CN115603807B - 全自动光束捕获扫描跟踪系统、方法、存储介质以及设备 - Google Patents

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Abstract

全自动光束捕获扫描跟踪系统、方法、存储介质以及设备，涉及空间激光通信技术领域，解决了空间激光通信光斑中心对准困难的问题。系统包括光端机A和光端机B；所述光端机B用于通过接收视场进行凝视，并通过信标光将光能量信息实时传递至光端机A，所述光端机A用于在螺旋扫描的同时根据接收的光能量信息解算出光斑偏离位置，并根据光斑偏离位置调整方向；所述光端机A还用于将接收的光能量信息通过信标光传输至光端机B，判断接收到最大能量的位置，作为光端机B方向调整的依据。本发明可应用于大气湍流信道下实现探测接收峰值能量。

Description

全自动光束捕获扫描跟踪系统、方法、存储介质以及设备
技术领域
本发明涉及空间激光通信技术领域，尤其涉及全自动光束捕获扫描跟踪系统、方法、存储介质以及设备。
背景技术
自由空间激光通信不同于光纤激光通信，不以光纤作为传出媒介，而是通过大气为传输媒质，通过激光或光脉冲等光谱范围内的光束传输信息的通信系统。因此自由空间激光通信兼具了光纤通信和微波通信的优点，既具备大通信容量、高速传输等优点，又具备体积小、重量轻、灵活机动等特点。但对于空间激光通信来说，如何更快、更精准的瞄准与跟踪是建立激光通信链路的前提条件。与此同时，空间激光通信广泛使用在移动平台上，平台的震动与运动方向都会增加空间激光通信的瞄准与跟踪难度。
由于通信距离和通信信噪比的限制，导致通信光束散角度特别小，以保障探测器能够接收到更多的能量，因此信标光束散角度远大于通信光束散角度。与此同时由于通信光与信标光由不同口径发出，由于装调精度的限制，导致系统在接收到信标光之后通信光依然没有对准，以及大气湍流导致光束抖动导致接收光斑中心的漂移。
发明内容
为了解决空间激光通信光斑中心对准困难的问题，本发明提出了全自动光束捕获扫描跟踪系统、方法、存储介质以及设备。
本发明的技术方案如下：
一种全自动光束捕获扫描跟踪系统，包括光端机A和光端机B；
所述光端机A和光端机B具有方位和俯仰转动功能；所述光端机B用于通过接收视场进行凝视，并通过信标光将光能量信息实时传递至光端机A，所述光端机A用于在螺旋扫描的同时根据接收的光能量信息解算出光斑偏离位置，并根据光斑偏离位置调整方向；所述光端机A还用于将接收的光能量信息通过信标光传输至光端机B，判断接收到最大能量的位置，作为光端机B方向调整的依据。
优选地，所述光端机A和光端机B处于空间同一水平面上，且二者间链路无遮挡。
优选地，所述光能量信息包括光能量和四象限位置信息。
优选地，所述光端机A和光端机B结构相同，均包括光学天线、分光片、反射镜、信标光激光器、信标光调制器、位置解算与能量叠加电路板、四象限探测器、通信探测器、通信解调器、通信激光器和通信调制器；
所述四象限探测器用于接收信标光，并将四个象限接收的光能量和四象限位置信息输送给所述位置解算与能量叠加电路板，所述位置解算与能量叠加电路板用于解算光斑偏离位置，所述信标光调制器用于将偏离位置信息加载在信标光激光器上，实现对光端机信标光的调制；
所述通信调制器用于通过线缆接收用户数据，并将用户数据加载在通信激光器上，实现用户数据电信号到光信号的转换；
所述通信探测器用于将环形器输出的光信号转换为电信号，所述通信解调器用于接收电信号并进行解调，解调后恢复为用户数据输出；
所述通信激光器与所述通信探测器通过光纤环形器连接，所述光纤环形器公共端与准直器连接，出射空间光照射在反射镜上，经过反射后照射在分光片上，并通过光学天线完成光端机通信光的发射。
一种全自动光束捕获扫描跟踪方法，应用如上所述的全自动光束捕获扫描跟踪系统，所述方法包括以下步骤：
S1、初步调整光端机A和光端机B方向，使其分别朝向对侧光端机，使得光端机A能够接收到光端机B的信标光；
S2、光端机B通过接收视场进行凝视，由光端机A先进行螺旋扫描，同时光端机B通过信标光将四象限探测器的探测接收总能量信息实时传递至光端机A；
S3、光端机A接收到光端机B的能量信息后，调整扫描方向至光端机B接收能量最大值处，同时将光端机A的接收能量信息通过信标光传输至光端机B，判断出光端机A接收到最大能量的位置，调整光端机B向光端机A接收到最大能量的方向移动；
S4、再次控制光端机A进行螺旋扫描，同时接收光端机B的探测能量，调整光端机A朝向光端机B接收能量最大值的位置移动；
S5、光端机A收到光端机B信标光传递的能量时的移动方向是通过光端机中四象限的位置解算；
S6、重复步骤S3和步骤S4，直到接收端接收能量处于光斑能量的峰值点，即完成光束捕获扫描跟踪。
优选地，所述光端机A和光端机B的移动方向是依据位置解算与能量叠加电路板解算的光斑偏离位置信息获得的。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序执行如上所述的全自动光束捕获扫描跟踪方法。
一种电子设备，包括处理器和存储器，其中处理器、存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放的计算机程序时，实现如上所述的全自动光束捕获扫描跟踪方法。
与现有技术相比，本发明解决了空间激光通信光斑中心对准困难的问题，具体有益效果为：
本发明提供的方法可以在不影响激光通信链路数据传输的基础上，进行跟踪位置点的实时调整，实现稳定通信跟踪系统始终接收到光束的峰值点，从而提高激光通信链路的稳定性和可靠性；同时可以解决现有激光通信链路受大气湍流信道影响导致接收能量不稳定的问题，为大气湍流信道下实现探测接收峰值能量提供了可靠技术手段。
附图说明
图1为本发明提供的全自动光束捕获扫描跟踪系统结构示意图；
图2为实施例5所述光端机螺旋扫描捕获示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合本发明的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案，而不应理解为对本发明的限制。
实施例1.
本实施例提供了一种全自动光束捕获扫描跟踪系统，包括光端机A和光端机B；
所述光端机A和光端机B具有方位和俯仰转动功能；所述光端机B用于通过接收视场进行凝视，并通过信标光将光能量信息实时传递至光端机A，所述光端机A用于在螺旋扫描的同时根据接收的光能量信息解算出光斑偏离位置，并根据光斑偏离位置调整方向；所述光端机A还用于将接收的光能量信息通过信标光传输至光端机B，判断接收到最大能量的位置，作为光端机B方向调整的依据。
实施例2.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述光端机A和光端机B处于空间同一水平面上，且二者间链路无遮挡；
实施例3.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述光能量信息包括光能量和四象限位置信息。
实施例4.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明，如图1所示，所述光端机A和光端机B结构相同，均包括光学天线、分光片、反射镜、信标光激光器、信标光调制器、位置解算与能量叠加电路板、四象限探测器、通信探测器、通信解调器、通信激光器和通信调制器；
所述四象限探测器用于接收信标光，并将四个象限接收的光能量和四象限位置信息输送给所述位置解算与能量叠加电路板，所述位置解算与能量叠加电路板用于解算光斑偏离位置，所述信标光调制器用于将偏离位置信息加载在信标光激光器上，实现对光端机信标光的调制；
所述通信调制器用于通过线缆接收用户数据，并将用户数据加载在通信激光器上，实现用户数据电信号到光信号的转换；
所述通信探测器用于将环形器输出的光信号转换为电信号，所述通信解调器用于接收电信号并进行解调，解调后恢复为用户数据输出；
所述通信激光器与所述通信探测器通过光纤环形器连接，所述光纤环形器公共端与准直器连接，出射空间光照射在反射镜上，经过反射后照射在分光片上，并通过光学天线完成光端机通信光的发射。
本实施例所述信标激光器与四象限探测器采用独立口径发射，通信发射、通信接收和信标接收采用共口径接收。所述分光片能够反射通信光，透过信标光，使得四象限探测器仅接收到对侧光端机发射的信标光。所述光纤环形器能够有效隔离通信接收光和通信发射光，通信激光器发出的通信光经过光纤环形器，通过公共端发射；公共端接收的光信号通过光纤环形器之后，由另一光纤接口到达通信探测器。所述位置解算与能量叠加电路板，能够根据四象限探测器的数据计算光斑位置与四个象限接收能量的总和。
实施例5.
本实施例提供了一种全自动光束捕获扫描跟踪方法，应用如实施例1-4中任一项所述的全自动光束捕获扫描跟踪系统，所述方法包括以下步骤：
S1、初步调整光端机A和光端机B方向，使其分别朝向对侧光端机，使得光端机A能够接收到光端机B的信标光；
S2、光端机B通过接收视场进行凝视，由光端机A先进行螺旋扫描，如图2所示，同时光端机B通过信标光将四象限探测器的探测接收总能量信息实时传递至光端机A；
S3、光端机A接收到光端机B的能量信息后，调整扫描方向至光端机B接收能量最大值处，同时将光端机A的接收能量信息通过信标光传输至光端机B，判断出光端机A接收到最大能量的位置，调整光端机B向光端机A接收到最大能量的方向移动；
S4、再次控制光端机A进行螺旋扫描，同时接收光端机B的探测能量，调整光端机A朝向光端机B接收能量最大值的位置移动；
S5、光端机A收到光端机B信标光传递的能量时的移动方向是通过光端机中四象限的位置解算；
S6、重复步骤S3和步骤S4，直到接收端接收能量处于光斑能量的峰值点，即完成光束捕获扫描跟踪。
实施例6.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明，所述光端机A和光端机B的移动方向是依据位置解算与能量叠加电路板解算的光斑偏离位置信息获得的。
实施例7.
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序执行如实施例5或6所述的全自动光束捕获扫描跟踪方法。
实施例8.
本实施例提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，其中处理器、存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放的计算机程序时，实现如实施例5或6所述的全自动光束捕获扫描跟踪方法。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasablePROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM 可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronousDRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDRSDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambusRAM，DR RAM）。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，高密度数字视频光盘（digital video disc，DVD））、或者半导体介质（例如，固态硬盘（solid state disc，SSD））等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
实施例9.
本实施例将光端机A和光端机B放置在相聚3km的两栋建筑物内，给设备供电；
开启信标光，控制光端机A进行螺旋扫描，并通过信标光将光端机B接收信标光能量发送至光端机A；
同时开启数据输入，输入伪随机码模拟用户数据输入，通过调制器将伪随机信号加载在通信激光器上，由通信激光器实现电信号到光信号得转换；
转换后的光信号通过光纤环形器、反射镜、分光片和光学天线等完成通信光束的发射；
光端机A通过四象限探测器解算接收光斑的位置，并通过光端机B信标光传递的能量信息，找到B光端机接收能量的最大值所对应的位置，控制光端机A朝向能量最大值点移动；
同时将光端机A的接收能量信息通过信标光传输至光端机B，判决光端机A接收到最大能量的位置，调整B光端机向A接收到最大能量的方向移动5mrad；
光端机A重新进行螺旋扫描，重复以上两步骤，使得光端机A和光端机B始终探测接收到光束的峰值点；
与此同时，接收的通信光，通过光学天线、分光片、反射镜、光纤环形器到达通信探测器，由探测器将光信号转换为电信号输出，完成伪随机信号的解调，即用户数据的输出。
以上对本发明的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种全自动光束捕获扫描跟踪系统，其特征在于，包括光端机A和光端机B；
所述光端机A和光端机B具有方位和俯仰转动功能；所述光端机B用于通过接收视场进行凝视，并通过信标光将光能量信息实时传递至光端机A，所述光端机A用于在螺旋扫描的同时根据接收的光能量信息解算出光斑偏离位置，并根据光斑偏离位置调整方向；所述光端机A还用于将接收的光能量信息通过信标光传输至光端机B，判断接收到最大能量的位置，作为光端机B方向调整的依据；所述光端机A和光端机B处于空间同一水平面上，且二者间链路无遮挡；所述光能量信息包括光能量和四象限位置信息；所述光端机A和光端机B结构相同，均包括光学天线、分光片、反射镜、信标光激光器、信标光调制器、位置解算与能量叠加电路板、四象限探测器、通信探测器、通信解调器、通信激光器和通信调制器；所述四象限探测器用于接收信标光，并将四个象限接收的光能量和四象限位置信息输送给所述位置解算与能量叠加电路板，所述位置解算与能量叠加电路板用于解算光斑偏离位置，所述信标光调制器用于将偏离位置信息加载在信标光激光器上，实现对光端机信标光的调制；
所述通信调制器用于通过线缆接收用户数据，并将用户数据加载在通信激光器上，实现用户数据电信号到光信号的转换；
所述通信探测器用于将环形器输出的光信号转换为电信号，所述通信解调器用于接收电信号并进行解调，解调后恢复为用户数据输出；
所述通信激光器与所述通信探测器通过光纤环形器连接，所述光纤环形器公共端与准直器连接，出射空间光照射在反射镜上，经过反射后照射在分光片上，并通过光学天线完成光端机通信光的发射。
2.一种全自动光束捕获扫描跟踪方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的全自动光束捕获扫描跟踪系统，所述方法包括以下步骤：
S1、初步调整光端机A和光端机B方向，使其分别朝向对侧光端机，使得光端机A能够接收到光端机B的信标光；
S2、光端机B通过接收视场进行凝视，由光端机A先进行螺旋扫描，同时光端机B通过信标光将四象限探测器的探测接收总能量信息实时传递至光端机A；
S3、光端机A接收到光端机B的能量信息后，调整扫描方向至光端机B接收能量最大值处，同时将光端机A的接收能量信息通过信标光传输至光端机B，判断出光端机A接收到最大能量的位置，调整光端机B向光端机A接收到最大能量的方向移动；
S4、再次控制光端机A进行螺旋扫描，同时接收光端机B的探测能量，调整光端机A朝向光端机B接收能量最大值的位置移动；
S5、光端机A收到光端机B信标光传递的能量时的移动方向是通过光端机中四象限的位置解算；
S6、重复步骤S3和步骤S4，直到接收端接收能量处于光斑能量的峰值点，即完成光束捕获扫描跟踪。
3.根据权利要求2所述的全自动光束捕获扫描跟踪方法，其特征在于，所述光端机A和光端机B的移动方向是依据位置解算与能量叠加电路板解算的光斑偏离位置信息获得的。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序执行如权利要求2或3所述的全自动光束捕获扫描跟踪方法。
5.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中处理器、存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放的计算机程序时，实现如权利要求2或3所述的全自动光束捕获扫描跟踪方法。
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