專利名稱：移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及大氣激光通信技術(shù)，具體地說(shuō)是一種移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備，適用于移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大氣激光通信Free Space Laser Communication又稱自由空間光通信Free Space Optical Communication，F(xiàn)SO或無(wú)線光通信WirelessOptical Communication，是近年來(lái)出現(xiàn)的通信熱點(diǎn)。
就目前的系統(tǒng)而言，地面大氣激光通信系統(tǒng)均為定點(diǎn)通信系統(tǒng)，經(jīng)收發(fā)雙方人工對(duì)準(zhǔn)后方可進(jìn)行通信，應(yīng)用范圍大大受到限制。隨著大氣激光通信系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，系統(tǒng)能夠進(jìn)行移動(dòng)中通信日益為人們所看重。移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)不僅要具有較大范圍的自動(dòng)瞄準(zhǔn)跟蹤功能，而且應(yīng)具有自動(dòng)捕獲信標(biāo)光的功能。對(duì)傳輸空間中信標(biāo)光光束的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)，又稱APT技術(shù)，是大氣激光通信系統(tǒng)研究者和生產(chǎn)商們都開(kāi)始積極涉足的領(lǐng)域。用于地面對(duì)衛(wèi)星以及衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星之間的空間光通信系統(tǒng)均有捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤APT功能，但其信號(hào)光和信標(biāo)光選用不同的波長(zhǎng)，如美國(guó)的STRV-2系統(tǒng)信標(biāo)光和信號(hào)光分別為810nm和852nm，美國(guó)的SILEX系統(tǒng)信標(biāo)光和信號(hào)光分別為797nm和853nm，德國(guó)的SOLACOS系統(tǒng)信標(biāo)光和信號(hào)光分別為810nm和1064nm，日本的LCE系統(tǒng)信標(biāo)光和信號(hào)光分別為510nm和830nm。信標(biāo)光和信號(hào)光的波長(zhǎng)不同所帶來(lái)的突出問(wèn)題是信標(biāo)光和信號(hào)光互為干擾。在捕獲跟蹤系統(tǒng)探測(cè)信標(biāo)光時(shí)需要濾除信號(hào)光的干擾，與此同時(shí)，信息傳輸系統(tǒng)在探測(cè)信號(hào)光時(shí)也必需濾除信標(biāo)光的干擾，為了解決這些干擾必然要增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使系統(tǒng)的造價(jià)、成本明顯提高。
此外，大多數(shù)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備均采用單發(fā)單收的方式，即發(fā)射端發(fā)射單個(gè)信標(biāo)光束，接收端用一個(gè)透射式聚焦天線接收，在人眼安全的條件下，激光束的功率不能太大，同時(shí)因技術(shù)原因使透射式天線的面積難以做大，所以信標(biāo)光收發(fā)雙方之間的通信距離很難提高。目前用于提高通信信號(hào)光收發(fā)距離的多發(fā)多收模式又不能照搬到信標(biāo)光的收發(fā)設(shè)備中，原因如下多發(fā)多收，即發(fā)射端同時(shí)發(fā)射多個(gè)相同的光束，接收端用多個(gè)接收天線接收，然后把收到的多路光合并成一路光再進(jìn)行檢測(cè)。多路光合并的操作必須借助光纖來(lái)完成，即把各路光分別耦合進(jìn)各自對(duì)應(yīng)的光纖中，然后再把這幾個(gè)光纖里的光合并到一根光纖中，并最終送到信號(hào)探測(cè)器處。生產(chǎn)大氣激光系統(tǒng)的龍頭企業(yè)美國(guó)的LightPointe公司的產(chǎn)品就采用四發(fā)四收的發(fā)射接收方案。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是可以在滿足人眼安全要求的條件下適當(dāng)?shù)脑黾影l(fā)射功率，且采用多個(gè)接收天線增大了接收面積。但其缺點(diǎn)是光纖中的光失去了其發(fā)射源的位置信息，對(duì)于信標(biāo)光而言，失去其發(fā)射源的位置信息，就會(huì)變的毫無(wú)用處了。顯然，信標(biāo)光的收發(fā)不宜采用多發(fā)多收的方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備，以消除移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)信標(biāo)光和通信信號(hào)光之間的相互干擾、并在滿足人眼安全的條件下，提高信標(biāo)光收發(fā)雙方之間的通信距離。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明由信標(biāo)光發(fā)射裝置和信標(biāo)光接收裝置組成，信標(biāo)光發(fā)射裝置包括通信信號(hào)源和信標(biāo)光發(fā)射器，幾個(gè)完全相同的信標(biāo)光發(fā)射器在發(fā)射端面上均勻的配置在同一個(gè)圓周上，它們的軸線互相平行，信標(biāo)光發(fā)射器的數(shù)量根據(jù)通信距離、發(fā)射功率和對(duì)人體的安全系數(shù)要求來(lái)確定。通信信號(hào)源產(chǎn)生的電信號(hào)傳送給信標(biāo)光發(fā)射器，信標(biāo)光發(fā)射器把用電信號(hào)調(diào)制過(guò)的信標(biāo)光發(fā)送出去。信標(biāo)光波長(zhǎng)與用于通信的信號(hào)光波長(zhǎng)相同，各信標(biāo)光光束與信號(hào)光光束的軸線均平行，信標(biāo)光光束的發(fā)散角大于信號(hào)光光束的發(fā)散角。信標(biāo)光接收裝置包括信標(biāo)光接收天線、信標(biāo)光檢測(cè)器件、分束鏡和信號(hào)光檢測(cè)器，根據(jù)激光束的準(zhǔn)直性質(zhì)、聚焦性質(zhì)以及光線對(duì)介質(zhì)的透射和反射性質(zhì)把各器件聯(lián)接固定成為一體。信標(biāo)光接收天線采用的是一個(gè)大口徑的反射式天線，既接收信標(biāo)光信號(hào)，又接收信號(hào)光信號(hào)。信標(biāo)光接收裝置安裝在信標(biāo)光發(fā)射裝置的內(nèi)側(cè)，信標(biāo)光發(fā)射器和信標(biāo)光接收天線的發(fā)射與接收端面布局在同一平面上。該信標(biāo)光發(fā)射和接收裝置采用的是多發(fā)一收的結(jié)構(gòu)和工作模式。
上述的移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備，所說(shuō)的分束鏡，它是采用按功率比分光，而不是按波長(zhǎng)分光的分光鏡，把信號(hào)光和信標(biāo)光分離開(kāi)。即對(duì)信標(biāo)光接收天線傳來(lái)的光信號(hào)，它一方面讓透過(guò)它的信標(biāo)光到達(dá)信標(biāo)光檢測(cè)器件，給出發(fā)送方的位置信息，另一方面分出一部分光聚焦在信號(hào)光檢測(cè)器件上，給出信標(biāo)光所攜帶的通信信號(hào)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果①多徑發(fā)射成倍的增加了發(fā)射功率，由于發(fā)射的光束具有一定的發(fā)散角，這幾個(gè)光束在較遠(yuǎn)的地方合在一起能滿足通信要求的功率，而在較近的地方光束合不在一起就不會(huì)對(duì)人眼造成傷害。多個(gè)發(fā)射光束還帶來(lái)其他好處，比如減小了障礙物的影響，如鳥(niǎo)飛過(guò)等，降低了閃爍的影響。
②信標(biāo)光和通信信號(hào)光波長(zhǎng)相同且攜帶的信息也相同，降低了對(duì)接收器濾波性能的要求，使接收器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化；信標(biāo)光對(duì)于信號(hào)光而言，不僅不是干擾，反而是信號(hào)光的補(bǔ)充，信號(hào)探測(cè)器所接收到的信號(hào)功率是信標(biāo)光和信號(hào)光在接收機(jī)處功率的疊加，從而增加了通信鏈路的功率余量，提高了通信鏈路的質(zhì)量；在整個(gè)大氣激光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)大氣媒質(zhì)影響激光傳播的研究，對(duì)特定波長(zhǎng)處信道參數(shù)的測(cè)試，以及對(duì)各信道設(shè)備的選擇都大為簡(jiǎn)化只考慮一個(gè)波長(zhǎng)處的情況即可；此外，不用要求信號(hào)光和信標(biāo)光公共光路上的光學(xué)器件的消色差性能，簡(jiǎn)化了這些光學(xué)器件的設(shè)計(jì)。
③采用單個(gè)大口徑反射式天線接收信標(biāo)光在增強(qiáng)接收效果的前提下，保證信標(biāo)光所攜帶的發(fā)射源的位置信息不丟失。此外，大口徑的反射式天線，容易用單一的金屬材料實(shí)現(xiàn)，比如鋁，這樣的天線不易變形，且整個(gè)天線的熱力效應(yīng)是一致的，不易受溫度變化的影響。同時(shí)，也降低了系統(tǒng)的造價(jià)和成本。
④接收端用同一個(gè)接收天線來(lái)接收信標(biāo)光和信號(hào)光可以減小通信雙方的對(duì)準(zhǔn)誤差，同時(shí)也使資源得到了充分利用。


圖1是本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明應(yīng)用場(chǎng)景的信標(biāo)光傳播的結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明信標(biāo)光發(fā)射裝置組成結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明信標(biāo)光接收裝置組成結(jié)構(gòu)示意5是從本發(fā)明的收發(fā)端面上看，信標(biāo)光發(fā)射裝置和信標(biāo)光接收裝置的組合示意6是本發(fā)明的信標(biāo)光到達(dá)接收裝置時(shí)的光斑形狀示意圖具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，它是本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明由信標(biāo)光發(fā)射裝置和信標(biāo)光接收裝置組成，信標(biāo)光發(fā)射裝置包括通信信號(hào)源1和信標(biāo)光發(fā)射器4，幾個(gè)完全相同的信標(biāo)光發(fā)射器4均勻的配置在同一個(gè)圓周上，并分別固定在圓柱形封裝殼9的發(fā)射/接收端面上預(yù)設(shè)的幾個(gè)發(fā)射孔中，通信信號(hào)源1產(chǎn)生的電信號(hào)傳送給各信標(biāo)光發(fā)射器4，各信標(biāo)光發(fā)射器4把用電信號(hào)調(diào)制過(guò)的信標(biāo)光發(fā)送出去。信標(biāo)光接收裝置包括信標(biāo)光接收天線5、信標(biāo)光檢測(cè)器件6、分束鏡7和信號(hào)光檢測(cè)器8，根據(jù)激光束的準(zhǔn)直性質(zhì)、聚焦性質(zhì)以及光線對(duì)介質(zhì)的透射和反射性質(zhì)確定各器件的相對(duì)位置，然后將天線固定在圓柱形封裝殼9的發(fā)射/接收端面上預(yù)設(shè)的接收孔中，將信標(biāo)光檢測(cè)器件6、分束鏡7和信號(hào)光檢測(cè)器8安裝固定在封裝殼9內(nèi)預(yù)設(shè)的支架上。信標(biāo)光接收裝置安裝在信標(biāo)光發(fā)射裝置的內(nèi)側(cè)，信標(biāo)光發(fā)射器4和信標(biāo)光接收天線5的發(fā)射與接收端面布局在同一平面上。
參照?qǐng)D2，它是本發(fā)明應(yīng)用場(chǎng)景的信標(biāo)光傳播的結(jié)構(gòu)示意圖。在移動(dòng)大氣激光通信的發(fā)射端和接收端各放置一個(gè)移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備，發(fā)射端的移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備發(fā)出信標(biāo)光信號(hào)后，經(jīng)空間傳播到達(dá)接收端，經(jīng)信標(biāo)光接收天線5接收聚焦后分成兩路，一路到達(dá)信標(biāo)光檢測(cè)器件6處，給出發(fā)送方的位置信息，另一路到達(dá)信號(hào)光檢測(cè)器8處，給出信標(biāo)光所攜帶的通信信號(hào)。在通信過(guò)程中，接收端的移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備，也要發(fā)出信標(biāo)光信號(hào)到發(fā)送端，以調(diào)整兩端信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備的瞄準(zhǔn)方位。
參照?qǐng)D3，它是本發(fā)明信標(biāo)光發(fā)射裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置包括通信信號(hào)源1和信標(biāo)光發(fā)射器4。信標(biāo)光發(fā)射器4又由信標(biāo)激光器2和激光擴(kuò)束器3組成。通信信號(hào)源1產(chǎn)生的電信號(hào)，用信號(hào)線連至信標(biāo)光激光器2的信號(hào)調(diào)制接口，用電信號(hào)對(duì)信標(biāo)光進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信標(biāo)光經(jīng)擴(kuò)束器3擴(kuò)束后發(fā)射出去。
參照?qǐng)D4，它是本發(fā)明信標(biāo)光接收裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖，它包括信標(biāo)光接收天線5、信標(biāo)光檢測(cè)器件6、分束鏡7和信號(hào)光檢測(cè)器8。信標(biāo)光接收天線5采用的是一個(gè)大口徑的反射式天線，安裝在接收裝置的端面處。信標(biāo)光檢測(cè)器件6置于信標(biāo)光接收天線5的焦平面處，分束鏡7置于信標(biāo)光接收天線5與信標(biāo)光檢測(cè)器件6之間且靠近信標(biāo)光檢測(cè)器件6的位置，它一方面讓透過(guò)它的信標(biāo)光到達(dá)信標(biāo)光檢測(cè)器件6，給出發(fā)送方的位置信息，另一方面分出一部分光聚焦在信號(hào)光檢測(cè)器件8上，給出信標(biāo)光所攜帶的通信信號(hào)，分光的比例由通信信號(hào)光檢測(cè)器件8的靈敏度Ss和信標(biāo)光檢測(cè)器件6的靈敏度Sb確定。
參照?qǐng)D5，它是從本發(fā)明的收發(fā)端面上，向其內(nèi)部看去，信標(biāo)光發(fā)射裝置和信標(biāo)光接收裝置的組合示意圖。從圖中可以看出，該信標(biāo)光發(fā)射和接收裝置采用的是多發(fā)一收的結(jié)構(gòu)和工作模式，這里看到的是信標(biāo)光發(fā)射裝置的信標(biāo)光發(fā)射器4和信標(biāo)光接收裝置的信標(biāo)光接收天線5，信標(biāo)光發(fā)射器4圍繞在信標(biāo)光接收天線5外側(cè)，均勻地分布在同一個(gè)圓周上，信標(biāo)光發(fā)射器4的數(shù)量根據(jù)通信距離、發(fā)射功率和對(duì)人體的安全系數(shù)要求來(lái)確定。信標(biāo)光發(fā)射器4的數(shù)量計(jì)算的依據(jù)是確定移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的通信距離L，通信波長(zhǎng)λ，通信的信息速率Rb，通信信號(hào)光檢測(cè)器件的靈敏度Ss，信標(biāo)光檢測(cè)器件的靈敏度Sb，信標(biāo)光收發(fā)雙方的初始狀態(tài)時(shí)的掃描方式ψ，信標(biāo)接收方從初始狀態(tài)到捕獲到發(fā)送方發(fā)射的信標(biāo)光所需要的時(shí)間T。根據(jù)掃描方式ψ和捕獲時(shí)間T可以計(jì)算出所需的信標(biāo)光光束的發(fā)散角ωb，同時(shí)信標(biāo)光接收設(shè)備的接收視場(chǎng)角Fb的大小也取為ωb。根據(jù)系統(tǒng)的通信距離L，信標(biāo)光光束的發(fā)散角ωb，信標(biāo)位置檢測(cè)器件的靈敏度Sb，大氣的衰減這四個(gè)參數(shù)就可以得出所需要的信標(biāo)光發(fā)射功率Pt，Pt的值通常比較大，用一束光發(fā)射將會(huì)傷害人眼，根據(jù)人眼安全標(biāo)準(zhǔn)選擇光束的個(gè)數(shù)M，使每束光的功率均為Pt/M，每束光都滿足人眼安全要求。
參照?qǐng)D6，它是本發(fā)明的信標(biāo)光到達(dá)接收裝置時(shí)的光斑形狀示意圖，它顯示了各信標(biāo)光發(fā)射器4發(fā)出的信標(biāo)光在接收處，很好的疊加在一起，起到了在滿足人眼安全的條件下，成倍的增加信標(biāo)光發(fā)射功率的作用。
權(quán)利要求
1.一種移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備，包括信標(biāo)光發(fā)射裝置和信標(biāo)光接收裝置，信標(biāo)光發(fā)射裝置由通信信號(hào)源(1)和信標(biāo)發(fā)射器(4)組成，信標(biāo)光接收裝置包括信標(biāo)光接收天線(5)、信標(biāo)光檢測(cè)器件(6)、分束鏡(7)和信號(hào)光檢測(cè)器(8)，根據(jù)激光束的準(zhǔn)直性質(zhì)、聚焦性質(zhì)以及光線對(duì)介質(zhì)的透射和反射性質(zhì)把各器件固定成為一體，其特征在于采用幾個(gè)完全相同的信標(biāo)光發(fā)射器(4)在發(fā)射端面上均勻的配置在同一個(gè)圓周上，它們的軸線互相平行，信標(biāo)光發(fā)射器(4)的數(shù)量根據(jù)通信距離、發(fā)射功率和對(duì)人體的安全系數(shù)要求來(lái)確定；通信信號(hào)源(1)產(chǎn)生的電信號(hào)傳送給各信標(biāo)光發(fā)射器(4)，各信標(biāo)光發(fā)射器(4)把用電信號(hào)調(diào)制過(guò)的信標(biāo)光發(fā)送出去，信標(biāo)發(fā)射器發(fā)射的信標(biāo)光波長(zhǎng)與用于通信的信號(hào)光波長(zhǎng)相同；信標(biāo)光接收天線(5)采用的是一個(gè)大口徑的反射式天線，既接收信標(biāo)光信號(hào)，又接收信號(hào)光信號(hào)，信標(biāo)光接收裝置安裝在信標(biāo)光發(fā)射裝置的內(nèi)側(cè)，信標(biāo)光發(fā)射器(4)和信標(biāo)光接收天線(5)的發(fā)射與接收端面布局在同一平面上；該信標(biāo)光發(fā)射和接收裝置采用的是多發(fā)一收的結(jié)構(gòu)和工作模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備，所說(shuō)的分束鏡，它是采用按功率比分光，而不是按波長(zhǎng)分光的分光鏡，把信號(hào)光和信標(biāo)光分離開(kāi)，即對(duì)信標(biāo)光接收天線(5)傳來(lái)的光信號(hào)，它一方面讓透過(guò)它的信標(biāo)光到達(dá)信標(biāo)光檢測(cè)器件(6)，給出發(fā)送方的位置信息，另一方面分出一部分光聚焦在信號(hào)光檢測(cè)器件(8)上，給出信標(biāo)光所攜帶的通信信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)的信標(biāo)光收發(fā)設(shè)備，它屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及大氣激光通信技術(shù)，采用該設(shè)備以解決移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)信標(biāo)光和通信信號(hào)光相互干擾、在滿足人眼安全的條件下，提高信標(biāo)光收發(fā)雙方之間的通信距離。該設(shè)備包括信標(biāo)光發(fā)射裝置和信標(biāo)光接收裝置，采用多發(fā)一收的結(jié)構(gòu)和工作模式。信標(biāo)光發(fā)射裝置發(fā)射幾個(gè)完全相同的信標(biāo)光束；信標(biāo)光波長(zhǎng)與用于通信的信號(hào)光波長(zhǎng)相同，且信標(biāo)光也攜帶著通信信號(hào)。在信標(biāo)光接收裝置中，接收天線采用一個(gè)大口徑的反射式天線，按功率比分光的分束鏡將接收天線收到的光區(qū)分成信號(hào)光和信標(biāo)光。本裝置可用于移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H04B10/24GK1964234SQ20061010466
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者趙建功, 文愛(ài)軍, 劉增基, 岳鵬, 易湘 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)