CN115314106A - 基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自由空间无线激光通信领域，公开了一种基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统。本发明采用无独立信标捕获跟踪机制，用信号光取代信标光功能，利用非机械式扫描机构替代常规机械扫描结构，接收光路利用集成式探测器集成目标跟踪和通信解调功能，将目标跟踪光路和通信解调光路合二为一，降低激光通信系统体积、重量和功耗，提高系统平台适应性。集成式探测器采用大靶面尺寸四象限探测器和小靶面尺寸APD探测器堆叠形式，四象限探测器用于目标跟踪定位，APD探测器用于高速通信，既能有效规避四象限探测器的靶面尺寸和通信带宽的固有矛盾，相比于小靶面四象限探测器高速通信方案，极大降低系统装调难度。
Description
技术领域
本发明涉及自由空间无线激光通信领域，尤其涉及基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统。
背景技术
无线激光通信利用窄波束激光实现信息在自由空间中的传输，具有发射增益高、载波频率宽、传输速率快、信道容量大、抗干扰和抗截获能力强等特点。相比于常规的基于微波射频的无线电通信，在当前无线电频谱资源日渐枯竭的状况下，自由空间激光通信无需频谱申请的特点具有极大的应用优势。
近年来，无线激光通信技术在军事和民用领域得到日益广泛的关注和快速的发展，在深空探测、星载平台、空基平台、近地平台、地面平台、水面和水下平台中得到广泛的应用。随着地轨卫星星座和无人机蜂群的发展，无线激光通信在平台间大规模组网传输和中继传输中展现出巨大应用潜力。
常规无线激光通信系统主要由光学天线、扫描捕获单元、粗跟踪单元、经跟踪单元、信标光发射单元、信号光发射单元、控制单元等组成，系统结构复杂，各轴系之间共轴要求高。为满足轻小型平台在体积、重量、功耗方面的限制，激光通信系统及其载荷的轻小型化设计成为亟待解决的问题。
发明内容
针对无线激光通信系统轻小型化问题，本发明提供了一种基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统，采用无独立信标手段，在高精度初始视轴导引下，利用集成式探测器实现目标跟踪和高速通信功能，降低无线激光通信系统的体积、重量和功耗。
本发明所采取的技术解决方案如下：
一种基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统，包括光学收发天线、扫描捕获单元、激光发射单元、二向色镜、光电探测单元和数字信号处理单元；
所述光学收发天线包括光学发射天线和光学接收天线，采用共口径的设计形式，光学发射天线用于发射本地输出的发射信号激光波束至对端光端机，接收天线用于接收对端光端机发出的接收信号激光波束，传输至扫描捕获单元；
所述扫描捕获单元包括非机械扫描机构和伺服控制单元，非机械扫描机构用于读取内置的角度信息，并传递给伺服控制单元，同时接收来自伺服控制单元的光束偏转执行量，驱动内部执行器实现对目标的扫描捕获，其中将发射信号激光波束的视轴发生偏转实现全视场扫描和光束指向，将接收信号激光波束的视轴平行于后光路的光轴传播实现捕获功能；伺服控制单元用于接收来自非机械扫描机构的角度信息，同时接收来自数字信号处理模块的目标偏置量信息，利用当前执行器角度信息和目标偏置量信息解算光束偏转执行量，传输至非机械扫描机构；
所述激光发射单元包括激光器及驱动、调制编码单元和整形准直镜，整形准直镜包括整形镜和准直镜；激光器及驱动用于在内部驱动下以恒定功率发射激光；调制编码单元用于获取用户待传输数据，并进行编码，将编码后的数据加载调制到连续激光载波上，调制后的激光束由单模光纤送入整形准直镜；准直镜将大发散角的激光束转换为适用于远距离空间信息传输的小发散角窄波束，整形镜依照具体设计需要对小发散角窄波束的高斯能量分布进行调整，将调整后的激光波束传输至二向色镜；
所述二向色镜是一种分光分色平行平板，用于分离接收信号激光波束和发射信号激光波束两种不同波长的色光，将整形准直镜传输的发射信号激光波束传输至扫描捕获单元的非机械扫描机构，将非机械扫描机构传输的接收信号激光波束传输至光电探测单元的接收光学系统；
所述光电探测单元包括接收光学系统、集成式探测器和光电探测前置放大器；接收光学系统将接收信号激光波束汇聚到离焦放置的集成式探测器上；集成式探测器接收到的激光波束后输出响应电信号至光电探测前置放大器；光电探测前置放大器对响应电信号进行放大后传输至数字信号处理模块；
所述数字信号处理单元包括模数转换模块和FPGA，模数转换模块将光电探测单元传输的模拟信号进行转换和采样成数字信号后传输至FPGA，FPGA对数字信号进行目标偏置量解算和通信解调，将目标偏置量信息传输至扫描捕获单元中的伺服控制单元，并利用解调数据实现低速和高速通信。
其中，所述集成式探测器离焦安置，光斑尺寸为探测器靶面尺寸的一半，集成式探测器包括四象限探测器、绝缘衬底和APD探测器，APD探测器粘接在绝缘衬底上，然后整体粘接在四象限探测器中心点上，三者整体采用堆叠的设计形式，APD探测器的四根引线从四象限探测器靶面上的沟道引出，四象限探测器、绝缘衬底和APD探测器设计成方形或者圆形。
其中，所述集成式探测器采用低速四象限探测器和APD探测器复合的形式；四象限探测器和APD探测器分别通过自身的光电转换功能将接收到的激光波束转换为模拟电信号，输出至光电前置放大器。
其中，光电探测前置放大器采用三级放大、两级增益控制的设计形式，使得最后一级放大的输出信号在低于2.2V的线形区间内。
其中，所述数字信号处理单元兼容100Mbps传输速率以内的跟踪和通信一体化，设计10Mbps通信速率为阈值，低于10Mbps传输速率为低速模式，高于10Mbps传输速率为高速模式；
数字信号处理单元中的模数转换模块将光电探测单元传输的模拟信号进行转换和采样成数字信号；在低通信速率模式下，数字信号处理单元中的FPGA读取来自四象限探测器经光电探测前置放大器和模数转换模块处理后的4通道数字信号，其中用于跟踪的部分数字信号经过减法运算后获取光斑在四象限探测器上的分布，即目标偏置量信息，并通过高速数据总线传输至扫描捕获单元的伺服控制单元，用于通信的部分数字信号经过加法运算后得到加和增强后的用户数据信息，即实现低速通信解调，并通过高速网口或者串口传递给上位机或者用户使用；在高通信速率模式下，FPGA读取来自APD探测器经光电探测前置放大器和模数转换模块处理后的1通道数字信号，利用APD探测器的大带宽特性，进行数据处理得到用户数据信息，即实现高速通信解调，并通过高速网口或者串口传递给上位机或者用户使用。
本发明的优点在于：
1、本发明集成无独立信标捕获跟踪体制、非机械式扫描机构、集成式跟踪通信探测器等技术手段，具体通过无独立信标捕获跟踪体制削减常规激光通信系统的信标发射单元和信标接收单元，利用非机械式局部伺服机构取代笨重的机械伺服机构，利用四象限探测器和APD探测器集成的方式合并跟踪光路和通信光路。上述技术的有机集成能够极大地降低激光通信系统的体积、重量和功耗，提升激光通信系统在轻小型搭载平台上的适用性。
2、本发明采用大靶面尺寸四象限探测器和小靶面尺寸APD探测器堆叠的集成式探测模式，削减激光通信系统光路，在降低系统的体积、重量、功耗的同时实现跟踪通信一体化。与现有的采用单片小靶面尺寸象限探测器的跟踪通信一体化技术相比，采用大靶面尺寸四象限探测器既能提高偏置量解算精度，又能降低探测器装调难度。
3、本发明采用小靶面尺寸APD探测器用于通信解调，可以规避四象限探测器靶面尺寸和通信带宽之间存在固有矛盾。在不考虑激光器调制速率的情况下，由于受到结电容的制约，大靶面尺寸四象限探测器的通信速率相对较低，而APD探测器配合电路设计可以实现100Mbps以上通信速率，最高可达到Gbps量级。
附图说明
图1是本发明轻小型高速无线激光通信系统的原理框图。
图2是本发明轻小型高速无线激光通信系统的探测器及数字信号处理单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步的说明。
下面描述的附图仅仅是本发明涉及的激光通信系统的实施方案的工作原理和结构组成，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图派生出其他的附图。
如图1所示，本发明的一种基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统，包括光学收发天线、扫描捕获单元、激光发射单元、二向色镜、光电探测单元和数字信号处理单元；
所述光学收发天线包括光学发射天线和光学接收天线，采用共口径的设计形式，光学发射天线用于发射本地输出的发射信号激光波束至对端光端机，接收天线用于接收对端光端机发出的接收信号激光波束，传输至扫描捕获单元；
所述扫描捕获单元包括非机械扫描机构和伺服控制单元，非机械扫描机构用于读取内置的角度信息，并传递给伺服控制单元，同时接收来自伺服控制单元的光束偏转执行量，驱动内部执行器实现对目标的扫描捕获，其中将发射信号激光波束的视轴发生偏转实现全视场扫描和光束指向，将接收信号激光波束的视轴平行于后光路的光轴传播实现捕获功能；伺服控制单元用于接收来自非机械扫描机构的角度信息，同时接收来自数字信号处理模块的目标偏置量信息，利用当前执行器角度信息和目标偏置量信息解算光束偏转执行量，传输至非机械扫描机构；
所述激光发射单元包括激光器及驱动、调制编码单元和整形准直镜，整形准直镜包括整形镜和准直镜；激光器及驱动用于在内部驱动下以恒定功率发射激光；调制编码单元用于获取用户待传输数据，并进行编码，将编码后的数据加载调制到连续激光载波上，调制后的激光束由单模光纤送入整形准直镜；准直镜将大发散角的激光束转换为适用于远距离空间信息传输的小发散角窄波束，整形镜依照具体设计需要对小发散角窄波束的高斯能量分布进行调整，将调整后的激光波束传输至二向色镜；
所述二向色镜是一种分光分色平行平板，用于分离接收信号激光波束和发射信号激光波束两种不同波长的色光，将整形准直镜传输的发射信号激光波束传输至扫描捕获单元的非机械扫描机构，将非机械扫描机构传输的接收信号激光波束传输至光电探测单元的接收光学系统；
所述光电探测单元包括接收光学系统、集成式探测器和光电探测前置放大器；接收光学系统将接收信号激光波束汇聚到离焦放置的集成式探测器上；集成式探测器接收到的激光波束后输出响应电信号至光电探测前置放大器；光电探测前置放大器对响应电信号进行放大后传输至数字信号处理模块；
其中，集成式探测器组成结构及相应的数字信号处理模块如图2所示，所述集成式探测器离焦安置，光斑尺寸为探测器靶面尺寸的一半，集成式探测器包括四象限探测器1、绝缘衬底2和APD探测器3，APD探测器3粘接在绝缘衬底2上，然后整体粘接在四象限探测器1中心点上，三者整体采用堆叠的设计形式，APD探测器3的四根引线从四象限探测器1靶面上的沟道引出，四象限探测器1、绝缘衬底2和APD探测器3设计成方形或者圆形。四象限探测器1靶面尺寸10mm，APD探测器3靶面尺寸0.23mm，探测器均响应频段400nm至1100nm范围的光。安装时APD探测器放置在四象限探测器的中心点上，粘接过程中控制绝缘胶剂量和粘接工艺，确保绝缘胶不外溢到四象限探测器有效区域。集成式探测器采用低速四象限探测器和APD探测器复合的形式，四象限探测器和APD探测器分别通过自身的光电转换功能将接收到的激光波束转换为模拟电信号，输出至光电前置放大器；
光电探测前置放大器采用三级放大、两级增益控制的设计形式，使得最后一级放大的输出信号在低于2.2V的线形区间内。
所述数字信号处理单元包括模数转换模块和FPGA；数字信号处理单元兼容100Mbps传输速率以内的跟踪和通信一体化，设计10Mbps通信速率为阈值，低于10Mbps传输速率为低速模式，高于10Mbps传输速率为高速模式；数字信号处理单元中的模数转换模块将光电探测单元传输的模拟信号进行转换和采样成数字信号；在低通信速率模式下，数字信号处理单元中的FPGA读取来自四象限探测器经光电探测前置放大器和模数转换模块处理后的4通道数字信号，其中用于跟踪的部分数字信号经过减法运算后获取光斑在四象限探测器上的分布，即目标偏置量信息，并通过高速数据总线传输至扫描捕获单元的伺服控制单元，用于通信的部分数字信号经过加法运算后得到加和增强后的用户数据信息，即实现低速通信解调，并通过高速网口或者串口传递给上位机或者用户使用；在高通信速率模式下，FPGA读取来自APD探测器经光电探测前置放大器和模数转换模块处理后的1通道数字信号，利用APD探测器的大带宽特性，进行数据处理得到用户数据信息，即实现高速通信解调，并通过高速网口或者串口传递给上位机或者用户使用。
Claims (5)
1.一种基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统，其特征在于：包括光学收发天线、扫描捕获单元、激光发射单元、二向色镜、光电探测单元和数字信号处理单元；
所述光学收发天线包括光学发射天线和光学接收天线，采用共口径的设计形式，光学发射天线用于发射本地输出的发射信号激光波束至对端光端机，接收天线用于接收对端光端机发出的接收信号激光波束，传输至扫描捕获单元；
所述扫描捕获单元包括非机械扫描机构和伺服控制单元，非机械扫描机构用于读取内置的角度信息，并传递给伺服控制单元，同时接收来自伺服控制单元的光束偏转执行量，驱动内部执行器实现对目标的扫描捕获，其中将发射信号激光波束的视轴发生偏转实现全视场扫描和光束指向，将接收信号激光波束的视轴平行于后光路的光轴传播实现捕获功能；伺服控制单元用于接收来自非机械扫描机构的角度信息，同时接收来自数字信号处理模块的目标偏置量信息，利用当前执行器角度信息和目标偏置量信息解算光束偏转执行量，传输至非机械扫描机构；
所述激光发射单元包括激光器及驱动、调制编码单元和整形准直镜，整形准直镜包括整形镜和准直镜；激光器及驱动用于在内部驱动下以恒定功率发射激光；调制编码单元用于获取用户待传输数据，并进行编码，将编码后的数据加载调制到连续激光载波上，调制后的激光束由单模光纤送入整形准直镜；准直镜将大发散角的激光束转换为适用于远距离空间信息传输的小发散角窄波束，整形镜依照具体设计需要对小发散角窄波束的高斯能量分布进行调整，将调整后的激光波束传输至二向色镜；
所述二向色镜是一种分光分色平行平板，用于分离接收信号激光波束和发射信号激光波束两种不同波长的色光，将整形准直镜传输的发射信号激光波束传输至扫描捕获单元的非机械扫描机构，将非机械扫描机构传输的接收信号激光波束传输至光电探测单元的接收光学系统；
所述光电探测单元包括接收光学系统、集成式探测器和光电探测前置放大器；接收光学系统将接收信号激光波束汇聚到离焦放置的集成式探测器上；集成式探测器接收到的激光波束后输出响应电信号至光电探测前置放大器；光电探测前置放大器对响应电信号进行放大后传输至数字信号处理模块；
所述数字信号处理单元包括模数转换模块和FPGA，模数转换模块将光电探测单元传输的模拟信号进行转换和采样成数字信号后传输至FPGA，FPGA对数字信号进行目标偏置量解算和通信解调，将目标偏置量信息传输至扫描捕获单元中的伺服控制单元，并利用解调数据实现低速和高速通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统，其特征在于：所述集成式探测器离焦安置，光斑尺寸为探测器靶面尺寸的一半，集成式探测器包括四象限探测器、绝缘衬底和APD探测器，APD探测器粘接在绝缘衬底上，然后整体粘接在四象限探测器中心点上，三者整体采用堆叠的设计形式，APD探测器的四根引线从四象限探测器靶面上的沟道引出，四象限探测器、绝缘衬底和APD探测器设计成方形或者圆形。
3.根据权利要求2所述的一种基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统，其特征在于：所述集成式探测器采用低速四象限探测器和APD探测器复合的形式；四象限探测器和APD探测器分别通过自身的光电转换功能将接收到的激光波束转换为模拟电信号，输出至光电前置放大器。
4.根据权利要求1所述的一种基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统，其特征在于：光电探测前置放大器采用三级放大、两级增益控制的设计形式，使得最后一级放大的输出信号在低于2.2V的线形区间内。
5.根据权利要求1所述的一种基于集成式探测器的轻小型高速无线激光通信系统，其特征在于：所述数字信号处理单元兼容100Mbps传输速率以内的跟踪和通信一体化，设计10Mbps通信速率为阈值，低于10Mbps传输速率为低速模式，高于10Mbps传输速率为高速模式；
数字信号处理单元中的模数转换模块将光电探测单元传输的模拟信号进行转换和采样成数字信号；在低通信速率模式下，数字信号处理单元中的FPGA读取来自四象限探测器经光电探测前置放大器和模数转换模块处理后的4通道数字信号，其中用于跟踪的部分数字信号经过减法运算后获取光斑在四象限探测器上的分布，即目标偏置量信息，并通过高速数据总线传输至扫描捕获单元的伺服控制单元，用于通信的部分数字信号经过加法运算后得到加和增强后的用户数据信息，即实现低速通信解调，并通过高速网口或者串口传递给上位机或者用户使用；在高通信速率模式下，FPGA读取来自APD探测器经光电探测前置放大器和模数转换模块处理后的1通道数字信号，利用APD探测器的大带宽特性，进行数据处理得到用户数据信息，即实现高速通信解调，并通过高速网口或者串口传递给上位机或者用户使用。
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| 徐晓静 等: "星间激光通信技术研究", 光子技术, vol. 2, no. 1 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115459847A (zh) * | 2022-11-11 | 2022-12-09 | 南京英田光学工程股份有限公司 | 基于圆弧运动平台扫描的天基激光通信终端及扫描方法 |
| CN115603807A (zh) * | 2022-11-28 | 2023-01-13 | 长春理工大学（Cn） | 全自动光束捕获扫描跟踪系统、方法、存储介质以及设备 |
| CN115603807B (zh) * | 2022-11-28 | 2023-03-28 | 长春理工大学 | 全自动光束捕获扫描跟踪系统、方法、存储介质以及设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115314106B (zh) | 2023-11-14 |
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