动器分别与控制中心、激光器、激光任意二维多波束生成器、HDLC光电探测器和集成阵列光电探测器模组连接；

集成阵列光电探测器模组中包括多个圆柱形的光电探测单元22和一个光学发射天线单元21，如图2所示，图中，(a)为朝向另一组无线激光通信单元的截面，(b)为背对另一组无线激光通信单元的截面。光学发射天线单元位于集成阵列光电探测器模组中心，多个光电探测单元呈蜂窝空间结构紧密排列在光学发射天线单元周围；

激光器出射光束依次扩束镜、1/2波片、激光任意二维多波束生成器和分光镜，到达集成阵列光电探测器模组的光学发射天线单元，然后通过发射天线发送出去；

激光入射到光电探测单元的接收靶面后，光电探测单元将接收到的光信号转化为电信号，并通过数据总线上传至集成驱动器，最终被集成驱动器进行数据并串转化处理和打包后，发送至控制中心；

通信系统通过高级数据链路控制HDLC传输控制字信号，控制字信号通过光学发射天线单元发射，接收端的光电探测单元接收到的控制字信号通过分光镜和全反镜(15、18)后达到HDLC光电探测器。

所述光学发射天线单元为圆柱结构，光学发射天线单元的直径和长度与光电探测单元直径和长度相等；光学发射天线单元的两个柱状底面分别设有非球面镜21-1和增透平面镜21-3，非球面镜安装在光出射方向，增透平面镜安装在光入射方向，如图3所示，21-2位单元柱形外壁；光学发射天线单元可灵活更换不同焦距的光学天线。

所有光电探测单元接收靶面均处于另一组无线激光通信单元的集成阵列光电探测器模组的非球面光学发射天线的焦平面上。

如图4(a)和(b)所示，所述光电探测单元的接收靶面22-1平行于单元腔体截面，并朝向另一组无线激光通信单元，光电探测单元的电信号电气接口22-4位于光电接收靶面正对面的尾盖板22-3上，通过总线22-5连接集成驱动器，22-2为单元柱形外壁。

如图5所示，所述激光任意二维多波束生成器包括第一全反射棱镜4-1、第二全反射棱镜4-7、半反射棱镜4-2、起偏器4-4、二维空间光调制器4-5、1/4波片4-6和检偏器4-7；

在空间结构中，第一全反射棱镜、第二全反射棱镜的90°棱镜顶角向内，第一全反射棱镜斜面和第二全反射棱镜斜面向外并且相互平行；半反射棱镜包括两个对称的半透半反面，以及与第一全反射棱镜斜面和第二全反射棱镜斜面垂直的半反射棱镜底面；第一全反射棱镜增透面和半反射棱镜的第一半透半反面无缝贴合，第二全反射棱镜增透面和半反射棱镜的第二半透半反面无缝贴合；第一全反射棱镜、第二全反射棱镜和半反射棱镜底面形成的结构横截面形呈“区”字形。

半反射棱镜可使用半反射角锥棱镜或半反射道威棱镜。半反射角锥棱镜横截面为等腰直角三角形，其两个半透半反面分别与第一全反射棱镜增透面和第二全反射棱镜增透面等面积无缝贴合。道威棱镜横截面为等腰梯形，两个半透半反面分别与第一全反射棱镜增透面4-2和第二全反射棱镜增透面无缝贴合，面积可以不同。即只要能够实现使入射光和出射光平行的半反射棱镜均可作为本发明的半反射棱镜。

二维空间光调制器位于半反射棱镜底面外侧，检偏器位于第二全反射棱镜斜面外侧；起偏器和1/4波片并行地设置在二维空间光调制器与半反射棱镜底面之间。

激光任意二维多波束生成器，本身并不能产生激光源；其在驱动器的电信号控制下，通过对单束入射激光的传输波前调制，具有重构任意多个数波束、每个波束的指向角度和功率可独立控制的能力。激光入射后，只需通过控制一个激光任意二维多波束生成器，便可生成与集成阵列光电探测器模组单元个数一样多的阵列波束，并准确照射到每个空间位置的光电探测器单元上。

所述集成驱动器首先将二级数据总线的串行数据转化成并行数据，之后将并行数据组合成数据帧矩阵，矩阵单元个数与接收方集成阵列光电探测器模组单元个数一样，并且矩阵单元数据与接收方集成阵列光电探测器模组的光电接收单元一一映射；根据数据帧矩阵单元的数据大小，生成接收方集成阵列光电探测器模组的光电接收单元的激光功率系数矩阵；最后结合接收方光电接收单元的空间角度矩阵和激光功率系数矩阵，生成波束调制位图，加载到激光任意二维多波束生成器，实现对出射的每一束不同偏转方向的激光功率进行并行、同步、独立控制，进而实现超大规模的阵列多波束并行无线激光通信。

发射方向的激光任意二维多波束生成器和接收方向的激光任意二维多波束生成器是完全独立的，两者的体积规格、出射面大小、像素大小和分辨率可以不一致；发射方向的集成阵列光电探测器模组和接收方向的集成阵列光电探测器模组的阵列规模是完全独立的，两者的光电探测器单元个数、单元直径和光学天线直径可以不一致，以实现非对称阵列多波束并行、全双工无线激光通信，增加系统的兼容性和适配度。

所述通信系统使用HDLC控制字进行系统握手，相互传输本地发射空间波束的二维矩阵映射表、帧格式和加密方式；二维矩阵映射表可以在集成驱动器生成(下位机模式)，也可以在控制中心生成，发送给集成驱动机(上位机模式)，支持2种模式。

加密的核心数据和秘钥数据被加载到空间上不同方向的独立光束，抗干扰性和抗泄密性强。接收阵列只有持续接收到完整的每一帧数据才能实现数据的完全接收和解码，极大增强了信道的可信和安全性，实现了超大阵列激光束的保密通信。

针对集成阵列光电探测器模组的每一个光电探测器单元的个体性能差异，进行增益归一化处理，配置了时延表、增益差值表、温补表和批补表，以实现整体时延一致和增益一致性。

HDLC控制字只经过、集成阵列光电探测器模组光学发射天线发射和接收，并经过分光镜和全反镜到达HDLC光电探测器，实现协议控制字和系统命令的独立传输，并且实现HDCL通信光束和业务通信波束发射天线复用。HDLC光电探测器(16、19)独立于集成阵列光电探测器模组(7、8)，HDLC通信数据和业务数据的光电转换调制均由同一个激光任意二维多波束生成器完成，实现HDCL通信光束和业务通信波束光源复用和调制器复用。

本发明的一种阵列多波束并行无线激光通信方法，利用本发明所述的通信系统实现，包括以下步骤：

步骤1、参数确定：确定激光工作波长、收发双方的光电探测单元纵横排列、单元个数、光电探测单元直径、通信距离、通信协议、加密方式和激光任意二维多波束生成器工作模式；

步骤2、系统搭建以及校准：搭建阵列多波束并行无线激光通信系统，

本实施例设A控制中心侧终端为主用，B控制中心侧终端为从用，具体参数如下表所示：

初始化控制中心和集成驱动器，检测光电探测单元是否均在位并工作正常，校正激光任意二维多波束生成器初始化0°出射光正入射光学发射天线单元；依次使所有光电探测单元工作，在不同温度的场景下，遍历测试不同批次的光电探测单元的光电响应增益大小和曲线，测定光电探测单元到集成控制器的时延；完成探测器时延表、增益差值表、增益批补表和温补表的测试与标定；

打开通信系统的其中一个通信终端的激光器，并控制其激光任意二维多波束生成器，生成6束空间分布对称的近轴激光束，环绕在接收方光学天线外围，照射到接收方的6个光电探测器单元靶面中心。前后整体移动集成阵列光电探测器模组，接收方控制中心检测到6个光电探测器的光强均为最强时，收发方向的集成阵列光电探测器模组截面平行，并且距离为光学发射天线单元的焦距f，此时，系统初始化及校正完成。

步骤3、进行以下参数配置：

配置本地阵列探测器时延表T1；

配置本地阵列探测器增益归一化参数：同一集成阵列光电探测器模组的光电探测单元进行增益归一化处理，标定统一的增益标准值；

配置本地阵列探测器增益差值表G1：根据归一化标准值，配置集成光电探测器阵列中不同的探测器在不同功率光束照射下，增益值与归一化标准值的差值，并生成增益差值表并配置到集成控制器；

配置本地阵列探测器增益批补表G2；

配置本地阵列探测器增益温补表G3；

生成本地阵列探测器总补表G_total＝G1+G2+G3；

步骤4、HDCL握手；

步骤5、传输集成探测器阵列规模和光学天线参数：集成控制器通过HDLC链路，传输给对方自己的光电探测单元的横纵排列、单元个数N、光电探测单元直径d和焦距f；

步骤6、生成空间角度矩阵：集成驱动器基于接收方的集成光电探测器阵列的横纵排列、单元个数N、光电探测单元直径d和焦距f，计算出每一个光电探测器相对于发射天线中心轴的二维空间角度θ_ij＝(θ_i，θ_j),其中i，j分别表示第i行和第j列，并且沿着光传播方向看，定义i，j的值在发射天线单元处均为0；在发射天线单元左边和下边为负数，在发射天线单元右边和上边为正数；基于此，生成二维空间角度矩阵J_θ(x_i，y_j)：

其中i，j的取值空间均为[-5，+5]区间的整数，θ_ij的表达式为：

步骤7、设置数据帧格式、通信协议和加密方式；

步骤8、交互映射表、帧格式和加密方式：集成控制器通过HDLC链路，传输给对方本端发送的空间波束角度-数据二维矩阵映射表、数据帧格式、通信协议和加密方式；

步骤9、发射数据组帧：集成驱动器基于对方集成光电探测器阵列的单元个数，根据特定的通信协议、加密算法、帧结构和空间波束的二维矩阵映射表。从控制中心下发的数据包中，截取帧结构对应数据位数的串行数据，重新组帧S_d；

步骤10、生成激光功率系数矩阵：集成驱动器根据本端配置好的角度-数据二维矩阵映射表，将步骤9的重新组帧数据S_d，生成与空间波束指向角度一一映射的二维激光功率系数矩阵J_p(x_i，y_j)；

步骤11、生成激光二维角度-功率复合系数矩阵：集成驱动器将步骤6生成的二维空间角度矩阵J_θ(x_i，y_j)点乘步骤10生成的二维激光功率系数矩阵J_p(x_i，y_j)，生成角度-功率复合矩阵Q_a(x_i，y_j)＝J_θ(x_i，y_j)·J_p(x_i，y_j)；

步骤12、生成多波束生成调制位图：集成驱动器根据激光任意二维多波束生成器的相位表或者角度控制表，将角度-功率复合矩阵Q_a(x_i，y_j)数据送入多波束生成调制函数，生成二维多波束调制位图，并将位图加载到激光任意二维多波束生成器，实现多波束生成和功率调制；

步骤13、数据接收与解码：光电探测单元将各自接收到的光信号转换成电信号后，通过一级数据总线发送至集成驱动器；集成驱动器根据本地阵列探测器时延表T1，对不同探测的信号时延补偿，以便对阵列探测器信号进行时延对齐，以获得0时差的准并行信号；并根据总补表G_total＝G1+G2+G3，对集成探测器阵列的电信号进行增益补偿。

集成驱动器收集缓存光电探测器单元的回传信号进行时延和增益补偿后，根据发送端空间波束的二维矩阵映射表和数据帧结构，对集成光电探测器阵列回传的并行数据进行解帧处理；从解帧数据中分别截取出业务数据和秘钥，根据发射端实验的解码方式，之后基于发送端特定的通信协议、加密算法，解码得到核心业务数据。

步骤14、解码数据打包上传：集成驱动器解码数据，使用二级总线协议进行数据打包，并上传至控制中心；

步骤15、重复步骤4-14流水线步骤，直到数据收发完毕。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种阵列多波束并行无线激光通信系统，其特征在于，包括两组无线激光通信单元，每组无线激光通信单元包括控制中心、激光器、扩束镜、1/2波片、激光任意二维多波束生成器、集成驱动器、集成阵列光电探测器模组、HDLC光电探测器和分光镜；集成驱动器分别与控制中心、激光器、激光任意二维多波束生成器、HDLC光电探测器和集成阵列光电探测器模组连接；

集成阵列光电探测器模组中包括多个光电探测单元和一个光学发射天线单元，光学发射天线单元位于集成阵列光电探测器模组中心，多个光电探测单元呈蜂窝空间结构紧密排列在光学发射天线单元周围；

激光器出射光束依次经过扩束镜、1/2波片、激光任意二维多波束生成器和分光镜，到达集成阵列光电探测器模组的光学发射天线单元，然后通过发射天线发送出去；

激光入射到光电探测单元的接收靶面后，光电探测单元将接收到的光信号转化为电信号，并通过数据总线上传至集成驱动器，最终被集成驱动器进行数据并串转化处理和打包后，发送至控制中心；

通信系统通过高级数据链路控制HDLC传输控制字信号，控制字信号通过光学发射天线单元发射，接收端的光电探测单元接收到的控制字信号通过分光镜和全反镜后达到HDLC光电探测器；

所述激光任意二维多波束生成器包括第一全反射棱镜、第二全反射棱镜、半反射棱镜、起偏器、二维空间光调制器、1/4波片和检偏器；

在空间结构中，第一全反射棱镜、第二全反射棱镜的90°棱镜顶角向内，第一全反射棱镜斜面和第二全反射棱镜斜面向外并且相互平行；半反射棱镜包括两个对称的半透半反面，以及与第一全反射棱镜斜面和第二全反射棱镜斜面垂直的半反射棱镜底面；第一全反射棱镜增透面和半反射棱镜的第一半透半反面无缝贴合，第二全反射棱镜增透面和半反射棱镜的第二半透半反面无缝贴合；第一全反射棱镜、第二全反射棱镜和半反射棱镜底面形成的结构横截面形呈“区”字形；

二维空间光调制器位于半反射棱镜底面外侧，检偏器位于第二全反射棱镜斜面外侧；起偏器和1/4波片并行地设置在二维空间光调制器与半反射棱镜底面之间。

2.根据权利要求1所述的阵列多波束并行无线激光通信系统，其特征在于，所述光学发射天线单元为圆柱结构，光学发射天线单元的直径和长度与光电探测单元直径和长度相等；光学发射天线单元的两个柱状底面分别设有非球面镜和增透平面镜，非球面镜安装在光出射方向，增透平面镜安装在光入射方向；

所有光电探测单元接收靶面均处于另一组无线激光通信单元的集成阵列光电探测器模组的非球面光学发射天线的焦平面上。

3.根据权利要求1所述的阵列多波束并行无线激光通信系统，其特征在于，所述光电探测单元的接收靶面平行于单元腔体截面，并朝向另一组无线激光通信单元，光电探测单元的电信号电气接口位于光电接收靶面正对面的尾盖板上。

4.根据权利要求1所述的阵列多波束并行无线激光通信系统，其特征在于，所述集成驱动器首先将二级数据总线的串行数据转化成并行数据，之后将并行数据组合成数据帧矩阵，矩阵单元个数与接收方集成阵列光电探测器模组单元个数一样，并且矩阵单元数据与接收方集成阵列光电探测器模组的光电接收单元一一映射；根据数据帧矩阵单元的数据大小，生成接收方集成阵列光电探测器模组的光电接收单元的激光功率系数矩阵；最后结合接收方光电接收单元的空间角度矩阵和激光功率系数矩阵，生成波束调制位图，加载到激光任意二维多波束生成器，实现对出射的每一束不同偏转方向的激光功率进行并行、同步、独立控制，进而实现超大规模的阵列多波束并行无线激光通信。

5.根据权利要求1所述的阵列多波束并行无线激光通信系统，其特征在于，所述通信系统使用HDLC控制字进行系统握手，相互传输本地发射空间波束的二维矩阵映射表、帧格式和加密方式；

HDLC控制字只经过集成阵列光电探测器模组光学发射天线发射和接收，并经过分光镜和全反镜到达HDLC光电探测器，实现协议控制字和系统命令的独立传输，并且实现HDCL通信光束和业务通信波束发射天线复用。

6.根据权利要求1所述的阵列多波束并行无线激光通信系统，其特征在于，HDLC通信数据和业务数据的光电转换调制均由激光任意二维多波束生成器完成。

7.一种阵列多波束并行无线激光通信方法，利用权利要求1～6任意一项所述的通信系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、参数确定：确定激光工作波长、收发双方的光电探测单元纵横排列、单元个数、光电探测单元直径、通信距离、通信协议、加密方式和激光任意二维多波束生成器工作模式；

步骤2、系统搭建以及校准：搭建阵列多波束并行无线激光通信系统，初始化控制中心和集成驱动器，检测光电探测单元是否均在位并工作正常，校正激光任意二维多波束生成器初始化0°出射光正入射光学发射天线单元；依次使所有光电探测单元工作，在不同温度的场景下，遍历测试不同批次的光电探测单元的光电响应增益大小和曲线，测定光电探测单元到集成控制器的时延；完成探测器时延表、增益差值表、增益批补表和温补表的测试与标定；

步骤3、进行以下参数配置：

配置本地阵列探测器时延表T1；

配置本地阵列探测器增益归一化参数：同一集成阵列光电探测器模组的光电探测单元进行增益归一化处理，标定统一的增益标准值；

配置本地阵列探测器增益差值表G1：根据归一化标准值，配置集成光电探测器阵列中不同的探测器在不同功率光束照射下，增益值与归一化标准值的差值，并生成增益差值表并配置到集成控制器；

配置本地阵列探测器增益批补表G2；

配置本地阵列探测器增益温补表G3；

生成本地阵列探测器总补表G_total＝G1+G2+G3；

步骤4、HDCL握手；

步骤5、传输集成探测器阵列规模和光学天线参数：集成控制器通过HDLC链路，传输给对方自己的光电探测单元的横纵排列、单元个数N、光电探测单元直径d和焦距f；

步骤6、生成空间角度矩阵：集成驱动器基于接收方的集成光电探测器阵列的横纵排列、单元个数N、光电探测单元直径d和焦距f，计算出每一个光电探测器相对于发射天线中心轴的二维空间角度θ_ij＝(θ_i,θ_j),其中i,j分别表示第i行和第j列，并且沿着光传播方向看，定义i,j的值在发射天线单元处均为0；生成二维空间角度矩阵J_θ(x_i,y_j)；

步骤7、设置数据帧格式、通信协议和加密方式；

步骤8、交互映射表、帧格式和加密方式：集成控制器通过HDLC链路，传输给对方本端发送的空间波束角度-数据二维矩阵映射表、数据帧格式、通信协议和加密方式；

步骤9、发射数据组帧：集成驱动器基于对方集成光电探测器阵列的单元个数，根据通信协议、加密算法、帧结构和空间波束的二维矩阵映射表；从控制中心下发的数据包中，截取帧结构对应数据位数的串行数据，重新组帧S_d；

步骤10、生成激光功率系数矩阵：集成驱动器根据本端配置好的角度-数据二维矩阵映射表，将步骤9的重新组帧数据S_d，生成与空间波束指向角度一一映射的二维激光功率系数矩阵J_p(x_i,y_j)；

步骤11、生成激光二维角度-功率复合系数矩阵：集成驱动器将步骤6生成的二维空间角度矩阵J_θ(x_i,y_j)点乘步骤10生成的二维激光功率系数矩阵J_p(x_i,y_j)，生成角度-功率复合矩阵Q_a(x_i,y_j)＝J_θ(x_i,y_j)·J_p(x_i,y_j)；

步骤12、生成多波束生成调制位图：集成驱动器根据激光任意二维多波束生成器的相位表或者角度控制表，将角度-功率复合矩阵Q_a(x_i,y_j)数据送入多波束生成调制函数，生成二维多波束调制位图，并将位图加载到激光任意二维多波束生成器，实现多波束生成和功率调制；

步骤13、数据接收与解码：光电探测单元将各自接收到的光信号转换成电信号后，通过一级数据总线发送至集成驱动器；集成驱动器根据发送端空间波束的二维矩阵映射表和数据帧结构，对数据进行解帧处理；之后基于发送端的通信协议、加密算法，解码得到核心业务数据；

步骤14、解码数据打包上传：集成驱动器解码数据，使用二级总线协议进行数据打包，并上传至控制中心；

步骤15、重复步骤4-14，直到数据收发完毕。