传感器阵列跟踪与检测系统技术方案

提供了一种跟踪自由空间光通信光束的系统。入射光束被一个光束分离器分离。入射光束的一部分被会聚到一个高速光检测器上。入射光束的另一部分则穿过一个目标模式光学元件。在一个二维有源像素传感器上形成一个结果目标模式。系统的对准可根据传感器阵列上目标模式的位置进行调整。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光束跟踪与检测，尤其涉及跟踪与检测自由空间光通信系统中所用的光束。自由空间光通信系统可以用来向把新的用户硬联接到现有的通信基础设施比较困难或花费比较大的地区提供电信服务。为了正确工作，这种系统中的光发送器和接收器必须被对准。此前所用的跟踪光束的设备一直使用象限检测器，这种装置不够精确，并且很难与高速光检测器相集成。因此本专利技术的一个目标是提供一种改进的方式，用以跟踪和检测通信系统中的光束。本专利技术的这项和其它目的是根据本专利技术的原理来实现的，即提供一个系统，使用一个二维的活动像素阵列传感器使一个自由空间光接收器与一个光通信信号源保持对准。。在使用一个光束分离器分离光束之前，用一个望远镜瞄准来自信号源，例如一个调制二极管激光器的入射光束。光束的一部分(数据光束)指向一个高速光检测器，在系统的运行过程中该光束将与它保持对准。光束的另一部分(跟踪光束)经由一个目标模式光学元件指引。该目标模式光学元件在该有源像素传感器阵列中形成一个目标模式。传感器阵列上目标模式的位置用来确定系统中未对准的数量。目标模式光学元件可以从受到照射时产生一个交叉形状模式的一个全息光学元件形成。可选择的该目标模式光学元件可以基于一个圆柱形透镜。如果需要，可以使用变焦距透镜来提高光束被传感器阵列接收时的强度，以便帮助系统克服传感阵列中诸像素的噪声阈值。通过传感器阵列的调整使系统处于对准状态时，数据主要由高速光检测器接收。然而，通过处理传感器阵列接收的数据同样也可以得到数据。在高速光检测器无法正常工作但仍然希望向该系统进行发送时，可以使用这种功能。本专利技术的进一步特性，它的本质的和各种优点将通过所附附图和接下来的对优选实施方法的详细描述得以更加清楚的体现。附图说明图1是依据本专利技术的系统框图。图2是依据本专利技术的一个示例系统一部分的透视图。图3是依据本专利技术的另一个示例系统的一部分的透视图。图4是表示本专利技术附加特征的框图。图5是使用本专利技术的步骤的流程图。图6-8是本专利技术进行跟踪时传感器阵列的简视图。依据本专利技术的一个示例的光束跟踪与检测系统10如图1所示。已调制光束12由激光二极管或其它合适的光源14产生。光束12在自由空间(空气)16中传播大约十米至几千米之后，略微发散成扩展光束18。在望远镜20入口处光束18的直径大约有几英寸。望远镜20接收光束18并提供一个相应的准直光束22，其直径大约为半英寸。光束22被光束分离器24分成跟踪光束22a和数据光束22b。光束22b通过透镜28会聚到高速光检测器26的作用区域。正如这里所定义的，术语“高速”是指速度大于1kHz，最好为几百MHz数据。在光检测器26的输出30处加以提供。系统10可以用来承载任何希望类型的数据，这些数据可以用来提供普通老式电话业务(POTS)，视频，综合业务数字网(ISDN)业务等。系统10具有跟踪能力以确保系统10中的该光学元件与光源14正确对准。当数据由光检测器26接收时，目标模式光学元件32接收光束22a并产生一个相应的光束22c。光束22c在传感器阵列34上形成一个目标模式。当系统10正确对准时，该目标模式落于传感器阵列32的中心。当系统10未对准时，该目标模式则偏离中心。控制电路36通过分析偏离中心的目标模式的位置来判定该未对准的程度。系统元件20，24，26，28，32和34最好置于一个共用的外壳或构件40中，以便构件40与光源14对准时这些元件的相对位置保持固定。构件40的定位由定位器42来控制，定位器42从控制电路36中接收位置反馈控制信号。如果需要，通过组合来自传感器阵列34的被照的像素的信号可以检测在光束22c上编码的相对较低的数据率信息。控制电路36分析来自传感器阵列34的像素信息并于输出44产生相应的数据。这种方法所支持的数据率一般大约为传感器阵列34帧速率的一半。由于这种数据检测方式独立于高速光检测器30所进行的数据检测，输出44所产生的数据在高速光检测器30失效时，可用来提供备份数据。此外，任何其它所需类型的数据都可以通过传感器阵列34进行检测并在数据输出44处提供。如果不要求进行高速数据通信，传感器阵列34可以用作系统的唯一数据传感器。目标模式光学元件32可以使用固定位置的光学元件，例如一个圆柱形透镜或全息光学元件。可选择的可控定位器(图1中未显示)可用来控制目标模式光学元件32中光学元件的位置。如果可控定位器被用于目标模式光学元件32中，合适的控制信号可以经由信号路径46提供给目标模式光学元件32。传感器阵列34最好是一个有源像素传感器，例如在瑞典的“VVL技术”中可获取的那样。在有源像素传感器中，可以使用片上缓冲电路从该阵列中读出成行的像素数据。对于行中一个给定列的像素值能够通过访问缓冲器中那一列相对应的寄存器来加以确定。传感器34中所用像素的数量由系统10的光学特征决定。作为一个示例，传感器阵列34可有1000行和1000列的像素。传感器阵列34较为典型的是由硅构成的。一个合适的兼容光源14(图1)是一个输出波长大约为0.8um的砷化镓激光二极管。尽管图1所示为独立的元件，但如果需要的话，目标模式光学元件和望远镜光学元件可以组成一个完整的组件。同样，光束分离器24和透镜28的光学功能可以作为一个整体形成望远镜或其它合适构件的一部分加以提供。此外，所示独立于结构40的控制电路36也可以选择全部或部分地置入结构40之中。图2所示为本专利技术的一种实现方案，其中图1的目标模式光学元件32由全息光学元件48形成。当全息光学元件48被跟踪光束54照射时，就在传感器阵列52上产生一个交叉形状的目标模式50。交叉形状的目标模式50使得控制电路36(图1)为判定系统对准状况而对目标模式50进行的分析得以简化。水平对准信息可以通过识别给定行中哪一个像素具有最高强度来得到，因为这一像素位于垂直部分50a和该行之间的交叉点上。垂直定位信息可以通过识别哪一行包含有几乎全部的高强度像素来得到，因为那一行与水平部分50b相对准。如果需要，光学元件可以采用的其它排列来形成图1中的目标模式光学元件32，以产生其它适当的目标模式。图3所示为本专利技术的一种实现方案，其中图1中的目标模式光学元件32由圆柱形透镜56形成，该透镜被光束58照射。当进行垂直定位时，圆柱形透镜56在传感器阵列62上产生一个垂直定位目标模式60。读出与目标模式60相交的任何行中的内容会立即以该行与目标模式60之间的相交点处像素列号形式产生水平对准信息。垂直对准信息可以通过分析传感器阵列62中每一行来得到。如果目标模式60与传感器阵列62的顶部几行相交，但不与底部几行相交(或相反)，则系统没有在垂直方向上正确对准。尽管圆柱形透镜56可以在系统的初始对准过程中在垂直方向上被提供，圆柱形透镜56最好沿光路的纵轴旋转90度进入水平位置64以便进行接下来的光束跟踪操作。在水平位置64中，圆柱形透镜56产生水平定向目标模式66。这种定向在精确定位操作中更为可取，因为相对来讲它可以更为直接地识别那一行是全部由高强度的像素组成的，还因为对单一行上所有像素的分组可以提高传感器62(该传感器以行的方式输出数据)产生高信噪比的能力。如果需要，圆柱形透镜56可以固定于水平位置64，用以进行初始对准和接下来的的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个用于从一个入射的自由空间光通信光束中跟踪和接收数据的系统，该光束被对准并分为跟踪光束和数据光束，其中通过一个定位器将至少系统的一部分相对于入射光束加以定位以保持与入射光束相对准，该系统包括：一个用来从数据光束中接收数据的光检测器； 一个具有大量行和列像素的二维传感器阵列；一个目标模式光学元件，用来接收跟踪光束并在传感器阵列上生成相应的目标模式；以及控制电路，用来从传感器阵列接收像素信息并为定位器产生相应的垂直和水平对准信息，这样该定位器与所述的入射光束保持对 准。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：唐纳德约翰鲍恩，格雷戈里M杜兰特，克里斯托弗L拉特利奇，
申请(专利权)人：美国电报电话公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]