CN201616828U - 激光自适应追踪调节系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光自适应追踪调节系统。它结构合理，使用方便，其结构为：它包括信息枪，信息枪与信息靶相配合；它还包括调节枪，调节枪与调节靶相配合；信息枪与调节靶间设有控制器I，调节枪与信息靶间设有控制器II。

Description

激光自适应追踪调节系统

技术领域

本实用新型属于无线光接入技术领域，特别涉及一种对激光信号的发射和接收瞄准追踪的激光自适应追踪调节系统。

背景技术

随着信息化社会的到来，通信技术也得到了日新月异的发展。在过去的几年中，人们对传输速率的要求越来越高，使用高速率数据传输的用户数量每年都在递增，光纤通信因为能传输高速率的数据，成为广域通信网的骨干网络，如今在广域通信网中80％以上的信息是通过光纤传输的。但是从光纤骨干网到用户之间的″最后一英里″，如果铺设光缆，不仅花费大而且耗时；许多无线通信技术可以解决″最后一英里″的问题，但是这些技术需要向无线电管理委员会申请频率执照，不仅要使用户支付大量的频率占用费，而且申请也要花费数月的时间。

无线光通信因为无需频率申请，机型小方便架设，能够简单的解决最后一英里的问题，为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案。

无线光通信可在以下一些范围发挥重要作用：

·可以作为预防服务中断的光纤通信和微波通信的备份；

·可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；

·应用于近距离高速网的建设以及最后一英里接入；

·不宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方；

·在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合；

·用于企业内部网互连和数据传输。

1无线光通信系统的特点和优势

1.1频带宽，速率高

FSO产品目前最高速率可达2.5Gbit/s，最远可传送4km。

1.2频谱资源丰富

与微波技术相比，FSO设备多采用红外光传输，不需要申请频率执照，也不需要交纳频率占用费。

1.3适用任何通信协议

适用于任何环境，不依赖某种协议。现用于传输数据、声音和影像等各种信息。

1.4架设灵活便捷

FSO可以直接架设在屋顶，以及在江河湖海上进行通信，可以完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务，而且无需埋设光纤，可以在几小时内建立起通信链路，方便快捷，大大缩短了施工周期。

1.5安全可靠

由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束，因此窃听和人为干扰在目前技术来看几乎是不可能的。

1.6经济

光纤网络的成本通常很高，铺设过程耗时，而且投资不可撤回，而无线光通信技术可以在城域光网之外提供高带宽连接，而成本只有在地下埋设光缆的五分之一。

2无线光通信系统存在的问题

FSO是一种视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要严格的视线传播，当通信设备安装在高楼的顶部时，在风力的作用下建筑物会发生摆动，这样便会影响激光器的对准。由于大楼结构中某些部分的热胀或轻微的地震等原因，有时也会导致发射机和接收机无法对准。

恶劣的天气情况，会对传播信号产生衰耗。空气中的散射粒子，会使光线在空间、时间和角度上产生偏差。大气中粒子还会吸收激光的能量，衰减信号的发射功率。

传输距离与信号质量的矛盾非常突出，传输距离越大，光束就会越宽，接收的光信号质量越差。激光的安全问题必须考虑。发射功率必须限制在保证眼睛安全的功率范围内。

3 FSO研究的发展趋势

FSO目前存在的问题主要集中在下面几个方面：针对大楼摆动的瞄准问题；大气中粒子对光线的散射、吸收问题；提高传输速率问题。这些问题影响了传输的可靠性，所以对这些问题的研究成为FSO的发展方向。

3.1发射、接收的瞄准的研究

在大风中或因地震引起大楼的摆动，发射机发送的光信号对不准接收机，产生的误差大，甚至通信无法实现。目前的研究方向在于提高激光的瞄准，怎样利用非机械装置来实现精确的对准和快速瞄准；在接收机方面，散射光线也带有信息，接收散射光线越多，接收的信号能量越大，但同时接收的噪声也越大，所以尽量提高接收机接收信号总功率，又不能降低信噪比成为研究目标。

3.2减小大气对通信的影响

在不同的环境中不同波长的光线会有不同的传播特性，这些不同的特性导致了在不同环境下，不同波长的光线会有不同的吸收窗口、不同的散射函数以及不同的折射率，需要寻求一种最优波长，在通信链路中找出波长与性能的最优组合。

3.3传输速率的提高

FSO相对于其他接入设备最大的优势之一就是带宽。现在FSO产品的速率从2Mbit/s开始，形成多个系列，比较典型的有10Mbit/s、100Mbit/s、155Mbit/s、622Mbit/s。有的公司采用波分复用技术，速率可以达到2.5Gbit/s、10Gbit/s。

综上所述，FSO的发展方向是解决大楼的抖动引起的对不准问题、大气微粒的散射问题、大气湍流影响通信问题，提高系统可靠性，在此基础上提高传输速率，使FSO发挥最大优势。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决目前激光信号的发射和接收瞄准问题，提供了一种结构合理，使用方便的激光自适应追踪调节系统。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种激光自适应追踪调节系统，它包括信息枪，信息枪与信息靶相配合；它还包括调节枪，调节枪与调节靶相配合；信息枪与调节靶间设有控制器I，调节枪与信息靶间设有控制器II。

信息枪包括调制器I、机械传动装置I、功率控制装置I、温控装置I和激光发射器I，调制器I将要发射的基本信息和控制器I产生的调节信息调制到激光发射器I上，产生所需的信息激光束并发射出去；机械传动装置根据控制器I的控制信息调节激光发射器I发射的角度；功率控制装置I根据控制器I的控制信息，加大或减小作为信息载体的激光发射器I激光束功率，确保此激光束能以足够的能量准确照射到信息靶上；温控装置I设置在激光发射器I上，保持激光发射器I的工作温度在稳定范围内，确保激光发射器I工作稳定。

所述信息靶包括高速PN或PIN或APD光电探测器I或其他光敏感材料，光电探测器I为弧形，在其两端分别设有一个遮挡板I，在光电探测器I弧形的开口处设有滤光层I；信息靶接收信息枪发射来的激光束，将其转化为被系统识别的信号，滤光层I为透明薄膜层，滤除部分噪声光波，遮挡板I遮挡阳光或其他光线直接照射信息靶的正面，减少这些光线产生的噪声对接收到的激光束的影响；光电探测器I或其他光敏感材料，将接收到的基本信息转化为系统可以接受并处理的信号，同时，将接收到的激光信号的强弱信息传给控制器I进行处理。

所述调节枪包括调制器II、功率控制装置II、温控装置II、激光发射器II，调制器II根据控制器II的调节信息，控制激光发射器II产生所需激光信号；功率控制装置II根据控制器II的调节信息，调节激光发射器II产生的激光束的功率，温控装置II设置在激光发射器II上，保持激光发射器II的工作温度在稳定范围内，确保激光发射器II工作稳定；

调节枪发射的激光束携带控制器II传过来的信息靶接收到的激光束强弱的调节信息，用于调节信息枪工作状态，并确保调节靶能有效感应到调节枪发射的激光束功率的大小；调节枪发射的激光束与信息枪发射的激光束同一频率，但功率大于信息枪的激光束。

所述调节靶包括高速PN或PIN或APD光电探测器或其他光敏感材料、滤光层、遮挡板，调节靶接收信息枪发射来的激光束，并将其转化为被接收系统识别的信号，滤光层为透明薄膜层，用于滤除部分噪声波，减少噪声对接收到的激光束的影响；遮挡板遮挡阳光或其他光线避免直接照射信息靶的正面，减少这些光线产生的噪声对接收到的激光束的影响；调节靶以靶心为圆心，以信息靶接收窗口直径R为半径划出第一个靶道，以2R为半径，划出第二个靶道，以此类推，将整个信息靶分成N(1≤N＜∞)个靶道；然后，将每个靶道的外弧以R为弧长划分为若干四边形小区，最后一个四边形小区弧长小于R，作为单独的小区使用；每个小区都有唯一的坐标，此坐标作为控制器I使用的参考数据；光探测器或其他光敏感材料将接收到的调节枪发射来的激光束强弱变化的信息传给控制器I。

所述控制器I根据调节靶接收到的激光束的强弱和激光束光着点的小区坐标，计算调节信息，并将调节信息传送给机械传动装置和功率控制装置，控制信息枪发射的激光束的角度和强度。

所述控制器II根据接收到的信息激光束中包含的调节信息和此激光束的强弱，调节调节枪发射的激光束的强弱。

本实用新型系统组成及各组成部分的功能：信息枪、信息靶、调节枪、调节靶以及控制器I、控制器II等主要部分组成。

信息枪：发射包含信息的激光束。

信息枪主要包括调制器、机械传动装置、功率控制装置、温控装置、激光发射器等组成。工作时，将要发射的基本信息和控制器1产生的调节信息通过各种方式调制到激光源产生的激光束上，并发射出去。其中，调制方式的选择、激光源种类的选择根据具体的情况而定。同时，机械传动装置根据控制器1传来的控制信息，调节激光束发射的角度；功率控制装置根据控制器1传来的控制信息，加大或减小作为信息载体的激光束的功率，确保此激光束能以足够的能量准确照射到信息靶上；温控装置用于保持激光发射器的工作温度在稳定范围内，确保激光器工作稳定。

信息靶：接收信息枪发射来的激光束。

信息靶由高速PN、PIN、APD光电探测器或其他光敏感材料、虑光层、遮挡板等组成。主要是用于接收信息枪发射来的激光束，并将其转化为可被系统识别的信号，如电信号等。滤光层是由特殊滤波材料组成的透明薄膜层，用于滤除部分噪声光波，减少噪声对接收到的激光束的影响。遮挡板主要是为了遮挡信息靶，尽量避免阳光或其他光线直接照射信息靶的正面，减少这些光线产生的噪声对接收到的激光束的影响。光探测器或其他光敏感材料，主要用于将接收到的基本信息转化为系统可以接受并处理的信号，如电信号等。同时，将接收到的激光信号的强弱等信息传给控制器2进行处理。

调节枪：发射用于调节系统参数的激光束。

调节枪由调制器、功率控制装置、温控装置、激光发射器等装置组成。调节枪发射的激光束携带控制器2传过来的信息靶接收到的激光束强弱的调节信息。它的主要功能是发射能量较强的用于调节信息枪工作状态的激光束，并确保调节靶能有效感应到调节枪发射的激光束功率的大小。调节枪发射的激光束，最好是与信息枪发射的激光束同一频率，但功率稍大。因为大气对同一频率光的影响是相同的，这样可以通过调节靶接收到的激光束功率的大小，按照简单的比例关系调节信息枪发射的激光束的强弱。如果使用不同频率的激光，则要通过统计，计算出调节枪激光束与信息枪激光束在大气中通过时受到大气影响的参数，按照一定的关系进行换算，控制信息枪激光束的发射功率。

调节靶：接收调节枪发射的的激光束。

调节靶由高速PN、PIN、APD光电探测器或其他光敏感材料、虑光层、遮挡板等组成。主要是用于接收信息枪发射来的激光束，并将其转化为可被接收段系统识别的信号，如电信号等。滤光层是由特殊滤波材料组成的透明薄膜层，用于滤除部分噪声波，减少噪声对接收到的激光束的影响。遮挡板主要是为了遮挡信息靶，尽量避免阳光或其他光线直接照射信息靶的正面，减少这些光线产生的噪声对接收到的激光束的影响。另外，将调节靶以靶心为圆心，以信息靶接收窗口直径R为半径划出第一个靶道，以2R为半径，划出第二个靶道，以此类推，将整个信息靶分成N(1≤N＜∞)个靶道。然后，将每个靶道的外弧以R为弧长划分为若干四边形小区。最后一个四边形小区弧长小于R，作为单独的小区使用。每个小区都有唯一的坐标，此坐标作为控制器1使用的参考数据。光探测器或其他光敏感材料，主要用于将接收到的调节枪发射来的激光束强弱变化的信息传给控制器1。

控制器I：根据调节靶接收到的激光束的强弱和激光束光着点的小区坐标，按照一定的运算规则，计算出调节信息，通过将调节信息传送给机械传动装置和功率控制装置，控制信息枪发射的激光束的角度和强度。

控制器II：根据接收到的信息激光束中包含的调节信息和此激光束的强弱，进一步调节调节枪发射的激光束的强弱。

本实用新型的有益效果是：本系统最大的优点就是完全自动化调节信息枪的发射强度和角度，不需要任何无线或有线控制，比如GPS、光缆、电话线等。

另外，该系统在光传输过程中不经过任何光学器件的透射、反射或折射，因此激光损耗小，附加噪声小。

本系统完全自成体系，使用简便、成本低廉、功能优异。

附图说明

图1是本实用新型终端实施例的示意图；

图2是信息枪示意图；

图3是信息靶和调节靶的侧面图；

图4调节枪示意图；

图5调节靶正面图；

图6系统工作流程图。

其中：1.信息枪，2.调节靶，3.信息靶，4.调节枪，5.控制器I，6.控制器II，7.调制器I，8.机械传动装置，9.功率控制装置I，10.温控装置I，11.激光发射器I，12.光电探测器I，13.滤光层I，14.遮挡板I，15.调制器II，16.功率控制装置II，17.温控装置II，18.激光发射器II，19.光电探测器II19，20.滤光层II，21.遮挡板II。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

图1中，它包括信息枪1，信息枪1与信息靶3相配合；它还包括调节枪4，调节枪4与调节靶2相配合；信息枪1与调节靶2间设有控制器I5，调节枪4与信息靶3间设有控制器II6。

图2中，信息枪1包括调制器I7、机械传动装置8、功率控制装置I9、温控装置I10和激光发射器I11，调制器I7将要发射的基本信息和控制器I5产生的调节信息调制到激光发射器I11上，产生所需的信息激光束并发射出去；机械传动装置8根据控制器I5的控制信息调节激光发射器I11发射的角度；功率控制装置I9根据控制器I5的控制信息，加大或减小作为信息载体的激光发射器I11的激光束功率，确保此激光束能以足够的能量准确照射到信息靶3上；温控装置I10设置在激光发射器I11上，保持激光发射器I11的工作温度在稳定范围内，确保激光发射器I11工作稳定。

图3中，信息靶3包括高速PN或PIN或APD光电探测器I12或其他光敏感材料，光电探测器I12为弧形，在其两端分别设有一个遮挡板I14，在光电探测器I12弧形的开口处设有滤光层I13；信息靶3接收信息枪1发射来的激光束，将其转化为被系统识别的信号，滤光层I13为透明薄膜层，滤除部分噪声光波，遮挡板I14遮挡阳光或其他光线直接照射信息靶3的正面，减少这些光线产生的噪声对接收到的激光束的影响；光电探测器I12或其他光敏感材料，将接收到的基本信息转化为系统可以接受并处理的信号，同时，将接收到的激光信号的强弱信息传给控制器II6进行处理。

图4中，调节枪4包括调制器II15、功率控制装置II16、温控装置II17、激光发射器II18，调制器II15根据控制器II6的调节信息，控制激光发射器II18产生所需激光信号；功率控制装置II16根据控制器II6的调节信息，调节激光发射器II18产生的激光束的功率，温控装置II17设置在激光发射器II18上，保持激光发射器II18的工作温度在稳定范围内，确保激光发射器II18工作稳定；

调节枪4发射的激光束携带控制器II6传过来的信息靶3接收到的激光束强弱的调节信息，用于调节信息枪工作状态，并确保调节靶2能有效感应到调节枪发射的激光束功率的大小；调节枪4发射的激光束与信息枪1发射的激光束同一频率，但功率大于信息枪1的激光束。

图3、图5中，调节靶2的结构与信息靶3的结构基本相同，也包括高速PN或PIN或APD光电探测器II19或其他光敏感材料、滤光层II20、遮挡板II21，光电探测器II19为弧形，在其两端分别设有一个遮挡板II21，在光电探测器II19弧形的开口处设有滤光层II20；调节靶2接收信息枪1发射来的激光束，并将其转化为被接收系统识别的信号，滤光层II20为透明薄膜层，用于滤除部分噪声波，减少噪声对接收到的激光束的影响；遮挡板II21遮挡阳光或其他光线避免直接照射信息靶3的正面，减少这些光线产生的噪声对接收到的激光束的影响；调节靶2以靶心为圆心，以信息靶接收窗口直径R为半径划出第一个靶道，以2R为半径，划出第二个靶道，以此类推，将整个信息靶分成N(1≤N＜∞)个靶道；然后，将每个靶道的外弧以R为弧长划分为若干四边形小区，最后一个四边形小区弧长小于R，作为单独的小区使用；每个小区都有唯一的坐标，此坐标作为控制器I使用的参考数据；光电探测器II19或其他光敏感材料将接收到的调节枪4发射来的激光束强弱变化的信息传给控制器I5。

控制器I5根据调节靶2接收到的激光束的强弱和激光束光着点的小区坐标，计算调节信息，并将调节信息传送给机械传动装置8和功率控制装置I9，控制信息枪1发射的激光束的角度和强度。

控制器II6根据接收到的信息激光束中包含的调节信息和此激光束的强弱，调节调节枪4发射的激光束的强弱。

本实用新型通过系统的自动调节，克服因建筑物摇摆或大气遮拦等造成的信息枪1发射的激光束不能被信息靶3正确接收的问题，确保信息枪1发射的激光束能以足够的强度准确的射到信息靶3上，保证风、雨、雪、雾等各种不利天候条件和地震等自然灾害情况下的通信质量。图6中，

a系统搭建前，首先根据传输距离，规定出调节枪4发射的激光束功率，确保此功率的激光束在传输距离内，能以足够的功率被调节靶2接收，并以此功率作为单位调节功率。然后，规定出信息枪1发射的激光束功率，确保此功率的激光束在传输距离内，能以足够的功率被信息靶3接收，并以此功率作为单位传输功率

b搭建系统时，首先将调节枪4发射的激光束射到调节靶2的靶心。然后，将信息枪1发射的的激光束射到信息靶3的靶心。

c系统搭建好之后，就可以正常运行。

若遇到大风天气或地震灾害，使得系统所在的建筑物发生摇摆，则调节枪4和信息枪1的激光束不能准确射到接受靶心。此时，将调节枪4激光束射到调节靶的四边形小区的坐标信息传给控制器I5，控制器I5以此坐标系为标准，调节信息枪1的发射角度，确保信息枪1的激光束始终射到信息靶3的靶心。

若遇到雨、雪、雾等天气情况，使得激光束在传输过程中发生衰减，则调节靶2接收到的调节枪4的激光束功率变低。此时，调节靶2把接收到的激光束的功率变化情况传给控制器I5，控制器I5将其转化为控制信息，调节信息枪1发射激光束的功率，确保信息靶3能接收到足够能量的光束。

若信息靶3接收的携带信息的激光束过于微弱或强烈，则将此情况传送给控制器II6，控制器II6将此情况转化为控制信息传给调节枪4，调节枪4将此信息调制到激光束上发出，调节靶2接收后，将此信息传送给控制器I5，进而控制信息枪1加大或减小发射激光功率。

Claims (7)

1.一种激光自适应追踪调节系统，其特征是，它包括信息枪，信息枪与信息靶相配合；它还包括调节枪，调节枪与调节靶相配合；信息枪与调节靶间设有控制器I，调节枪与信息靶间设有控制器II。

2.如权利要求1所述的激光自适应追踪调节系统，其特征是，信息枪包括调制器I、机械传动装置I、功率控制装置I、温控装置I和激光发射器I，调制器I将要发射的基本信息和控制器I产生的调节信息调制到激光发射器I上，产生所需的信息激光束并发射出去；机械传动装置根据控制器I的控制信息调节激光发射器I发射的角度；功率控制装置I根据控制器I的控制信息，加大或减小作为信息载体的激光发射器I激光束功率，确保此激光束能以足够的能量准确照射到信息靶上；温控装置I设置在激光发射器I上，保持激光发射器I的工作温度在稳定范围内，确保激光发射器I工作稳定。

3.如权利要求1或2所述的激光自适应追踪调节系统，其特征是，所述信息靶包括高速PN或PIN或APD光电探测器I或其他光敏感材料，光电探测器I为弧形，在其两端分别设有一个遮挡板I，在光电探测器I弧形的开口处设有滤光层I；信息靶接收信息枪发射来的激光束，将其转化为被系统识别的信号，滤光层I为透明薄膜层，滤除部分噪声光波，遮挡板I遮挡阳光或其他光线直接照射信息靶的正面，减少这些光线产生的噪声对接收到的激光束的影响；光电探测器I或其他光敏感材料，将接收到的基本信息转化为系统可以接受并处理的信号，同时，将接收到的激光信号的强弱信息传给控制器I进行处理。

4.如权利要求1所述的激光自适应追踪调节系统，其特征是，所述调节枪包括调制器II、功率控制装置II、温控装置II、激光发射器II，调制器II根据控制器II的调节信息，控制激光发射器II产生所需激光信号；功率控制装置II根据控制器II的调节信息，调节激光发射器II产生的激光束的功率，温控装置II设置在激光发射器II上，保持激光发射器II的工作温度在稳定范围内，确保激光发射器II工作稳定；

调节枪发射的激光束携带控制器II传过来的信息靶接收到的激光束强弱的调节信息，用于调节信息枪工作状态，并确保调节靶能有效感应到调节枪发射的激光束功率的大小；调节枪发射的激光束与信息枪发射的激光束同一频率，但功率大于信息枪的激光束。

5.如权利要求1所述的激光自适应追踪调节系统，其特征是，所述调节靶包括高速PN或PIN或APD光电探测器或其他光敏感材料、滤光层、遮挡板，调节靶接收信息枪发射来的激光束，并将其转化为被接收系统识别的信号，滤光层为透明薄膜层，用于滤除部分噪声波，减少噪声对接收到的激光束的影响；遮挡板遮挡阳光或其他光线避免直接照射信息靶的正面，减少这些光线产生的噪声对接收到的激光束的影响；调节靶以靶心为圆心，以信息靶接收窗口直径R为半径划出第一个靶道，以2R为半径，划出第二个靶道，以此类推，将整个信息靶分成N靶道，1≤N＜∞；然后，将每个靶道的外弧以R为弧长划分为若干四边形小区，最后一个四边形小区弧长小于R，作为单独的小区使用；每个小区都有唯一的坐标，此坐标作为控制器I使用的参考数据；光探测器或其他光敏感材料将接收到的调节枪发射来的激光束强弱变化的信息传给控制器I。

6.如权利要求1所述的激光自适应追踪调节系统，其特征是，所述控制器I根据调节靶接收到的激光束的强弱和激光束光着点的小区坐标，计算调节信息，并将调节信息传送给机械传动装置和功率控制装置，控制信息枪发射的激光束的角度和强度。

7.如权利要求1所述的激光自适应追踪调节系统，其特征是，所述控制器II根据接收到的信息激光束中包含的调节信息和此激光束的强弱，调节调节枪发射的激光束的强弱。

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