CN1191427A - 在无线光通讯中用于跟踪对准的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种光通讯系统和方法,其中接收源使用一个阵列传感器以从发射光束恢复数据并且测定与发射光束对准的精确度。阵列传感器运用几何不变性原理以确定对准的准确度。该传感器可以传递恢复的信息到系统控制器或其他合适的器件,随后这些器件能够重新定位接收机使得接收机被适当地对准发射机。该系统和方法有益地提供用于一种更紧凑和增强的通讯系统,其中一个单个的接收单元可以用于数据恢复和对准测定双重功能。

Description

在无线光通讯中用于跟踪对准的方法和装置

本发明涉及光通讯，尤其涉及光通讯系统中用于跟踪对准的方法和装置。

基于光的无线收发机系统在通讯领域提供了革命性的进步。这种系统已经变得越来越普遍并且已经用于许多实际的应用中。例如，光通讯用于数据收集功能如电视会议、电子邮件、传真、电视、数字无线电通讯和各种网络的应用。光系统的普及可以归功于它们的许多有益的特征。光系统是无线的；这样，实际的安装是相当简单的。与其他类型的无线通讯有关的噪声和干扰问题随着光系统的出现而被基本上消除。用于大多数光系统的总的功率消耗是比较低的。这些和其他好处使得无线光学成为越来越普及的通讯技术。

现有的无线光系统的一个缺点是要求发射源要相当地对准接收源。没有相当地对准，光接收机不能有效地测定光束以完成数据恢复。在实际的电噪声干扰光接收机的环境中这个问题被恶化。当事实上没有任何发射时这种干扰可能错误地触发系统以识别一个光束。相反，使用硬件连接的系统如光纤系统不要求发射机-接收机对准。发射波简单地跟随着导线的外形或其他的传输介质直到到达接收机。

然而，一个具有非常有效的校正机构的无线光接收系统使得对准的问题减至最小，同时保留了相关于无线光通讯的保持的实际的好处。

同时为了最大的效率，最好是实现一个能够有效地处理低能量光束的光学系统。拥有这样的一个系统，低功率光信号可以被发射和在接收端译码使得在处理中消耗最少量的能量。

为了完成这些任务，一个光通讯系统必须能够自动地重新对准无论什么原因变得不对准的发射机和接收机。然而，当前的技术要求使用多个接收单元用于接收机重新对准和数据收集。多个单元的使用连同其他东西一起增加了成本和功率消耗同时降低了整个系统的效率。

作为一种说明，一个现有技术的光接收通讯系统使用一个定位在光发射机的视距中的单独的象限传感器，以检测和校正对准误差。该系统还使用一个会聚透镜以投射接收的光束到一个光电二极管用于数据的恢复。不利的是，这种方法要求至少三个不同的单元(一个象限传感器、一个会聚透镜和一个光电二极管)以实现系统的光接收机。这样，要求多个光接收单元以实现数据恢复和定向精确的跟踪，这使接收系统复杂了并增加了接收系统的成本。这个系统的另一个缺点是它对发射的光功率的低效率的使用。特别是，在测定了发射光束的对准精确度之后，则象限传感器必须允许光子束经过传感器到第二个装置(会聚透镜和光电二极管)用于数据恢复。发射光束必须包含足够的信号功率以使光束能够经过象限传感器中的一个小孔径通过足够的光子到达光电二极管。这种现有技术配置实际限制在最小可实现的发射信号功率上。尽管在本讨论中忽略了这种现有技术方法的其他缺点，它们对于本领域的专业人员将是明显的。

因此本发明的一个目的是提供一个更简单的、紧凑的和增强的方法和装置用于处理接收的光信号。

本发明的另一个目的是提供一种使用一个单个的光接收单元的方法和装置以实现数据恢复功能和跟踪精确度测定。

本发明还有一个目的是提供一种比现有的系统要求更少功率消耗的更有效的光通讯系统。

根据本发明的原理通过提供一种使用一个单个阵列传感器以接收发射的数据并确定跟踪精确度的方法和装置来实现本发明的这些和其他的目的。阵列传感器是主要的数据恢复机构，接收来自一个发射源的光束使得接收光束的投影图像在阵列上被捕获。投影图像与预定的图像进行比较以确定接收光束的跟踪精确度。投影图像和预定图像之间的偏差对产生了跟踪误差的系统发出报警，并且将接收机重新对准发射机的校正操作可以根据误差启动。

从附图和下面优选实施例的详细的描述，本发明的其他特征、它的性质和各种优点将更加明显。

图1A是一个说明现有技术光通讯系统的简单的表示。

图1B是在图1A的光通讯系统中使用的现有技术象限传感器的前视图。

图2A是一个根据本发明说明使用一个单个的阵列传感器的光通讯系统的实施例的简单的表示。

图2B是一个包含图2A的阵列传感器的一系列光收集装置的视图。

图2C是图2A阵列传感器的正视图。

图3是一个根据本发明的优选实施例说明对准跟踪技术的一个简单的表示。

图4是一个相对于变化的幅度和方向的一些投影图像说明几何不变的原理图。

图1A描述了用于接收光通讯的现有技术系统。这个系统一般地由两个定位在相互之间有一定空间距离的收发机站表征。一个收发机站包括一个发射单元150，该单元包含激光源100和准直透镜110。准直透镜110产生一个发射光束的圆形投影。其他的收发机站包括一个接收单元160，该单元包含光电二极管140和会聚透镜120。一个光束从接收单元160的视距中的激光源100发射。会聚透镜120偏转碰撞光束到光电二极管140用于进一步的处理。驻留在光束中的光子被用于发射数字信息到接收单元160。光电二极管140测量来自光束的光子特性。这种测量用于恢复从发射单元150到接收单元160传送的信息。一般地，在一个给定时间间隙中光束的存在和不存在表示为或者一个逻辑“0”或者一个逻辑“1”。

为了实现可靠的数据恢复，要求在发射单元150和接收单元160之间要适当的对准。专业人员通常配置一个象限传感器(“quad”传感器)130用于这个目的。图1B是图1A的象限传感器130的正交图，它展示了圆形孔径146，光束进入该圆形孔径经过传感器130到接触光电二极管140。象限传感器130依靠四个空间象限15、16、17和18以确定是否接收单元160(即图1A的会聚透镜120和光电二极管140)与激光源100适当的对准使得实现光束的精确传输。

由光束产生的碰撞光子导致电荷累积在象限传感器130的四个空间象限15、16、17、18(图1B)。光系统周期性地测量在完全相反的象限之间电荷集聚的相对差值。对于垂直对准调整，测量在象限17和18中相应的电荷集聚之间的差值。类似地，对于水平对准调整，测量在象限15和16的相应的电荷集聚之间的差值。两个象限之间累积的电荷中的这些差值被称为差分输出。这里差分输出为零，在整个四个象限中电荷集聚是均匀的，说明接收单元160与激光源100适当的对准。

在正常操作过程中，光系统周期性地测量两个差分输出。根据这些周期性的测量，该系统间歇性地重新对准接收单元160使得保持差分输出的值接近零。对于象限17和18，差分输出的幅度控制所要求的接收单元160的垂直调整的幅度以恢复与发射光束适当的对准。类似地，来自象限15和16测量的差分输出控制所需的水平调整的幅度。根据用于测量选择的参考系差分输出可能是正的或负的。差分输出是正的还是负的决定了所需调整的方向(即左或右用于水平测量；上或下用于垂直测量)。

在图1B的示范的象限传感器中，象限17相对于象限18被给予一个正的参考系，象限15相对于象限16被给予一个正的参考系。如果在象限17的电荷集聚比象限18多，该系统将测量一个正的差分输出。这表示对于接收单元160的一个向上的垂直调整是必需的。所需的重新对准的量与从象限17和18得到的差分输出的幅度成正比。

水平对准以一种类似的方式完成。该系统测量在相应的象限15和16中电荷集聚之间的差值。例如如果在象限16中测量的光子的集聚比象限15的光子集聚大，则得到一个负的差分输出，这意味着接收机向左调整是必需的。水平接收机调整的量与从象限15和16得到的差分输出成正比。

根据从两对象限得到的相应的差分输出，光通讯系统将使用如实际的执行机构的一些公知的方法来执行重新对准。当系统重新对准接收单元160与发射单元150时，光电二极管140通过检测来自发射光束的光子的存在或不存在来连续地进行数据恢复。数据恢复方法依赖于经由孔径146经过象限传感器130到达光电二极管140的光子。

如前所述，图1A和1B的通讯技术要求使用多个光接收单元以完成对准跟踪和数据恢复的双重任务。因为光束必须由一个象限传感器处理，然后传到会聚透镜用于进一步的处理，多个单元的使用导致了发射功率的使用效率较低。使用多个单元还导致了一个更庞大的光通讯系统，在有限空间的环境中更加困难配置，由于各个单元附加的功率消耗和附加花费使得成本更高，并且较少地不受乱真的电干扰的影响。此外，多个单元同时的工作以提供必需的跟踪对准和数据恢复功能时，跟踪对准可能是一个特别慢的过程。当相同的不对准分别地发生在右和左象限以及上和下象限时象限传感器还会产生对准误差。

在下面描述的发明人的当前优选实施例的上下文中，本发明提供了用于光通讯的更紧凑的方法以及发射功率更有效的、整体的使用。参照图2a，根据本发明展示了一个优选的收发机装置。一个激光源200和一个准直透镜210构成发射单元250。源200使用准直透镜210传送一个光束以圆化图像。一个单个的阵列传感器225构成接收单元。阵列传感器225一般地包括一系列光收集装置。虽然它可以包括任何合适的光收集装置，阵列传感器225最好包括在行和列上布置的一系列光电二极管。这里光电二极管被作为光收集机构使用，每个光电二极管被认为是包括在阵列传感器225上一个单独的像素。每个光电二极管的输出一般耦合到一个电子控制机构，它的细节对于理解本发明是不重要的。包含每个像素的光电二极管用于检测驻留在一个碰撞光束中的光子的存在或不存在。这个信息接下来被用于以下面描述的方式确定一个发射光束的存在和形状。

不象现有技术系统要求有一个会聚透镜120(见图1a)，本发明中不需要使用一个会聚透镜。代之以光束直接地碰撞阵列传感器225，导致从激光源200产生的图像被直接地在传感器225上校准。然后该系统通过测定在阵列传感器225上照射的图像进行对准测量并且提取数据。

图2b是一个说明阵列传感器225表面的视图，该传感器具有作为本发明的一些实施例中的以行和列布置的多个光电二极管400。在这些实施例中，控制系统475具有一个行地址和一个列地址专用于阵列的每个相应的行和列。通过参照一个特定的行地址和列地址，控制系统475能够读取阵列上光电二极管的输出。行和列地址可以存储在控制系统475的存储器450上。在图2b的说明中，控制系统475参照一个特定的行地址和列地址以读取阵列上在光电二极管500的输出。

图2c以平面直角形式展示了一个阵列传感器225的正交图。然而，可以考虑阵列传感器225的替代形状。

使用同一个阵列传感器225数据恢复可以与对准分析同时有益地完成。在一个优选实施例中，存在着离散的时间间隙，其中每个时间间隙相应于一个特定的数字值，即一个逻辑“1”或一个逻辑“0”。在这个实施例中，在一个时间间隙中的光束的传输表示一个逻辑“1”的存在。反之，在一个时间间隙中的传输的不存在表示一个逻辑“0”的存在。因此数据在每个时间间隙被恢复为一个数字位。当光束从激光源200发射时(图2a)，碰撞传感器225的光子的存在勾画出碰撞的区域，该区域接下来确定光束的形状。光束可以用于对准测定(见下面)。在传感器225上光子的碰撞也使得系统能够提取由光束传送的数据。通过对于每个时间间隙加上被来自光束的光子碰撞的传感器225上像素的网格数来恢复数据。使用这种加法过程，发射的信息被收集用于到一个中心控制器或其他指定位置的通讯。然后系统控制器脱机处理这个信息以完成数据恢复和跟踪对准功能。因此，单个阵列传感器225有益地完成了数据恢复和跟踪对准的双重功能。

本发明的数据恢复技术的一个优选实施例使用一个CMOS图像传感器作为阵列传感器225。CMOS图像传感器包括多个以行和列的形式布置的光电二极管，如图2b描述的阵列。每个光电二极管包括阵列传感器225的一个单个的像素。使用CMOS图像传感器225优于其他器件(如电荷耦合器件(CCD))的一个优点是它可以读取在单独的像素的输出，因此显著地增加了数据恢复时间。特别地，对于每个时间间隙，图像传感器225如下所述测量碰撞位于阵列传感器225上的每个像素的光子的数。系统控制机构最好包括一个存储器，该存储器如上所述存储行和列的地址。通过选择一个特定的行地址和列地址该系统控制器寻址每个像素。使用这些行和列地址，系统控制器读取每个像素输出的内容。像素输出的数字值取决于在一个特定的时间间隙期间碰撞那个像素的光子的量。在这个时间间隙发射了光束的情况下，在每个光电二极管的光子集聚将是高的。反之，在光束没有传送的情况下，则在每个光电二极管的光子集聚将显著地降低。这样存在光子集聚的某个门限值，在该值以下光电二极管的输出将具有一个第一数字值，在该值以上它将具有一个第二数字值。在一个光电二极管上光子的高集聚(指示出光束的存在)产生那个像素输出的第二数字值，该系统控制器将标志该像素。另一方面，在一个光电二极管上的光子的较低集聚产生一个第一数字值，该像素不被标志。由于这个原因CMOS图像传感器的使用至少具有两个优点：(1)不被光束碰撞的像素被从后来的加法步骤中清除(见下面)；以及(2)被乱真的电子噪声碰撞但不被光束碰撞的像素将达不到光电二极管门限(如果门限被适当地选择)，并且同样地不被考虑用于加法。

接下来，使用上面描述的加法过程，其中由一个系统控制器加上标志的像素的数。如果总的标志的像素的和超过一个第二预定门限数，该系统推断发射了光束(与或者没有发送或者只不过是没有发送的电子干扰相反)，因此对于这个时间间隙分配一个数字“1”。相反，如果总的标志的像素的和不超过预定的门限数，该系统确定没有光发送发生并且对于这个时间间隙分配一个数字“0”。这个加法过程可以发生用于任何数量的时间间隙，并且从发射单元210得到一串数字信息。当然，数字值可以被反向，代之以光束的存在产生一个数字“0”，等等。

该系统控制器还可以在存储器中记录对于对准测量的碰撞的像素的分布(见下面)。在一些实施例中，仅仅在总的碰撞像素的和达到或超过预定门限数才存储这种信息。

使用一个CMOS图像传感器的这种优选的数据恢复方法具有明显的优点。首先，与以前的方法相比图像传感器260显著地增加了数据恢复的速率。例如，常规的数据恢复器件，如用于象摄录机的仪器的电荷耦合器件(CCD)，在测定单独的像素之前必需读取整个像素阵列。这个过程导致了相当长的数据恢复时间。相反，CMOS图像传感器160提供单独的像素的读取而不要求对整个阵列的估计。此外，不象一个使用CCD的系统，只有由图像传感器160选择的那些像素需要被系统控制器考虑。剩余的像素简单地在加法步骤中打了折扣。因此，与加法过程有关的计算时间比所有像素相加时要快得多。使用这种器件能够取得1Gbps或者更长的数据恢复速率。这个数据恢复时间可与使用一个象限传感器的光通讯技术相比或更好。

从抗噪声的观点来看CMOS图像传感器的使用还提供进一步的好处。在一个给定像素上触发最小光子活动的乱真的电子传输容易地被图像传感器打折扣。这样噪声的影响被减至最小，并得到更精确的数据测量。

上述说明和上面技术的每一个代表了使用阵列传感器225的实现数据恢复的优选的方法。其他相当的合适的技术和变型可以由本领域的那些技术人员仔细研读了本公开的发明后考虑。

对于对准测量，发射的光束碰撞阵列传感器225并且因此照射一个传感器225上的图像。上面描述的读取单个的像素输出的优选方法同样地由系统使用以确定发射光束的形状用于完成跟踪对准。特别地，该系统通过测定光子碰撞过的像素的数量和位置确定一个碰撞光束的形状。相关于碰撞像素的分布的信息(它确定碰撞图像的形状)最好放置在一个存储器中以等待进一步的处理。系统将这个照射的图像与一个预定的图像相比较以确定是否两者之间存在偏差。偏差的存在说明需要采取校正的措施以对准发射机和接收机。校正措施的幅度和方向与偏差于预定的图像的照射图像的量值成正比。

有益的是，在数据恢复处理期间得到的信息，特别是从图像传感器260得到的关于每个像素的信息还被用于测量对准的精确度。例如，到传感器225的投影图像的形状根据如上所述在阵列传感器225上碰撞光子的分布确定。这个图像的形状产生了关于对准精确度的重要信息(见下面)。

阵列传感器225确定是否在它本身和发射单元250之间存在一个不对准。做出这个决定不需要附加的对准检测装置。根据确定的对准误差，传感器225提供必需的信息到系统控制器或其他的源。使用这个信息，系统可以采取校正措施以迅速地恢复适当的对准用于连续的和精确的发射数据的接收。

本发明的重新对准机构部分地依靠在透视转换下几何不变性的公知的原理。这个原理规定，只有当图像被相对于屏幕做正交地(也就是垂直地)投影时一个投影圆将映射为一个圆。在所有其他情况下，投影的圆将映射为一个椭圆。这样，在发射机没有很好地对准接收机的情况下来自发射源的一个圆形光束被投影，结果图像将对于发射源显示为一个椭圆。另外，该椭圆的特定的外形有益地传送相关于不对准的特性和程度的信息。

应用这个原理到本发明，在发射单元250和阵列传感器225之间的正交对准导致准直光束映射为一个圆进入传感器225。这样，传感器225感觉被映射到它的一个圆(例如使用CMOS图像传感器技术)，对准被认为正确的，不用采取任何校正行动，并且数据恢复如通常一样地开始。

投影图像代之作为椭圆出现时，系统推断出在发射机和接收机之间存在一个不对准。从一个圆的形状和投影图像的形状的发散程度提供给系统关于不对准的方向和程度的信息。使用这个信息，系统可以以正比于光束的不对准的幅度和方向的方式调整传感器225的对准。这样，到接收传感器225的映射光束的简单的投影使得系统可以根据对准中的偏差采取校正措施。

相关于阵列传感器并包含在系统内的是一个预定的图像用于与碰撞阵列传感器的图像相比较。当一个圆的光束被投影时，例如预定的图像将是一个圆。其他的几何形状计划用于本发明的范围中。

图3是一个说明在投影图像上使用几何不变性的原理图。在阵列传感器325上投影的图像被检测，并且来自一个圆偏差的图像的程度在水平和垂直方向上被确定。方框345代表了阵列传感器325的正视图。随后的系统的对准校正与来自圆的形状的水平和垂直偏差的幅度成正比。在一些实施例中，实际的执行机构用于将接收机重新对准发射机。

图4是一个说明关于一些变化幅度和方向的投影图像的几何不变性的原理图。标记为501的圆代表了发射和接收单元被很好地对准时的一个例子。在这种情况下，合成图像将导致圆502，在这个过程中不需要系统实现任何的重新对准。包括垂直和水平投影图像的其他的圆600被从阵列传感器的中心替换。如此，这些图像的每对(一个垂直和一个水平)代表了对准不完全时的各个的例子。根据不对准的幅度和方向，合成图像将表现为在对角线上旋转的椭圆。不对准的程度和方向与合成图像的旋转的程度成正比。响应合成图像的旋转的形状和程度，则系统能够采取校正的行动以将接收单元重新对准发射单元。

安装时通过适当的校准系统一开始就解决了解释对准传感器225的模糊的问题。初始的校准是必需的以避免到投影图像的左和右的相同量的图像的不对准，否则由于产生的左和右图像的相似性而产生对准误差。同样的，当由一个相等的量的上和下不对准导致引起相似图像的相似椭圆时发生的问题由初始校准解决，否则这个问题会产生对准中的模糊。初始系统校准能够使不对准的图像被投影到阵列传感器的一个不同的象限使得左与右或上与下的错位是明显地可区分的。这样，在初始安装中，源的大致的位置最好被确定，并且中心是相对于通讯系统建立的。根据这个初始中心，系统可以测定得到的椭圆以确定位移的真正的量值，并且因此做出对准校正。

除了投影光束为一个圆，其他的形状可以被考虑。几何不变性的原理决定具有一个预定形状的光束的非正交投影将导致碰撞一个源的光束具有不同的形状。这样，例如专业人员可以选择光束的形状为一个矩形，并且随后运用几何不变性原理以及本发明确定在接收端的不对准的程度，做出适当的校正。

应该理解前面所述仅是说明了本发明的原理，在本领域的那些技术人员可以做出各种修改而不背离本发明的范围和精神。所有这些变型和修改将在下面附加的权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一个光通讯系统，包括：

一个发射单元；以及

一个接收单元，所述接收单元包括一个阵列传感器用于确定从所述发射单元发射的光束的跟踪精确度，以及用于检测数据。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述阵列传感器包括一个CMOS图像传感器。

3.一个光通讯接收系统用于跟踪光束对准，包括：

一个阵列传感器用于接收来自一个发射源的光束，其中系统将一个由所述光束的碰撞产生的在所述阵列传感器上照射的图像与一个预定的图像比较，并且其中系统根据所述图像和所述预定图像之间的偏差的检测来启动发射源和所述阵列传感器之间的校正对准。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述预定的图像包括一个圆。

5.如权利要求3所述的系统，其中校正对准的幅度与所述图像和所述预定的图像之间的偏差幅度成正比。

6.如权利要求3所述的系统，其中通过在多个时间间隙上选择地驱动光束，数据被从发射源发射到所述阵列传感器，根据在所述的每个时间间隙期间光束的发射或没有发射，系统记录每个时间间隙期间的数字数据。

7.如权利要求3所述的接收系统，其中所述阵列传感器包括一个图像传感器，该图像传感器包括一系列光电二极管用于检测发射光束的存在或不存在。

8.如权利要求7所述的接收系统，其中所述图像传感器包括一个CMOS图像传感器。

9.如权利要求7所述的接收系统，其中通过光束碰撞或不碰撞到所述阵列传感器在多个时间间隙上传送数据，其中系统对于每个时间间隙对由光束碰撞到所述阵列传感器上的像素数量求和，到达一个像素的光束碰撞由一个第一数据值表示而不碰撞由一个第二数据值表示。

10.一个光通讯系统用于评价对准的精确度，包括：

一个发射机包括一个激光源用于发射一个光束；以及

一个接收机包括一个接收光束的阵列传感器，光束碰撞所述阵列传感器，通过光束的碰撞在所述阵列传感器上形成图像，该图像被用于确定是否所述阵列传感器与所述发射机对准。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述阵列传感器包括一个图像传感器用于检测一个发射光束的存在或不存在。

12.如权利要求10所述的系统，其中所述阵列传感器根据一个发射光束的存在或不存在而恢复数据。

13.一个光接收单元包括一个阵列传感器，该传感器包括一阵列光收集器件，所述接收单元用于根据碰撞所述阵列传感器的光束的存在或不存在而恢复数据，并且所述接收单元用于根据一个碰撞光束的形状来测量对准误差。

14.如权利要求13所述的接收单元，其中所述接收单元包括一个CMOS图像传感器。

15.用于使用一种光通讯系统跟踪对准的方法，包括步骤：

通过碰撞光束到一个阵列传感器从一个发射源接收一个光束；

将碰撞的图像与一个预定的图像进行比较；

确定是否在图像之间存在一个偏差；以及

根据图像之间的偏差启动校正对准。

16.如权利要求15所述的方法，还包括根据在每个时间间隙期间一个碰撞光束的存在或不存在在多个时间间隙上检测数据的步骤。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述比较步骤还包括步骤：

求和已经被光束碰撞的所述阵列传感器上的像素；

将该和与一个预定的门限数比较；以及

记录碰撞像素的分布到一个存储器，在这里的和达到或超过门限数。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述比较步骤还包括在水平和垂直方向产生一个投影图像，并且结合所述水平和垂直图像以产生一个合成图像的步骤。

19.如权利要求17所述的方法，其中所述求和步骤包括记录每个单个像素的输出的数字值的初始步骤。

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