專利名稱：移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通信技術領域，涉及大氣激光通信技術，具體地說是一種移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備，適用于移動大氣激光通信系統(tǒng)。
背景技術：
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或無線光通信WirelessOptical Communication，是近年來出現(xiàn)的通信熱點。
就目前的系統(tǒng)而言，地面大氣激光通信系統(tǒng)均為定點通信系統(tǒng)，經(jīng)收發(fā)雙方人工對準后方可進行通信，應用范圍大大受到限制。隨著大氣激光通信系統(tǒng)應用范圍的不斷擴展，系統(tǒng)能夠進行移動中通信日益為人們所看重。移動大氣激光通信系統(tǒng)不僅要具有較大范圍的自動瞄準跟蹤功能，而且應具有自動捕獲信標光的功能。對傳輸空間中信標光光束的捕獲、瞄準和跟蹤技術，又稱APT技術，是大氣激光通信系統(tǒng)研究者和生產(chǎn)商們都開始積極涉足的領域。用于地面對衛(wèi)星以及衛(wèi)星對衛(wèi)星之間的空間光通信系統(tǒng)均有捕獲、瞄準、跟蹤APT功能，但其信號光和信標光選用不同的波長，如美國的STRV-2系統(tǒng)信標光和信號光分別為810nm和852nm，美國的SILEX系統(tǒng)信標光和信號光分別為797nm和853nm，德國的SOLACOS系統(tǒng)信標光和信號光分別為810nm和1064nm，日本的LCE系統(tǒng)信標光和信號光分別為510nm和830nm。信標光和信號光的波長不同所帶來的突出問題是信標光和信號光互為干擾。在捕獲跟蹤系統(tǒng)探測信標光時需要濾除信號光的干擾，與此同時，信息傳輸系統(tǒng)在探測信號光時也必需濾除信標光的干擾，為了解決這些干擾必然要增加系統(tǒng)設計的復雜性，使系統(tǒng)的造價、成本明顯提高。
此外，大多數(shù)的信標光收發(fā)設備均采用單發(fā)單收的方式，即發(fā)射端發(fā)射單個信標光束，接收端用一個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，同時因技術原因使透射式天線的面積難以做大，所以信標光收發(fā)雙方之間的通信距離很難提高。目前用于提高通信信號光收發(fā)距離的多發(fā)多收模式又不能照搬到信標光的收發(fā)設備中，原因如下多發(fā)多收，即發(fā)射端同時發(fā)射多個相同的光束，接收端用多個接收天線接收，然后把收到的多路光合并成一路光再進行檢測。多路光合并的操作必須借助光纖來完成，即把各路光分別耦合進各自對應的光纖中，然后再把這幾個光纖里的光合并到一根光纖中，并最終送到信號探測器處。生產(chǎn)大氣激光系統(tǒng)的龍頭企業(yè)美國的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)點是可以在滿足人眼安全要求的條件下適當?shù)脑黾影l(fā)射功率，且采用多個接收天線增大了接收面積。但其缺點是光纖中的光失去了其發(fā)射源的位置信息，對于信標光而言，失去其發(fā)射源的位置信息，就會變的毫無用處了。顯然，信標光的收發(fā)不宜采用多發(fā)多收的方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備，以消除移動大氣激光通信系統(tǒng)信標光和通信信號光之間的相互干擾、并在滿足人眼安全的條件下，提高信標光收發(fā)雙方之間的通信距離。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明由信標光發(fā)射裝置和信標光接收裝置組成，信標光發(fā)射裝置包括通信信號源和信標光發(fā)射器，幾個完全相同的信標光發(fā)射器在發(fā)射端面上均勻的配置在同一個圓周上，它們的軸線互相平行，信標光發(fā)射器的數(shù)量根據(jù)通信距離、發(fā)射功率和對人體的安全系數(shù)要求來確定。通信信號源產(chǎn)生的電信號傳送給信標光發(fā)射器，信標光發(fā)射器把用電信號調(diào)制過的信標光發(fā)送出去。信標光波長與用于通信的信號光波長相同，各信標光光束與信號光光束的軸線均平行，信標光光束的發(fā)散角大于信號光光束的發(fā)散角。信標光接收裝置包括信標光接收天線、信標光檢測器件、分束鏡和信號光檢測器，根據(jù)激光束的準直性質(zhì)、聚焦性質(zhì)以及光線對介質(zhì)的透射和反射性質(zhì)把各器件聯(lián)接固定成為一體。信標光接收天線采用的是一個大口徑的反射式天線，既接收信標光信號，又接收信號光信號。信標光接收裝置安裝在信標光發(fā)射裝置的內(nèi)側(cè)，信標光發(fā)射器和信標光接收天線的發(fā)射與接收端面布局在同一平面上。該信標光發(fā)射和接收裝置采用的是多發(fā)一收的結構和工作模式。
上述的移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備，所說的分束鏡，它是采用按功率比分光，而不是按波長分光的分光鏡，把信號光和信標光分離開。即對信標光接收天線傳來的光信號，它一方面讓透過它的信標光到達信標光檢測器件，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光檢測器件上，給出信標光所攜帶的通信信號。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果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，這幾個光束在較遠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對人眼造成傷害。多個發(fā)射光束還帶來其他好處，比如減小了障礙物的影響，如鳥飛過等，降低了閃爍的影響。
②信標光和通信信號光波長相同且攜帶的信息也相同，降低了對接收器濾波性能的要求，使接收器的設計簡單化；信標光對于信號光而言，不僅不是干擾，反而是信號光的補充，信號探測器所接收到的信號功率是信標光和信號光在接收機處功率的疊加，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；在整個大氣激光通信系統(tǒng)的設計過程中，對大氣媒質(zhì)影響激光傳播的研究，對特定波長處信道參數(shù)的測試，以及對各信道設備的選擇都大為簡化只考慮一個波長處的情況即可；此外，不用要求信號光和信標光公共光路上的光學器件的消色差性能，簡化了這些光學器件的設計。
③采用單個大口徑反射式天線接收信標光在增強接收效果的前提下，保證信標光所攜帶的發(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現(xiàn)，比如鋁，這樣的天線不易變形，且整個天線的熱力效應是一致的，不易受溫度變化的影響。同時，也降低了系統(tǒng)的造價和成本。
④接收端用同一個接收天線來接收信標光和信號光可以減小通信雙方的對準誤差，同時也使資源得到了充分利用。


圖1是本發(fā)明的組成結構示意2是本發(fā)明應用場景的信標光傳播的結構示意3是本發(fā)明信標光發(fā)射裝置組成結構示意4是本發(fā)明信標光接收裝置組成結構示意5是從本發(fā)明的收發(fā)端面上看，信標光發(fā)射裝置和信標光接收裝置的組合示意6是本發(fā)明的信標光到達接收裝置時的光斑形狀示意圖具體實施方式
參照圖1，它是本發(fā)明的組成結構示意圖，本發(fā)明由信標光發(fā)射裝置和信標光接收裝置組成，信標光發(fā)射裝置包括通信信號源1和信標光發(fā)射器4，幾個完全相同的信標光發(fā)射器4均勻的配置在同一個圓周上，并分別固定在圓柱形封裝殼9的發(fā)射/接收端面上預設的幾個發(fā)射孔中，通信信號源1產(chǎn)生的電信號傳送給各信標光發(fā)射器4，各信標光發(fā)射器4把用電信號調(diào)制過的信標光發(fā)送出去。信標光接收裝置包括信標光接收天線5、信標光檢測器件6、分束鏡7和信號光檢測器8，根據(jù)激光束的準直性質(zhì)、聚焦性質(zhì)以及光線對介質(zhì)的透射和反射性質(zhì)確定各器件的相對位置，然后將天線固定在圓柱形封裝殼9的發(fā)射/接收端面上預設的接收孔中，將信標光檢測器件6、分束鏡7和信號光檢測器8安裝固定在封裝殼9內(nèi)預設的支架上。信標光接收裝置安裝在信標光發(fā)射裝置的內(nèi)側(cè)，信標光發(fā)射器4和信標光接收天線5的發(fā)射與接收端面布局在同一平面上。
參照圖2，它是本發(fā)明應用場景的信標光傳播的結構示意圖。在移動大氣激光通信的發(fā)射端和接收端各放置一個移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備，發(fā)射端的移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備發(fā)出信標光信號后，經(jīng)空間傳播到達接收端，經(jīng)信標光接收天線5接收聚焦后分成兩路，一路到達信標光檢測器件6處，給出發(fā)送方的位置信息，另一路到達信號光檢測器8處，給出信標光所攜帶的通信信號。在通信過程中，接收端的移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備，也要發(fā)出信標光信號到發(fā)送端，以調(diào)整兩端信標光收發(fā)設備的瞄準方位。
參照圖3，它是本發(fā)明信標光發(fā)射裝置組成結構示意圖，該裝置包括通信信號源1和信標光發(fā)射器4。信標光發(fā)射器4又由信標激光器2和激光擴束器3組成。通信信號源1產(chǎn)生的電信號，用信號線連至信標光激光器2的信號調(diào)制接口，用電信號對信標光進行調(diào)制，調(diào)制后的信標光經(jīng)擴束器3擴束后發(fā)射出去。
參照圖4，它是本發(fā)明信標光接收裝置組成結構示意圖，它包括信標光接收天線5、信標光檢測器件6、分束鏡7和信號光檢測器8。信標光接收天線5采用的是一個大口徑的反射式天線，安裝在接收裝置的端面處。信標光檢測器件6置于信標光接收天線5的焦平面處，分束鏡7置于信標光接收天線5與信標光檢測器件6之間且靠近信標光檢測器件6的位置，它一方面讓透過它的信標光到達信標光檢測器件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光檢測器件8上，給出信標光所攜帶的通信信號，分光的比例由通信信號光檢測器件8的靈敏度Ss和信標光檢測器件6的靈敏度Sb確定。
參照圖5，它是從本發(fā)明的收發(fā)端面上，向其內(nèi)部看去，信標光發(fā)射裝置和信標光接收裝置的組合示意圖。從圖中可以看出，該信標光發(fā)射和接收裝置采用的是多發(fā)一收的結構和工作模式，這里看到的是信標光發(fā)射裝置的信標光發(fā)射器4和信標光接收裝置的信標光接收天線5，信標光發(fā)射器4圍繞在信標光接收天線5外側(cè)，均勻地分布在同一個圓周上，信標光發(fā)射器4的數(shù)量根據(jù)通信距離、發(fā)射功率和對人體的安全系數(shù)要求來確定。信標光發(fā)射器4的數(shù)量計算的依據(jù)是確定移動大氣激光通信系統(tǒng)的通信距離L，通信波長λ，通信的信息速率Rb，通信信號光檢測器件的靈敏度Ss，信標光檢測器件的靈敏度Sb，信標光收發(fā)雙方的初始狀態(tài)時的掃描方式ψ，信標接收方從初始狀態(tài)到捕獲到發(fā)送方發(fā)射的信標光所需要的時間T。根據(jù)掃描方式ψ和捕獲時間T可以計算出所需的信標光光束的發(fā)散角ωb，同時信標光接收設備的接收視場角Fb的大小也取為ωb。根據(jù)系統(tǒng)的通信距離L，信標光光束的發(fā)散角ωb，信標位置檢測器件的靈敏度Sb，大氣的衰減這四個參數(shù)就可以得出所需要的信標光發(fā)射功率Pt，Pt的值通常比較大，用一束光發(fā)射將會傷害人眼，根據(jù)人眼安全標準選擇光束的個數(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。
參照圖6，它是本發(fā)明的信標光到達接收裝置時的光斑形狀示意圖，它顯示了各信標光發(fā)射器4發(fā)出的信標光在接收處，很好的疊加在一起，起到了在滿足人眼安全的條件下，成倍的增加信標光發(fā)射功率的作用。
權利要求
1.一種移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備，包括信標光發(fā)射裝置和信標光接收裝置，信標光發(fā)射裝置由通信信號源(1)和信標發(fā)射器(4)組成，信標光接收裝置包括信標光接收天線(5)、信標光檢測器件(6)、分束鏡(7)和信號光檢測器(8)，根據(jù)激光束的準直性質(zhì)、聚焦性質(zhì)以及光線對介質(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完全相同的信標光發(fā)射器(4)在發(fā)射端面上均勻的配置在同一個圓周上，它們的軸線互相平行，信標光發(fā)射器(4)的數(shù)量根據(jù)通信距離、發(fā)射功率和對人體的安全系數(shù)要求來確定；通信信號源(1)產(chǎn)生的電信號傳送給各信標光發(fā)射器(4)，各信標光發(fā)射器(4)把用電信號調(diào)制過的信標光發(fā)送出去，信標發(fā)射器發(fā)射的信標光波長與用于通信的信號光波長相同；信標光接收天線(5)采用的是一個大口徑的反射式天線，既接收信標光信號，又接收信號光信號，信標光接收裝置安裝在信標光發(fā)射裝置的內(nèi)側(cè)，信標光發(fā)射器(4)和信標光接收天線(5)的發(fā)射與接收端面布局在同一平面上；該信標光發(fā)射和接收裝置采用的是多發(fā)一收的結構和工作模式。
2.根據(jù)權利要求1所述的移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備，所說的分束鏡，它是采用按功率比分光，而不是按波長分光的分光鏡，把信號光和信標光分離開，即對信標光接收天線(5)傳來的光信號，它一方面讓透過它的信標光到達信標光檢測器件(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光檢測器件(8)上，給出信標光所攜帶的通信信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種移動大氣激光通信系統(tǒng)的信標光收發(fā)設備，它屬于通信技術領域，涉及大氣激光通信技術，采用該設備以解決移動大氣激光通信系統(tǒng)信標光和通信信號光相互干擾、在滿足人眼安全的條件下，提高信標光收發(fā)雙方之間的通信距離。該設備包括信標光發(fā)射裝置和信標光接收裝置，采用多發(fā)一收的結構和工作模式。信標光發(fā)射裝置發(fā)射幾個完全相同的信標光束；信標光波長與用于通信的信號光波長相同，且信標光也攜帶著通信信號。在信標光接收裝置中，接收天線采用一個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)分成信號光和信標光。本裝置可用于移動大氣激光通信系統(tǒng)。
文檔編號H04B10/24GK1964234SQ20061010466
公開日2007年5月16日 申請日期2006年9月28日 優(yōu)先權日2006年9月28日
發(fā)明者趙建功, 文愛軍, 劉增基, 岳鵬, 易湘 申請人:西安電子科技大學