专利名称：自由空间光通信系统天线的定位与对准装置和方法
技术领域：
本发明是一种用于调校自由空间光通信系统中的光学天线的装置和方法，属于光通信方法的技术领域。
背景技术：
现有的自由空间光通信系统中采用的跟踪与定位技术包括光发射单元采用单光路或双光路两种方式；光接收单元利用阵列传感器件和四象限传感器件两种检测方法。双光路的发射单元使自由空间光通信系统复杂化，而单光路的系统中光接收单元的传感器件位置需处于光学接收天线与接收器之间，为了接收到光信号需要占用一定的光能量。以上两种所述传感器件均为单一构件形式，其安装形式固定，检测面积有限。因此，难以解决在更大范围内对所述光束进行搜索和定位。
调校自由空间光通信系统中的光学天线是生产过程、安装过程中必不可少的工作，也是系统运行过程中误差产生后要解决的问题，而通过增大接收端对激光光束的搜索范围有利于缩短调测时间。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种自由空间光通信系统天线的定位与对准装置和方法，用于减少光学天线生产过程中对测量仪器的依赖，缩短现场光学天线安装的时间，利于提供光学天线动态跟踪。
技术方案本发明自由空间光通信系统天线的定位与对准装置由光发射单元和光接收单元构成；光发射单元包括载有信息的激光、发端传输介质、光学发射天线、入射光束、发射端执行器；光接收单元包括副光学接收天线、副滤光片、副检测器、放大比较器、主光学接收天线、收端传输介质、主滤光片、主检测器、放大器、处理器、控制器、显示指示电路、接收端执行器；载有信息的激光通过发端传输介质与光学发射天线的相接，由光学发射天线发出的平行激光光束通过发射端执行器调整射向接收端的光接收单元；主光学接收天线、副光学接收天线同时接收入射光束，入射光束通过主光学接收天线输出，主光学接收天线的输出端经收端传输介质和主滤光片接主检测器，主检测器、放大器、处理器、控制器、接收端执行器顺序串联连接；入射光束通过副光学接收天线输出，副光学接收天线的输出端经副滤光片接副检测器，副检测器的输出端接至放大比较器的输入端，放大比较器的输出端接处理器的输入端。副光学接收天线有多个，对称位于主光学接收天线边缘。主滤光片、副滤光片的尺寸适合主检测器、副检测器端面；位置处于检测器前端，具有窄带滤波特性仅允许限定激光通过。
自由空间光通信系统天线的定位与对准装置的定位与对准方法是入射光束入射主光学接收天线、副光学接收天线，通过收端传输介质、主滤光片进入主检测器，通过副滤光片进入副检测器；由主检测器、副检测器获得的信号量经后续放大器、放大比较器送处理器，由处理器获得的信息量，确定所述入射光束的空间位置并输出至显示指示电路给出入射光束偏差信息，同时处理器输出还通过控制器接接收端执行器，由接收端执行器调整光接收单元。技术要点是发射光束为所述载有信息的激光，光接收单元采用分离的多加一形式的检测方法，其中多个分离的副检测器用于对检测入射光接收单元光学天线上光束的位置和功率的判别；一个主检测器用于检测光载信号强度，根据检测到的光载信号强度变化校准入射光束在主光学接收天线焦平面上接收器在靶面的位置及角度，使主检测器的输出达到最大量。
在调校自由空间光通信系统天线的过程中，射向光接收单元的所述激光光束的截面积经扩束超过光接收单元通常的截面积，当所述光束射入光接收单元，光接收单元中的各检测器监视到的可测量为经滤光片后接收到光束的光功率或光信号强度。根据各个检测器上获得的量大小的差异和变化，通过各自的后续放大器、放大比较器变换后进入处理器，在处理器中入射光束的偏差很容易被推算出，处理器输出偏差信息量，显示指示电路以此实现偏差数据显示，偏差信息量可反馈至发送端，依照此偏差信息光发射单元能很快通过机械定位方式校准光束方向；光接收单元和主光学接收天线焦点上接收器的位置与角度亦能根据处理器输出偏差信息量大小差异和变化，经由控制器控制接收端执行器采用机电方式优化调校，直至主检测器输出量最大。
有益效果本发明采用的光检测器件为通用器件，无需定制。对于小型光接收单元副检测器的物理位置置于主光学接收天线外侧；对于大型光接收单元副检测器的物理位置既可置于光学天线汇聚光的光路上，也可置于光学接收天线外侧。以上所述的物理位置能避免或减少对接收光信息能量的损耗。同时，亦能增加对入射光束的搜索范围，进一步采用外设光检测单元可使对光束的搜索范围大幅增加，有利减少光学天线系统生产过程中对测量仪器的依赖，及现场光学天线系统的安装时间。
图1给出了在正常通信条件下，采用光学天线的光通信系统示意图，其中有平行光束101、光学发射天线102、发端传输介质103、载有信息的激光104、发射端执行器105、光接收单元106、入射光束101、副检测器109、主滤光片113、副滤光片108、副光学接收天线107、主光学接收天线111、放大比较器110、收端传输介质112、主检测器114、放大器115、处理器116、控制器117、显示指示电路118、接收端执行器119；图2为对准状态下的光接收单元及光束分布正视图，和载有信息的激光光束光强分布的高斯特性，其中有光束201、光功率高斯分布特性202、副光学接收天线203、主光学接收天线204；图3为未对准状态下的光接收单元及光束分布正视图，和载有信息的激光光束光强分布的高斯特性。
具体实施例方式
本发明的自由空间光通信系统天线的定位与对准装置包括用于自由空间光通信的发射载有信息的激光光束的光发射单元。
所述光发射单元包括载有信息的激光，用于自由空间通信信息载体；发端传输介质，用于传送所述激光至光学发射天线；光学发射天线，用于发射平行光束；发射端执行器，用于调整所述光束发射方向。
用于接收所述发射激光光束，以及根据激光光束强度特征，确定所述光束位置的光接收单元装置。
所述光接收单元包括多个光学接收天线，即主、副光学接收天线，用于汇聚所述接收到的激光光束；多片光学滤光片，用于仅允许所述激光光束通过；多个检测器，即主、副检测器，用于将入射的光信号转换为输出电信号量；多个或多路信号强度放大比较器，用于把所述各检测器的所述电信号量的强度放大处理后输出一个相对应的量；处理器用于处理各所述放大比较器输出量，获得所述光束分布量信息；显示指示电路用于显示光接收单元各部件工作状态；控制器用于控制接收端执行器；接收端执行器用于调整光接收单元姿态。
自由空间光通信系统天线的定位与对准装置由光发射单元和光接收单元构成；光发射单元包括载有信息的激光104、发端传输介质103、光学发射天线102、入射光束101、发射端执行器105；光接收单元包括副光学接收天线107、副滤光片108、副检测器109、放大比较器110、主光学接收天线111、收端传输介质112、主滤光片113、主检测器114、放大器115、处理器116、控制器117、显示指示电路118、接收端执行器119；载有信息的激光104通过发端传输介质103与光学发射天线102的相接，由光学发射天线102发出的平行激光光束101通过发射端执行器105调整射向接收端的光接收单元106；主光学接收天线111、副光学接收天线107同时接收入射光束101，入射光束101通过主光学接收天线111输出，主光学接收天线111的输出端经收端传输介质112和主滤光片113接主检测器114，主检测器114、放大器115、处理器116、控制器117、接收端执行器119顺序串联连接；入射光束101通过副光学接收天线107输出，副光学接收天线107的输出端经副滤光片108接副检测器109，副检测器109的输出端接至放大比较器110的输入端，放大比较器110的输出端接处理器116的输入端。副光学接收天线107有多个，对称位于主光学接收天线111边缘。主滤光片113、副滤光片108的尺寸适合主检测器114、副检测器109端面；位置处于检测器前端，具有窄带滤波特性仅允许限定激光通过。自由空间光通信系统天线的定位与对准的方法通常表现为自由空间光通信系统的校准工作流程图1给出载有信息的激光104经发端传输介质103由光学发射天线102处理后成平行光束101通过发射端执行器105调整射向系统的光接收单元106，光束101分别，经主光学接收天线116汇聚后，射入收端传输介质112并通过主滤波片113送至主检测器114，主检测器114完成光电转换处理后，将其信号量经放大器115放大后送至处理器116，经副光学接收天线107汇聚后通过副滤光片108射入副检测器109，副检测器109完成光电转换后，将其信号量接至放大比较器110的输入端，放大比较器110的输出端接处理器116的输入端，处理器116的输出端接显示指示电路118，以此获得光学天线状态指示信息，同时处理器116产生控制指令，控制指令经控制器117送至接收端执行器119，接收端执行器119调整光学天线姿态，使主检测器114信号输出量达到最大值，重复以上过程逐步完成校准工作。
图2为对准状态下主、副光学接收天线204、203及光束201分布正视图，和载有信息的激光光束光强分布的高斯特性202。入射光束101、经光学接收天线107汇聚，经主滤光片108，射入各副检测器109，入射的光功率为可预测量，副检测器109的输出量经放大比较器110后到得相对应的量，此量被送至处理器116。此时如果主光学接收天线111焦平面上收端传输介质112靶面位置及角度正确，主检测器114的输出量对应入射光束功率，经放大器115后产生最大信号强度信息量，此量被送至处理器116。依据光束201的功率分布特性202(图2)，处理器116无误差信号发出，控制器117无控制指令至接收端执行器119。同时，处理器116同时发出状态显示指令给显示指示电路118，显示光接收单元106各部件的工作状态。如果收端传输介质112在靶面的位置偏离焦平面，需根据检测器109、114输出信号强度的量，调整光接收单元106的姿态。首先，校准光接收单元106的角度(俯仰、旋转)方向，使各副检测器109输出量之间的误差处在允许范围内，且主检测器114输出信号强度指示达到最大值；然后，在XYZ轴方向变动收端传输介质112靶面位置，对收端传输介质112靶面的调整依据主检测器114输出信号量的变化，经处理器116得出误差信息经控制器117至接收端执行器119，由接收端执行器119对接收光路进行调整，最终使主检测器114输出指示信号量达到最大值。
图3为未对准状态下的主、副光学接收天线及光束分布正视图，和载有信息的激光光束光强分布的高斯特性。参照图2，第一步调整光接收单元，通过监视显示指示电路118的显示状态，使光束302按功率分布特性所达的一个或两个副检测器109输出指示信号量达到最大值；第二步通过反馈通路将控制信息送至图1中的发送端执行器105，由发送端执行器105调整光学发射天线102的角度(俯仰、旋转)方向，使各副检测器109接收到的光束功率基本相同，重复以上步骤，和第1条给出的步骤，直至主检测器114输出指示信号量达到最大值。
特别提出，处理器116对来自各检测器109、114输出信号量的特征进行分析，判别光学天线系统的当前工作状况，给出控制信号指令、系统状态显示。主要依据由于激光光束的光强分布为高斯特性，使各检测器获得的光功率特征为处于光束中心位置的主检测器输出的相对量应最强。
权利要求
1.一种自由空间光通信系统天线的定位与对准装置，其特征在于该装置由光发射单元和光接收单元构成；光发射单元包括载有信息的激光(104)、发端传输介质(103)、光学发射天线(102)、入射光束(101)、发射端执行器(105)；光接收单元包括副光学接收天线(107)、副滤光片(108)、副检测器(109)、放大比较器(110)、主光学接收天线(111)、收端传输介质(112)、主滤光片(113)、主检测器(114)、放大器(115)、处理器(116)、控制器(117)、显示指示电路(118)、接收端执行器(119)；载有信息的激光(104)通过发端传输介质(103)与光学发射天线(102)的相接，由光学发射天线(102)发出的平行激光光束(101)通过发射端执行器(105)调整射向接收端的光接收单元(106)；主光学接收天线(111)、副光学接收天线(107)同时接收入射光束(101)，入射光束(101)通过主光学接收天线(111)输出，主光学接收天线(111)的输出端经收端传输介质(112)和主滤光片(113)接主检测器(114)，主检测器(114)、放大器(115)、处理器(116)、控制器(117)、接收端执行器(119)顺序串联连接；入射光束(101)通过副光学接收天线(107)输出，副光学接收天线(107)的输出端经副滤光片(108)接副检测器(109)，副检测器(109)的输出端接至放大比较器(110)的输入端，放大比较器(110)的输出端接处理器(116)的输入端。
2.根据权利要求1所述的自由空间光通信系统天线的定位与对准装置，其特征在于副光学接收天线(107)有多个，对称位于主光学接收天线(111)边缘。
3.根据权利要求1所述的自由空间光通信系统天线的定位与对准装置，其特征在于主滤光片(113)、副滤光片(108)的尺寸适合主检测器(114)、副检测器(109)端面；位置处于检测器前端，具有窄带滤波特性仅允许限定激光通过。
4.一种如权利要求1所述的自由空间光通信系统天线的定位与对准装置的定位与对准方法，其特征在于入射光束(101)入射主光学接收天线(111)、副光学接收天线(107)，通过收端传输介质(112)、主滤光片(113)进入主检测器(114)，通过副滤光片(108)进入副检测器(109)；由主检测器(114)、副检测器(109)获得的信号量经后续放大器(115)、放大比较器(110)送处理器(116)，由处理器(116)获得的信息量，确定所述入射光束(101)的空间位置并输出至显示指示电路(118)给出入射光束(101)偏差信息，同时处理器(116)输出还通过控制器(117)接接收端执行器(119)，由接收端执行器(119)调整光接收单元。
全文摘要
自由空间光通信系统天线的定位与对准装置和方法，用于减少光学天线生产过程中对测量仪器的依赖，缩短现场光学天线安装的时间，利于提供光学天线动态跟踪。该装置由光发射单元和光接收单元构成；光发射单元包括载有信息的激光(104)、发端传输介质(103)、光学发射天线(102)、入射光束(101)、发射端执行器(105)光接收单元包括副光学接收天线(107)、副滤光片(108)、副检测器(109)、放大比较器(110)、主光学接收天线(111)、收端传输介质(112)、主滤光片(113)、主检测器(114)、放大器(115)、处理器(116)、控制器(117)、显示指示电路(118)、接收端执行器(119)。
文档编号G05D3/00GK1845474SQ20061003955
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者马正北, 钱晨, 徐宁, 胡骅 申请人:南京邮电大学