CN1964234A - 移动大气激光通信系统的信标光收发设备 - Google Patents

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赵建功
文爱军
刘增基
岳鹏
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Abstract

本发明公开了一种移动大气激光通信系统的信标光收发设备，它属于通信技术领域，涉及大气激光通信技术，采用该设备以解决移动大气激光通信系统信标光和通信信号光相互干扰、在满足人眼安全的条件下，提高信标光收发双方之间的通信距离。该设备包括信标光发射装置和信标光接收装置，采用多发一收的结构和工作模式。信标光发射装置发射几个完全相同的信标光束；信标光波长与用于通信的信号光波长相同，且信标光也携带着通信信号。在信标光接收装置中，接收天线采用一个大口径的反射式天线，按功率比分光的分束镜将接收天线收到的光区分成信号光和信标光。本装置可用于移动大气激光通信系统。

Description

移动大气激光通信系统的信标光收发设备
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及大气激光通信技术，具体地说是一种移动大气激光通信系统的信标光收发设备，适用于移动大气激光通信系统。
背景技术
大气激光通信Free Space Laser Communication又称自由空间光通信Free Space Optical Communication，FSO或无线光通信WirelessOptical Communication，是近年来出现的通信热点。
就目前的系统而言，地面大气激光通信系统均为定点通信系统，经收发双方人工对准后方可进行通信，应用范围大大受到限制。随着大气激光通信系统应用范围的不断扩展，系统能够进行移动中通信日益为人们所看重。移动大气激光通信系统不仅要具有较大范围的自动瞄准跟踪功能，而且应具有自动捕获信标光的功能。对传输空间中信标光光束的捕获、瞄准和跟踪技术，又称APT技术，是大气激光通信系统研究者和生产商们都开始积极涉足的领域。用于地面对卫星以及卫星对卫星之间的空间光通信系统均有捕获、瞄准、跟踪APT功能，但其信号光和信标光选用不同的波长，如美国的STRV-2系统信标光和信号光分别为810nm和852nm，美国的SILEX系统信标光和信号光分别为797nm和853nm，德国的SOLACOS系统信标光和信号光分别为810nm和1064nm，日本的LCE系统信标光和信号光分别为510nm和830nm。信标光和信号光的波长不同所带来的突出问题是：信标光和信号光互为干扰。在捕获跟踪系统探测信标光时需要滤除信号光的干扰，与此同时，信息传输系统在探测信号光时也必需滤除信标光的干扰，为了解决这些干扰必然要增加系统设计的复杂性，使系统的造价、成本明显提高。
此外，大多数的信标光收发设备均采用单发单收的方式，即发射端发射单个信标光束，接收端用一个透射式聚焦天线接收，在人眼安全的条件下，激光束的功率不能太大，同时因技术原因使透射式天线的面积难以做大，所以信标光收发双方之间的通信距离很难提高。目前用于提高通信信号光收发距离的多发多收模式又不能照搬到信标光的收发设备中，原因如下：多发多收，即发射端同时发射多个相同的光束，接收端用多个接收天线接收，然后把收到的多路光合并成一路光再进行检测。多路光合并的操作必须借助光纤来完成，即把各路光分别耦合进各自对应的光纤中，然后再把这几个光纤里的光合并到一根光纤中，并最终送到信号探测器处。生产大气激光系统的龙头企业美国的LightPointe公司的产品就采用四发四收的发射接收方案。这种做法的优点是：可以在满足人眼安全要求的条件下适当的增加发射功率，且采用多个接收天线增大了接收面积。但其缺点是光纤中的光失去了其发射源的位置信息，对于信标光而言，失去其发射源的位置信息，就会变的毫无用处了。显然，信标光的收发不宜采用多发多收的方式。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种移动大气激光通信系统的信标光收发设备，以消除移动大气激光通信系统信标光和通信信号光之间的相互干扰、并在满足人眼安全的条件下，提高信标光收发双方之间的通信距离。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明由信标光发射装置和信标光接收装置组成，信标光发射装置包括通信信号源和信标光发射器，几个完全相同的信标光发射器在发射端面上均匀的配置在同一个圆周上，它们的轴线互相平行，信标光发射器的数量根据通信距离、发射功率和对人体的安全系数要求来确定。通信信号源产生的电信号传送给信标光发射器，信标光发射器把用电信号调制过的信标光发送出去。信标光波长与用于通信的信号光波长相同，各信标光光束与信号光光束的轴线均平行，信标光光束的发散角大于信号光光束的发散角。信标光接收装置包括信标光接收天线、信标光检测器件、分束镜和信号光检测器，根据激光束的准直性质、聚焦性质以及光线对介质的透射和反射性质把各器件联接固定成为一体。信标光接收天线采用的是一个大口径的反射式天线，既接收信标光信号，又接收信号光信号。信标光接收装置安装在信标光发射装置的内侧，信标光发射器和信标光接收天线的发射与接收端面布局在同一平面上。该信标光发射和接收装置采用的是多发一收的结构和工作模式。
上述的移动大气激光通信系统的信标光收发设备，所说的分束镜，它是采用按功率比分光，而不是按波长分光的分光镜，把信号光和信标光分离开。即对信标光接收天线传来的光信号，它一方面让透过它的信标光到达信标光检测器件，给出发送方的位置信息，另一方面分出一部分光聚焦在信号光检测器件上，给出信标光所携带的通信信号。
本发明与现有技术相比的有益效果：
①多径发射成倍的增加了发射功率，由于发射的光束具有一定的发散角，这几个光束在较远的地方合在一起能满足通信要求的功率，而在较近的地方光束合不在一起就不会对人眼造成伤害。多个发射光束还带来其他好处，比如减小了障碍物的影响，如鸟飞过等，降低了闪烁的影响。
②信标光和通信信号光波长相同且携带的信息也相同，降低了对接收器滤波性能的要求，使接收器的设计简单化；信标光对于信号光而言，不仅不是干扰，反而是信号光的补充，信号探测器所接收到的信号功率是信标光和信号光在接收机处功率的叠加，从而增加了通信链路的功率余量，提高了通信链路的质量；在整个大气激光通信系统的设计过程中，对大气媒质影响激光传播的研究，对特定波长处信道参数的测试，以及对各信道设备的选择都大为简化：只考虑一个波长处的情况即可；此外，不用要求信号光和信标光公共光路上的光学器件的消色差性能，简化了这些光学器件的设计。
③采用单个大口径反射式天线接收信标光在增强接收效果的前提下，保证信标光所携带的发射源的位置信息不丢失。此外，大口径的反射式天线，容易用单一的金属材料实现，比如铝，这样的天线不易变形，且整个天线的热力效应是一致的，不易受温度变化的影响。同时，也降低了系统的造价和成本。
④接收端用同一个接收天线来接收信标光和信号光可以减小通信双方的对准误差，同时也使资源得到了充分利用。
附图说明
图1是本发明的组成结构示意图
图2是本发明应用场景的信标光传播的结构示意图
图3是本发明信标光发射装置组成结构示意图
图4是本发明信标光接收装置组成结构示意图
图5是从本发明的收发端面上看，信标光发射装置和信标光接收装置的组合示意图
图6是本发明的信标光到达接收装置时的光斑形状示意图
具体实施方式
参照图1，它是本发明的组成结构示意图，本发明由信标光发射装置和信标光接收装置组成，信标光发射装置包括通信信号源1和信标光发射器4，几个完全相同的信标光发射器4均匀的配置在同一个圆周上，并分别固定在圆柱形封装壳9的发射/接收端面上预设的几个发射孔中，通信信号源1产生的电信号传送给各信标光发射器4，各信标光发射器4把用电信号调制过的信标光发送出去。信标光接收装置包括信标光接收天线5、信标光检测器件6、分束镜7和信号光检测器8，根据激光束的准直性质、聚焦性质以及光线对介质的透射和反射性质确定各器件的相对位置，然后将天线固定在圆柱形封装壳9的发射/接收端面上预设的接收孔中，将信标光检测器件6、分束镜7和信号光检测器8安装固定在封装壳9内预设的支架上。信标光接收装置安装在信标光发射装置的内侧，信标光发射器4和信标光接收天线5的发射与接收端面布局在同一平面上。
参照图2，它是本发明应用场景的信标光传播的结构示意图。在移动大气激光通信的发射端和接收端各放置一个移动大气激光通信系统的信标光收发设备，发射端的移动大气激光通信系统的信标光收发设备发出信标光信号后，经空间传播到达接收端，经信标光接收天线5接收聚焦后分成两路，一路到达信标光检测器件6处，给出发送方的位置信息，另一路到达信号光检测器8处，给出信标光所携带的通信信号。在通信过程中，接收端的移动大气激光通信系统的信标光收发设备，也要发出信标光信号到发送端，以调整两端信标光收发设备的瞄准方位。
参照图3，它是本发明信标光发射装置组成结构示意图，该装置包括通信信号源1和信标光发射器4。信标光发射器4又由信标激光器2和激光扩束器3组成。通信信号源1产生的电信号，用信号线连至信标光激光器2的信号调制接口，用电信号对信标光进行调制，调制后的信标光经扩束器3扩束后发射出去。
参照图4，它是本发明信标光接收装置组成结构示意图，它包括信标光接收天线5、信标光检测器件6、分束镜7和信号光检测器8。信标光接收天线5采用的是一个大口径的反射式天线，安装在接收装置的端面处。信标光检测器件6置于信标光接收天线5的焦平面处，分束镜7置于信标光接收天线5与信标光检测器件6之间且靠近信标光检测器件6的位置，它一方面让透过它的信标光到达信标光检测器件6，给出发送方的位置信息，另一方面分出一部分光聚焦在信号光检测器件8上，给出信标光所携带的通信信号，分光的比例由通信信号光检测器件8的灵敏度Ss和信标光检测器件6的灵敏度Sb确定。
参照图5，它是从本发明的收发端面上，向其内部看去，信标光发射装置和信标光接收装置的组合示意图。从图中可以看出，该信标光发射和接收装置采用的是多发一收的结构和工作模式，这里看到的是信标光发射装置的信标光发射器4和信标光接收装置的信标光接收天线5，信标光发射器4围绕在信标光接收天线5外侧，均匀地分布在同一个圆周上，信标光发射器4的数量根据通信距离、发射功率和对人体的安全系数要求来确定。信标光发射器4的数量计算的依据是：确定移动大气激光通信系统的通信距离L，通信波长λ，通信的信息速率Rb，通信信号光检测器件的灵敏度Ss，信标光检测器件的灵敏度Sb，信标光收发双方的初始状态时的扫描方式ψ，信标接收方从初始状态到捕获到发送方发射的信标光所需要的时间T。根据扫描方式ψ和捕获时间T可以计算出所需的信标光光束的发散角ωb，同时信标光接收设备的接收视场角Fb的大小也取为ωb。根据系统的通信距离L，信标光光束的发散角ωb，信标位置检测器件的灵敏度Sb，大气的衰减这四个参数就可以得出所需要的信标光发射功率Pt，Pt的值通常比较大，用一束光发射将会伤害人眼，根据人眼安全标准选择光束的个数M，使每束光的功率均为Pt/M，每束光都满足人眼安全要求。
参照图6，它是本发明的信标光到达接收装置时的光斑形状示意图，它显示了各信标光发射器4发出的信标光在接收处，很好的叠加在一起，起到了在满足人眼安全的条件下，成倍的增加信标光发射功率的作用。

Claims (2)

1、一种移动大气激光通信系统的信标光收发设备，包括信标光发射装置和信标光接收装置，信标光发射装置由通信信号源(1)和信标发射器(4)组成，信标光接收装置包括信标光接收天线(5)、信标光检测器件(6)、分束镜(7)和信号光检测器(8)，根据激光束的准直性质、聚焦性质以及光线对介质的透射和反射性质把各器件固定成为一体，其特征在于：
采用几个完全相同的信标光发射器(4)在发射端面上均匀的配置在同一个圆周上，它们的轴线互相平行，信标光发射器(4)的数量根据通信距离、发射功率和对人体的安全系数要求来确定；通信信号源(1)产生的电信号传送给各信标光发射器(4)，各信标光发射器(4)把用电信号调制过的信标光发送出去，信标发射器发射的信标光波长与用于通信的信号光波长相同；
信标光接收天线(5)采用的是一个大口径的反射式天线，既接收信标光信号，又接收信号光信号，信标光接收装置安装在信标光发射装置的内侧，信标光发射器(4)和信标光接收天线(5)的发射与接收端面布局在同一平面上；该信标光发射和接收装置采用的是多发一收的结构和工作模式。
2、根据权利要求1所述的移动大气激光通信系统的信标光收发设备，所说的分束镜，它是采用按功率比分光，而不是按波长分光的分光镜，把信号光和信标光分离开，即对信标光接收天线(5)传来的光信号，它一方面让透过它的信标光到达信标光检测器件(6)，给出发送方的位置信息，另一方面分出一部分光聚焦在信号光检测器件(8)上，给出信标光所携带的通信信号。
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