CN111010231B - 一种自由空间光通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自由空间光通信方法和系统，其中方法包括：发射端进行初始化瞄准，向对端接收端所在的待扫描区域发出信号光；一部分信号光以视场角A1汇聚在接收端的高帧频CMOS探测器，另一部分信号光经反射以角度A2射向积分球，通过驱动接收端的方位角和俯仰角控制机构调节可旋转物镜的方位角和俯仰角，使聚焦光斑指向高帧频CMOS探测器的中心，此时A2足够小使得反射的信号光被积分球接收；积分球将信号光耦合至多模光纤，并传输至APD探测器。本发明用信号光代替信标光捕获，使用可旋转物镜代替使用快速反射镜来进行粗瞄，降低了系统复杂性，利于小型化、轻量化、集成化；利用积分球加APD来作为探测单元，省去了精瞄机构。

Description

一种自由空间光通信方法和系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种自由空间光通信方法和系统。

背景技术

自由空间光通信系统就是使用激光将远距离或近距离两个终端连接起来形成通信数据链路。远距离传输系统应用于星间、星地之间两个通信终端之间的信息传输，距离高达成千上万公里；近距离的光通信传输系统应用于城市大楼间、室内、无人机之间、舰艇之间等应用场合的通信，距离从几百米-几公里，无论是远距离还是近距离传输，都属于视距内的传输，是在空间环境下建立的严苛对准，捕获、跟踪、瞄准技术的应用来实现双终端的相互对准，一不小心，如障碍物、大气湍流、机械振动、热运动等因素就会造成链路中断，从而通信中断，信号丢失。因此必须建立一套可靠性高、响应速度快，实时反馈的捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统来防止由于跟瞄精度或干扰因素造成的信号丢失。

通常情况下，自由空间光通信系统分为跟瞄子系统和通信子系统，跟瞄子系统使用的激光叫信标光，发散角较大，用于捕获、跟踪和瞄准，通信子系统使用的激光叫信号光，发散角很小，用于高速信号传输。信号传输光束束宽窄，传输距离长，在空间环境下建立和保持激光链路面临着较大的困难。因此必须建立一套瞄准、捕获和跟踪系统来防止由于链路错误而造成的信号损失。对于ATP系统的控制精度远远大于微波通信系统的要求，技术难度特别大。

现有的自由空间光通信系统一般采用的是信标光与信号光结合方式来实现的，信标光用于ATP，信号光用于高速通信，信标光发散角大，利于捕获，信号光束宽较窄，覆盖范围小，带宽大，能实现高达Gbit/s的速度。这样的系统一般使用的方式是收发一体或收发分离方式，无论哪一种光学系统，都对光学元件的精度和装配精度提出了较高的要求，技术难度大，稍有偏离，光路就发生了大范围的偏转。实现难度较高。系统复杂度高也带来了能耗的损失，不利于小型化，集成化，轻型化。同时对精度要求高，一般要使得对准精度达到urad量级，为此不得不使用更精密的手段，PZT、MEMS等，无形中增加了成本。上述现有技术中的光学系统都需要闭环控制系统，在粗瞄和精瞄的两个闭环控制系统基础上，终端的跟踪控制部分是由粗瞄装置、精瞄装置和光电探测器组成的大闭环控制系统。因此两个终端上都将瞄准角度误差，且一端的瞄准精度将影响另一端的误差，因此，两个终端上的瞄准角度误差均为时间和统计上的联合随机变量。

发明内容

针对上述现有技术的不足之处，本发明提供一种自由空间光通信方法和系统，使用信号光代替信标光捕获，使用机械旋转可旋转物镜来代替使用快速反射镜来进行粗瞄，并去除精瞄过程，降低了系统的复杂性，利于小型化、轻量化、集成化。

本发明一方面提供一种自由空间光通信方法，包括以下步骤：

发射端进行初始化瞄准，向对端接收端所在的待扫描区域发出信号光；一部分所述信号光以视场角A1汇聚在对端接收端的高帧频CMOS探测器，另一部分所述信号光经反射以角度A2射向积分球，根据所述高帧频CMOS探测器的成像位置与其中心位置的偏差计算出反射光偏离积分球的程度，通过驱动接收端的方位角和俯仰角控制机构调节可旋转物镜的方位角和俯仰角，使聚焦光斑指向所述高帧频CMOS探测器的中心，此时A2的大小使得反射的信号光被所述积分球接收；所述积分球将信号光耦合至多模光纤，并传输至APD探测器。

进一步的，所述对端接收端采用第一半透半反分光镜对经过所述可旋转物镜的入射信号光进行接收和反射，使得一部分所述信号光汇聚在所述高帧频CMOS探测器，另一部分所述信号光经反射射向所述积分球。

进一步的，该方法用于近距离城市建筑间通信时，视场角A1的范围为10°～30°；用于星地传输或星间传输时，视场角A1的范围为1°～5°。

进一步的，反射角A2是视场角A1的两倍。

进一步的，所述发射端和所述对端接收端均为收发一体装置。

另一方面，本发明提供一种自由空间光通信系统，该系统至少包括发射端和对端接收端，所述发射端位于所述对端接收端的有效视场角内，所述对端接收端至少包括可旋转物镜、第一半透半反分光镜、高帧频CMOS探测器、方位角和俯仰角控制机构、滤光片、积分球和APD探测器，其中可旋转物镜、第一半透半反分光镜和高帧频CMOS探测器沿信号光方向依次分布，通过所述第一半透半反分光镜透射的信号光汇聚于所述高帧频CMOS探测器；所述积分球通过多模光纤与所述APD探测器连接，用于接收所述第一半透半反分光镜反射的信号光；所述方位角和俯仰角控制机构用于调节所述可旋转物镜的水平转角和俯仰转角；所述滤光片位于所述积分球与所述第一半透半反分光镜之间。

进一步的，所述发射端和所述对端接收端均为收发一体装置。

更进一步，所述收发一体装置，还包括第二半透半反分光镜，信号光光源发出的信号光经过准直镜后，由所述第二半透半反分光镜反射到所述第一半透半反分光镜；所述第一半透半反分光镜接收到的信号光部分经反射后，经过第二半透半反分光镜汇聚到积分球。

本发明使用信号光代替信标光捕获，有效地降低了系统的复杂性，利于小型化、轻量化、集成化；使用可旋转物镜来代替使用快速反射镜来进行粗瞄，同样降低了系统的体积和重量；利用积分球加APD来作为探测单元而不是仅使用APD来探测，省去了精瞄机构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例自由空间光通信系统发射端发出的信号光传播路径图；

图2为本发明实施例自由空间光通信系统在入射光有偏差的接收效果示意图；

图3为图2的实施例中经过调整可旋转物镜后达到的接收效果示意图；

附图标记说明：

1—可旋转物镜、2—第一半透半反分光镜、3—第二半透半反分光镜、4—准直镜、5—信号光光源、6—滤光片、7—积分球、8—多模光纤、9—APD探测器、10—高帧频CMOS探测器、11—方位角和俯仰角控制机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例一种自由空间光通信系统至少包括发射端和接收端，其中接收端至少包括可旋转物镜1、第一半透半反分光镜2、高帧频CMOS探测器10、方位角和俯仰角控制机构11、滤光片6、积分球7和APD探测器9，其中可旋转物镜1、第一半透半反分光镜2和高帧频CMOS探测器10沿信号光传输方向依次分布，发射端发出的信号光被可旋转物镜1接收，通过第一半透半反分光镜2透射的一部分信号光汇聚于高帧频CMOS探测器10，另一部分信号光被反射，由积分球7接收。积分球7通过多模光纤8与APD探测器9连接，方位角和俯仰角控制机构11用于调节可旋转物镜1的水平转角和俯仰转角，由该系统的控制装置驱动。滤光片6位于积分球7与第一半透半反分光镜2之间。

在一些具体实施方式中，可旋转物镜1采用大孔径中等视场物镜。

本实施例的信号接收端利用积分球7加APD探测器9作为探测单元而不是仅使用APD来探测，这样的目的是直接去除精瞄过程。因为APD探测器9为实现高速探测，其感光面大小一般在50-500um左右，感光面积小，因此需要光路精确对准，以使光线焦点正好落在APD探测器9表面。为了达到这一目的，本实施例中采用积分球7，其孔径大小约为12mm,且不论光线的入射方向，都能很好地收集入射光，在积分球7内多次反射后有近99％的光线都能从小孔输出，耦合进多模光纤8。

本实施例的发射端至少包括信号光光源5和准直镜4。

实施例2

本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

根据一个优选实施方式，发射端和接收端均为收发一体装置，其作为发射端时，光信号传输路径如图1所示。图中装置包括第二半透半反分光镜3，信号光由光源发出后，先经过准直镜4，再先后由第二半透半反分光镜3和第一半透半反分光镜2反射，经过可旋转物镜1后发射出去。

利用实施例1或2进行自由空间光通信，至少包括以下步骤：

S1、发射端进行初始化瞄准，向对端接收端所在的待扫描区域发出信号光。

对于实施例2，具体实施方式为：信号光光源5发出单色激光，经准直器4准直后入射到第二半透半反分光镜3，反射的光入射到第一半透半反分光镜2，然后再次得到反射光沿光轴方向经过可旋转物镜1后准直输出。

S2、到达对端接收端的信号光，一部分以视场角A1汇聚在接收端的高帧频CMOS探测器10，另一部分经反射以角度A2射向积分球7，根据高帧频CMOS探测器的成像位置与其中心位置的偏差计算出反射光偏离积分球的程度，通过驱动接收端的方位角和俯仰角控制机构11调节可旋转物镜1的方位角和俯仰角，使聚焦光斑指向高帧频CMOS探测器10的中心，此时A2足够小使得反射的信号光被积分球7接收。

到达对端接收端的信号光，通常不会垂直入射到可旋转物镜1，而是存在一定的入射角度，如图2所示。此时入射光的入射角小于可旋转物镜1的视场角，进入可旋转物镜1的光线继续传播，入射到第一半透半反分光镜2上，透射光以一定的视场角A1汇聚在高帧频CMOS探测器10的焦平面。视场角A1大小一般根据所应用的场合与物镜的种类有关，一般如仅仅是近距离城市建筑之间，选用双高斯长焦距镜头即可，视场角A1一般可达10°～30°,如用于星地传输或星间传输，一般选用卡塞格林式天文望远镜结构，视场角一般为1°～5°。

经反射的信号光以角度A2射向积分球7，因为反射角度等于入射角，因此光路更加偏离，甚至可能落在积分球7的入射孔径外。根据长焦距镜头视场角近似计算公式和反射原理，A2是入射视场角A1的2倍。

此时根据高帧频CMOS探测器10得到的聚焦点信息，通过控制系统驱动方位角和俯仰角控制机构11，使可旋转物镜1的水平转角和俯仰转角改变，通过迭代反馈将聚焦光斑移动至高帧频CMOS探测器10的中心，此时经第二半透半反分光镜3反射的光以较小的角度或垂直入射到积分球7表面，效果如图3所示。采用的终端方位角和俯仰角控制结构的机械精度一般可达0.0009-0.001度，即大概16urad。

S3、积分球7将信号光耦合至多模光纤8，并传输至APD探测器9，实现通信链路的建立。

本发明实施例通过使用信号光代替信标光捕获，有效降低了系统的复杂性，利于小型化、轻量化、集成化；使用可旋转物镜来代替使用快速反射镜来进行粗瞄，同样降低了系统的体积和重量；利用积分球加APD来作为探测单元而不是仅使用APD来探测，省去了精瞄机构。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种自由空间光通信方法，其特征在于，包括以下步骤，

发射端进行初始化瞄准，向对端接收端所在的待扫描区域发出信号光；

一部分所述信号光以视场角A1汇聚在对端接收端的高帧频CMOS探测器，另一部分所述信号光经反射以角度A2射向积分球，根据所述高帧频CMOS探测器的成像位置与其中心位置的偏差计算出反射光偏离积分球的程度，通过驱动接收端的方位角和俯仰角控制机构调节可旋转物镜的方位角和俯仰角，使聚焦光斑指向所述高帧频CMOS探测器的中心，

此时A2的大小使得反射的信号光被所述积分球接收；

所述积分球将信号光耦合至多模光纤，并传输至APD探测器；

所述对端接收端采用第一半透半反分光镜对经过所述可旋转物镜的入射信号光进行接收和反射，使得一部分所述信号光汇聚在所述高帧频CMOS探测器，另一部分所述信号光经反射射向所述积分球。

2.根据权利要求1所述的自由空间光通信方法，其特征在于，该方法用于近距离城市建筑间通信时，视场角A1的范围为10°～30°；用于星地传输或星间传输时，视场角A1的范围为1°～5°。

3.根据权利要求1所述的自由空间光通信方法，其特征在于，反射角A2是视场角A1的两倍。

4.根据权利要求1～3任一项所述的自由空间光通信方法，其特征在于，所述发射端和所述对端接收端均为收发一体装置。

5.一种自由空间光通信系统，其特征在于，该系统至少包括发射端和对端接收端，所述发射端位于所述对端接收端的有效视场角内，所述对端接收端至少包括可旋转物镜、第一半透半反分光镜、高帧频CMOS探测器、方位角和俯仰角控制机构、滤光片、积分球和APD探测器，其中

可旋转物镜、第一半透半反分光镜和高帧频CMOS探测器沿信号光方向依次分布，通过所述第一半透半反分光镜透射的信号光汇聚于所述高帧频CMOS探测器；

所述积分球通过多模光纤与所述APD探测器连接，用于接收所述第一半透半反分光镜反射的信号光；

所述方位角和俯仰角控制机构用于调节所述可旋转物镜的水平转角和俯仰转角；

所述滤光片位于所述积分球与所述第一半透半反分光镜之间。

6.根据权利要求5所述的自由空间光通信系统，其特征在于，所述发射端和所述对端接收端均为收发一体装置。

7.根据权利要求6所述的自由空间光通信系统，其特征在于，所述收发一体装置还包括第二半透半反分光镜，信号光光源发出的信号光经过准直镜后，由所述第二半透半反分光镜反射到所述第一半透半反分光镜；所述第一半透半反分光镜接收到的信号光部分经反射后，经过第二半透半反分光镜汇聚到积分球。

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