CN115189775B - 一种小型无线激光通信端机系统及对准方法 - Google Patents

一种小型无线激光通信端机系统及对准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型无线激光通信端机系统及对准方法，涉及激光通信技术领域，其中，激光通信发射单元将输入的数字信号调制到激光器，并发出激光信号；激光通信接收单元将接收到的激光信号转为电信号，并解调出信号信息发送到输出端口；反馈控制单元接收光斑位置一级偏差信息以及光斑位置二级偏差信息，通过微控制器运算，得出快速反射镜偏转所需的控制量，并通过SPI通信接口传递给快速反射镜，调节快速反射镜的偏转量。本发明采用无信标光的扫描、捕获、对准方案，有效降低了系统的功耗和体积。另外，本发明采用两级CMOS位置反馈解算，并共用一个快速反射镜执行偏转动作，从而在保证探测精度的同时进一步降低系统整体重量、体积和功耗。

Description

一种小型无线激光通信端机系统及对准方法
技术领域
本发明涉及激光通信技术领域，尤其涉及一种小型无线激光通信端机系统及对准方法。
背景技术
空间激光通信具有通信速率高、通信容量大、抗干扰能力强、抗截获能力强、体积小、重量轻和功耗低等优点。在保密信息传输、民用应急信息传输、电磁干扰下信息安全传输和空间信息网络建设等方面均有迫切需求。
传统的激光通信捕获技术是采用大束散角的信标光进行捕获，可以快速覆盖不确定区域，同时对方采用粗跟踪探测器对信标光进行探测，由于其视场大，更容易捕获到信标光斑，然后再发射小束散角的通信光，开启精跟踪系统，实现通信。由于信标光束散角大，激光功率很大，因此系统功耗很大，另外，信标光与通信光波长不同，需要更复杂的光学组件，整体上不利于激光通信端机的小型化和轻量化设计。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种小型无线激光通信光端机系统及对准方法。
本发明采用的技术方案为：
一种小型无线激光通信光端机系统，包括激光通信发射单元、激光通信接收单元、信号收发光路和反馈控制单元；
激光通信发射单元，包括：数据输入接口、调制驱动模块以及激光器；数据输入接口接收外部输入的数字信号发送给调制及驱动模块，调制及驱动模块将接收到的数字信号调制到激光器驱动电压并加载到激光器输入端，激光器将信号光发出后透过二向色镜到达快速反射镜，经过快速反射镜的反射发出到外界；
激光通信接收单元，包括：数据输出接口、解调解码模块以及光电检测模块；光电检测模块接收分光镜的反射光，将光信号转变为电信号并发送给解调解码模块，解调解码模块将解调出的信息传递给数据输出接口；
信号收发光路，包括：快速反射镜模块、二向色镜以及分光镜；要接收的信号光从外界首先通过快速反射镜反射到二向色镜，再次反射到分光镜，到达分光镜的光分为反射光和透射光两路，其中反射光进入到激光通信接收单元的光电检测模块，透射光进入反馈控制单元的第二CMOS探测器；
反馈控制单元，包括：主控模块、第一CMOS探测器、光斑位置一级解算模块、第二CMOS探测器和光斑位置二级解算模块；其中第一CMOS 探测器将采集到的信号光信息转为数字信号后传递给光斑位置一级解算模块，光斑位置一级解算模块解算出光斑位置一级偏差信息后传递给主控模块，第二CMOS探测器采集分光镜透射光信号，转为数字信号后传递给光斑位置二级解算模块，光斑位置二级解算模块解算出光斑位置二级偏差信息后传递给主控模块；主控模块分析接收到的光斑位置一级偏差信息以及光斑位置二级偏差信息，通过PID算法解算出快速反射镜偏转所需的控制量，并通过SPI通信接口传递给快速反射镜，调节快速反射镜的偏转量。
一种小型无线激光通信光端机系统的对准方法，包括以下步骤：
第一步：处于A、B两端的系统进行自检，自检过程为：控制模块读取光斑位置一级解算模块输出数据、光斑位置二级解算模块输出数据以及快速反射镜反馈数据，判断各数据是否正常，并驱动快速反射镜进行闭环运动，通过快速反射镜反馈数据判断快速反射镜是否工作正常；
第二步：A端系统对未知区域进行一级扫描；
第三步：B端系统读取光斑位置一级解算模块输出信号，判断是否检测到A端系统发射的激光信号，若检测到A端系统发射的激光信号则转入第四步，否则B端系统继续执行第三步；
第四步：B端系统进入粗跟踪阶段，B端系统的光斑位置一级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现B端系统对A端系统的粗跟踪；
第五步：A端系统对未知区域扫描完成后读取光斑位置一级解算模块输出信号，判断是否检测到B端系统发射的激光信号，若A端系统检测到B 系统发射的激光信号则转入第六步，否则A端系统继续执行第五步；
第六步：A端系统进入粗跟踪阶段，A端系统的光斑位置一级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现A端系统对B端系统的粗跟踪；
第七步：A端系统对未知区域进行二级扫描；
第八步：B端系统读取光斑位置二级解算模块输出信号，判断是否检测到A端系统发射的激光信号，若检测到A端系统发射的激光信号则转入第九步，否则B端系统返回执行第三步；
第九步：B端系统进入精跟踪阶段，B端系统的光斑位置二级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现B端系统对A端系统的精跟踪；
第十步：A端系统读取光斑位置二级解算模块输出信号，判断是否检测到B端系统发射的激光信号，若A端系统检测到B端系统发射的激光信号则转入第十一步，否则A端系统返回执行第五步；
第十一步：A端系统进入精跟踪阶段，A端系统的光斑位置二级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块路，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现A端系统对B端系统的精跟踪。
其中，第二步和第七步中扫描方式为：采用光栅扫描法，扫描开始后光斑沿着一个轴向按正方向扫描，当完成该轴方向上的扫描后，沿另一轴步进，再沿着上一轴按反方向扫描，如此重复，直至扫描完整个目标区域。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.激光通信端机采用两级跟踪对准，一级粗跟踪视场40°×60°，二级精跟踪视场5°×5°，但两级跟踪共用一个快速反射镜作为执行机构，与传统转塔式端机结构相比降低了结构复杂度和整体质量体积。
2.扫描捕获过程只需两个通信端机中的一个进行扫描即可建立通信链路，无需双方互相扫描，具有建链时间短的优点。
3.小型无线激光通信端机通过扫描、捕获、跟踪(ATP)过程建立通信链路，但ATP过程采用一种无信标光的捕获过程，系统体积更小，结构更加简单，功耗更低。
附图说明
图1为本发明小型无线激光通信光端机原理图。
图2为本发明小型无线激光通信光端机工作流程图。
图3为本发明光栅扫描示意图。
具体实施方式
本发明提供一种该小型无线激光通信端机之间进行通信的方法如下：
通信的完成需要两个小型无线激光通信端机配合完成，一下为了区分方便分别命名为“A端机”和“B端机”。A端经过先后两次扫描后使A、B 两端建立通信链路并进行通信。
如图1所示，A、B端系统均包括：激光通信发射单元、激光通信接收单元、信号光收发光路以及反馈控制单元。
激光通信发射单元，包括：数据输入接口、调制驱动模块以及激光器；数据输入接口接收外部输入的数字信号发送给调制及驱动模块，调制及驱动模块将接收到的数字信号调制到激光器驱动电压并加载到激光器输入端，激光器将信号光发出后透过二向色镜到达快速反射镜，经过快速反射镜的反射发出到外界；
激光通信接收单元，包括：数据输出接口、解调解码模块以及光电检测模块；光电检测模块接收分光镜的反射光，将光信号转变为电信号并发送给解调解码模块，解调解码模块将解调出的信息传递给数据输出接口；
信号收发光路，包括：快速反射镜模块、二向色镜以及分光镜；要接收的信号光从外界首先通过快速反射镜反射到二向色镜，再次反射到分光镜，到达分光镜的光分为反射光和透射光两路，其中反射光进入到激光通信接收单元的光电检测模块，透射光进入反馈控制单元的第二CMOS探测器；
反馈控制单元，包括：主控模块、第一CMOS探测器、光斑位置一级解算模块、第二CMOS探测器和光斑位置二级解算模块；其中第一CMOS 探测器将采集到的信号光信息转为数字信号后传递给光斑位置一级解算模块，光斑位置一级解算模块解算出光斑位置一级偏差信息后传递给主控模块，第二CMOS探测器采集分光镜透射光信号，转为数字信号后传递给光斑位置二级解算模块，光斑位置二级解算模块解算出光斑位置二级偏差信息后传递给主控模块；主控模块分析接收到的光斑位置一级偏差信息以及光斑位置二级偏差信息，通过PID算法解算出快速反射镜偏转所需的控制量，并通过SPI通信接口传递给快速反射镜，调节快速反射镜的偏转量。
初始状态AB端机未对准，无法进行通信，需要通过扫描捕获的方式进行对准后，再进行通信。如图2所示，具体流程如下：
第一步：处于A、B两端的系统进行自检，自检过程为：控制模块读取光斑位置一级解算模块输出数据、光斑位置二级解算模块输出数据以及快速反射镜反馈数据，判断各数据是否正常，并驱动快速反射镜进行闭环运动，通过快速反射镜反馈数据判断快速反射镜是否工作正常；
第二步：A端系统对未知区域进行一级扫描；扫描范围为40°×60°，扫描方法采用如图3所示的光栅扫描法，扫描开始后光斑沿着一个轴向按正方向扫描，当完成该轴方向上的扫描后，沿另一轴步进，再沿着上一轴按反方向扫描，再完成该方向上的扫描，如此重复执行以上工作，直至扫描完整个目标区域。
第三步：B端系统读取光斑位置一级解算模块输出信号，判断是否检测到A端系统发射的激光信号，若检测到A端系统发射的激光信号则转入第四步，否则B端系统继续执行第三步；
第四步：B端系统进入粗跟踪阶段，B端系统的光斑位置一级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现B端系统对A端系统的粗跟踪；
第五步：A端系统对未知区域扫描完成后读取光斑位置一级解算模块输出信号，判断是否检测到B端系统发射的激光信号，若A端系统检测到B 系统发射的激光信号则转入第六步，否则A端系统继续执行第五步；
第六步：A端系统进入粗跟踪阶段，A端系统的光斑位置一级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现A端系统对B端系统的粗跟踪；
第七步：A端系统对未知区域进行二级扫描；扫描方法仍然采用如图3 所示的光栅扫描法，二级扫描的扫描范围为5°×5°。
第八步：B端系统读取光斑位置二级解算模块输出信号，判断是否检测到A端系统发射的激光信号，若检测到A端系统发射的激光信号则转入第九步，否则B端系统返回执行第三步；
第九步：B端系统进入精跟踪阶段，B端系统的光斑位置二级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现B端系统对A端系统的精跟踪；
第十步：A端系统读取光斑位置二级解算模块输出信号，判断是否检测到B端系统发射的激光信号，若A端系统检测到B端系统发射的激光信号则转入第十一步，否则A端系统返回执行第五步；
第十一步：A端系统进入精跟踪阶段，A端系统的光斑位置二级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块路，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现A端系统对B端系统的精跟踪。
以上所述仅为本发明较佳的实现方式，但本发明的保护范围并不局限于此。在本发明所揭露的技术范围内，任何熟悉本领域的技术人员可轻易想到的变换或替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种小型无线激光通信光端机系统，其特征在于，包括激光通信发射单元、激光通信接收单元、信号收发光路和反馈控制单元；
激光通信发射单元，包括：数据输入接口、调制驱动模块以及激光器；数据输入接口接收外部输入的数字信号发送给调制及驱动模块，调制及驱动模块将接收到的数字信号调制到激光器驱动电压并加载到激光器输入端，激光器将信号光发出后透过二向色镜到达快速反射镜，经过快速反射镜的反射发出到外界；
激光通信接收单元，包括：数据输出接口、解调解码模块以及光电检测模块；光电检测模块接收分光镜的反射光，将光信号转变为电信号并发送给解调解码模块，解调解码模块将解调出的信息传递给数据输出接口；
信号收发光路，包括：快速反射镜模块、二向色镜以及分光镜；要接收的信号光从外界首先通过快速反射镜反射到二向色镜，再次反射到分光镜，到达分光镜的光分为反射光和透射光两路，其中反射光进入到激光通信接收单元的光电检测模块，透射光进入反馈控制单元的第二CMOS探测器；
反馈控制单元，包括：主控模块、第一CMOS探测器、光斑位置一级解算模块、第二CMOS探测器和光斑位置二级解算模块；其中第一CMOS探测器将采集到的信号光信息转为数字信号后传递给光斑位置一级解算模块，光斑位置一级解算模块解算出光斑位置一级偏差信息后传递给主控模块，第二CMOS探测器采集分光镜透射光信号，转为数字信号后传递给光斑位置二级解算模块，光斑位置二级解算模块解算出光斑位置二级偏差信息后传递给主控模块；主控模块分析接收到的光斑位置一级偏差信息以及光斑位置二级偏差信息，通过PID算法解算出快速反射镜偏转所需的控制量，并通过SPI通信接口传递给快速反射镜，调节快速反射镜的偏转量。
2.一种小型无线激光通信光端机系统的对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：处于A、B两端的系统进行自检，自检过程为：控制模块读取光斑位置一级解算模块输出数据、光斑位置二级解算模块输出数据以及快速反射镜反馈数据，判断各数据是否正常，并驱动快速反射镜进行闭环运动，通过快速反射镜反馈数据判断快速反射镜是否工作正常；
第二步：A端系统对未知区域进行一级扫描；
第三步：B端系统读取光斑位置一级解算模块输出信号，判断是否检测到A端系统发射的激光信号，若检测到A端系统发射的激光信号则转入第四步，否则B端系统继续执行第三步；
第四步：B端系统进入粗跟踪阶段，B端系统的光斑位置一级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现B端系统对A端系统的粗跟踪；
第五步：A端系统对未知区域扫描完成后读取光斑位置一级解算模块输出信号，判断是否检测到B端系统发射的激光信号，若A端系统检测到B系统发射的激光信号则转入第六步，否则A端系统继续执行第五步；
第六步：A端系统进入粗跟踪阶段，A端系统的光斑位置一级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现A端系统对B端系统的粗跟踪；
第七步：A端系统对未知区域进行二级扫描；
第八步：B端系统读取光斑位置二级解算模块输出信号，判断是否检测到A端系统发射的激光信号，若检测到A端系统发射的激光信号则转入第九步，否则B端系统返回执行第三步；
第九步：B端系统进入精跟踪阶段，B端系统的光斑位置二级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现B端系统对A端系统的精跟踪；
第十步：A端系统读取光斑位置二级解算模块输出信号，判断是否检测到B端系统发射的激光信号，若A端系统检测到B端系统发射的激光信号则转入第十一步，否则A端系统返回执行第五步；
第十一步：A端系统进入精跟踪阶段，A端系统的光斑位置二级解算模块解算出光斑质心坐标发送给控制模块路，控制模块利用反馈的光斑质心坐标对快速反射镜进行闭环控制，实现A端系统对B端系统的精跟踪。
3.根据权利要求2所述的小型无线激光通信光端机系统的对准方法，其特征在于，第二步和第七步中扫描方式为：采用光栅扫描法，扫描开始后光斑沿着一个轴向按正方向扫描，当完成该轴方向上的扫描后，沿另一轴步进，再沿着上一轴按反方向扫描，如此重复，直至扫描完整个目标区域。
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