CN1449130A - 多发射光源自动跟踪无线激光通信端机 - Google Patents
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Abstract
一种多发射光源自动跟踪无线激光通信端机，包括发射子***和接收子***，其特点是：发射子***中通信信号发射激光器是发射激光器列阵，相应的发射准直透镜也是发射准直透镜列阵，还设有信标激光器和信标激光发射准直透镜，接收子***中在接收透镜和接收探测器之间设有双色平面镜，通信激光波段带通滤光片和信标激光波段带通滤光片，还设有跟踪接收探测器，信标激光前放和处理电路和单板机，该单板机通过驱动器推动马达工作，自动调整本端机的俯仰角度和水平角度。本发明装置除具有发射、接收一体化，可与电信***连接外，还具有自动跟踪、***工作稳定、发射功率较高、通信质量较好的特点。
Description
技术领域：
本发明是一种多个发射光源、具有自动跟踪功能的无线激光通信端机。本发明属于通信领域。
背景技术
自由空间激光通信技术具有广泛的应用领域，包括：移动通信基站间的互连、用户接入、局域网、内部网(Intranet)、互联网(Internet)接入、备用链路、快速部署、临时扩容、灾害应急。在不便和不能铺设光缆之处、不便和不能架设微波天线的场合等，成为更佳的选择。与微波通信相比，它无需频率使用许可证。
利用电磁波作为信号载体的无线电通信由来已久，其中短波、微波、毫米波无线通信至今仍广泛使用。但它存在保密性不好，通信容量低，波段资源受到限制等不足。光纤通信是以光作为载体，以光纤作为传输介质的通信。由于光的频带资源十分丰富，因此通信容量巨大，成为现代通信的骨干。但光纤通信网络，包括***、光缆等通信基础设施的建设是事先规划的、固定的。这样总会有光缆没有到达或光缆不便到达的地域。这恰好为激光无线通信提供了一个发展的空间。激光无线通信是以激光作为载体在自由空间传输的通信技术，与光纤通信相比具有灵活性。
在先技术之一，中国电子科技大学采用二氧化碳激光器(10.6μm波长，内腔式)，实现定点双工四线制三路电话的大气通信(技术成果编号88210414)。在先技术之二，中国中山大学激光与光谱学研究所采用音频或数字信号的调幅激光制式工作实现大气通信传输(技术成果编号89209283)。这二种端机的通信容量很低，模拟调制的信噪比不高，影响通信质量；同时在通信***设计上，没有考虑与其他通信设施包括光纤通信、微波通信的兼容，实用价值较小。在先技术之三，中国科学院上海光机所提出的实用新型专利“无线激光通信端机”(专利号：ZL 00217069.8)，采用半导体激光器作为发射光源，脉冲编码调制(PCM)方式，发射、接收一体化结构，具有同电信***连接的接口，实现了工作距离为2公里，信号速率为2Mb/s、8Mb/s、34Mb/s和155Mb/s的通信，结构见图1。但是此种技术只采用了单个发射光源，***工作在高速率通信时误码率急剧增加。另外，该***没有自动跟踪***，为了保证***工作稳定性，必须采用大的光发射角，接收端的光功率密度低，这样限制了***工作距离的提高。
在大气层中使用自由空间激光通信的主要困难，一是大气衰减和恶劣气象引起的光强衰减问题。尤其是在大雾天气下，能见度很低，通信距离大大减小。二是大气湍流引起的闪烁，造成光信号的抖动和误码。在阳光强烈的天气下，对于高码速的情况，这一问题尤其严重。三是由于大气层温度不均匀，因而折射率分布不均匀造成的“海市蜃楼”现象，激光束在大气中传输存在随天气变化的“漂移”。上述在先技术都没有采取措施克服大气湍流和光束漂移带来的这些问题。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种多发射光源自动跟踪无线激光通信端机，采用多个发射光源和相应的多个发射镜筒，同时采用基于光学方法的自动跟踪技术。
本发明的技术解决方案：
一种多发射光源自动跟踪无线激光通信端机，包括发射子***A和接收子***B：
发射子***A的构成按信号的处理顺序依次包括：电信号接入接口接同步电路，光纤信号接口经输入信号处理电路和光纤输入接口电路与该同步电路相连，该同步电路之后依次是驱动器、通信信号发射激光器和发射准直透镜；
所述的接收子***B依次包括：接收透镜、通信接收探测器、前置放大器、整形电路、电信号输出接口和信号处理和光纤接口电路光纤输出接口；
其特征在于：
①所述的通信信号发射激光器是由N(N≥1的正整数)个激光器组成的通信信号发射激光器列阵，相应的发射准直透镜也是由N个发射准直透镜组成的发射准直透镜列阵；
②所述的同步电路是一多路信号同步电路；
③所述的发射子***A还设有信标激光器和信标激光发射准直透镜；
④所述的接收***B，在接收透镜和通信接收探测器之间还设有双色平面镜、通信激光波段的带通滤光片和信标激光波段的带通滤光片；
⑤还设有跟踪接收探测器，将接收的信标激光经前放和处理电路后输入单板机，然后推动步进马达的驱动器的工作。
所述的接收探测器和接收透镜相分离，采用一光纤相连接，而把接收探测器、前置放大器、整形电路和信号处理电路做在一块电路板上。
所述的接收探测器、前置放大器、整形电路和信号处理电路被做在一个集成电路上。
所述的跟踪接收探测器为位置敏感探测器(PSD)，或四象限探测器。
在步进马达驱动器上还设有手动控制端口。
本通信端机被装入一机箱，该机箱通过一活动连接支架置于通信端机的底座上，该连接支架安装了横向转轴和纵向转轴，在端机的后端，在底座上安装纵向调节机构和横向调节机构，这两个机构由步进马达和微调丝杆构成。
本发明的无线激光通信端机的优点如下：
1.本端机采用多个激光器作为通信发射光源，由于各激光器发射的光束之间的相干性比较差，从而减轻了由于大气湍流和光束相干引起的光功率闪烁现象。从而改善了通信端机的通信质量。
2.具有自动跟踪功能，保证了在基础晃动和光路漂移时通信端机正常工作。
3.由于使用多发射光源，提高了端机总的发射功率；而且由于具有自动跟踪功能，通信激光束的发散角可以调整得比较小，由此提高了接收端的激光功率密度；因此可以大幅度提高端机在低能见度天气下工作的能力。
附图说明：
图1是已有单发射、无跟踪激光通信端机结构示意图。
图2是本发明无线激光通信端机的总体结构示意图。
图3是本发明通信接收端电子电路框图之二。
图4是本发明自动跟踪***结构示意图。
图5是本发明跟踪***电子电路框图。图中：1—接收透镜 2—发射准直透镜阵列 3—通信信号发射激光器4—信标激光发射准直透镜 5—信标激光器 6—通信接收探测器7—通信激光波段的带通滤光片 8—双色平面镜 9—跟踪接收探测器10—信标激光波段的带通滤光片 11—激光器3的驱动器12—多路信号同步电路 13—输入信号处理电路和光纤输入接口电路14—前置放大器 15—整形电路 16—电信号输出接口17—信号处理和光纤接口电路 18—通信端机的底座 19—机箱20—活动连接支架 21—横向转轴 22—纵向转轴 23—纵向调整机构24—横向调整机构 25—步进马达 26—微调丝杆 27—连杆28—弹簧 29—前放和处理电路 30—单板机 31—步进马达的驱动器32—步进马达的手动控制端口 33—电信号输入接口34—光纤信号接口 35—光纤输出接 36—一段适当长度的光纤
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明。
首先请参阅图2，图2是本发明总体结构示意图。本发明多发射光源自动跟踪无线激光通信端机主要由发射子***A和接收子***B组成。其中1是接收透镜。2是发射准直透镜阵列。3是通信信号发射激光器阵列。在本发明的***中，采用多个发射激光器和发射透镜。图2所示，采用了N个(N为整数)通信发射激光器和N个对应的发射准直透镜。4是用于跟踪的信标激光发射准直透镜。5是信标激光器。6是通信接收探测器。7是通信激光波段的带通滤光片。其作用是消除在该波段之外的杂散光进入探测器，包括从双色镜8漏过来的跟踪用的信标激光以提高信噪比。接收透镜同时作通信和跟踪接收之用。图中8是一个双色平面镜。它对通信激光波段是全透的，对于跟踪信标激光波段是全反的。9是跟踪接收探测器。10是信标激光波段的带通滤光片。它的作用是消除在该波段之外的杂散光，包括由于实际制作的双色镜8不能完全地分离二个波段而反射过来的残余通信激光。
本发明的通信发射光源和跟踪信标光源，可以采用二个波段的半导体激光器。二个波长的差应大于带通滤光片7和10的通带宽度，以保证充分的隔离度。又不应大于双色镜8和光学镜头减反射膜设计和工艺所容许的范围。本发明跟踪接收探测器9可以采用位置敏感探测器(PSD)，或者采用四象限探测器(QPD)。通信信号发射电路组成如下：11是激光器3的驱动器。12是多路信号同步电路。13是输入信号处理电路和光纤输入接口电路。33是电信号输入接口。34是光纤信号接口。无线激光通信端机的信号接收***B的电子电路由如下构成：6是信号接收探测器。14为前置放大器。15为整形电路。17为信号处理和光纤接口电路。16电信号输出接口。35为光纤输出接口。
本发明多发射光源***的关键技术之一，是要保证多路信号发射时保持同步。对同步绝对精度的要求决定于通信的码速。码速越高，要求越高。除了在电路设计和安装时注意多路信号的时延之外，本发明设计了多路信号同步电路12，以调整和控制信号传输的时延差，以及各个激光器工作状态之间的差别。
本发明通信端机接收探测器6也可以同接收透镜1分离，而采用一段光纤传送接收到的光信号，如图3所示。其中36为一段适当长度的光纤。光信号经透镜1汇聚后，注入光纤36，经光纤36再传送到接收探测器6。采用这一布局，可以把探测器6、前置放大器14、整形电路15和信号处理电路17做在一块电路板上，甚至一个集成电路上。从而可以提高电路的速率。
本发明的无线激光通信端机的自动跟踪***机械结构如图4所示。其中18是通信端机的底座。19是通信端机的机箱。20是活动连接支架。在该支架上安装了横向转轴21和纵向转轴22。在端机的后端，在底座18上安装了纵向调整机构23和横向调整机构24。这二个调整机构由步进马达25和微调丝杆26构成。纵向调整机构23允许机箱上下微动。向下运动时，依靠机箱本身的重量。横向调整机构通过连杆27带动机箱左右微动。当横向步进马达带动丝杆往回运动时，弹簧28推动被调整机构24顶住的连杆27，从而带动机箱运动。整个机械***使通信端机的机箱可以自动调整其俯仰角度和方位角度。
本发明的无线激光通信端机的自动跟踪***的电子电路如图5所示。其中9为跟踪***接收器。29为前放和处理电路。30是一个单板机，用于对信号作智能化处理。31是步进马达的驱动器。32是步进马达的手动控制端口。跟踪接收器一般采用位置敏感探测器(PSD)，或者四象限探测器(QPD)。当信标激光经接收透镜1汇聚、双色镜8反射，聚焦在跟踪接收器9的时候，接收器的四个输出端口x1、x2、y1、y2就有信号输出。其相对强度，(x1-x2)/(x1+x2)和(y1-y2)/(y1+y2)，是聚焦光点在接收器上位置的函数。该信号经过单板机30处理，推动步进马达的驱动器31，从而调整***端机机箱的俯仰、方位角度，使之保持信标激光聚焦光点维持在跟踪接收器的中心。还可以通过手动接口32对步进马达的驱动器31作手动操作。
本发明通信***和跟踪***的工作过程如下：在二套端机对准的情况下，通信发射光源3发出的携带信号的激光束，经过透镜2准直，进入大气介质传输。在接收端经接收透镜1汇聚，透过双色镜8聚焦在通信接收探测器6上，实现通信信息的传送。另一方面，信标激光器5发出的激光束，经透镜4准直，进入大气介质传输。在接收端经接收透镜1汇聚经双色镜8反射聚焦在跟踪接收探测器9的中心位置上。此时，PSD(或QPD)输出处于平衡状态，相对强度(x1-x2)/(x1+x2)和(y1-y2)/(y1+y2)为零。当二台端机，或其中之一，所在的基础，比如大楼或端机的安装支架发生晃动时，或者当大气温度分布发生变化，光束的传输偏离直线，发生“海市蜃楼”效应时，本端机的俯仰或方位就会偏离上述平衡位置。由于接收透镜成象的几何关系，对方端机的信标光束的聚焦点就会偏离中心。通信激光束也会同样偏离探测器的中心，使接收光功率和信噪比下降。聚焦光点偏离中心的距离d可以表示为：
d＝ftanθ式中f是接收透镜的焦距，θ是本端机偏离连接两端机的直线的角度，或者是偏离由于海口市蜃楼口效应引起的光线方向的角度。PSD(或QPD)的输出就会显示出不平衡，即相对强度(x1-x2)/(x1+x2)和/或(y1-y2)/(y1+y2)不为零。此时，单片机30将发出指令，输出给步进马达25的驱动器31步进马达25就带动纵向调整机构23和横向调整机构24调整本端机机箱19的俯仰角和/或方位角，使之趋向平衡点，并使信标光点回到PSD或QPD的中心，通信激光束的聚焦光点也回到通信接收探测器6上，从而实现自动跟踪。
根据本发明的基本设计思路，制成了一种三个发射光源、具有自动跟踪功能的无线激光通信端机。接收镜头1和发射透镜2为非球面透镜。通光口径分别为150mm和40mm。采用波长为790nm的基横模运转的AlGaAs/GaAs半导体激光器作为通信发射光源3；采用波长为980nm的大功率半导体激光器作为信标激光器5。采用Si PIN-FET作为通***6；采用Si位敏探测器(PSD)作为跟踪***的接收器9。输入输出接口为标准的FC/PC光缆连接器，可以直接同电信***和误码测试仪器相连接。步进马达25采用45BF005III型。试验结果表明：端机的跟踪范围为±0.5度；跟踪精度为0.1毫弧度。跟踪响应时间0.2秒。通信速率为155Mb/s-622Mb/s，试验工作距离为1.3公里。按照国际电联(ITU)规定的G.821标准进行考验测试，误码率低于10-9，有效可用时间＞99％。
Claims (6)
1、一种多发射光源自动跟踪无线激光通信端机，包括发射子***A和接收子***B：
发射子***A的构成按信号的处理顺序依次包括：电信号接入接口(33)接同步电路(12)，光纤信号接口(34)经输入信号处理电路和光纤输入接口电路(13)与该同步电路(12)相连，该同步电路(12)之后是驱动器(11)、通信信号发射激光器(3)和发射准直透镜(2)；
所述的接收子***B依次包括：接收透镜(1)、通信接收探测器(6)、前置放大器(14)、整形电路(15)、电信号输出接口(16)和信号处理和光纤接口电路(17)、光纤输出接口(35)；
其特征在于：
①所述的通信信号发射激光器(3)是由N个(N≥1的正整数)激光器组成的通信信号发射激光器列阵，相应的发射准直透镜(2)也是由N个发射准直透镜组成的发射准直透镜列阵；
②所述的同步电路(12)是一多路信号同步电路；
③所述的发射子***A还设有信标激光器(5)和信标激光发射准直透镜(4)；
④所述的接收***B，在接收透镜(1)和通信接收探测器(6)之间还设有双色平面镜(8)、通信激光波段的带通滤光片(7)和信标激光波段的带通滤光片(10)；
还设有跟踪接收探测器(9)，将接收的信标激光经前放和处理电路(29)后输入单板机(30)，后推动步进马达的驱动器(31)工作。
2、根据权利要求1所述的多发射光源自动跟踪无线激光通信端机，其特征在于所述的接收探测器(6)和接收透镜(1)相分离，采用一光纤(36)相连接，而把接收探测器(6)、前置放大器(14)、整形电路(15)和信号处理电路(17)做在一块电路板上。
3、根据权利要求2所述的多发射光源自动跟踪无线激光通信端机，其特征在于所述的接收探测器(6)、前置放大器(14)、整形电路(15)和信号处理电路(17)被做在一个集成电路上。
4、根据权利要求1所述的多发射光源自动跟踪无线激光通信端机，其特征在于所述的跟踪接收探测器(9)为位置敏感探测器(PSD)，或四象限探测器。
5、根据权利要求1所述的多发射光源自动跟踪无线激光通信端机，其特征在于在步进马达驱动器(31)上还设有手动控制端口(32)。
6、根据权利要求1所述的多发射光源自动跟踪无线激光通信端机，其特征在于本通信端机被装入一机箱(19)，该机箱(19)通过一活动连接支架(20)置于通信端机的底座(18)上，该连接支架(20)安装了横向转轴(21)和纵向转轴(22)，在端机的后端，在底座(18)上安装有纵向调节机构(23)和横向调节机构(24)，这两个机构由步进马达(25)和微调丝杆(26)构成。
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