本發(fā)明涉及移動通信技術領域，尤其涉及一種光通信自動跟蹤系統(tǒng)以及光通信自動跟蹤方法。

背景技術：

光纖通信技術是利用光導纖維傳輸寬帶信號，以實現信息傳遞的一種通信方式。光纖通信具有抗電磁干擾、抗輻射性強，保密性好，頻帶寬，抗干擾性好，防竊聽、價格便宜等優(yōu)點。在無光纖情況下，只有采用無線光通信技術才能傳輸高帶寬的信號。光無線通信作為一種新型的通信技術，同時具有光纖通信和移動通信的優(yōu)勢，可實現寬帶傳輸，組網機動靈活，無需頻率申請，并且抗電磁干擾，保密性好，因此如今對無線光通信的研究受到了廣泛的重視。但，在無線光通信技術中，如果通信的一端是運動物體（如高鐵列車）時，目前的無線光傳輸系統(tǒng)均無法滿足要求，需要增加快速自動跟蹤系統(tǒng)才能滿足要求。

因此，現有技術存在缺陷，需要改進。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是克服現有技術的不足，提供一種光通信自動跟蹤系統(tǒng)以及光通信自動跟蹤方法。

本發(fā)明的技術方案如下：本發(fā)明提供一種光通信自動跟蹤系統(tǒng)，包括：相互通信的第一自動跟蹤控制系統(tǒng)與第二自動跟蹤控制系統(tǒng)；所述第一自動跟蹤控制系統(tǒng)與第二自動跟蹤控制系統(tǒng)均包括：反射鏡組件，接收所述反射組件反射光線的粗跟蹤單元，接收所述反射組件發(fā)射光的精跟蹤單元，與所述粗跟蹤單元、精跟蹤單元電性連接的現場可編程門陣列，以及驅動所述反射鏡組件的執(zhí)行機構驅動單元；所述執(zhí)行機構驅動單元與所述現場可編程門陣列電性連接。

所述反射鏡組件包括：反射鏡基座、設于所述反射鏡基座上的執(zhí)行機構、以及設于所述執(zhí)行機構上的反射鏡，所述執(zhí)行機構與所述執(zhí)行機構驅動單元電性連接。

所述光通信自動跟蹤系統(tǒng)還包括連接于所述執(zhí)行機構驅動單元與所述現場可編程門陣列之間的D/A轉換模塊；

所述粗跟蹤單元包括：廣角鏡、用于接收所述廣角鏡光線的大面積四象限光探測器、驅動所述大面積四象限光探測器的第一四象限光探測器驅動模塊、以及與所述第一四象限光探測器驅動模塊連接的第一A/D轉換模塊；

所述精跟蹤單元包括：長焦鏡、用于接收所述長焦鏡光線的小面積四象限光探測器、驅動所述小面積四象限光探測器的第二四象限光探測器驅動模塊、以及與所述第二四象限光探測器驅動模塊連接的第二A/D轉換模塊。

所述反射鏡的直徑為20mm-200mm，其包括：平面鏡、以及形成于所述平面鏡的三防膜和金屬膜；

所述執(zhí)行機構包括1根或多根可調節(jié)高度的支撐軸，每根所述支撐軸下面設有電源驅動裝置；

所述大面積四象限光探測器和小面積四象限光探測器的形狀為方形、圓形或橢圓形。

所述反射鏡的直徑為100mm；

所述執(zhí)行機構包括4根支撐軸，其中兩根支撐軸形成坐標軸的X軸，另兩根支撐軸形成坐標軸的Y軸。

本發(fā)明還提供一種光通信自動跟蹤方法，包括以下步驟：

a、第一自動跟蹤控制系統(tǒng)向第二自動跟蹤控制系統(tǒng)發(fā)射信標光；

b、第二自動跟蹤控制系統(tǒng)啟動粗跟蹤單元進行粗跟蹤，獲取信標光聚焦后焦點的位置信號，通過執(zhí)行機構調節(jié)反射鏡，使得信標光聚焦后的焦點位于大面積四象限光探測器的中心區(qū)域；

c、第二自動跟蹤控制系統(tǒng)啟動精跟蹤單元進行精跟蹤，獲取信標光聚焦后焦點的位置信號，通過執(zhí)行機構模塊調節(jié)反射鏡，使得信標光聚焦后的焦點位于小面積四象限光探測器的中心區(qū)域；

d、第一自動跟蹤控制系統(tǒng)與第二自動跟蹤控制系統(tǒng)之間完成高速通信。

所述步驟b包括以下步驟：

步驟b1、大面積四象限光探測器獲取信標光聚焦后焦點的位置信號，將該位置信號變成模擬電信號，之后再轉換為數字信號傳送給現場可編程門陣列；

步驟b2、現場可編程門陣列根據該數字信號生成控制信號，之后將該控制信號轉變成模擬電信號，并轉送給執(zhí)行機構驅動單元；

步驟b3、執(zhí)行機構驅動單元驅動執(zhí)行機構調整發(fā)射鏡；

步驟b4、重復步驟b1-b3，直至信標光聚焦后的焦點位于大面積四象限光探測器的中心區(qū)域。

所述步驟c包括以下步驟：

步驟c1、小面積四象限光探測器獲取信標光聚焦后焦點的位置信號，將該位置信號變成模擬電信號，之后再轉換數字信號傳送給現場可編程門陣列；

步驟c2、現場可編程門陣列根據該數字信號生成控制信號，之后將該控制信號轉變成模擬電信號，并轉送給執(zhí)行機構驅動單元；

步驟c3、執(zhí)行機構驅動單元驅動執(zhí)行機構調整長焦鏡；

步驟c4、重復步驟c1-c3，直至信標光聚焦后的焦點位于小面積四象限光探測器的中心區(qū)域。

所述步驟b中，現場可編程門陣列對反射鏡進行大幅度調整；所述步驟c中，現場可編程門陣列對反射鏡進行小幅度調整。

所述執(zhí)行機構模塊包括若干根可調節(jié)高度的支撐軸，每一所述支撐軸設有一電源驅動裝置，所述現場可編程門陣列控制輸出不同的電壓給電源驅動裝置，以調整支撐軸的高度。

采用上述方案，本發(fā)明提供的光通信自動跟蹤系統(tǒng)以及跟蹤方法，采用粗跟蹤與精跟蹤相結合的方式進行，通信的一端即使是運動物體，也可以很好地完成通信。

附圖說明

圖1為本發(fā)明光通信自動跟蹤系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明中支撐軸形成坐標軸的示意圖；

圖3為本發(fā)明中大面積四象限光探測器的探測面；

圖4為本發(fā)明中大面積四象限光探測器探測的示意圖一；

圖5為本發(fā)明中大面積四象限光探測器探測的示意圖二；

圖6為本發(fā)明中小面積四象限光探測器的探測面；

圖7為本發(fā)明中小面積四象限光探測器探測的示意圖一；

圖8為本發(fā)明中小面積四象限光探測器探測的示意圖二；

圖9為本發(fā)明光通信自動跟蹤方法的流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。

請參閱圖1，本發(fā)明提供一種光通信自動跟蹤系統(tǒng)，包括：相互通信的第一自動跟蹤控制系統(tǒng)1與第二自動跟蹤控制2系統(tǒng)，兩者之間采用粗跟蹤與精跟蹤相結合的方式進行高速通信。

具體的，所述第一自動跟蹤控制系統(tǒng)1與第二自動跟蹤控制系統(tǒng)結構一樣，兩者均包括：反射鏡組件10，接收所述反射組件10反射光線的粗跟蹤單元20，接收所述反射組件10發(fā)射光的精跟蹤單元30，與所述粗跟蹤單元20、精跟蹤單元30電性連接的現場可編程門陣列40，以及驅動所述反射鏡組件10的執(zhí)行機構驅動單元50。所述執(zhí)行機構驅動單元50與所述現場可編程門陣列40電性連接。所述現場可編程門陣列40采集粗跟蹤單元和精跟蹤單元傳送過來的數字信號，并進行運算處理，將運算結果送給所述執(zhí)行機構驅動單元50，以完成對反射鏡組件10的驅動。

進一步地，所述光通信自動跟蹤系統(tǒng)還包括連接于所述執(zhí)行機構驅動單元50與所述現場可編程門陣列40之間的D/A轉換模塊60，以將數字信號轉變成模擬信號。所述反射鏡組件10包括：反射鏡基座11、設于所述反射鏡基座11上的執(zhí)行機構12、以及設于所述執(zhí)行機構12上的反射鏡13，所述執(zhí)行機構12與所述執(zhí)行機構驅動單元50電性連接。所述反射鏡13包括：平面鏡、以及形成于所述平面鏡的三防膜和金屬膜，金屬膜的選擇可根據整機系統(tǒng)的要求確定，在對質量要求比較高的情況下可鍍金或銀。本發(fā)明中，所述反射鏡13的直徑優(yōu)選為20mm-200mm，建議使用直徑為100mm的反射鏡，因為直徑太大，重量就會總增加，執(zhí)行機構12在調節(jié)時要求調節(jié)的力量就很大；反射鏡13重量大，也導致反射鏡13慣性效應大，影響反射鏡13的動作速率和跟蹤精度，從而設計難度和成本都會增加；但，如果直徑太小，通過其反射的光能量就很小，降低了通信鏈路的可靠性。

在本實施例中，所述執(zhí)行機構12包括1根或多根可調節(jié)高度的支撐軸，每根所述支撐軸下面設有電源驅動裝置。所述現場可編程門陣列40控制輸出不同的電壓或電流給電源驅動裝置，所述電源驅動裝置會根據不同的輸入電壓或電流來調節(jié)支撐軸的高度，以調整支撐軸的高度，本發(fā)明優(yōu)選采用電壓方式。優(yōu)選的，所述執(zhí)行機構12包括4根支撐軸，兩兩構成一個軸，即其中兩根支撐軸形成坐標軸的X軸，另兩根支撐軸形成坐標軸的Y軸，如圖2所示。本發(fā)明可以通過現場可編程門陣列控制輸出不同的電壓給4根支撐軸，可以調節(jié)反射鏡的角度。

所述粗跟蹤單元20包括：廣角鏡21、用于接收所述廣角鏡21光線的大面積四象限光探測器22、驅動所述大面積四象限光探測器22的第一四象限光探測器驅動模塊23、以及與所述第一四象限光探測器驅動模塊23連接的第一A/D轉換模塊24。所述廣角鏡用于將信標光70匯聚，所述第一A/D轉換模塊24用于將模擬信號轉換為數字信號。

所述大面積四象限光探測器22用于檢測信標光70匯聚后在大面積四象限光探測器22探測面上形成的焦點位置，從而用來初步判斷進入反射鏡13的信標光70角度。所述大面積四象限光探測器22的探測面可以設定為50mm×50mm，如圖3所示，當大面積四象限光探測器22檢測到信標光70匯聚后的焦點在其探測面時，輸出兩個電壓信號，分別代表焦點在X軸和Y軸的位置，具體可以通過信號的強弱來代表焦點在大面積四象限光探測器22探測面的具體位置，如：當焦點（圖中黑點）位于探測面的左邊時，如圖4所示，則輸出的X軸電壓為0V，Y軸的電壓為-5V；當焦點（圖中黑點）位于探測面的上方時，如圖5所示，則輸出的X軸電壓為5V，Y軸的電壓為0V。

所述精跟蹤單元30包括：長焦鏡31、用于接收所述長焦鏡31光線的小面積四象限光探測器32、驅動所述小面積四象限光探測器32的第二四象限光探測器驅動模塊33、以及與所述第二四象限光探測器驅動模塊33連接的第二A/D轉換模塊34。所述長焦鏡31用于將信標光70匯聚，所述第二A/D轉換模塊34用于將模擬信號轉換為數字信號。

所述小面積四象限光探測器32用于檢測信標光70匯聚后在小面積四象限光探測器32探測面上形成的焦點位置，從而精確判斷進入反射鏡13的信標光70角度。所述小面積四象限光探測器32的探測面可以設定為5mm×5mm，如圖6所示，小面積四象限光探測器32檢測到信標光70匯聚后的焦點在其探測面時，輸出兩個電壓信號，分別代表焦點在X軸和Y軸的位置，具體可以通過信號的強弱來代表焦點在小面積四象限光探測器32探測面的具體位置，如：當焦點（圖中黑點）位于探測面的左邊時，如圖7所示，則輸出的X軸電壓為0V，Y軸的電壓為-1V；當焦點（圖中黑點）位于探測面的上方時，如圖8所示，則輸出的X軸電壓為1V，Y軸的電壓為0V。

另外，所述大面積四象限光探測器22和小面積四象限光探測器32的形狀可以根據具體需要設計為所屬的形狀，例如方形、圓形、橢圓形等。本發(fā)明中，所述第一A/D轉換模塊24與第二A/D轉換模塊34采用16位100MHz精度的A/D轉換模塊，有利于提高反射鏡的調節(jié)精度。因為A/D轉換模塊精度的高低會影響現場可編程門陣列的運算結果，從而影響發(fā)射鏡13角度的調節(jié)。

請結合參閱圖1與圖9，本發(fā)明提供的光通信自動跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方法，包括以下步驟：

a、第一自動跟蹤控制系統(tǒng)1向第二自動跟蹤控制系統(tǒng)2發(fā)射信標光70；

信標光70采用波長為780mm或650mm的兩種激光，該光源放在設備機框的前面，其光線方向平行于4根可調節(jié)高度的支撐軸在初始條件下構成的平面的中心垂直線；

b、第二自動跟蹤控制系統(tǒng)2啟動粗跟蹤單元20進行粗跟蹤，獲取信標光70聚焦后焦點的位置信號，通過執(zhí)行機構12調節(jié)反射鏡13，使得信標光70聚焦后的焦點位于大面積四象限光探測器22的中心區(qū)域。

在該步驟中，現場可編程門陣列40對反射鏡13進行大幅度調整，其具體包括以下步驟：

步驟b1、大面積四象限光探測器22獲取信標光70聚焦后焦點的位置信號，并將該位置信號變成模擬電信號，之后第一A/D轉換模塊24再將模擬電信號轉換為數字信號，并傳送給現場可編程門陣列40；

步驟b2、現場可編程門陣列40進行運算處理，根據該數字信號生成控制信號，之后由D/A轉換模塊60將該控制信號轉變成模擬電信號，并轉送給執(zhí)行機構驅動單元50；

步驟b3、執(zhí)行機構驅動單元50驅動執(zhí)行機構12調整發(fā)射鏡13；

步驟b4、重復步驟b1-b3，直至信標光70聚焦后的焦點位于大面積四象限光探測器22的中心區(qū)域。

c、第二自動跟蹤控制系統(tǒng)2啟動精跟蹤單元30進行精跟蹤，獲取信標光70聚焦后焦點的位置信號，通過執(zhí)行機構12調節(jié)反射鏡13，使得信標光70聚焦后的焦點位于小面積四象限光探測器32的中心區(qū)域。

在該步驟中，現場可編程門陣列40對反射鏡13進行小幅度調整，其具體包括以下步驟：

步驟c1、小面積四象限光探測器32獲取信標光70聚焦后焦點的位置信號，將該位置信號變成模擬電信號，之后再由第二A/D轉換模塊34轉換為數字信號，并傳送給現場可編程門陣列40；

步驟c2、現場可編程門陣列40進行運算處理，根據該數字信號生成控制信號，之后由D/A轉換模塊60將該控制信號轉變成模擬電信號，并轉送給執(zhí)行機構驅動單元50；

步驟c3、執(zhí)行機構驅動單元50驅動執(zhí)行機構12調整長焦鏡13；

步驟c4、重復步驟c1-c3，直至信標光70聚焦后的焦點位于小面積四象限光探測器32的中心區(qū)域。

d、第一自動跟蹤控制系統(tǒng)1與第二自動跟蹤控制系統(tǒng)2之間完成高速通信。

所述第二自動跟蹤控制系統(tǒng)2向第一自動跟蹤控制系統(tǒng)1發(fā)射信標光70的通信方法與上述一樣。而且，第一自動跟蹤控制系統(tǒng)1與第二自動跟蹤控制系統(tǒng)2的信標光可以采用相同波長或不同波長的激光作為信標光70。

在使用過程中，第一自動跟蹤控制系統(tǒng)1用于運動的列車上，第二自動跟蹤控制系統(tǒng)2用于地面。首先第二自動跟蹤控制系統(tǒng)2在上電后或一次通信完成后，其由現場可編程門陣列40控制反射鏡13，使其恢復到初始設定的角度，啟動搜尋第一自動跟蹤控制系統(tǒng)1的信標光70，一旦收到第一自動跟蹤控制系統(tǒng)1發(fā)送的信標光70，就進行跟蹤。

綜上所述，本發(fā)明提供一種光通信自動跟蹤系統(tǒng)以及跟蹤方法，采用粗跟蹤與精跟蹤相結合的方式進行，通信的一端即使是運動物體，也可以很好地完成通信。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。