一种非直视自由空间光通信的对准装置及其对准方法与流程

本发明属于通信方法技术领域，涉及一种非直视自由空间光通信的对准装置，还涉及上述对准装置的对准方法。

背景技术：

自由空间光通信，是一种以激光作为信息载体，可实现对数据、语音和视频等大数据量业务进行高速、实时传输的通信方式。它结合了光纤通信和其他无线通信方式的特点，具有频谱宽、通信容量大、潜在通信速率高、抗干扰性高、保密性好、无线尺寸小、重量轻、结构简单等优点。然而，对于自由空间光通信，建立通信的前提条件为通信两端在无遮挡的情况下实现光束的完全对准。而在城市内楼宇之间寻找远距离无遮挡的可直视链路并非容易，同时对于远距离的通信，光束的对准通常需花费大量的时间才能够建立起链路，并且由于光束漂移、光强闪烁、到达角起伏等因素会直接影响空间激光通信的性能，严重时可能会使得通信中断，所以，非直视自由空间的通信链路建立比较困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种非直视自由空间光通信的对准装置，能实现非直视自由空间的激光通信。

本发明所采用的技术方案是，一种非直视自由空间光通信的对准装置，包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的激光器、强度调制器、光纤放大器、发射天线，强度调制器还连接有信号源，发射天线底部设置有用于光束瞄准的二维瞄准平台，二维瞄准平台依次连接有第一计算机、第一通信模块；

接收端包括依次连接的光束传感器、第二计算机、第二通信模块，第二通信模块与第一通信模块连接；还包括有依次连接的二维反射镜、接收天线、分光系统，分光系统与光束传感器连接，二维反射镜连接有用于控制其转动的电机控制器，电机控制器与第二计算机连接；分光系统还连接有光电探测器、示波器。

本发明的特点还在于：

分光系统包括分光镜，分光镜分别连接有第一聚焦透镜、第二聚焦透镜，第一聚焦透镜与光束传感器连接，第二聚焦透镜与光电探测器。

光束传感器为红外相机。

本发明的另一目的是提供一种非直视自由空间光通信的对准方法。

本发明所采用的另一技术方案是，一种非直视自由空间光通信的对准方法，采用上述的非直视自由空间光通信对准的装置，包括以下步骤：

步骤1、信号源发出的信源信息以方波电信号的形式加载到强度调制器，对激光器发出的激光信号进行强度外调制，得到调制信号；

步骤2、调制信号通过光纤放大器放大后，通过发射天线进行发射；

步骤3、光束传感器捕获发射天线发射的光束，并提取光斑反馈给第二计算机，第二计算机对光斑进行处理，同时通过第一计算机对二维瞄准平台进行调整，直至光斑达到最亮，完成光束的粗对准；

步骤4、发射天线发射粗对准后的光束依次经过二维反射镜、接收天线、分光系统后，在光束传感器上进行成像；

步骤5、光束传感器对成像信息进行质心的提取，并通过第二计算机处理后反馈至电机控制器，电机控制器对二维反射镜进行调整，实现光束的精对准；

步骤6、光束的精对准完成后，发射天线发射的光束依次经过二维反射镜、接收天线、分光系统、光电探测器后，通过示波器输出信号波形，完成通信。

步骤3的具体步骤如下：

步骤3.1、光束传感器捕获发射天线发射的光束，并提取光斑反馈给第二计算机，第二计算机对光斑信息进行存储，同时通过第一计算机对二维瞄准平台进行随机调整；

步骤3.2、光束传感器捕获并提取调整后的光斑反馈给第二计算机，第二计算机将当前时刻光斑与上一时刻光斑进行对比，若该时刻的光斑大于上一时刻的光斑，则按照上述步骤对二维瞄准平台进行下一次调整；若该时刻的光斑小于上一时刻的光斑，则对二维瞄准平台进行反向调整；

步骤3.3、重复步骤3.1-3.2，直至光斑达到最亮，完成光束的粗对准。

步骤6的具体过程如下：

光束传感器对成像信息进行质心的提取，第二计算机对质心采用边缘提取、圆域拟合算法计算得到当前时刻光斑所处的位置(xc,yc)，并将光束传感器的中心位置坐标记为(x0,y0)，则当前时刻光斑所处的位置与光束传感器中心位置的x、y方向的偏移量为(xc-x0,yc-y0)，将偏移量为(xc-x0,yc-y0)输入电机控制器对二维反射镜进行调整，实现光束的精对准。

本发明的有益效果是：

本发明的一种非直视自由空间光通信的对准装置，通过光束传感器对位置偏移量进行反馈，电机控制器对二维反射镜进行对应位置调整，位于透射式一路的第二聚焦透镜在焦平面上的光斑经调整即可完全照射到光电探测器表面；光电探测器对已调制的光信号进行检测，通过示波器直接观测得到实际的输出波形，从而完成非直视空间的激光通信；本发明的一种非直视自由空间光通信的对准方法，能实现非直视自由空间的快速粗对准和精对准，解决了传统激光通信点对点通信链路建立困难的问题。

附图说明

图1是本发明一种非直视自由空间光通信的对准装置的结构示意图；

图2是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法调制后的信号波形图；

图3是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法的对准过程中的光束成像图；

图4是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法对准后的光斑图像；

图5a是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中第一种湍流情况下红外相机光斑成像图；

图5b是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中第二种湍流情况下红外相机光斑成像图；

图5c是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中第三种湍流情况下红外相机光斑成像图；

图6a是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中x方向具有第一种偏差情况下的未对准光斑；

图6b是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中x方向具有第二种偏差情况下的未对准光斑；

图6c是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中x方向具有第三种偏差情况下的未对准光斑；

图7a是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中y方向具有第一种偏差情况下的未对准光斑；

图7b是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中y方向具有第二种偏差情况下的未对准光斑；

图7c是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中y方向具有第三种偏差情况下的未对准光斑；

图8是本发明一种非直视自由空间光通信的对准方法中电机控制器的算法原理图。

图中，1.激光器，2.强度调制器，3.光纤放大器，4.发射天线，5.信号源，6.二维瞄准平台，7.第一通信模块，8.第一计算机，9.光束传感器，10.第二计算机，11.第二通信模块，12.二维反射镜，13.接收天线，14.分光镜，15.第一聚焦透镜，16.第二聚焦透镜，17.光电探测器，18.示波器，19.电机控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种非直视自由空间光通信的对准装置，如图1所示，包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的激光器1、强度调制器2、光纤放大器3、发射天线4，强度调制器2还连接有信号源5，信号源5通过产生方波信号，以电信息的形式加载到强度调制器2，采用外调制的方式，通过改变调制器内部铌酸锂晶体的电光特性，从而改变输出光信号的强度，因此可以将信源直接加载到光信号的强度，以完成信号的调制。发射天线4底部设置有用于光束瞄准的二维瞄准平台6，二维瞄准平台6依次连接有第一计算机8、第一通信模块7；激光器1、强度调制器2、光纤放大器3、发射天线4之间采用光纤连接，信号源5与强度调制器2采用射频线连接。

接收端包括依次连接的光束传感器9、第二计算机10、第二通信模块11，光束传感器9为红外相机。第二通信模块11与第一通信模块7之间采用信号数据线连接；第一通信模块7、第二通信模块11均为gsm模块。还包括有依次连接的二维反射镜12、接收天线13、分光系统，分光系统与光束传感器9连接，二维反射镜12连接有用于控制其转动的电机控制器19，电机控制器19与第二计算机10连接；分光系统还连接有光电探测器17、示波器18。光束传感器9、第二计算机10、第二通信模块11、电机控制器19之间采用信号数据线连接，光电探测器17、示波器18采用射频线连接。

分光系统包括分光镜14，分光镜14分别连接有第一聚焦透镜15、第二聚焦透镜16，第一聚焦透镜15与光束传感器9连接，第二聚焦透镜16与光电探测器17。

一种非直视自由空间光通信的对准方法，采用上述非直视自由空间光通信对准的装置，包括以下步骤：

步骤1、信号源5发出的信源信息以方波电信号的形式加载到强度调制器2，对激光器1发出的激光信号进行强度外调制，得到调制信号，如图2所示；

步骤2、调制信号通过光纤放大器3放大后，通过发射天线4进行发射；

步骤3、光束传感器9捕获发射天线4发射的光束，并提取光斑反馈给第二计算机10，第二计算机10对光斑进行处理，同时通过第一计算机20对二维瞄准平台6进行调整，直至光斑达到最亮，完成光束的粗对准；

步骤3.1、光束传感器9捕获发射天线4发射的光束，并提取光斑反馈给第二计算机10，第二计算机10对光斑信息进行存储，记为光斑1，同时通过第二通信模块11、第一通信模块7向第一计算机20发送信号，第一计算机20对二维瞄准平台6进行随机调整；

步骤3.2、光束传感器9捕获并提取调整后的光斑反馈给第二计算机10，记为光斑2，第二计算机10将当前时刻的光斑2与上一时刻的光斑1进行对比，若光斑2大于光斑1，则按照上述步骤对二维瞄准平台6进行下一次调整；若光斑2小于光斑1，则对二维瞄准平台6进行反向调整；

步骤3.3、重复步骤3.1-3.2，直至光斑达到最亮，完成光束的粗对准。

步骤4、发射天线4发射粗对准后的光束依次经过二维反射镜12、接收天线13、分光镜14、第一聚焦透镜15后，在光束传感器9上进行成像，如图3所示；

步骤5、光束传感器9对成像信息进行质心的提取，并通过第二计算机10处理后反馈至电机控制器19，电机控制器19对二维反射镜12进行调整，实现光束的精对准，如图4所示；

步骤6、光束的精对准完成后，发射天线4发射的光束依次经过二维反射镜12、接收天线13、分光镜14、第二聚焦透镜16、光电探测器17后，通过示波器18输出信号波形，完成通信；

由于受大气湍流的影响，激光经远距离传输后会产生波前畸变，因此位于光束焦平面的红外相机在成像时并非规整的圆形光斑。如图5a-5c所示为不同湍流情况下在位于焦平面在红外相机所成的像，随着湍流强度的增强，成像所呈现出的不规整性更为明显。故而要对光束传感器9上的光斑进行处理。

具体的，光束传感器9对成像信息进行质心的提取，如图6a-6c及图7a-7c所示，红点代表红外相机的位置中心，第二计算机10对质心采用边缘提取、圆域拟合算法计算得到当前时刻光斑所处的位置(xc,yc)，并将光束传感器9的中心位置坐标记为(x0,y0)，则当前时刻光斑所处的位置与光束传感器9中心位置的x、y方向的偏移量为(xc-x0,yc-y0)，将偏移量为(xc-x0,yc-y0)输入电机控制器19对二维反射镜12进行调整，实现光束的精对准。电机控制器19的对准算法原理如图8所示。

通过以上方式，本发明的一种非直视自由空间光通信的对准装置，通过光束传感器对位置偏移量进行反馈，电机控制器对二维反射镜进行对应位置调整，位于透射式一路的第二聚焦透镜在焦平面上的光斑经调整即可完全照射到光电探测器表面；光电探测器对已调制的光信号进行检测，通过示波器直接观测得到实际的输出波形，从而完成非直视空间的激光通信；本发明的一种非直视自由空间光通信的对准方法，能实现非直视自由空间的快速粗对准和精对准，解决了传统激光通信点对点通信链路建立困难的问题。