CN1878034B - 一种用于直线运动物体的无线光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于直线运动物体的无线光通信系统。它包括在直线轨道上运动的物体、连接运动物体的控制器和无线光通信设备、以及连接中心控制器的无线光通信设备，有一根传输信号光的管道与直线轨道平行安置，连接运动物体的无线光通信设备通过一个连接装置而处于管道一端中心处，连接中心控制器的无线光通信设备安置于管道另一端中心处。本发明能在直线运动物体与中心控制器之间建立高速无线光通信连接，无需复杂的自动跟踪和光功率动态控制装置，也极大地降低了外界环境的干扰。

Description

一种用于直线运动物体的无线光通信系统

技术领域

一种用于直线运动物体的无线光通信系统，采用内壁涂有反射膜的管道作为光的传输通道，用于直线运动物体与控制中心之间的高速数据交换。

背景技术

无线光通信(或称自由空间光通信FSO)系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。无线光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤和受无线频率的管制。系统由两台激光通信机构成，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号，接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现全双工通信。

图1为FSO的示意图，两端的FSO设备是相同的，包括激光器LD驱动及调制1、光探测和数据接收恢复2、光学天线3等几大部件。FSO使用的波长一般为850nm短波长，可以采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)，功率可以到几十毫瓦。近年来，1550nm波长也得到很大应用，因为1550nm波长可以进行光放大，使输出功率达到数百毫瓦，还可以进行波分复用，极大增加传输带宽(国外已有速率达160Gb/s的报道)。光学天线3是FSO不同于光纤通信的主要部分，由透镜组组成，光学天线可以为收发分开也可以为收发合一。在发送端，光学天线3的主要作用是控制发送光束的发散角，使激光能量集中，在接收端，光学天线3的主要作用是汇聚光能量至光探测器，提高探测灵敏度。

FSO技术具有很多优点，但也存在一些问题：1、天气因素尤其是大雾、沙尘暴等所引起的光的色散、漫反射将极大影响光通信的质量。2、只能在视距范围内建立通信链路。3、安装点的移动或振动会影响两个节点之间的激光对准，使通信质量下降甚至暂时中断。4、飞鸟等障碍物经过链路空间，通信可能会瞬间中断。

目前的FSO技术主要用于固定点之间的数据通信，当FSO技术用于卫星等运动物体时，需要复杂的跟踪和控制装置，以使两端的激光束能够对准对方，这些技术还在发展之中。

在有些工业应用场合(如龙门起重机)，物体在一个不太长的距离上作直线运动(＜1000m)，传输的数据带宽较宽、实时性较高，无法使用微波通信(工业环境干扰和调制速率达不到要求)和光纤通信(无法敷设光纤)时，无线光通信技术是一个较好的解决方案。

图2示出了一种沿轨道7直线运动的物体4上的无线光通信设备5与中心控制器9的无线光通信设备8之间建立的无线光通信连接，目的是在运动物体4的控制器6和中心控制器9之间进行高速数据交换。

先假设运动物体4运行在理想水平轨道7上，不会发生上下振动和左右晃动。此时，无线光通信设备5、8高度一致，连线与轨道平行，系统光路的示意图如图3。

FSO发射光功率P₀与探测器接收光功率P_L间的关系如下式：

$P_L=P_0{\mathrm{\η}}_R{\mathrm{\η}}_T{e}^{-\mathrm{\αL}}{\left(\frac{d_r}{\mathrm{\θL}}\right)}^2$

其中η_T为发射天线的效率，η_R为接收天线的效率，α为大气的衰减系数。假设η_T＝η_R＝1，α＝10dB/km(薄雾天)。d_r为接收口径，θ为发散角，L为传输距离。如小车运动的区间为10m＜L＜500m，此时，接收光功率相差33+5＝38dB。设d_r＝5cm，θ＝10mrad＝0.01rad(mrad＝0.001rad(弧度)为角度单位，1°＝17.45mrad)，P₀＝10mW＝10dBm，此时P_10m＝4dBm，P_500m＝-34dBm，一般在200Mb/s速率时，探测器灵敏度为-36dBm，所以当距离较远时满足灵敏度要求，但近距离的接收光功率已经饱和(一般＜0dBm)，会造成较大误码。由以上分析可以看出，在物体4大范围移动的过程中，光功率变化很大，可能会超过光探测器的动态范围。

以上为理想情况，实际上，轨道7不可能完全水平，运动物体4也不可能没有振动，为提高接收光功率，控制光斑直径11，一般的无线光通信系统的发散角10都很小，允许的发散角变化只有10mrad以下，即不到1°，轨道和小车无法满足这个要求。所以一般的无线光通信系统在没有加装自动跟踪和光功率动态控制装置时是不适合这种直线运动无线光通信系统的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于直线运动物体的无线光通信系统，能在直线运动物体与中心控制器之间建立高速数据通信连接，无需复杂的自动跟踪和光功率动态控制装置。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于直线运动物体的无线光通信系统，包括在直线轨道上运行的运动物体、连接运动物体的控制器和无线光通信设备、以及连接中心控制器的无线光通信设备，其特征在于有一根传输信号光的管道与所述的直线轨道平行安置，所述的连接运动物体的无线光通信设备通过一个连接装置连接所述运动物体而处于所述管道一端的中心处，所述的连接中心控制器的无线光通信设备安置于所述管道另一端的中心处；所述的位于管道两端的两个无线光通信设备用于将各接口输入的数据信号变换为无线激光信号发射及将接收到的无线光信号变为各接口输出的数据信号，中心控制器通过连接运动物体的控制器控制运动物体的运动并采集运动物体的运动状态信息传回中心控制器，从而实现中心控制器对运动物体的智能控制和管理，同时，连接运动物体的控制器和中心控制器控制各自连接的无线光通信设备，实现两无线光通信设备间的无线光通道建立高速数据连接。

上述的无线光通信设备的结构是：其输入系统是：信号光输入经光电转换器连接一个信号选择器的一个输入口，数据输入直接连接信号选择器的另一输入口，视音频信号、RS232/485信号、以太网信号、工业控制信号的信号输入经一个数据复接器连接信号选择器的数据输入口，而信号选择器的输出经一个激光调制及发射模块连接一个光学天线的输入口；其输出系统是：所述的光学天线的输出经一个光探测及接收模块连接一个信号选择器的输入口，该信号选择器的一个输出经一个数据分接器而输出视音频信号、RS232/485信号、以太网信号、工业控制信号的信号输出，另一输出直接为数据输出，还有一个输出经一个电/光转换器而输出信号光输出。

上述的传输信号光的管道为金属或塑料的内壁涂有反射膜的管道。

上述的连接装置是一根连接杆，所述的传输信号光的管道有一条轴向开口槽，所述的连接杆穿过管道的轴向开口槽而内端与无线光通信设备固定连接，外端与运动物体固定连接。

上述的运动物体为需要进行数据传输的设备或装置。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、采用内壁涂有反射膜的管道作为无线光的传输通道，使光能集中。2、需要的输出光功率小，可在较大范围内满足光探测器动态范围的要求。3、无需复杂的自动跟踪装置即可实现沿直线运动的无线光通信。4、无线光通信设备在管道内工作，受外界环境的影响小。5、光学天线的口径小，能提高可靠性、降低成本。6、具有多种输入输出接口，便于与各种设备连接，采用数字复接方式，实时性好。

附图说明

图1无线光通信系统示意图。

图2传统无线光通信系统在直线运动物体上运用示意图。

图3传统无线光通信系统在直线运动物体上运用的光路示意图。

图4本发明一个实施例的系统结构示意图。

图5图1示例的传输信号光的管道剖面图。

图6图1示例的无线光通信设备原理框图。

具体实施方式

本发明一种用于直线运动物体的无线光通信系统的优选实施例的详述如下：

参见图4，运动物体12在直线轨道19上作往复运动，运动物体12上的控制器13需要与中心控制器18进行高速通信，以使中心控制器18能对运动物体12的运行状态进行智能控制和管理，并将运动物体12的各种状态及其他如监控视频等信息传回控制中心18。由于无法采用微波或光纤通信等方式，这里采用了无线光通信实现运动物体12与中心控制器18之间的高速全双工通信，为了克服传统无线光通信方式在应用于运动物体时的缺陷，这里采用了内壁涂有反射膜的管道16作为无线光的传输通道。管道16与直线轨道19平行布置，运动物体12侧的无线光通信设备15随运动物体12在管道16内移动，中心控制器18侧的无线光通信设备17在管道16一端的中心固定。

为了使无线光通信设备15能在管道16内移动，需要在管道16的下方开槽，参见图5，连接装置14为一根连接杆，与槽20间有一定间隙，使运动物体12移动时可以在一定范围内左右晃动，其内端连接无线光通信设备15，外端连接运动物体12。无线光通信设备15的外壳与管道16的内壁之间也有一定间隙，使运动物体12可在一定范围内上下振动。如运动物体12运行时振动幅度较大，为减小振动的影响，可以在无线光通信设备15与运动物体12之间采用柔性连接，另外在无线光通信设备15和管道16间加滑动装置，使无线光通信设备15在管道16内自由滑动。

由于管道16内部具有良好反射，光能的损耗比自由空间减小很大，而且管道16的使用也减小了雨雾等外界环境的影响，所以可以采用较小功率的激光器，以满足动态范围的要求。

光在管道16中反射传输时，由于入射角不同，使不同入射光的传输路径不同，输入光脉冲会有一定程度的展宽，但由于入射光的发散角很小(＜1°)，传输距离较短(＜1km)，使脉冲展宽很小，完全满足1Gb/s以上传输速率的要求。

图6为上述的无线光通信设备15、17的原理框图。无线光通信设备15、17具有多种输入输出接口，无线光通信设备15的输入输出接口接运动物体12上的控制器13，无线光通信设备17的输入输出接口接中心控制器18。信号光输入21可以直接接各种速率的已调光信号，对速率和协议透明，经光/电转换器24变为高速数字电信号；数据输入22接高速数字信号；信号输入23可以接多种输入信号，如视音频信号、RS232/485信号、以太网信号、工业控制信号等，数据复接器25将以上信号复接为高速数字信号，数据复接器25采用通用复接芯片实现，可以简化设计。信号选择器26选择三路高速数字信号中的一种输入到激光调制及发射模块27，将信号调制到激光上送入光学天线28发射，光学天线28可以采用折射式透镜组也可采用反射式卡塞克伦天线。由对方设备经管道发来的已调信号光经光学天线28接收，汇聚到光探测器上，光探测器可以采用PIN或APD探测器，信号光经光探测及接收模块29后恢复出发射的高速数字电信号输入到信号选择器30，再由与发射端对应的输出端输出。数据分接器31将高速数字信号恢复为输入的多种信号接口输出，数据输出34将高速数字信号直接输出，电/光转换器32将高速数字信号变为光信号后输出。

这里通过参考具体的实施例对本发明进行了详细描述，但这仅仅是应用举例，应该清楚本领域的普通技术人员在不脱离本发明的范围和实质的情况下可做出各种修改和变化。

Claims (5)

1.一种用于直线运动物体的无线光通信系统，包括在直线轨道(19)上运行的运动物体(12)、连接运动物体(12)的控制器(13)和无线光通信设备(15)、以及连接中心控制器(18)的无线光通信设备(17)，其特征在于有一根传输信号光的管道(16)与所述的直线轨道(19)平行安置，所述的连接运动物体的无线光通信设备(15)通过一个连接装置(14)连接所述运动物体(12)而处于所述管道(16)一端的中心处，所述的连接中心控制器的无线光通信设备(17)安置于所述管道(16)另一端的中心处；所述的位于管道(16)两端的两个无线光通信设备(15、17)用于将各接口输入的数据信号变换为无线激光信号发射及将接收到的无线光信号变为各接口输出的数据信号，中心控制器(18)通过连接运动物体的控制器(13)控制运动物体(12)的运动并采集运动物体(12)的运动状态信息传回中心控制器(18)，从而实现中心控制器(18)对运动物体(12)的智能控制和管理，同时，连接运动物体的控制器(13)和中心控制器(18)控制各自连接的无线光通信设备(15、17)，实现两无线光通信设备(15、17)间的无线光通道建立高速数据连接。

2.根据权利要求1所述的用于直线运动物体的无线光通信系统，其特征在于所述的无线光通信设备(15、17)的结构是：其输入系统是：信号光输入(21)经光/电转换器(24)连接一个信号选择器(26)的一个输入口，数据输入(22)直接连接信号选择器(26)的另一输入口，视音频信号、RS232/485信号、以太网信号、工业控制信号的信号输入(23)经一个数据复接器(25)连接信号选择器(26)的数据输入口，而信号选择器(26)的输出经一个激光调制及发射模块(27)连接一个光学天线(28)的输入口；其输出系统是：所述的光学天线的输出经一个光探测及接收模块(29)连接一个信号选择器(30)的输入口，该信号选择器(30)的一个输出经一个数据分接器(31)而输出视音频信号、RS232/485信号、以太网信号、工业控制信号的信号输出(33)，另一输出直接为数据输出(34)，还有一个输出经一个电/光转换器(32)而输出信号光输出(35)。

3.根据权利要求1所述的用于直线运动物体的无线光通信系统，其特征在于所述的传输信号光的管道(16)为金属或塑料的内壁涂有反射膜的管道。

4.根据权利要求1所述的用于直线运动物体的无线光通信系统，其特征在于所述的连接装置(14)是一根连接杆，所述的传输信号光的管道(16)有一条轴向开口槽，所述的连接杆穿过管道(16)的轴向开口槽而内端与无线光通信设备(15)固定连接，外端与运动物体(12)固定连接。

5.根据权利要求1所述的用于直线运动物体的无线光通信系统，其特征在于所述的运动物体(12)为需要进行数据传输的设备或装置。

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