CN207369038U - 一种自由空间光通信系统的光学天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自由空间光通信系统的光学天线，属于光通信技术领域。该光学天线包括可360°旋转的设置于一伸缩杆顶部的天线传输头外壳，该伸缩杆通过可沿底座表面旋转的转轴链接于底座表面；其中，天线传输头外壳内部远离伸缩杆顶部一侧依次设有消杂光光阑、瞄准器、副镜开孔的卡塞格伦天线、预准直装置和激光发射接受装置；所述激光发射接受装置包括半导体激光器和接收器；瞄准器包括三个呈中心对称的探测器，该探测器内设有激光光强感应器。本实用新型光学天线的激光束采用空间转直角坐标变换初步对准后，利用以探测器形成的等边三角形的三个顶点为基础，逐一进行对准的方法进行精确对准，可以针对任何变形和信息丢失的波形。

Description

一种自由空间光通信系统的光学天线

技术领域

本实用新型属于光通信技术领域，具体是一种自由空间光通信系统的光学天线。

背景技术

随着通信技术的不断发展，人们希望传输速率越来越高。目前所用的通信技术以微波通信技术和光纤通信技术为主。但是微波通信技术使用的波长较长，使得设备庞大，重量和功耗也比较大，传输速率和通信容量不能达到要求。光纤通信在目前的发展中是接入的首选，但当光缆资源缺乏，不便于铺设光缆，或者来不及铺设光缆时，便需要寻求一种施工简便、迅速的替代品。自由空间光通信（Free Space Optical Communications，简称FSO）是后来兴起的一种以激光为媒介，在大气信道或者真空中实现点对点或多点对多点的双向通信技术，可以传递语音、数据、图像等信息。自由空间光通信系统所使用的激光频率高，方向性强，可用的频谱宽，不需要频率许可证，具有通信容量大、传输速率高、保密性好、抗电磁干扰能力高、成本低廉、误码率低、组网方便灵活等优点，该通信技术的发展将对军事科学技术和信息化社会的进步产生巨大影响，具有非常广阔的应用背景。

光学天线系统是自由空间光通信中的重要组成部分。发射天线的作用是对光束进行压缩，增大激光束的光腰半径；接收天线的功能是压缩接收视野，增大接收面积，减少背景光干扰并将接受到的微弱光信号，会聚至探测器表面。但该光学天线系统在应用中尚存在以下问题：1、在大气中应用时，大气的衰减比较严重，且大气信道的随机性强，使得精确的对准、捕获、保持比较困难，大气湍流效应易使传输的激光束发生波前畸变，使得光强改变，信号部分丢失；2、当收发端机安装在大楼之上时，大楼的震动以及风的扰动都会使其难于对准，甚至发生信号中断；3、目前所使用的光学天线传输效率偏低。

针对上述大气湍流对激光传输中相位、光强的改变以及大气强湍流的非线性和非均匀效应对传输信号的改变和丢失问题，有人研究出了自适应发射光学大气湍流抑制技术和多光束的空间分集大气湍流补偿技术，来抑制大气湍流效应对传输数据激光的影响。但该技术仍然无法做到高精度对准，并且对环境的适应性不强，从而无法达到远距离传输的目的，也无法解决大气扰动造成的传输效率偏低的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可高精度对准、数据传输效率高的自由空间光通信系统的光学天线。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：一种自由空间光通信系统的光学天线，包括天线传输头外壳，天线传输头外壳可360°旋转的设置于一伸缩杆顶部，该伸缩杆通过可沿底座表面旋转的转轴链接于底座表面；其中，天线传输头外壳内部远离伸缩杆顶部一侧依次设有消杂光光阑、瞄准器、卡塞格伦天线、预准直装置和激光发射接受装置；所述激光发射接受装置包括半导体激光器，半导体激光器靠近预准直装置一侧底部设有接收器，半导体激光器与接收器之间设有半透半反玻璃，接收器接收到的激光信息连入电脑进行解码分析；卡塞格伦天线包括主镜和副镜，其中副镜开孔；瞄准器包括三个呈中心对称的探测器，该探测器由可在天线传输头外壳径向移动的支撑柱和支撑柱底部的激光光强感应器构成，整个光学天线系统的控制电路设计在各部件内部由电脑控制。

其中，天线传输头外壳前端设有防尘玻璃，前端顶部设有遮光檐，可以保护系统内部结构，避免灰尘、雨雪、霜、高温、低温等外界环境因素对系统的影响。

激光产生后会有一定的发散角，这会使激光在远距离传输时由于发散角的原因使得发射截面过大，以至超过接受天线的接受范围。所以需要将激光经过预准直装置压缩发散角，直至达到接收器可以接受的大小；然后进入卡塞格伦天线，先到达副镜，经副镜反射至主镜，再被主镜以相对水平方向一微小的角度射出。但是由于一部分中心激光无法到达主镜，所以在副镜中心开一个小孔，以避免光线从主镜的开孔处散失，使得这部分激光可以通过，最后再由副镜的一组放大透镜组合将这部分激光截面放大到与主镜发射时空缺部分吻合，即得到一束横截面为完全完整的圆形的激光束。

另外，消杂光光阑由若干内孔径依次减小的遮光圈构成，形成组合光阑，可以减少外在环境光等杂光进入系统。

本实用新型光学天线自动对准的方法所遵循的原理详述如下：

一、基础理论

以下公式（1）为高斯光束的场强表达式：

其中z为传播距离，x和y为高斯光束横截面内的坐标，为随距离改变的光腰半径，为在原点的光腰半径，为随距离改变的曲率半径，C为一常数因子，k为高斯光束的空间频率，为高斯光束的波长。

通过推导可以得到高斯光束的曲率半径公式和光腰半径公式分别为：

其中为随距离改变的曲率半径，z为传播距离，为在原点的光腰半径，为高斯光束的波长。

z为传播距离，为随距离改变的光腰半径，为在原点的光腰半径，k为曲率半径。

对公式（2）进行分析：

当时，，光束在z轴负半轴汇聚；

当时，，光束在处呈平面波；

当时，，光束在z轴正半轴发射。

得出沿着 z 轴正方向传播的高斯光束在到达坐标原点之前是汇聚的球面波，而到达坐标系原点之后成为平面波，继续沿着 Z 轴传播则成为发散的球面波。

对公式（3）进行分析：

该式所代表的曲线物理意义为沿着 z 轴传播的光束光波横截面上光场强度下降到中心点光波光场强度1/ e处的轨迹，即在每一个横截面上光强随半径增大而减小。

由此可以得出以下结论：

1、激光束的最小半径在平面上获得，为激光光束的光腰半径，用光腰半径和腰斑处的光场强度作为研究高斯光束的初始条件，利用公式（2）和公式（3）可以分别计算出一定距离上光束的光腰半径和波面的曲率半径；由光腰半径可以知道任何时刻横截面的半径，而由曲率半径可知在最小半径之后，即当时，光束为发散的。那么我们可以之后做出一定的设计，如将z=0处作为天线发射点。

2、进一步观察公式（3），可以发现该式刚好为一双曲线族的表示式，双曲线渐近线之间的夹角即为光束远离原点时的发散角，从可知，变大，则变小。而激光发射时的发散角对激光束远距离传输影响极大，所以压缩发散角成为关键。因此，需要在传输前使用预准直装置对光束发散角进行压缩。另外，激光束波长越短，激光束在远场的发散角越小，因此，还应当采用波长较短的短波长光束（1550-1600nm）作为光源。

3、根据以上对高斯光束的几何描述做如下近似：光束从发射天线射出后，可认为处即为光束射出位置，当传播距离足够远时，根据远场条件，将正半轴发射面近似过渡成一个平面，因此我们将远距离的空间光束近似为一个圆锥体。由之前分析可知，光强在横截面随半径增大而减小，即当传播距离z一定时，场强E只与R有关，且随着R的增大而减小。因此，固定距离z的平面是一个呈中心对称，且随着半径增加光强减小的圆面。

基于远场高斯光束的这些近似特点设计对准方法进行对准。

二、对准方法基础过程分析

激光空间信息的传输主要靠的是接受与发射天线彼此能够精准对准，这对传输效率与传输质量都有着至关重要的作用，而在传输过程中也要避免障碍物的影响。

基于以上所述，将本发明的两台光学天线分别置于没有楼层遮挡的两栋高层楼顶，首先利用接受与发射天线的GPS坐标，通过电脑计算得出彼此相对的基本方向以及二者之间的距离，然后根据该基本方向通过电脑控制移动两台光学天线进行初始对准；在进行初始对准后，两台天线的大体朝向已经确定了，但尚存在一定的偏移，因此必须再次对接受与发射天线进行一定的空间移动，进行第二次对准。具体包括以下步骤：

（1）初始对准：将本发明的两台光学天线分别放置于没有楼层遮挡的两栋高层楼顶，然后将二者的GPS坐标转换为空间直角坐标，最后利用连立空间两点的直线方程做一条准直线（传输距离一般远小于1000米，且靠近地表，不考虑相对论效应），该准直线的方向便是两台天线初次对准时的方向。之后电脑便可以通过这条准直线的方向调节接受天线与发射天线在空间中初始的对准方向；

（2）三角对准法再次对准：

A、通过电脑编程控制此时已初步对准的天线在自身可运动范围内以相同的方式进行运动，当两台天线的激光束扫描区域有重叠的部分时彼此的天线传输头相遇；

B、根据远场高斯光束的特点，将两台光学天线激光发射接受装置发射出的激光束近似为两个相同的圆锥体，天线内部的探测器近似为等边三角形；

C、根据电脑程序控制两台光学天线的激光束以探测器形成的等边三角形的三个顶点为基础，逐一进行对准。

上述过程中，瞄准器的探测器在其横截面方向有一定的伸缩限度，所以在达到极限时只能侦测到一定范围。而当发射光束的横截面大于这个范围时，由于发射光束横截面上的光强随着半径成线性变化，所以就算发射光束的横截面的面积大于探测器的横截面，但是我们可以直接对小于高斯光束范围内的一个同心圆上的光强进行对准，不过此时要由A步骤计算出在距离z处高斯光束横截面在瞄准器极限半径处的光强作为对准标准。然而，通过计算得出，高斯光束的横截面在1000米内是不可能大于瞄准器的范围的。因此，当发射光束的横截面大于这个瞄准器探测范围时并不会影响对准效果。

三、对传输缺陷面的对准

由于在通过大气窗口时会伴随着信息的丢失，那么了解大气成分计算丢失并补全信息变成了解决问题的关键。但是，了解大气随时随地的变化难度和计算量可想而知，以及随着距离的增加丢失信息的可能性更大，如何通过一种方法进行适应性补充成了解决问题的唯一方法。

由于我们在两台光学天线对准过程中默认二者发射出的激光光束面未受大气影响，是一个完整的圆锥体。而且我们也因此默认瞄准器的探测器形成对称中心为该圆锥体顶点的等边三角形，那么这种方法是否试用于有缺陷的圆。其实根据三角对准过程的原理，只要存在三点便可以构成一个平面。而出射后受影响的激光光束面是在圆的基础上缺失的，那么会存在一个同心圆，该同心圆上至少有三个光强相同的点，由于光强相等以达到相同的对准效果。因此，本发明的三角对准法对受大气影响的波形具有普适性。

既然大气对光束面的影响会使光波波形在任何情况下发生改变，那么，我们可以结合三角对准法的普适性，首先利用两台光学天线同时发射相同的握手信息进行对准，彼此握手成功后，这两台天线可以继续利用默认结果，通过将接收到的默认信息的信息面与默认信息原信息进行比较计算，得出此时大气变化的一套补全算法，然后将位置信息发送，那么未知信息与默认信息也会有相同的变化，我们便可以对位置信息得出一套逆算，以计算出位置信息最初发出时的样子，大大提高了接受的信息量。

本实用新型相对于现有技术具有以下有益效果：

（1）本实用新型的光学天线对环境的适应性强，可以在除了浓雾天气的任何空间情况下进行工作，实现激光信息的精确对准，从而达到远距离传输的目的。

（2）本实用新型提出了再现光波原型的方法，可以针对任何变形和信息丢失的波形，解决了大气扰动造成的光波传输效率偏低的问题。

附图说明

图1为本实用新型光学天线的总体结构示意图；

图2为本实用新型光学天线传输头的内部结构示意图；

图3为本实用新型光学天线瞄准器的结构示意图；

图4为本实用新型光学天线卡塞格伦天线和预准直装置的结构示意图；

图5为本实用新型光学天线激光发射接受装置的结构示意图；

图6为本实用新型光学天线的初始对准状态示意图；

图7为本实用新型光学天线进行三角对准法对准时的运动路径示意图；

图8为本实用新型光学天线的三角对准法对准过程示意图。

附图标记：1、天线传输头外壳；2、伸缩杆；3、转轴；4、底座；5、遮光檐；6、防尘玻璃；7、消杂光光阑；8、瞄准器：8-1、探测器，8-2、支撑柱，8-3、激光光强感应器；9、卡塞格伦天线：9-1、主镜，9-2、副镜；10、预准直装置；11、激光发射接受装置：11-1、半导体激光器，11-2、半透半反玻璃，11-3、接收器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1-5，一种自由空间光通信系统的光学天线，包括天线传输头外壳1，天线传输头外壳1前端设有防尘玻璃6，前端顶部设有遮光檐5，天线传输头外壳1可360°旋转的设置于一伸缩杆2顶部，该伸缩杆2通过可沿底座4表面旋转的转轴3链接于底座4表面；天线传输头外壳1内部远离伸缩杆2顶部一侧依次设有消杂光光阑7、瞄准器8、卡塞格伦天线9、预准直装置10和激光发射接受装置11；其中，消杂光光阑7由若干内孔径依次减小的遮光圈构成；激光发射接受装置11包括半导体激光器11-1，半导体激光器11-1靠近预准直装置10一侧底部设有接收器11-3，半导体激光器11-1与接收器11-3之间设有半透半反玻璃11-2，接收器11-3接收到的激光信息连入电脑进行解码分析；卡塞格伦天线9包括主镜9-1和副镜9-2，其中副镜9-2开孔；瞄准器8包括三个呈中心对称的探测器8-1，该探测器8-1由可在天线传输头外壳1径向移动的支撑柱8-2和支撑柱8-2底部的激光光强感应器8-3构成，整个光学天线系统的控制电路设计在各部件内部由电脑控制。

本实用新型两台上述光学天线进行对准的方法具体包括以下步骤：

（1）初始对准：将两台光学天线分别置于没有楼层遮挡的两栋高层楼顶，然后将二者的GPS坐标转换为空间直角坐标，同时连立空间两点的直线方程做一条准直线，该准直线的方向便是两台光学天线初次对准时的方向，最后通过电脑根据该准直线的方向调节两台光学天线在空间中初始的对准方向如图6所示；

（2）三角对准法再次对准：

A、通过电脑控制已初步对准的两台光学天线在自身可运动范围内均以图7所示的路径进行运动，当两台光学天线的扫描区域重叠时，彼此的天线传输头相遇；

B、根据远场高斯光束的特点，将两台光学天线的激光发射接受装置11发射出的激光束近似为两个相同的圆锥体，天线内部的探测器8-1近似为等边三角形，则两台光学天线发射出的激光束与天线内部探测器8-1均形成圆锥体顶点为等边三角形对称中心的结构关系，分别标记为圆锥体A和圆锥体B；

针对这种近似，下面是将两台光学天线进行对准的过程。整个过程是通过简单是与不是的如果逻辑结构进行阐述的，所以可以针对具体问题应用具体的编程操作语言。（此过程彼此并不知道对方任何光束面位置信息）

C、如图8所示，圆锥体A和圆锥体B继续在自身可运动范围内移动（1）时，两个三角形同时或者其中一个先接收到对方的圆锥截面。此时接收的一方停止运动（彼此并不知道对方的运动方式）。此处设A先接收到B（2）。但是B并不知道被A接收到，所以并没有停止运动，继续移动直到自身的三角形也接收到A的圆锥截面，停止运动（3）。此时，A已经不在原来开始对准的位置，有了偏移。偏移后A的三角形必定在B面内，这时A接收到的B光强不再改变,说明B也接收到A并停止运动。此时保持A与B之间距离不变，A向初始接收到B光强增大的方向转动。则两个三角形彼此都会有一个顶点与对方三角形的一个顶点对准（4）。令圆锥体A沿自身的中心轴旋转，则两个三角形彼此都会有第二个顶点与对方三角形的第二个顶点对准（5）。令圆锥体A沿其三角形两个顶点连线的垂直方向移动，然后沿两个顶点连线的轴旋转，则两个三角形彼此都会有第三个顶点与对方三角形的第三个顶点对准（5）。至此，对准完成。

Claims (3)

1.一种自由空间光通信系统的光学天线，包括天线传输头外壳（1），其特征在于：天线传输头外壳（1）可360°旋转的设置于一伸缩杆（2）顶部，该伸缩杆（2）通过可沿底座（4）表面旋转的转轴（3）链接于底座（4）表面；所述天线传输头外壳（1）内部远离伸缩杆（2）顶部一侧依次设有消杂光光阑（7）、瞄准器（8）、卡塞格伦天线（9）、预准直装置（10）和激光发射接受装置（11）；所述激光发射接受装置（11）包括半导体激光器（11-1），半导体激光器（11-1）靠近预准直装置（10）一侧底部设有接收器（11-3），半导体激光器（11-1）与接收器（11-3）之间设有半透半反玻璃（11-2），接收器（11-3）接收到的激光信息输入电脑进行解码分析；所述卡塞格伦天线（9）包括主镜（9-1）和副镜（9-2），其中副镜（9-2）开孔；所述瞄准器（8）包括三个呈中心对称的探测器（8-1），该探测器（8-1）由可在天线传输头外壳（1）径向移动的支撑柱（8-2）和支撑柱（8-2）底部的激光光强感应器（8-3）构成，整个光学天线系统的控制电路设于各部件内部由电脑控制。

2.根据权利要求1所述的一种自由空间光通信系统的光学天线，其特征在于：所述天线传输头外壳（1）前端设有防尘玻璃（6），前端顶部设有遮光檐（5）。

3.根据权利要求1所述的一种自由空间光通信系统的光学天线，其特征在于：所述消杂光光阑（7）由若干内孔径依次减小的遮光圈构成。