一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统及控制方法技术方案

本发明专利技术提出了一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统及控制方法，属于激光通信技术领域，特别是检流式振镜的光通信系统。本发明专利技术提出了采用检流式振镜替代粗精两级构建捕跟机构的方案，简化系统复杂度；针对杂光干扰问题，提出了可人为参与捕获的方法，加快捕获的速度。本发明专利技术创新性的采用了一级跟瞄的方式，结合成熟的商用光收发模块，可兼容有线通信链路，非常有利于以较低的成本、较小的技术复杂度，搭建轻快型无线光通信系统，有助于无线光通信小型化和商用化发展。

A light and fast wireless optical communication system and control method based on galvanometer

【技术实现步骤摘要】
一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统及控制方法
本专利技术涉及激光通信
，特别是检流式振镜的光通信系统。
技术介绍
在当今信息时代下，通信技术不断革新，各个国家早已展开对5G、6G的研究。而光通信技术发展速度也十分迅猛，因其具有容量大、速率高、功耗低、保密性高及抗干扰性强等独有特点，被广泛的应用于海洋、陆地、太空等，且被美国《国家防务》定义为颠覆性技术。同时，两大商业巨头Google、Facebook分别利用热气球、无人机大力推进无线光接入网计划，为偏远地区提供快速光无线网络服务。随着科技的发展，无线光通信对未来全球通信有着重要的影响，具有广阔的应用前景。在卫星光通信领域，美国、欧洲、中国等世界主要强国都已经成功开展了地-月、低轨卫星-低轨卫星、低轨卫星-地等多种卫星光通信试验。卫星光通信终端典型结构为粗级捕跟机构(含收发合一天线)置于舱外，精级捕跟机构和通信模块置于舱内。卫星光通信典型捕跟机构主要采用粗精两级捕跟机构，解决窄光束在近半球型大空域内的精密对准问题；采用射频勤务通道，解决通信双方的链路初始化问题。在机载光通信领域，美国空军、NASA下属的JPL实验室、欧洲空间局都已经成功开展了机-地、机间光通信实验。机载光通信典型捕跟机构与卫星光通信相似，采用粗精两级捕跟机构进行窄光束大空域精密对准、采用射频勤务通道进行初始化。与卫星光通信不同的是，为了抑制大气湍流和气动湍流效应，采用多光束发射和大口径接收方式。在舰船光通信领域，舰船光通信主要由美国和德国开展，涉及两种截然不同的技术方案。一种是是回溯光通信方案，另一种是粗精两级捕跟方案。回溯光通信的核心器件是MEMS工艺制成的调制角反射器，调制角反射器的工作方式是单工的，适合某个通信终端功率和安装位置严重受限的场合。粗精两级捕跟方案是舰载光通信中普遍采用的研究方案，应用场合较多。在卫星、机载、舰船领域中，无线光通信系统普遍采用的粗精两级捕跟机构是在系统成功捕获信标光后，粗跟踪伺服单元快速实现动态粗跟踪，以保证目标进入并稳定在精跟踪视场内。然后精跟踪伺服单元对粗跟踪残差进一步抑制，以此来实现系统的高精度跟踪，建立通信光链路的。这种粗精两级的捕跟机构，结构复杂、研制成本高，不利于维护；并且现有粗精两级捕跟机构普遍采用自动扫描捕获的方式，在杂光背景下，链路开通极易受影响，严重影响了无线光通信的商用化、民用化发展。
技术实现思路
针对捕跟机构复杂性问题，本专利技术提出了采用检流式振镜替代粗精两级构建捕跟机构的方案，简化系统复杂度；针对杂光干扰问题，提出了可人为参与捕获的方法，加快捕获的速度。本专利技术创新性的采用了一级跟瞄的方式，结合成熟的商用光收发模块，可兼容有线通信链路，非常有利于以较低的成本、较小的技术复杂度，搭建轻快型无线光通信系统，有助于无线光通信小型化和商用化发展。本专利技术技术方案为一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统，该系统包括:输入光路、输出光路、图像采集模块、控制系统；所述输入光路包括：检流式振镜、分色片、耦合镜、多模光纤跳线、光收发模块，输入光通过检流式振镜输入，然后依次经过分色片、耦合镜、多模光纤跳线后输入光收发模块，通过光纤收发模块将光信号转换为电信号后输出；所述输出光路包括：光收发模块、单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片、检流式振镜，光收发模块接收到电信号后，将电信号转换为光信号，该光信号依次经过单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片后输入检流式振镜，通过检流式振镜输出；所述输入光路和输出光路共用同一个光收发模块、分色片、检流式振镜，所述输入光路和输出光路中的一路光使用分色片的反射功能，另一路使用分色片的透射功能；所述图像采集模块包括：分束片、聚焦镜、滤光片、图像传感器，所述分束镜设置于输入光路中，位于分色片与耦合镜之间，将输入光路中的输入光额外的分出一速，然后依次经过聚焦镜、滤光片后输入图像传感器；所述控制系统包括：数据采集器、陀螺仪、控制器，所述控制器接收图像传感器的信号，并根据图像传感器是否接接收到的光信号或接收到光信号的强弱产生对检流式振镜俯仰方位角的控制信号，并将该控制信号输入给数据采集器；所述数据采集器需要采集陀螺仪的滚转角速率、采集检流式振镜的俯仰方位角、发出从控制器接收到的对检流式振镜的控制信号。进一步的，所述控制系统还额外包括有操控手柄和图像显示器，所述操控手柄发出对检流式振镜的控制指令并传输给控制器，所述控制器将接收到的图像传感器的信号传输给图像显示器进行显示，图像显示器为操控者提供操控手柄的辅助信息。一种用于无线光通信系统中的操控手柄的控制方法，该方法的核心为手柄控制量输出按坐标旋转关系变换到检流式振镜俯仰角的变化，即Cx＝xcosθz-ysinθz,Cy＝xcosθz+ysinθz其中，x表示手柄方位向输入量，y表示手柄俯仰向输入量，θz表示陀螺仪的滚转角，Cx表示手柄在x方向的控制量输出，Cy表示手柄在y方向的控制量输出。第一阶段为捕获阶段，即捕获对方信标光。通过操作手柄来直接控制振镜，振镜内部拨片会做出相应的旋转，调整信标光路，从而使得信标光斑向跟踪窗口运动一种用于无线光通信系统中自动跟踪时的图像跟踪方法，该方法为根据图像传感器的数据设置一个跟踪窗口m×n，并显示在图像显示器上；首先人工控制手柄扫描直接使信标光斑向跟踪窗口运动；当跟踪窗口区域内的灰度大于检测阈值时，采用图像重心跟踪方法对光斑进行自动跟踪；图像重心跟踪方法为其中，x表示跟踪窗口中像素点的横坐标，y表示跟踪窗口中像素点的纵坐标，m表示窗口x坐标轴像素个数，n表示窗口y坐标轴像素个数，(xp,yp)表示信标光斑重心，ht表示事先设置的灰度阈值；对于跟踪窗口内光斑运动的控制，当考虑滚转角θz时，即为坐标旋转下的跟踪；假设角坐标系XOY中某点A旋转θz角度时，在旋转角坐标系X′OY′中为A′点，要使得A′点保持在原来的A点位置，则分别计算A′A在X′轴和Y′轴上的投影量差值，使检流式振镜控制轴与陀螺传感轴同轴。进一步的，所述ht的值为200。一种用于无线光通信系统中振镜方位向和俯仰向控制的消像旋方法，该方法根据图像俯仰方位轴与振镜俯仰方位轴存在14°固定偏置，将方位向与俯仰向的实际跟踪控制量修改为：tx＝Uysin14°-Uxcos14°,ty＝Uxsin14°-Uycos14°其中:Ux表示图像x控制输出，Uy表示图像y控制输出，tx表示振镜方位向实际跟踪控制量，ty表示振镜俯仰向实际跟踪控制量；该处以计算出的图像重心(xp,yp)为基础，得出图像的控制量输出(Ux,Uy)，从PID控制角度来说，输出(Ux,Uy)本质上即为偏差信号的P(比例)处理，然后根据14°固定偏置，推出实际跟踪控制量(tx,ty)。修正了14°固定像旋后，此时的图像与振镜还存在着90°的偏转，故在跟踪状态下，振镜方位向和俯仰向控制量进行重新设定，即Vx＝(x+ty)cosθz-(y+tx)sinθz,Vy＝(x+ty)sinθz-(y+tx)cosθz其中：x、y分别表示手柄方位向和俯仰向输入量，Vx表示振镜方位向的控制量，Vy表示振镜俯仰向的控制量，θz表示陀螺仪的滚转角。第二阶段为跟踪阶段，对方信标光斑已经在跟踪窗口，故不需要操作手柄，所以此处的x与y的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统，该系统包括:输入光路、输出光路、图像采集模块、控制系统；所述输入光路包括：检流式振镜、分色片、耦合镜、多模光纤跳线、光收发模块，输入光通过检流式振镜输入，然后依次经过分色片、耦合镜、多模光纤跳线后输入光收发模块，通过光纤收发模块将光信号转换为电信号后输出；所述输出光路包括：光收发模块、单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片、检流式振镜，光收发模块接收到电信号后，将电信号转换为光信号，该光信号依次经过单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片后输入检流式振镜，通过检流式振镜输出；所述输入光路和输出光路共用同一个光收发模块、分色片、检流式振镜，所述输入光路和输出光路中的一路光使用分色片的反射功能，另一路使用分色片的透射功能；所述图像采集模块包括：分束片、聚焦镜、滤光片、图像传感器，所述分束镜设置于输入光路中，位于分色片与耦合镜之间，将输入光路中的输入光额外的分出一速，然后依次经过聚焦镜、滤光片后输入图像传感器；所述控制系统包括：数据采集器、陀螺仪、控制器，所述控制器接收图像传感器的信号，并根据图像传感器是否接接收到的光信号或接收到光信号的强弱产生对检流式振镜俯仰方位角的控制信号，并将该控制信号输入给数据采集器；所述数据采集器需要采集陀螺仪的滚转角速率、采集检流式振镜的俯仰方位角、发出从控制器接收到的对检流式振镜的控制信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统，该系统包括:输入光路、输出光路、图像采集模块、控制系统；所述输入光路包括：检流式振镜、分色片、耦合镜、多模光纤跳线、光收发模块，输入光通过检流式振镜输入，然后依次经过分色片、耦合镜、多模光纤跳线后输入光收发模块，通过光纤收发模块将光信号转换为电信号后输出；所述输出光路包括：光收发模块、单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片、检流式振镜，光收发模块接收到电信号后，将电信号转换为光信号，该光信号依次经过单模光纤跳线、光放大器、准直镜、分色片后输入检流式振镜，通过检流式振镜输出；所述输入光路和输出光路共用同一个光收发模块、分色片、检流式振镜，所述输入光路和输出光路中的一路光使用分色片的反射功能，另一路使用分色片的透射功能；所述图像采集模块包括：分束片、聚焦镜、滤光片、图像传感器，所述分束镜设置于输入光路中，位于分色片与耦合镜之间，将输入光路中的输入光额外的分出一速，然后依次经过聚焦镜、滤光片后输入图像传感器；所述控制系统包括：数据采集器、陀螺仪、控制器，所述控制器接收图像传感器的信号，并根据图像传感器是否接接收到的光信号或接收到光信号的强弱产生对检流式振镜俯仰方位角的控制信号，并将该控制信号输入给数据采集器；所述数据采集器需要采集陀螺仪的滚转角速率、采集检流式振镜的俯仰方位角、发出从控制器接收到的对检流式振镜的控制信号。2.如权利要求1所述一种基于检流式振镜的轻快型无线光通信系统，其特征在于所述控制系统还额外包括有操控手柄和图像显示器，所述操控手柄发出对检流式振镜的控制指令并传输给控制器，所述控制器将接收到的图像传感器的信号传输给图像显示器进行显示，图像显示器为操控者提供操控手柄的辅助信息。3.一种用于权利要求2所述的无线光通信系统中的操控手柄的控制方法，该方法的核心为手柄控制量输出按坐标旋转关系变换到检流式振镜俯仰角的变化，即Cx＝xcosθz-ysinθz,Cy＝xcosθz+ysinθz其中，x表...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋大钢，戚兴成，胡志蒙，刘昕，邓科，黄健，陈彦，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51