[發(fā)明專(zhuān)利]一種自由空間光通信方法和系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911332986.1
• 申請(qǐng)日: 2019-12-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111010231B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮成義;張?jiān)阼?/a>;陳聲健
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室
• 主分類(lèi)號(hào): H04B10/11
• 分類(lèi)號(hào): H04B10/11;H04B10/40
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔

本發(fā)明公開(kāi)一種自由空間光通信方法和系統(tǒng)，其中方法包括：發(fā)射端進(jìn)行初始化瞄準(zhǔn)，向?qū)Χ私邮斩怂诘拇龗呙鑵^(qū)域發(fā)出信號(hào)光；一部分信號(hào)光以視場(chǎng)角A1匯聚在接收端的高幀頻CMOS探測(cè)器，另一部分信號(hào)光經(jīng)反射以角度A2射向積分球，通過(guò)驅(qū)動(dòng)接收端的方位角和俯仰角控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)物鏡的方位角和俯仰角，使聚焦光斑指向高幀頻CMOS探測(cè)器的中心，此時(shí)A2足夠小使得反射的信號(hào)光被積分球接收；積分球?qū)⑿盘?hào)光耦合至多模光纖，并傳輸至APD探測(cè)器。本發(fā)明用信號(hào)光代替信標(biāo)光捕獲，使用可旋轉(zhuǎn)物鏡代替使用快速反射鏡來(lái)進(jìn)行粗瞄，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，利于小型化、輕量化、集成化；利用積分球加APD來(lái)作為探測(cè)單元，省去了精瞄機(jī)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自由空間光通信方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

自由空間光通信系統(tǒng)就是使用激光將遠(yuǎn)距離或近距離兩個(gè)終端連接起來(lái)形成通信數(shù)據(jù)鏈路。遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于星間、星地之間兩個(gè)通信終端之間的信息傳輸，距離高達(dá)成千上萬(wàn)公里；近距離的光通信傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于城市大樓間、室內(nèi)、無(wú)人機(jī)之間、艦艇之間等應(yīng)用場(chǎng)合的通信，距離從幾百米-幾公里，無(wú)論是遠(yuǎn)距離還是近距離傳輸，都屬于視距內(nèi)的傳輸，是在空間環(huán)境下建立的嚴(yán)苛對(duì)準(zhǔn)，捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)雙終端的相互對(duì)準(zhǔn)，一不小心，如障礙物、大氣湍流、機(jī)械振動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)等因素就會(huì)造成鏈路中斷，從而通信中斷，信號(hào)丟失。因此必須建立一套可靠性高、響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)反饋的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(ATP)系統(tǒng)來(lái)防止由于跟瞄精度或干擾因素造成的信號(hào)丟失。

通常情況下，自由空間光通信系統(tǒng)分為跟瞄子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)，跟瞄子系統(tǒng)使用的激光叫信標(biāo)光，發(fā)散角較大，用于捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)，通信子系統(tǒng)使用的激光叫信號(hào)光，發(fā)散角很小，用于高速信號(hào)傳輸。信號(hào)傳輸光束束寬窄，傳輸距離長(zhǎng)，在空間環(huán)境下建立和保持激光鏈路面臨著較大的困難。因此必須建立一套瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤系統(tǒng)來(lái)防止由于鏈路錯(cuò)誤而造成的信號(hào)損失。對(duì)于A(yíng)TP系統(tǒng)的控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微波通信系統(tǒng)的要求，技術(shù)難度特別大。

現(xiàn)有的自由空間光通信系統(tǒng)一般采用的是信標(biāo)光與信號(hào)光結(jié)合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，信標(biāo)光用于A(yíng)TP，信號(hào)光用于高速通信，信標(biāo)光發(fā)散角大，利于捕獲，信號(hào)光束寬較窄，覆蓋范圍小，帶寬大，能實(shí)現(xiàn)高達(dá)Gbit/s的速度。這樣的系統(tǒng)一般使用的方式是收發(fā)一體或收發(fā)分離方式，無(wú)論哪一種光學(xué)系統(tǒng)，都對(duì)光學(xué)元件的精度和裝配精度提出了較高的要求，技術(shù)難度大，稍有偏離，光路就發(fā)生了大范圍的偏轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)難度較高。系統(tǒng)復(fù)雜度高也帶來(lái)了能耗的損失，不利于小型化，集成化，輕型化。同時(shí)對(duì)精度要求高，一般要使得對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到urad量級(jí)，為此不得不使用更精密的手段，PZT、MEMS等，無(wú)形中增加了成本。上述現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)系統(tǒng)都需要閉環(huán)控制系統(tǒng)，在粗瞄和精瞄的兩個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，終端的跟蹤控制部分是由粗瞄裝置、精瞄裝置和光電探測(cè)器組成的大閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此兩個(gè)終端上都將瞄準(zhǔn)角度誤差，且一端的瞄準(zhǔn)精度將影響另一端的誤差，因此，兩個(gè)終端上的瞄準(zhǔn)角度誤差均為時(shí)間和統(tǒng)計(jì)上的聯(lián)合隨機(jī)變量。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種自由空間光通信方法和系統(tǒng)，使用信號(hào)光代替信標(biāo)光捕獲，使用機(jī)械旋轉(zhuǎn)可旋轉(zhuǎn)物鏡來(lái)代替使用快速反射鏡來(lái)進(jìn)行粗瞄，并去除精瞄過(guò)程，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，利于小型化、輕量化、集成化。

本發(fā)明一方面提供一種自由空間光通信方法，包括以下步驟：

發(fā)射端進(jìn)行初始化瞄準(zhǔn)，向?qū)Χ私邮斩怂诘拇龗呙鑵^(qū)域發(fā)出信號(hào)光；一部分所述信號(hào)光以視場(chǎng)角A1匯聚在對(duì)端接收端的高幀頻CMOS探測(cè)器，另一部分所述信號(hào)光經(jīng)反射以角度A2射向積分球，根據(jù)所述高幀頻CMOS探測(cè)器的成像位置與其中心位置的偏差計(jì)算出反射光偏離積分球的程度，通過(guò)驅(qū)動(dòng)接收端的方位角和俯仰角控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)可旋轉(zhuǎn)物鏡的方位角和俯仰角，使聚焦光斑指向所述高幀頻CMOS探測(cè)器的中心，此時(shí)A2的大小使得反射的信號(hào)光被所述積分球接收；所述積分球?qū)⑿盘?hào)光耦合至多模光纖，并傳輸至APD探測(cè)器。