CN112653519B - 一种水下无线光通信智能快速对准***及对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水下无线光智能快速对准***及对准方法，适用于水下无线光通信***收、发装置之间的智能快速对准，也可应用于空气中空间光收发装置间的快速对准，实现无线光通信***的快速正常通信。本装置能够实现水下无线光通信***光发射装置和光接收装置之间的快速对准，建立通信链路，实现***快速正常通信。与传统的人工对准方法相比，降低了对准难度，节省了对准时间，提高了工作效率。

Description

一种水下无线光通信智能快速对准***及对准方法
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，涉及一种水下无线光智能快速对准方法。
背景技术
在无线光通信***中，发射装置和接收装置之间在通信之前，必须进行光路的对准才能实现***正常通信，保证信息的及时传输和通信***的性能。因此，实现发射装置和接收装置之间的光路对准是无线光通信***实现通信的首要任务和关键技术。
无线光通信***根据光源的不同，一般分为LED光通信***和LD光通信***。对于LED光通信***，发射光的光束宽度较宽，发射角度大，通过长距离的传输后，光斑扩展很大，接收装置比较容易接收到光信号。但是LED是荧光，其谱线带宽较宽，调制速率低，适用于短距离、小容量的传输***。对于大容量、长距离的传输***，光源必须选择LD，LD发出的是激光，其单色性好、方向性好、调制速率高，但是，在长距离传输***中，由于LD发出的光束很细，激光的发散角很小，在毫弧度量级，传播很远的距离其光斑大小都无明显的变化。对于长距离的激光通信***，一般为了实现长距离的光信号检测的需要，防止单位面积信号能量因扩束而减小，激光通信***不采用光源扩束的方法。由于光斑尺寸只有毫米量级，经过百米级的长距离的传输后，光接收端光接收器件的光敏面尺寸也较小，一般在毫米量级，要接收到光信号有一定的难度。特别是在水下无线光通信***中，由于水下作业难度较大，受洋流等环境因素的影响，其对准难度更大。因此，水下长距离激光通信***光收发装置之间的光路对准是一个难题。
目前针对水下无线光收发装置对准采取的方法是人工对准,通过人工调整收发装置的位置,再通过判断接收端光信号的强弱来判断是否对准,这种方法操作难度大，费时费力,不容易实现。因此，急需寻求一种新的对准方法，解决水下无线光通信***中光收发装置之间的快速对准问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现在水下无线光通信***中光收发装置之间光信号对准难度大的技术问题，本专利提出一种水下无线光智能快速对准装置，通过收发端智能联动控制的方法，解决水下无线光通信***中光收发装置之间光信号的快速对准，建立通信链路，实现***快速正常通信。
本发明的技术方案是：一种水下无线光智能快速对准***，包括发射组件和接收组件；
所述发射组件包括包括第一支架、第一控制云台、光发射装置、第一底座、激光指示器和测距望远镜；第一底座和第一支架连接，第一控制云台、光发射装置、激光瞄准器和测距望远镜位于第一支架上，第一控制云台和光发射装置固连，且第一控制云台、光发射装置、激光指示器和测距望远镜的光轴平行；
所述接收组件包括第二支架、第二控制云台、光接收装置、第二底座和标靶；第二底座和第二支架连接，第二控制云台、光接收装置和标靶位于第二支架上，第二控制云台和光接收装置固连，且第二控制云台、光接收装置和标靶的光轴平行；
光发射装置和光接收装置分别外接控制计算机。
本发明进一步的技术方案是：一种水下无线光智能快速对准***的对准方法，包括以下步骤：
步骤1：空气中对准。光发射装置和光接收装置之间的水平距离调整的指定距离，二者离地面的高度相同，将光发射装置和光接收装置上电，调整光发射装置和光接收装置，使光发射装置发出的光斑落在光接收装置的中心处，保持此位置固定不动；
步骤2：水下对准准备。按照步骤1调整好的状态，将收发两端同时整体放入水中，通过测距望远镜观察，调节光发射装置和光接收装置之间的水平距离为指定距离；通过第一支架和第二支架上标注的刻度使光发射装置和光接收装置距离水面的距离相等；打开光发射装置、光接收装置和激光指示器的电源，观察激光指示器发出的光在标靶上的位置；
步骤3：水下粗对准，包括水平方向和俯仰方向的调整：
其中水平方向的调整，包括以下步骤：
步骤3.1：计算机控制第一控制云台以1°的角度进行若干次水平方向的转动调节，使得第一控制云台带动光发射装置进行同向同角度运动。本步骤最大调节范围为步骤3位置的±30°；
步骤3.2：光接收装置接收光信号，连接光接收装置的控制计算机读取并记录每个角度点的光功率值，通过与本步骤中每个角度点记录的所有光功率值进行对比，找出所有记录值中光接收装置接收的光功率最大值点，并由计算机通过RS485串口控制第一控制云台将光发射装置的位置调整到水平方向光功率值最大值位置处；
俯仰方向的调整包括以下步骤：
步骤3.1：计算机控制第一控制云台以1°的角度进行若干次俯仰方向的转动调节，使得第一控制云台带动光发射装置进行同向同角度运动。本步骤最大调节范围为步骤3位置的±10°；
步骤3.2：光接收装置接收光信号，连接光接收装置的控制计算机读取并记录每个角度点的光功率值，通过与本步骤中每个角度点记录的所有光功率值进行对比，找出所有记录值中光接收装置接收的光功率最大值点，并由计算机通过RS485串口控制第一控制云台将光发射装置的位置调整到俯仰方向光功率值最大值位置处；
步骤4：水下精对准，同样包括水平方向调整和俯仰方向调整，其中调整的角度小于步骤3中调整的角度(角度为0.01°-0.1°)，进一步实现光信号的对准程度。当收发装置达到精对准时，激光指示器发出的绿光应该落在标靶的中心位置处。本步骤最大调节范围为步骤3位置的±5°。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤3.1中的步长范围为0.1°-1°。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤4中的步长范围为0.01°-0.1°。
本发明进一步的技术方案是：所述第一控制云台绝对定位精度可达0.01°，重复定位精度可达0.005°，最大速度为15°/秒，水平旋转角度范围为±160°，俯仰调节范围为±20°。
本发明进一步的技术方案是：所述第二控制云台绝对定位精度可达0.01°，重复定位精度可达0.005°，最大速度为15°/秒水平旋转角度范围为±160°，俯仰调节范围为±20°。
发明效果
本发明的技术效果在于：本装置适用于水下无线光通信***收、发装置之间的智能快速对准，也可应用于空气中空间光收发装置间的快速对准，实现无线光通信***的快速正常通信。本装置能够实现水下无线光通信***光发射装置和光接收装置之间的快速对准，建立通信链路，实现***快速正常通信。与传统的人工对准方法相比，人工对准需要1个小时左右，采用这种对准装置10分钟之内就可以完全对准。降低了对准难度，节省了对准时间，提高了工作效率。
附图说明
图1：一种水下无线光智能快速对准装置组成框图
图2：一种水下无线光智能快速对准装置结构示意图
图3：一种水下无线光智能快速对准装置工作原理示意图
附图标记说明：1-第一支架；2-第一控制云台；3-光发射装置；5-第二支架；6-第二控制云台；7-光接收装置；9-激光指示器；10-测距望远镜；11-标靶。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1—图3,一种水下无线光智能快速对准装置由发射端和接收端两部分组成，发射端和接收端都由安装支架、高精度云台和智能控制计算机组成，发射端的上部安装了激光指示器和测距望远镜，接收端的上部安装了标靶。使用前，先将一对订制的高精度控制云台分别安装在两端的支架上；再将无线光通信***的发射装置和接收装置分别安装在两端的支架上，发射装置和接收装置距离地面的高度相同。首先在空气中将发射装置和接收装置对准，然后将收发两端同时整体放入水中进行对准。发射装置和接收装置在水下深度相同，上电正常工作后，发射端先沿水平方向以较大的角度控制云台水平转动，云台的转动带动光发射装置同步转动，光接端读取每个角度点的光功率值并与所有已经记录的光功率值进行比较，取其中光功率值最大的位置点并与发射端联动控制，将光发射装置调整到光功率最大位置处；然后发射端再沿俯仰方向以较大的步长控制云台上下转动，与水平方向的方法相同，确定并调整到俯仰方向光功率最大位置处。粗调整完成后，再进行水平方向和俯仰方向的精调整，方法与粗调整方法相同，只是移动步长较小，移动步长可以根据实际需要进行调整。进一步实现光信号的对准程度。粗调整和精调整完成后，，实现***最佳对准位置，对准过程完成。参阅图3，在对准之前，先将无线光通信***的光发射装置3安装在发射端安装支架1上，将光接收装置7安装在接收支架5上，再将一对高精度控制云台2和6分别安装在支架1和6上。高精度控制云台分别与一台智能控制计算机连接。
本实施例子中，针对对准装置的对准方法包括以下步骤：
步骤1：空气中对准。光发射装置3和光接收装置7之间的水平距离调整的指定距离，二者离地面的高度相同，将光发射装置3和光接收装置7上电，调整光发射装置3和光接收装置7，使光发射装置3发出的蓝绿激光斑落在光接收装置7的中心处，保持此位置固定不动；本实施例中，二者离地面的高度为20cm；本实施例中，发射装置为大功率蓝绿激光器，接收装置为高速高灵敏度APD光接收器。
步骤2：水下对准准备。按照步骤2调整好的状态，将收发两端同时整体放入水中，通过测距望远镜10观察，调节光发射装置3和光接收装置7之间的水平距离为指定距离。通过第一支架1和第二支架5上标注的刻度使光发射装置3和光接收装置7距离水面的距离相等。打开光发射装置3、光接收装置7和激光指示器9的电源，观察激光指示器9发出的绿光在标靶11上的位置；本实施例中，光发射装置3和光接收装置7距离水面的距离为20cm-50cm；
步骤3：水下粗对准，包括水平方向和俯仰方向的调整：
其中水平方向的调整，包括以下步骤：
步骤3.1：计算机控制第一控制云台2以1°的角度进行若干次水平方向的转动调节，使得第一控制云台2带动光发射装置3进行同向同角度运动。本步骤最大调节范围为步骤3位置的±30°；
步骤3.2：光接收装置7接收光信号，连接光接收装置7的控制计算机读取并记录每个角度点的光功率值，通过与本步骤中每个角度点记录的所有光功率值进行对比，找出所有记录值中光接收装置7接收的光功率最大值点，并由计算机通过RS485串口控制第一控制云台2将光发射装置的位置调整到水平方向光功率值最大值位置处；
俯仰方向的调整包括以下步骤：
步骤3.1：计算机控制第一控制云台2以1°的角度进行若干次俯仰方向的转动调节，使得第一控制云台2带动光发射装置3进行同向同角度运动。本步骤最大调节范围为步骤3位置的±10°；
步骤3.2：光接收装置7接收光信号，连接光接收装置7的控制计算机读取并记录每个角度点的光功率值，通过与本步骤中每个角度点记录的所有光功率值进行对比，找出所有记录值中光接收装置7接收的光功率最大值点，并由计算机通过RS485串口控制第一控制云台2将光发射装置的位置调整到俯仰方向光功率值最大值位置处；
步骤4：水下精对准，同样包括水平方向调整和俯仰方向调整，其中调整的角度小于步骤3中调整的角度(角度为0.01°-0.1°)，进一步实现光信号的对准程度。当收发装置达到精对准时，激光指示器9发出的绿光应该落在标靶11的中心位置处。本步骤最大调节范围为步骤3位置的±5°；
其中，所述步骤3.1中的步长范围为0.1°-1°。所述步骤5中的步长范围为0.01°-0.1°。所述第一控制云台2绝对定位精度可达0.01°，重复定位精度可达0.005°，最大速度为15°/秒，水平旋转角度范围为±160°，俯仰调节范围为±20°。
所述第二控制云台6绝对定位精度可达0.01°，重复定位精度可达0.005°，最大速度为15°/秒水平旋转角度范围为±160°，俯仰调节范围为±20°。

Claims (6)

1.一种水下无线光智能快速对准***的对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：空气中对准，光发射装置(3)和光接收装置(7)之间的水平距离调整的指定距离，二者离地面的高度相同，将光发射装置(3)和光接收装置(7)上电，调整光发射装置(3)和光接收装置(7)，使光发射装置(3)发出的光斑落在光接收装置(7)的中心处，保持此位置固定不动；
步骤2：水下对准准备，按照步骤1调整好的状态，将收发两端同时整体放入水中，通过测距望远镜(10)观察，调节光发射装置(3)和光接收装置(7)之间的水平距离为指定距离；通过第一支架(1)和第二支架(5)上标注的刻度使光发射装置(3)和光接收装置(7)距离水面的距离相等；打开光发射装置(3)、光接收装置(7)和激光指示器(9)的电源，观察激光指示器(9)发出的光在标靶(11)上的位置；
步骤3：水下粗对准，包括水平方向和俯仰方向的调整：
其中水平方向的调整，包括以下步骤：
步骤3.1：计算机控制第一控制云台(2)以1°的角度进行若干次水平方向的转动调节，使得第一控制云台(2)带动光发射装置(3)进行同向同角度运动，本步骤最大调节范围为步骤3位置的±30°；
步骤3.2：光接收装置(7)接收光信号，连接光接收装置(7)的控制计算机读取并记录每个角度点的光功率值，通过与本步骤中每个角度点记录的所有光功率值进行对比，找出所有记录值中光接收装置(7)接收的光功率最大值点，并由计算机通过RS485串口控制第一控制云台(2)将光发射装置的位置调整到水平方向光功率值最大值位置处；
俯仰方向的调整包括以下步骤：
步骤3.1：计算机控制第一控制云台(2)以1°的角度进行若干次俯仰方向的转动调节，使得第一控制云台(2)带动光发射装置(3)进行同向同角度运动，本步骤最大调节范围为步骤3位置的±10°；
步骤3.2：光接收装置(7)接收光信号，连接光接收装置(7)的控制计算机读取并记录每个角度点的光功率值，通过与本步骤中每个角度点记录的所有光功率值进行对比，找出所有记录值中光接收装置(7)接收的光功率最大值点，并由计算机通过RS485串口控制第一控制云台(2)将光发射装置的位置调整到俯仰方向光功率值最大值位置处；
步骤4：水下精对准，同样包括水平方向调整和俯仰方向调整，其中调整的角度小于步骤3中调整的角度(角度为0.01°-0.1°)，进一步实现光信号的对准程度，当收发装置达到精对准时，激光指示器(9)发出的绿光应该落在标靶(11)的中心位置处，本步骤最大调节范围为步骤3位置的±5°。
2.基于权利要求1所述的一种水下无线光智能快速对准***的对准方法，其特征在于，所述步骤3.1中的步长范围为0.1°-1°。
3.基于权利要求1所述的一种水下无线光智能快速对准***的对准方法，其特征在于，所述步骤4中的步长范围为0.01°-0.1°。
4.基于权利要求1所述的一种水下无线光智能快速对准***的对准方法建立的水下无线光智能快速对准***，其特征在于，包括发射组件和接收组件；
所述发射组件包括第一支架(1)、第一控制云台(2)、光发射装置(3)、第一底座(4)、激光指示器(9)和测距望远镜(10)；第一底座(4)和第一支架(1)连接，第一控制云台(2)、光发射装置(3)、激光瞄准器(9)和测距望远镜(10)位于第一支架(1)上，第一控制云台(2)和光发射装置(3)固连，且第一控制云台(2)、光发射装置(3)、激光指示器(9)和测距望远镜的光轴平行；
所述接收组件包括第二支架(5)、第二控制云台(6)、光接收装置(7)、第二底座(8)和标靶(11)；第二底座(8)和第二支架(5)连接，第二控制云台(6)、光接收装置(7)和标靶(11)位于第二支架(5)上，第二控制云台(6)和光接收装置(7)固连，且第二控制云台(6)、光接收装置(7)和标靶(11))的光轴平行；
光发射装置(3)和光接收装置(7)分别外接控制计算机。
5.基于权利要求4所述的水下无线光智能快速对准***，其特征在于，所述第一控制云台(2)绝对定位精度可达0.01°，重复定位精度可达0.005°，最大速度为15°/秒，水平旋转角度范围为±160°，俯仰调节范围为±20°。
6.基于权利要求4所述的水下无线光智能快速对准***，其特征在于，所述第二控制云台(6)绝对定位精度可达0.01°，重复定位精度可达0.005°，最大速度为15°/秒水平旋转角度范围为±160°，俯仰调节范围为±20°。
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