一種無需精確對(duì)準(zhǔn)的空間光通信系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無需精確對(duì)準(zhǔn)的空間光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光信號(hào)發(fā)射單元、光信號(hào)接收單元及將信號(hào)光束對(duì)準(zhǔn)光信號(hào)接收單元的瞄準(zhǔn)單元，所述瞄準(zhǔn)單元包括目標(biāo)位置標(biāo)記部分及發(fā)射角度調(diào)整部分，光信號(hào)發(fā)射單元固定于瞄準(zhǔn)單元發(fā)射角度調(diào)整部分，光信號(hào)接收單元靠近瞄準(zhǔn)單元的目標(biāo)位置標(biāo)記部分。本發(fā)明采用大發(fā)散角的激光光源，不使用光學(xué)接收鏡頭，而是令激光光斑直接覆蓋探測(cè)器靶面，從而極大地降低了對(duì)準(zhǔn)精度要求；采用多通道單光子探測(cè)器探測(cè)光信號(hào)，使接收靈敏度達(dá)到單光子水平，克服了大發(fā)散角激光和無光學(xué)接收裝置帶來的光損耗。
【專利說明】一種無需精確對(duì)準(zhǔn)的空間光通信系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光通信【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及基于單光子探測(cè)器自由空間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光通信方技術(shù)，尤其是一種無需精確對(duì)準(zhǔn)的空間光通信系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)單光子水平的遠(yuǎn)距離光通信。

【背景技術(shù)】
[0002]自由空間光通信又稱為無線光通信，是以光波作為信息載體在大氣和真空中傳遞信息的通信技術(shù)，又可以分為大氣光通信、衛(wèi)星間光通信和星地光通信。目前，自由空間光通信需要高精度的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，降低了遠(yuǎn)距離光通信的穩(wěn)定性和可靠性，增加了通信系統(tǒng)的復(fù)雜度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種無需精確對(duì)準(zhǔn)的空間光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用大發(fā)散角的激光光源，不使用光學(xué)接收鏡頭，而是令激光光斑直接覆蓋探測(cè)器靶面，從而極大地降低了對(duì)準(zhǔn)精度要求。本發(fā)明采用多通道單光子探測(cè)器探測(cè)光信號(hào)，使接收靈敏度達(dá)到單光子水平，克服了大發(fā)散角激光光源和無光學(xué)接收鏡頭帶來的光損耗。
[0004]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是:
一種無需精確對(duì)準(zhǔn)的空間光通信系統(tǒng)，特點(diǎn)是該通信系統(tǒng)包括光信號(hào)發(fā)射單元、光信號(hào)接收單元及將信號(hào)光束對(duì)準(zhǔn)光信號(hào)接收單元的瞄準(zhǔn)單元，所述瞄準(zhǔn)單元包括目標(biāo)位置標(biāo)記部分及發(fā)射角度調(diào)整部分，光信號(hào)發(fā)射單元固定于瞄準(zhǔn)單元發(fā)射角度調(diào)整部分，光信號(hào)接收單元靠近瞄準(zhǔn)單元的目標(biāo)位置標(biāo)記部分；其中:
所述光信號(hào)發(fā)射單元包括編碼模塊、激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊、激光器和光束準(zhǔn)直擴(kuò)束器，所需傳輸信息輸入編碼模塊，編碼模塊的輸出端連接激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊，激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊連接激光器，激光器的輸出連接光束準(zhǔn)直擴(kuò)束器，準(zhǔn)直擴(kuò)束器的激光輸出發(fā)射到空間中；
所述光信號(hào)接收單元包括濾光片、多通道單光子探測(cè)器、符合計(jì)數(shù)和解碼模塊、計(jì)算機(jī)，濾光片緊貼于多通道單光子探測(cè)器的靶面前方，多通道單光子探測(cè)器的多路輸出連接符合計(jì)數(shù)和解碼模塊，多通道單光子探測(cè)器的靶面面向激光出射方向；
所述瞄準(zhǔn)單元包括發(fā)射角度調(diào)整部分及目標(biāo)位置標(biāo)記部分，發(fā)射角度調(diào)整部分包括CXD鏡頭、CXD或CMOS相機(jī)、電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)及反饋控制模塊，所述CXD鏡頭固定在CXD或CMOS相機(jī)感光面前端，CCD或CMOS相機(jī)的輸出連接反饋控制模塊，反饋控制模塊的輸出連接電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)，CCD鏡頭、CCD或CMOS相機(jī)固定在電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)上；目標(biāo)位置標(biāo)記部分包括位置標(biāo)記光源和位置標(biāo)記光源驅(qū)動(dòng)模塊，位置標(biāo)記光源靠近光信號(hào)接收單元，并連接位置標(biāo)記光源驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生標(biāo)記光信號(hào)；CCD或CMOS相機(jī)捕捉位置標(biāo)記光源位置即光信號(hào)接收單元位置，并通過反饋控制模塊控制電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)的左右俯仰角度，以將光信號(hào)發(fā)射單元的輸出光斑覆蓋到光信號(hào)接收單元。
[0005]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
I)采用大發(fā)散角發(fā)射光束，無鏡頭的多通道單光子探測(cè)器，極大地降低了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光束對(duì)準(zhǔn)精度，與當(dāng)前的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光通信系統(tǒng)比較，對(duì)準(zhǔn)精度可降低I個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
[0006]2 )采用多通道單光子探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了單光子水平的超高靈敏度探測(cè)，彌補(bǔ)了因采用大發(fā)散角發(fā)射光束和接收端不配備鏡頭帶來的光損耗，確保遠(yuǎn)距離通信能力；多通道單光子探測(cè)器結(jié)合多路單光子符合計(jì)數(shù)，有效抑制了背景干擾，降低通信誤碼率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明多通道單光子探測(cè)器探測(cè)靶面空間分布圖；
圖3為編碼、解碼過程的波形示意圖。

【具體實(shí)施方式】
實(shí)施例
[0008]參閱圖1，本發(fā)明包括光信號(hào)發(fā)射單元A、光信號(hào)接收單元B及將信號(hào)光束對(duì)準(zhǔn)光信號(hào)接收單元的瞄準(zhǔn)單元C ;所述光信號(hào)發(fā)射單元A包括編碼模塊1、激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊
2、850nm激光器3和光束準(zhǔn)直擴(kuò)束器4 ;其中編碼模塊I由高速FPGA板卡構(gòu)成，將所需傳送的數(shù)據(jù)信息編碼成數(shù)字脈沖序列，時(shí)鐘頻率為2 MHz ;數(shù)字脈沖序列觸發(fā)激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊2，驅(qū)動(dòng)850nm激光器3產(chǎn)生光脈沖序列，850nm激光器3為光纖耦合的VCSEL激光器，出射光脈沖經(jīng)過光纖直接進(jìn)入光纖耦合的光束準(zhǔn)直擴(kuò)束器4，得到發(fā)散角為0.015°的發(fā)射光束，單個(gè)脈沖激光的功率為6*10_12J，每個(gè)脈沖所含的光子數(shù)為2.5*107個(gè)。整個(gè)光信號(hào)發(fā)射單元A的所有器件全部固定在瞄準(zhǔn)單元C的電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)12上。
[0009]所述光信號(hào)接收單元B包括850nm濾光片5，四通道Si APD單光子探測(cè)器6、四路符合計(jì)數(shù)和解碼模塊7、計(jì)算機(jī)8。其中四通道Si AH)單光子探測(cè)器6的探測(cè)靶面空間分布如圖2所示，Si APD靶面直徑0.5mm，平面玻璃窗口直徑2.54mm，靶面距玻璃窗口的距離為
1.17mm，最大接收角為113°，四通道探頭之間間距為5.5mm，在850nm波段探測(cè)效率為30%，暗計(jì)數(shù)30k ;四路符合計(jì)數(shù)和解碼模塊7基于一塊高速FPGA板卡，首先實(shí)時(shí)記錄四通道SiAPD單光子探測(cè)器6的計(jì)數(shù)脈沖，通過與門操作得到四路單光子探測(cè)的符合計(jì)數(shù)，符合計(jì)數(shù)結(jié)果為數(shù)字脈沖序列，通過解碼操作得到最終數(shù)據(jù)，通過USB接口傳送到計(jì)算機(jī)8。其中，四通道Si AH)單光子探測(cè)器6不配鏡頭，從而使接收角度超過100度，光信號(hào)接收單元B在較大姿態(tài)(左右旋轉(zhuǎn)角度和上下俯仰角度)變化范圍內(nèi)都不會(huì)影響探測(cè)器接收光信號(hào)；四通道Si AH)單光子探測(cè)器6的多路計(jì)數(shù)脈沖送入高速FPGA板卡，經(jīng)過符合分析和運(yùn)算提取數(shù)據(jù)信號(hào)，分析運(yùn)算過程將相同時(shí)刻四路單光子探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到光子定義為1，僅有個(gè)別路單光子探測(cè)器探測(cè)到光子定義為0，因?yàn)楸尘霸肼曤S機(jī)分布，而光信號(hào)集中分布在脈沖寬度內(nèi)，通過符合計(jì)數(shù)方法可以有效避免背景干擾；最后符合計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼后生成數(shù)據(jù)，經(jīng)USB接口由FPGA送入計(jì)算機(jī)8。
[0010]本發(fā)明的瞄準(zhǔn)單元包括位置標(biāo)記光源13、標(biāo)記光源驅(qū)動(dòng)模塊14、CXD鏡頭9、CXD(或CMOS)相機(jī)10、電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)12和反饋控制模塊11，其中，位置標(biāo)記光源13為高亮LED，反饋控制模塊11由計(jì)算機(jī)及控制程序組成。位置標(biāo)記光源13安裝在靠近光信號(hào)接收單元B的位置，CXD (或CMOS)相機(jī)10安裝在發(fā)射端靠近光束準(zhǔn)直擴(kuò)束器4，電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)12支撐整個(gè)光信號(hào)發(fā)射單元A。其中CXD (或CMOS)相機(jī)監(jiān)測(cè)到位置標(biāo)記光源13，將位置標(biāo)記光源13所在位置的圖像信息送入反饋控制模塊11，反饋控制模塊11解析位置標(biāo)記光源13位置，控制電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)令光信號(hào)發(fā)射單元A的激光輸出瞄準(zhǔn)光信號(hào)接收單元B，使得光信號(hào)接收單元B的多通道單光子探測(cè)器6的探測(cè)靶面盡量處于光斑中心。
[0011]本發(fā)明整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行包含兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分:通信部分和瞄準(zhǔn)部分。通信部分由光信號(hào)發(fā)射單元A和光信號(hào)接受單元B完成，瞄準(zhǔn)部分由瞄準(zhǔn)單元C完成。具體運(yùn)行流程如下:
通信部分:可實(shí)現(xiàn)異步通信，即發(fā)射和接收無需傳送時(shí)鐘信號(hào)。光信號(hào)發(fā)射單元A首先通過編碼模塊將所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖序列，通過激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊2和激光器3，最終產(chǎn)生激光脈沖序列。光信號(hào)接收單元B首先通過四通道Si AH)單光子探測(cè)器6探測(cè)光信號(hào)，得到的四路計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)由FPGA板卡采集并且進(jìn)行與門符合計(jì)數(shù)操作，最后通過解碼操作將脈沖序列轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)上傳給計(jì)算機(jī)8。上述過程的波形示意如圖3所示。時(shí)鐘頻率2 MHz，出射光束單脈沖能量，通信距離1km，到達(dá)接收端光斑直徑52cm，每個(gè)通道單光子探測(cè)器的靶面直徑為0.5 _，入射到霸面的每脈沖平均光子數(shù)為30，探測(cè)效率30%，探測(cè)到光子的概率99.998%，四通道單光子探測(cè)器6同時(shí)探測(cè)到光子的概率99.992%，背景計(jì)數(shù)30k，四通道同時(shí)探測(cè)到背景計(jì)數(shù)概率為6.5*10_13，以上系統(tǒng)得到直接成碼率為99.992%，誤碼率 6.5*1(Γ13ο
[0012]目苗準(zhǔn)部分:光信號(hào)接收單元B—側(cè)設(shè)置位置標(biāo)記光源13，該光源為LED發(fā)射點(diǎn)光源，在發(fā)射端一側(cè)CCD (或CMOS)相機(jī)監(jiān)測(cè)到LED光源位置，上傳給反饋控制模塊11的計(jì)算機(jī)，通過反饋控制程序驅(qū)動(dòng)電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)12，實(shí)時(shí)將點(diǎn)光源位置控制在CCD (或CMOS)相機(jī)視場中心。采用的電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)精度0.01’，發(fā)射光束發(fā)散角0.015°，瞄準(zhǔn)單元的控制精度只需達(dá)到0.02°，就可以確保光斑始終覆蓋四通道Si AH)單光子探測(cè)器6，并且探測(cè)器的接收視場達(dá)到113°，接收端無需額外的姿態(tài)控制。對(duì)于瞄準(zhǔn)部分，瞄準(zhǔn)精度只需達(dá)到0.02°，而目前傳統(tǒng)激光通信的精度要達(dá)到10_8度級(jí)別，大大降低了精度要求。
【權(quán)利要求】
1.一種無需精確對(duì)準(zhǔn)的空間光通信系統(tǒng)，其特征在于:所述通信系統(tǒng)包括光信號(hào)發(fā)射單元、光信號(hào)接收單元及將信號(hào)光束對(duì)準(zhǔn)光信號(hào)接收單元的瞄準(zhǔn)單元，所述瞄準(zhǔn)單元包括目標(biāo)位置標(biāo)記部分及發(fā)射角度調(diào)整部分，光信號(hào)發(fā)射單元固定于瞄準(zhǔn)單元發(fā)射角度調(diào)整部分，光信號(hào)接收單元靠近瞄準(zhǔn)單元的目標(biāo)位置標(biāo)記部分；其中:所述光信號(hào)發(fā)射單元包括編碼模塊、激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊、激光器和光束準(zhǔn)直擴(kuò)束器，所需傳輸信息輸入編碼模塊，編碼模塊的輸出端連接激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊，激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊連接激光器，激光器的輸出連接光束準(zhǔn)直擴(kuò)束器，準(zhǔn)直擴(kuò)束器的激光輸出發(fā)射到空間中；所述光信號(hào)接收單元包括濾光片、多通道單光子探測(cè)器、符合計(jì)數(shù)和解碼模塊、計(jì)算機(jī)，濾光片緊貼于多通道單光子探測(cè)器的靶面前方，多通道單光子探測(cè)器的多路輸出連接符合計(jì)數(shù)和解碼模塊，多通道單光子探測(cè)器的靶面面向激光出射方向；所述瞄準(zhǔn)單元包括發(fā)射角度調(diào)整部分及目標(biāo)位置標(biāo)記部分，發(fā)射角度調(diào)整部分包括CCD鏡頭、CCD或CMOS相機(jī)、電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)及反饋控制模塊，所述CCD鏡頭固定在CCD或CMOS相機(jī)感光面前端，CCD或CMOS相機(jī)的輸出連接反饋控制模塊，反饋控制模塊的輸出連接電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)，CCD鏡頭、CCD或CMOS相機(jī)固定在電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)上；目標(biāo)位置標(biāo)記部分包括位置標(biāo)記光源和位置標(biāo)記光源驅(qū)動(dòng)模塊，位置標(biāo)記光源靠近光信號(hào)接收單元，并連接位置標(biāo)記光源驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生標(biāo)記光信號(hào)；CCD或CMOS相機(jī)捕捉位置標(biāo)記光源位置即光信號(hào)接收單元位置，并通過反饋控制模塊控制電控轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)的左右俯仰角度，以將光信號(hào)發(fā)射單元的輸出光斑覆蓋到光信號(hào)接收單元。
【文檔編號(hào)】H04B10/11GK104467953SQ201410597053
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】吳光, 師亞帆, 馮百成, 鮑澤宇, 李召輝, 杜秉承, 顏佩琴 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)