用于快速移动自由空间光通信系统的光学智能天线

摘要

本发明公开了一种用于无线激光通信的光学智能天线，主要解决现有在点对点快速移动的自由空间光通信系统中对通信目标的捕获、对准和跟踪，它包括：一个半球面或球面的底板(1)，并在其上配置激光收发阵列，每个激光收阵列(5)与激光发阵列(4)隔行排满在整个球面或半球面底板上以形成蜂窝结构的激光收发阵列，且每个激光收发阵列对应一组内部构造单元，这些构造单元镶嵌在球面或半球面底板的腔体内，以实现在空分时用和角度复用的情况下通过构造单元内的器件对光波束做出相应的调整。本发明增大了通信覆盖面积，并可根据通信目标的移动快速实时的对发射单元的光波束进行自动控制，可以用于无线激光通信领域。

说明书

技术领域

本发明属于无线激光通信技术领域，涉及通信天线，具体的说是一种光学智能天线，适用于快速移动的自由空间光通信FSO系统。

背景技术

快速移动的自由空间光通信FSO系统作为一种新型的宽带无线通信技术，拥有许多无可比拟的优点而备受关注，与光纤通信相比，无需铺设光缆，价格便宜，建设周期短，且频带可以达到光纤通信水平；与微波通信比，带宽比微波高1～2个数量级，而且无需进行频率申请。同时无线光通信设备具有组网机动灵活、无电磁干扰、隐蔽性好、性能价格比优、室内外设备安装方便等一系列优点。近年来，随着骨干网的基本建成，最后一公里问题的出现，以及大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，FSO作为通信热点技术之一，受到了人们的广泛重视。

在FSO系统中光学天线用于发射和接收波束以保证通信的正常进行。现有的光学天线多采用单发单收的天线系统，为了增大覆盖面积以及克服多径效应出现了多发多收的天线系统，但是这种多发多收系统的收、发天线个数一般都小于四个。上述天线系统在快速移动FSO中无法满足覆盖面积最大化，也无法在通信过程中快速实时的获取链路的方向特性。还有的天线系统的激光发射器采用光电二极管LED来代替高功率激光器，但该天线仅限用于室内环境，而无法满足室外大范围的通信要求。

在移动的FSO系统中另一个影响通信连续性的重要技术是APT技术。在自由空间光系统中接收方需要对对方通信目标进行捕获、瞄准和跟踪，即APT技术。目前，定点的FSO技术已经较为成熟，通过系统本身的自动调整机械装置可克服小范围的器件振动，实现在几公里内100Mbps至1Gbps量级的数据传输。然而移动FSO技术还处在实验探索阶段，是因为现有的APT技术还不能满足移动FSO特别是快速移动的要求。例如国外厂商推出了Lightpointe定点产品，其特点是工作在850nm波长处，传输速率100Mb/s，传输距离从1公里到5公里，采用四发四收天线。虽然该产品的天线跟踪功能可以减小由建筑物的微小晃动造成的视轴偏差，但不具备大范围快速APT功能。现有的针对移动FSO系统的产品，由于采用的是机械跟瞄方式，其跟瞄速度无法与通信目标间移动速度相匹配，或者在得到具体的坐标信息后需要较长的反馈时间，这些问题使得通信双方在较大范围移动时无法进行实时跟踪，继而导致通信中断。因此现有的APT技术仍然不能适用于大范围快速移动的FSO系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种光学智能天线，以在大范围快速移动的FSO系统中实现通信双方之间的自动捕获、对准和跟踪。

为达到上述目的，本发明的光学智能天线包括：

多组内部构造单元、底板、多个激光收阵列和多个激光发阵列，每组内部构造单元镶嵌在底板的腔体内，其中底板的形状为球面或半球面；每个激光收阵列与激光发阵列隔行排满在整个球面或半球面底板上，形成蜂窝结构的激光收发阵列；每个激光收发阵列对应一组内部构造单元。

根据上述的光学智能天线，其中所述的每个激光收阵列由排列在底板上的一行接收单元组成，每个激光发阵列由排列在底板上的一行发射单元组成。

根据上述的光学智能天线，其中所述的激光收发阵列的数量根据底板的大小及发射、接收单元的大小确定。

根据上述的光学智能天线，其中所述的每组内部构造单元包括一个发射构造单元和一个接收构造单元，每个构造单元的形状为立体扇形。

根据上述的光学智能天线，其中所述的发射单元和接收单元采用体积相同的六棱形或圆形结构。

根据上述的光学智能天线，其中所述的每个发射构造单元，包括半导体激光器、掺饵光纤放大器、两个光开关矩阵、多个分支器和光通路控制器；所述的两个光开关矩阵排放在发射构造单元的前端，所述的多个分支器平行位于两个光开关矩阵之间；该光通路控制器位于两个光开关矩阵的下方，用于控制激光波束的大小；该掺饵光纤放大器和半导体激光器前后排放在第二个光开关矩阵的后面，用于发射激光。

根据上述的光学智能天线，其中所述的多个分支器，它的个数与发射单元的个数对应。

根据上述的光学智能天线，其中所述的每个接收构造单元，包括：一组多模光纤、一组分光装置、一组PIN光电探测器、一组APD光电探测器、一组LOS逻辑、光通路控制器和合并器；该多模光纤排放在接收构造单元的前端，使接收光实现入纤接收馈源的接收方式；该分光镜排放在多模光纤之后，该APD光电探测器和PIN光电探测器分别位于分光镜的右上侧和右下侧；该LOS逻辑排放在PIN光电探测器的之后，用于对接收到的信标光的光斑位置信息电流值进行分析；所述的光通路控制器排放在接收

构造单元的中间，以实现在满足LOS对准条件下选择合适的光发射天线单元；该合并器排放在光通路控制器的后面。

根据上述的光学智能天线，其中所述的一组多模光纤、一组分光装置、一组PIN光电探测器、一组APD光电探测器和一组LOS逻辑，它们的个数相同，且与接收单元的个数对应。

本发明与现有的技术相比具有以下有益点：

1)本发明由于采用了球面或半球面的底板，实现了空间复用和角度复用以增大通信覆盖面积。

2)本发明由于将每个激光收阵列与激光发阵列隔行排满在整个球面或半球面底板上，使得光波束大小的可调范围增加并使一次可调整的发射和接收单元数目增加，提高了通信效率。

3)本发明由于采用每个激光收发阵列对应一组内部构造单元的结构方式，使得每个激光收发阵列及时的根据通信双方的实时状态做出相应的调整。

4)本发明的发射构造单元的激光发射器由于采用了高功率的半导体激光器，因而适用于室外大范围的通信环境。

5)本发明接收构造单元的接入光纤由于采用多模光纤，它可以满足入纤接收馈源的接入方式，以增大通信覆盖面积。

6)本发明接收构造单元和发射构造单元的光通路控制器能够自动选择合适的光发射单元及激光波束的大小，实现光学天线的智能化。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体结构图；

图2(a)是本发明实施例1的垂直切面图；

图2(b)是本发明实施例1中发射构造单元的结构图；

图2(c)是本发明实施例1中接收构造单元的结构图；

图3是本发明实施例2的整体结构图；

图4(a)是本发明实施例2的垂直切面图；

图4(b)是本发明实施例2中发射构造单元的结构图；

图4(c)是本发明实施例2中接收构造单元的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：

本发明由表面结构和内部结构两部分组成，分别如图1和图2所示。

参照图1，本发明的表面结构包括5个激光发阵列和4个激光收阵列，每个激光发阵列4由多个发射单元组成，每个激光收阵列5由多个接收单元组成；这些激光发阵列和激光收阵列隔行排满在一个半径为5.093厘米的球面底板1上，形成蜂窝结构的激光收发阵列，其中第一个激光发阵列包括3个发射单元，排列在球面底板1的第一行，第一个激光收阵列包括8个接收单元，排列在球面底板1的第二行，第二个激光发阵列包括12个发射单元，排列在球面底板1的第三行，第二个激光收阵列包括15个接收单元，排列在球面底板1的第四行，第三个激光发阵列包括16个发射单元，排列在球面底板1的第五行，第三个激光收阵列包括15个接收单元，排列在球面底板1的第六行，第四个激光发阵列包括12个发射单元，排列在球面底板1的第七行，第四个激光收阵列包括8个接收单元，排列在球面底板1的第八行，第五个激光发阵列包括3个发射单元，排列在底板球面的第九行。每个发射单元2与接收单元3采用大小相同的六棱形，且每个六棱形的两竖边的距离为2厘米。其中，激光收发阵列的数量是根据底板1、发射单元2和接收单元3的大小确定。

参照图2，本发明的内部结构包括4个接收构造单元和5个发射构造单元，该4个接收构造单元与所述的4个激光收阵列一一对应，5个发射构造单元与所述的5个激光发阵列一一对应，即这些接收构造单元和发射构造单元隔行镶嵌在球面底板1的腔体内，其中，第一个发射构造单元镶嵌在腔体的第一行，第一个接收构造单元镶嵌在腔体的第二行，第二个发射构造单元镶嵌在腔体的第三行，第二个接收构造单元镶嵌在腔体的第四行，第三个发射构造单元镶嵌在腔体的第五行，第三个接收构造单元镶嵌在腔体的第六行，第四个发射构造单元镶嵌在腔体的第七行，第四个接收构造单元镶嵌在腔体的第八行，第五个发射构造单元镶嵌在腔体的第九行，如图2(a)所示。每个接收构造单元18和发射构造单元19的是大小相同的立体扇形，且每个立体扇形的半径是5.093厘米，其结构如图2(b)和图2(c)所示。

参照图2(b)，每个发射构造单元19，包括：半导体激光器12、掺饵光纤放大器13、光开关矩阵14、分支器15和光通路控制器11。其中，半导体激光器12排放在发射构造单元的后端，用于产生高功率的激光信号；掺饵光纤放大器13位于在半导体激光器12的前面，用于放大半导体激光器12产生的激光信号；两个光开关矩阵并行排列位于掺饵光纤放大器13的前面，用于光路交换传递控制信息；光通路控制器11位于该两个光开关矩阵14的下方，用于在接收到接收构造单元的反馈后产生控制信息；光通路控制器11的控制信息通过两个光开关矩阵传递给多个分支器；分支器15平行位于两个光开关矩阵之间，用于从与发射构造单元19相对应的激光发射阵列中选取任意一个或者多个发射单元，实现激光波束大小的“智能”控制。每个发射构造单元19中的分支器的个数与该发射构造单元所对应的激光发阵列的发射单元数目一致，即第一个发射构造单元有3个分支器，第二个发射构造单元有12个分支器，第三个发射构造单元有16个分支器，第四个发射构造单元有12个分支器，第五个发射构造单元有3个分支器，这些分支器均为平行排列。

参照图2(c)，每个接收构造单元18，包括：一组多模光纤6、一组分光装置7、一组PIN光电探测器8、一组APD光电探测器9、一组LOS逻辑10、光通路控制器11和合并器17；其中，多模光纤6排放在接收构造单元的前端，使接收光实现入纤接收馈源的接收方式以增大通信覆盖面积；分光镜7排放在多模光纤6之后，将接收到的光束分别送至两个不同的光电探测器；APD光电探测器9和PIN光电探测器8分别位于分光镜的右上侧和右下侧，该APD光电探测器9用于光电转换并接收光束中信号光中的基带信号，该PIN光探测器8用于接收光束中的信标光的光斑位置信息；LOS逻辑10排放在PIN光电探测器的之后，它把从PIN光电探测器8中接收到的信标光的光斑位置信息电流值进行分析，判断该光斑位置信息是否满足LOS对准条件；光通路控制器11排放在接收构造单元的中间，在满足LOS对准下时产生控制信号，并反馈给发射构造单元以选择合适的发射天线单元；合并器17排放在光通路控制器11的后面，用于接收所有的接收单元所检测到的波束的信号光。每个接收构造单元18中所包含的多模光纤、分光装置、PIN光电探测器、APD光电探测器和LOS逻辑的个数，与该接收构造单元所对应的激光收阵列的接收单元个数一致，即第一个接收构造单元有8个多模光纤、8个分光装置、8个PIN光电探测器、8个APD光电探测器和8个LOS逻辑；第二个接收构造单元有15个多模光纤、15个分光装置、15个PIN光电探测器、15个APD光电探测器和15个LOS逻辑；第三个接收构造单元有15个多模光纤、15个分光装置、15个PIN光电探测器、15个APD光电探测器和15个LOS逻辑；第四个接收构造单元有8个多模光纤、8个分光装置、8个PIN光电探测器、8个APD光电探测器和8个LOS逻辑，它们分别在所述的位置平行排列。

实施例2

本发明由表面结构和内部结构两部分组成，分别如图3和图4所示。

参照图3，本发明的表面结构包括3个激光发阵列和2个激光收阵列，每个激光发阵列23由多个发射单元组成，每个激光收阵列24由多个接收单元组成；这些激光发阵列和激光收阵列隔行排满在一个半径为5.093厘米的半球面底板20上，形成蜂窝结构的激光收发阵列，其中第一个激光发阵列包括3个发射单元，排列在半球面底板20的第一行，第一个激光收阵列包括8个接收单元，排列在半球面底板20的第二行，第二个激光发阵列包括12个发射单元，排列在半球面底板20的第三行，第二个激光收阵列包括15个接收单元，排列在半球面底板20的第四行，第三个激光发阵列包括16个发射单元，排列在半球面底板20的第五行。每个发射单元21与接收单元22采用大小相同的圆，且每个圆的直径为2厘米。其中，激光收发阵列的数量根据底板20、发射单元21和接收单元22的大小确定。

参照图4，本发明的内部结构包括2个接收构造单元和3个发射构造单元，该2个接收构造单元与所述的2个激光收阵列一一对应，3个发射构造单元与所述的3个激光发阵列一一对应，即这些接收构造单元和发射构造单元隔行镶嵌在半球面底板20的腔体内，其中，第一个发射构造单元镶嵌在腔体的第一行，第一个接收构造单元镶嵌在腔体的第二行，第二个发射构造单元镶嵌在腔体的第三行，第二个接收构造单元镶嵌在腔体的第四行，第三个发射构造单元镶嵌在腔体的第五行，如图4(a)所示。每个接收构造单元18和发射构造单元19的为大小相同的立体扇形，且每个立体扇形的半径是5.093厘米，其结构如图4(b)和图4(c)所示。

参照图4(b)，每个发射构造单元19，包括：半导体激光器12、掺饵光纤放大器13、光开关矩阵14、分支器15和光通路控制器11。其中，半导体激光器12排放在发射构造单元的后端，用于产生高功率的激光信号；掺饵光纤放大器13位于在半导体激光器12的前面，用于放大半导体激光器12产生的激光信号；两个光开关矩阵并行排列位于掺饵光纤放大器13的前面，用于光路交换传递控制信息；光通路控制器11位于该两个光开关矩阵14的下方，用于在接收到接收构造单元的反馈后产生控制信息；光通路控制器11的控制信息通过两个光开关矩阵传递给多个分支器；分支器15平行位于两个光开关矩阵之间，用于从与发射构造单元19相对应的激光发射阵列中选取任意一个或者多个发射单元，实现激光波束大小的“智能”控制。每个发射构造单元19中的分支器的个数与该发射构造单元所对应的激光发阵列的发射单元数目一致，即第一个发射构造单元有3个分支器，第二个发射构造单元有12个分支器，第三个发射构造单元有16个分支器，这些分支器均为平行排列。

参照图4(c)，每个接收构造单元18，包括：一组多模光纤6、一组分光

装置7、一组PIN光电探测器8、一组APD光电探测器9、一组LOS逻辑10、光通路控制器11和合并器17；其中，多模光纤6排放在接收构造单元的前端，使接收光实现入纤接收馈源的接收方式以增大通信覆盖面积；分光镜7排放在多模光纤6之后，将接收到的光束分别送至两个不同的光电探测器；APD光电探测器9和PIN光电探测器8分别位于分光镜的右上侧和右下侧，该APD光电探测器9用于光电转换并接收光束中信号光中的基带信号，该PIN光探测器8用于接收光束中的信标光的光斑位置信息；LOS逻辑10排放在PIN光电探测器的之后，它把从PIN光电探测器8中接收到的信标光的光斑位置信息电流值进行分析，判断该光斑位置信息是否满足LOS对准条件；光通路控制器11排放在接收构造单元的中间，在满足LOS对准下时产生控制信号，并反馈给发射构造单元以选择合适的发射天线单元；合并器17排放在光通路控制器11的后面，用于接收所有的接收单元所检测到的波束的信号光。每个接收构造单元18中所包含的多模光纤、分光装置、PIN光电探测器、APD光电探测器和LOS逻辑的个数，与该接收构造单元所对应的激光收阵列的接收单元个数一致，即第一个接收构造单元有8个多模光纤、8个分光装置、8个PIN光电探测器、8个APD光电探测器和8个LOS逻辑；第二个接收构造单元有15个多模光纤、15个分光装置、15个PIN光电探测器、15个APD光电探测器和15个LOS逻辑，它们分别在所述的位置平行排列。

以上两个实施例不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的思想下，任何人可作出不同参数和结构的改变，但这些均在本发明的保护范围之列。