CN1677901A - 利用调制光束进行位置探测的装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用调制光束进行位置探测的装置，其信号处理电路是位敏探测器各管脚分别串接I/V转换器、乘法器、低通滤波器和模/数转换器，再四路并行连接单片机，其中一路模/数转换器与方波发生器反馈端连接，方波发生器输出端连接各路乘法器的输入端。其探测方法是发射端的信标光采用确定频率方波调制发射，接收端的位敏探测器接收并输出至I/V转换器，和方波发生器产生的方波一起输入乘法器中运算，结果经过低通滤波和模/数转换再四路并行输入单片机算出位置信息；一路模/数输出送至方波发生器用以反馈控制。由于乘法器和滤波器对输入信号的方波调制和差分处理，消除了背景噪声和暗电流，使输出信号误差减小，提高了系统探测精度。

Description

利用调制光束进行位置探测的装置及其探测方法

一、技术领域

本发明涉及一种对物体进行位置探测的装置，特别是一种利用调制光束进行位置探测的装置以及该装置采用的探测方法。

二、背景技术

自由空间光通信技术(FSO)是一种通过激光束的单向或双向传递来实现点对点通信的无线通信方式，具有光纤通信的速率并且不需在频谱这样的稀有资源方面有很大的初始投资，因此获得了人们的青睐，使其成为光纤通信和电波无线通信的重要补充。其应用领域涉及到骨干网、接入网、局域网，还特别适合应急通信、快速业务开通、军事保密通信、特殊场合通信等，其优势是带宽可扩展，建设速度快，并且十分经济。

空间光束的捕获、跟踪、对准(ATP：acquisition tracking pointing)装置是自由空间光通信的关键设备之一，它通过双端通信中的发射端发射出信标光，由接收端根据信标光的位置捕获该发射端，并实现跟踪。在自由空间光通信过程中ATP装置工作的精度决定了通信的稳定性和可靠性。该装置具有两个主要功能：位置误差信号提取和伺服电机系统控制。其中的位置误差信号的提取部分是ATP装置中非常关键的一环，其精度和灵敏度直接影响到后续的跟踪是否有效。一般的ATP装置都由粗跟踪分系统和精跟踪分系统两部分组成，两者结合主要解决视野和精度的矛盾。实际使用中，为了简化系统以降低成本，普遍采用枪瞄镜和位敏探测器(PSD)结合的方式，枪瞄镜完成大致方向上的粗对准，而用位敏探测器获取发射端的位置信息以完成精对准。

现行的自由空间光通信系统中，ATP装置中的位敏探测器在位置探测应用中都是采用直接探测的方式，为了提高性能，普遍采用在光学镜头部分添加滤波片以滤除一部分背景光的方法，然而由于位敏探测器的暗电流一般都很大，室温下10×10mm的位敏探测器的暗电流有200nA，再加上背景光的影响，最终使得系统的灵敏度只有-20dBm左右，极大地限制了位置探测的有效距离。通常的补偿办法是提高发射端信标光源激光器的发射功率，而这受到激光器性能和成本的限制。此外，在信号处理方面，也有采用对发射端信号进行调制来提高探测的灵敏度的方法，然而这要求接收端和发射端工作在共同的时钟下，在空间光通信系统中这是不现实的。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种利用调制光束进行位置探测的装置，该装置具有比现有技术更高的系统位置探测精度和灵敏度，此外，还提供了该装置的探测方法。

2、技术方案：本发明利用调制光束进行位置探测的装置，包括天线、发射单元、接收单元以及控制单元，其中发射单元主要包括信标光源、扩束准直设备，由信标光源产生的信标光经过扩束准直后，由天线发射出；接收单元主要包括位敏探测器以及信号处理电路，天线接收到信标光后传送到位敏探测器上将光信号转换为电流信号，再输入信号处理电路进行处理，并将处理后得到的位置偏差信息传送给控制单元；控制单元主要包括伺服控制器和伺服机构，伺服控制器接收到来自信号处理电路的位置偏差信息，再控制伺服机构完成对光束的对准。信号处理电路包括多级放大的I/V转换器、相位可调式双极性方波发生器、二象限模拟乘法器、低通滤波器、模/数转换器以及信号处理单片机。位敏探测器的四个管脚中每一个管脚分别依次串接一个多级放大的I/V转换器、一个二象限模拟乘法器、一个低通滤波器和一个模/数转换器，最后四路并行的连接信号处理单片机，由单片机再连接控制单元。同时其中一路的模/数转换器与一个共用的相位可调式双极性方波发生器的反馈端连接，该方波发生器输出端分别连接各路乘法器的一个输入端。

方波发生器可以由单片机和电源变换器组成。

此外，二象限模拟乘法器、低通滤波器、模/数转换器和相位可调式双极性方波发生器构成的回路可以由一个单片机或数字信号处理芯片(DSP)代替。

本发明所采用的探测方法，包括首先由发射端发射出信标光，接收端的位敏探测器接收到该信标光后，传递给信号处理电路进行处理，处理后的信号再输入伺服控制器，通过伺服控制器输出控制信号以控制伺服机构完成对光束的对准。发射端的信标光采用确定频率的方波进行调制，接收端的信号处理是按以下步骤进行：

1)接收端的位敏探测器接收到从发射端发出的经调制的信标光后，首先将光信号转化为电流信号，从其一个管脚输出该电流信号至多级放大的I/V转换器，把电流信号转换为合适范围的电压值V_i；

2)使用相位可调式双极性方波发生器产生一个双极性方波V_p，幅度为+1、-1，频率与发射端方波调制的频率一致；

3)将V_i，V_p接入一个二象限模拟乘法器中进行运算，并将运算的结果输入一个低通滤波器或积分器中，从而滤除由位敏探测器暗电流和背景噪声产生的分量，得到完全由信标光所产生的响应电压值Vo；

4)把位敏探测器四个管脚中每个管脚都采用步骤1)-3)的方法进行处理，得到四个完全由信标光所产生的响应量，再经过数字采样以后并行输入信号处理单片机，由单片机进行位置信息计算并输出给伺服控制器；

5)取其中一路输出Vo至方波发生器用以反馈控制V_p的相位，使得V_i，V_p的相位差为零。

方波发生器可以由单片机实现，其方法是将采样得到的数字信号先送给单片机，由单片机产生相位可控的方波，再用电源变换得到相位可控的双极性方波。

上述步骤2)-5)还可以用单片机或数字信号处理芯片(DSP)来实现，其方法是：单片机或数字信号处理芯片通过时分的方式控制对四个管脚进行采样，每个管脚的信号在一个周期内采样2n次，用信号强度最大的一路进行相位搜索，搜索的方式是首先将前n次采样值累加，再减去后n次采样值，并把总的和S₀记录下来。然后延时一个采样周期，再进行前n次累加后n次相减的运算得到S₁，如果S₁大于S₀，则再延时一个周期求出S₁；如果S₁小于S₀则应该提前一个采样周期，逐个移动直到求出最大值。此后四个管脚的信号都按照此相位关系进行运算，实现了有信标光时候的n次采样值之和减去无信标光时的n次采样值之和，再除以n就得到了完全由信标光引起的相应量的电压值，最后单片机把四个值进行运算就得到了信标光的位置信息。

本发明是采用微弱信号的处理方法滤除掉位敏探测器中的背景噪声和暗电流，以提高系统位置探测的精度和灵敏度。

工作中，位敏探测器接收到的干扰多为自然光或人工照明，其特点是其亮度和方位变化是缓慢的，在位敏探测器上造成的响应为直流和低频分量。如果对信标光进行周期性方波调制，位敏探测器接收到信号后，检测到的其任意一个管脚的光电流信号波形大致如图1所示。由图1可知，无信标光时候的电流由背景光和暗电流引起；有信标光时候的电流由背景光、暗电流和信标光共同引起。当把有信标光时候的响应量和无信标光时候的响应量做差，就消除了基本上不随时间变化的背景噪声和暗电流的影响，得到了完全由信标光引起的电流。

3、有益效果：本发明对ATP系统中的信号处理电路进行从新设计，通过一个乘法器将位敏传感器输出的信号与方波发生器输出的双极性方波相乘，这样无信标光时候的低电平量E₀与-1相乘变成负的，有信标光的高电平量E与+1相乘不变，再通过滤波器相加平均就实现了两者的作差处理。由信号的相关运算的特性可知，输入信号中，只有与双极性方波相关的分量才能有输出，也就是只有输入信号中均值为零的双极性方波分量才能通过，其它的分量将不能通过，尤其是其中的直流分量也得到极大的衰减。这样就基本消除了背景噪声和暗电流对输入信标光的影响，使得计算出来的位置信息更为准确，从而提高了系统位置探测精度和灵敏度。

四、附图说明

图1是接收调制信标光的PSD一管脚的信号波形。

图2是具有独立信标光的ATP系统框图。

图3是信号处理电路框图。

图4是采用单片机替换回路的信号处理电路框图。

图5是信标光信号与双极性方波在不同相位差Ψ的相关运算波形示意图，其中a：Ψ＝π时，b：Ψ＝π/6时，c：Ψ＝0时，d：相关后的输出与失调角的关系。

五、具体实施方式

如图2所示，是具有独立信标光的ATP系统框图，该系统包括共用天线、发射单元、接收单元以及控制单元，其中发射单元包括信标光源、信号光源、扩束准直装置以及合波片，由信标光源产生的信标光和由信号光源产生的信号光各自经过扩束准直后，两路光信号由合波片合并为一路，再由共用天线发射；接收单元包括分波片、信号光处理装置、位敏探测器以及信号处理电路，共用天线接收到的空间物体发射出的光束并传递给分波片，由分波片分离出信号光和信标光，其中信号光传送给信号光探测装置，信标光则传送给位敏探测器并转换为电信号，之后输入信号处理电路进行处理，再将处理后的电信号传送给控制单元；控制单元主要包括伺服控制器和伺服机构，伺服控制器接收来自信号处理电路的信号，并控制伺服机构完成对空间光束的对准，其中的信号处理电路参见图3，其包括多级放大的I/V转换器、相位可调式双极性方波发生器、二象限模拟乘法器、低通滤波器以及信号处理单片机。位敏探测器的四个管脚中每一个管脚分别依次串接一个多级放大的I/V转换器、一个二象限模拟乘法器、一个低通滤波器和一个模/数转换器，最后四路并行的连接信号处理单片机，由信号处理单片机再连接控制单元。同时其中一路的模/数转换器与一个共用的相位可调式双极性方波发生器的反馈端连接，该方波发生器输出端分别连接各路乘法器的一个输入端。

作为本发明的一种改进，二象限模拟乘法器、低通滤波器、模/数转换器和相位可调式双极性方波发生器构成的回路可以由一个单片机代替，单片机通过一定的算法可以实现该回路的功能。采用单片机的信号处理电路参见图4。

本发明的工作方法是先对发射端的信标光进行确定频率的方波调制，再通过发射装置将调制后的信标光发射出，接收端的位敏探测器接收到该信标光后，首先将其转化为电流信号，并从四个管脚输出，其每个管脚的输出都送入一个多级放大的I/V转换单元把电流信号转换为合适范围的电压值V_i，其由三部分组成：

                       V_i＝V_i0+S_i(t)+n_i(t)

其中S_i(t)是以信标光方波调制同频同相的双极性方波，其函数表达式为：

$S_i\left(t\right)=\frac{2(E-E_0)}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\sin \frac{\mathrm{n\π}}{2}\sin n{\mathrm{\ω}}_{1}t$

V_i0和n_i(t)分别为直流分量和低频交流噪声；

同时，使用方波发生器产生一个双极性方波V_p，幅度为+1、-1，频率与发射端的方波调制的频率一致，其函数表达式为：

$V_p\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n}\sin \frac{\mathrm{n\π}}{2}\sin n{\mathrm{\ω}}_1(t-\mathrm{\τ})$

接着，将V_i，V_p接入一个两象限的模拟乘法器中进行运算得到，相乘的结果再输入一个低通滤波器或者一个积分器取出直流和低频分量得到Vo。两者组合构成一个相关器。由信号的相关运算的特性可知，V_i信号中，只有与V_p相关的分量才能有输出，也就是V_i中均值为零的双极性方波分量，其它的分量将不能通过，尤其是其中的直流分量也得到极大的衰减；并且滤波器输出的值Vo的大小跟V_i，V_p的相位差Ψ有余弦关系。Vo的函数表达式为：

$V_o=V_i\⊗V_p=\underset{N\→\∞}{\lim }\frac{2}{2\mathrm{NT}}{\∫}_{-\mathrm{NT}}^{\mathrm{NT}}{V}_i\left(t\right)V_p(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=\frac{E-E_0}{{\mathrm{\π}}^2}{\cos \mathrm{\ω}}_1\mathrm{\τ}=\frac{E-E_0}{{\mathrm{\π}}^2}\cos \mathrm{\Ψ}$

因此，就可以用输出Vo反馈控制V_p的相位，当相位差为零的时候，输出达到最大值。此最大值V_omax与输入的信号中有信标光时和无信标光时的平均值之差E-E₀有对应关系。参见图4。

将位敏探测器四个管脚经过相同方法的处理，得到四个完全由信标光所产生的响应量，数字采样以后并行输入单片机，由单片机进行位置信息计算并输出给伺服控制器，最终通过伺服机构实现对光束的对准。

在实际的信号处理电路中，反馈环路既要去搜索输出的最大值同时又要保证输出的为最大值，这两者是有一定矛盾的，输出往往不能达到稳定的。为提高性能解决这个矛盾，把输入信号V_i按严格比例分出一部分用于相位的大范围搜索，然后把搜索到的有最大值的相位定时送给有稳定输出的那一路的本地双极性方波发生器，形成一个双环结构。这样一路负责相位大范围跟踪，另一路给出最大值的稳定输出。

方波发生器中单片机的工作方式如下：

先把波形文件存入存储器中，正半周期全为1，负半周期全为0。单片机顺序读取存储器中的波形文件并从端口输出得到方波。如要移相则根据所要移的量在波形文件中相应的跳转一定的步距，最终得到所需要相位的波形。

Claims (7)

1、一种利用调制光束进行位置探测的装置，包括天线、发射单元、接收单元以及控制单元，其中发射单元包括信标光源、扩束准直设备，由信标光源产生的信标光经过扩束准直后，由天线发射出；接收单元包括位敏探测器以及信号处理电路，天线接收到信标光后传送到位敏探测器上将光信号转换为电流信号，再输入信号处理电路进行处理，并将处理后得到的位置偏差信息传送给控制单元；控制单元包括伺服控制器和伺服机构，伺服控制器接收到自信号处理电路的位置偏差信息，再控制伺服机构完成对光束的对准，其特征是：信号处理电路包括多级放大的I/V转换器、相位可调式双极性方波发生器、二象限模拟乘法器、低通滤波器、模/数转换器以及信号处理单片机。位敏探测器的四个管脚中每个管脚分别依次串接一个多级放大的I/V转换器、一个二象限模拟乘法器、一个低通滤波器和一个模/数转换器，最后四路并行的连接信号处理单片机，由单片机再连接控制单元，其中一路的模/数转换器还与一个共用的相位可调式双极性方波发生器的反馈端连接，该方波发生器输出端分别连接各路乘法器的一个输入端。

2、根据权利要求1所述一种利用调制光束进行位置探测的装置，其特征是：二象限模拟乘法器、低通滤波器、模/数转换器和相位可调式双极性方波发生器构成的回路可以由一个单片机或数字信号处理芯片代替。

3、根据权利要求1所述一种利用调制光束进行位置探测的装置，其特征是：所述信号处理电路中的方波发生器由单片机和电源变换器组成。

4、一种权利要求1所述利用调制光束进行位置探测的装置的探测方法，包括首先由发射端发射出信标光，接收端的位敏探测器接收到该信标光后，传递给信号处理电路进行处理，处理后的信号再输入伺服控制器，通过伺服控制器输出控制信号以控制伺服机构完成对光束的对准，其特征是：发射端的信标光采用确定频率的方波进行调制，接收端的信号处理是按以下步骤进行：

1)接收端的位敏探测器接收到从发射端发出的经调制的信标光后，首先将光信号转化为电流信号，从其一个管脚中输出该电流信号至一个多级放大的I/V转换器，把电流信号转换为合适范围的电压值V_i；

2)同时，使用相位可调式双极性方波发生器产生一个双极性方波V_p，幅度为+1、-1，频率与发射端方波调制的频率一致；

3)将V_i，V_p接入一个二象限模拟乘法器中进行运算，并将运算的结果输入一个低通滤波器或积分器中，从而滤除由位敏探测器暗电流和背景噪声产生的分量，得到完全由信标光所产生的响应电压值Vo；

4)把位敏探测器四个管脚中每个管脚都按照步骤1)-3)的方式进行处理，得到四个完全由信标光所产生的响应量，对其进行数字采样以后并行输入一个信号处理单片机，由单片机进行位置信息计算并输出给伺服控制器；

5)取其中一路输出Vo至方波发生器用以反馈控制V_p的相位，使得V_i，V_p的相位差为零。

5、根据权利要求4所述一种利用调制光束进行位置探测的装置的工作方法，其特征是：其中的步骤2)-5)也可以用单片机或数字信号处理芯片来实现，其方法是：单片机或数字信号处理芯片通过时分的方式控制对四个管脚进行采样，每个管脚的信号在一个周期内采样2n次，用信号强度最大的一路进行相位搜索，搜索的方式是首先将前n次采样值累加，再减去后n次采样值，并把总的和S₀记录下来，然后延时一个采样周期，再进行前n次累加后n次相减的运算得到S₁；如果S₁大于S₀，则再延时一个周期求出S₁；如果S₁小于S₀则应该提前一个采样周期，逐个移动直到求出最大值；此后四个管脚的信号都按照此相位关系进行运算，实现了有信标光时候的n次采样值之和减去无信标光时的n次采样值之和，再除以n就得到了完全由信标光引起的相应量的电压值，最后单片机把四个值进行运算就得到了信标光的位置信息。

6、根据权利要求4所述一种利用调制光束进行位置探测的装置的工作方法，其特征是：所述方波发生器由单片机实现，采样得到的数字信号先送给单片机，由单片机产生相位可控的方波，再用电源变换得到相位可控的双极性方波。

7、根据权利要求6所述一种利用调制光束进行位置探测的装置的工作方法，其特征是所述单片机的工作方式是：先把波形文件存入存储器中，正半周期全为1，负半周期全为0，单片机工作时顺序读取存储器中的波形文件，并从端口输出得到方波，如要移相则根据所要移的量相应的跳转一定的步距。

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