專利名稱：光發(fā)射天線系統(tǒng)及其波束控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種移動(dòng)大氣激光通信系統(tǒng)中基于光束可控技術(shù)的多波束光天線裝置，利用光束的視距傳輸特性、角度分集技術(shù)以及控制算法實(shí)現(xiàn)光學(xué)天線之間智能的捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤。
背景技術(shù)：
大氣激光通信又稱自由空間光通信(Free Space Optical Communication, FSO) 或無線光通信(Wireless Optical Communication)，其既可承載數(shù)字信號(hào)也可承載無線射頻信號(hào)，是ー種新興的無線通信方式。它具通信容量大、安全保密性好、有抗電磁干擾能力強(qiáng)，無需申請(qǐng)無線頻段等優(yōu)點(diǎn)，在軍事通信和民用通信領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。FSO是ー種視距傳輸系統(tǒng)。為了在發(fā)射端和接收端之間建立一條有效的通信鏈路， 精確可靠的捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤(APT Acquisition Pointing and Tracking)技術(shù)至關(guān)重要， 該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)大氣激光通信的關(guān)鍵。目前對(duì)APT技術(shù)的研究集中于采用步進(jìn)電機(jī)或快速振鏡等傳統(tǒng)的機(jī)械方法，在定點(diǎn)FSO通信中，通過系統(tǒng)本身的自動(dòng)調(diào)整機(jī)械裝置克服小范圍的器件振動(dòng)與形變等因素的影響，可以滿足激光通信精度的要求；在空間FSO通信(例如衛(wèi)星與衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面之間)中，通過對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)以及高速振鏡的精確控制， 也可以滿足激光通信精度的要求，但是其代價(jià)是需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的APT系統(tǒng)；而對(duì)于近地移動(dòng)(特別是快速移動(dòng))大氣激光通信系統(tǒng)，由于大氣效應(yīng)和目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響將更加顯著，目前的APT技術(shù)還不能滿足激光通信的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種光發(fā)射天線系統(tǒng)及其波束控制方法，更好的實(shí)現(xiàn)近地大氣激光系統(tǒng)移動(dòng)中通信，減少對(duì)復(fù)雜的APT系統(tǒng)的依賴， 提高通信的可靠性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是ー種光學(xué)天線，其特殊之處在于所述光學(xué)天線是多個(gè)激光發(fā)射天線和多個(gè)接收天線均勻排列的陣列結(jié)構(gòu)，所述陣列結(jié)構(gòu)設(shè)置在弧面(半球面或球面)上，所述每個(gè)激光發(fā)射天線包含發(fā)射多模光纖與發(fā)射微透鏡；接收天線包含接收多模光纖與接收微透鏡；所述發(fā)射微透鏡分別位于ー個(gè)接收微透鏡的中心。上述系統(tǒng)包括依次連接的光發(fā)射機(jī)、光發(fā)射交換矩陣、光發(fā)射/接收天線陣列、光接收機(jī)；所述控制器分別與光發(fā)射機(jī)、光發(fā)射交換矩陣以及光接收機(jī)連接。上述光發(fā)射機(jī)包括LD激光器、調(diào)制器、數(shù)據(jù)接ロ、緩存區(qū)、消息產(chǎn)生模塊和摻鉺光纖放大器；所述數(shù)據(jù)接ロ、緩存區(qū)以及消息產(chǎn)生模塊依次連接，所述消息產(chǎn)生模塊與控制器連接；所述LD激光器、調(diào)制器以及摻鉺光纖放大器依次連接，所述調(diào)制器與消息產(chǎn)生模塊連接，所述摻鉺光纖放大器與光發(fā)射交換矩陣連接。上述光交換矩陣包括與光發(fā)射機(jī)連接的輸入端以及切換發(fā)送激光信號(hào)的輸出單元，光交換矩陣包括多個(gè)光交換節(jié)點(diǎn)，每個(gè)光交換節(jié)點(diǎn)由微腔諧振器組成，該諧振器包含4 個(gè)輸入\輸出端，任意一個(gè)輸入\輸出端輸入\輸出激光信號(hào)，與光發(fā)射機(jī)連接的輸入端通過光交換節(jié)點(diǎn)的交換，通過程序的控制將其輸出到指定的ー個(gè)或多個(gè)輸出端。上述光接收機(jī)包括光電ニ極管陣列，電流放大器，緩存區(qū)和用戶接ロ ；所述光電ニ 極管陣列與光發(fā)射/接收天線連接；所述每個(gè)光電ニ極管表面周圍有ー個(gè)光功率感應(yīng)探頭。上述控制器包括定時(shí)器、光功率檢測(cè)模塊、消息處理模塊、發(fā)射控制模塊和運(yùn)算邏輯單元；光功率檢測(cè)模塊與運(yùn)算邏輯單元連接，所述運(yùn)算邏輯單元與消息處理模塊連接，所述消息處理模塊、運(yùn)算邏輯單元分別與發(fā)射控制模塊連接。一種光發(fā)射天線系統(tǒng)的波束控制方法，其特殊之處在于所述方法包括以下步驟1)主天線通過系統(tǒng)發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射；具體步驟是1. 1)用戶請(qǐng)求通過天線系統(tǒng)與從天線端用戶進(jìn)行通信；1. 2)設(shè)置光束寬度指數(shù)N為0 ；1. 3)天線掃描模塊發(fā)送HELL0_N分組，進(jìn)行ー輪天線掃描，得到能進(jìn)行通信的區(qū)域；1.4)掃描完成后判斷是否接收到控制消息al或a2，如果是，進(jìn)行步驟1.5)；若否，則進(jìn)行步驟1.7)；1.5)根據(jù)接收到的控制消息進(jìn)行選擇如果收到al，則將N的值加1 ；如果收到 a2，則將N的值減1 ；1.6)判斷N的值是否在
區(qū)間ぱ為天線單元的總個(gè)數(shù))；如果是，則返回步驟1.3)，若否，通信結(jié)束。1. 7)判斷是否接收到控制消息a3，如果是，則執(zhí)行步驟1. 9)，否則，執(zhí)行步驟 1.8)；1. 8)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則執(zhí)行步驟1. 10)；否則，返回步驟1. 4)；1. 9)通信建立，進(jìn)入跟蹤模式；1. 10)執(zhí)行發(fā)送端跟蹤模塊，根據(jù)通信光束的光功率以及質(zhì)心位置的改變來改變光束的寬度和位置，通信斷開或檢測(cè)超時(shí)后通信終止。2)從天線通過系統(tǒng)接收天線進(jìn)行捕獲、對(duì)準(zhǔn)以及跟蹤過程；具體步驟是2. 1)系統(tǒng)啟動(dòng)，準(zhǔn)備進(jìn)入“捕獲”、“對(duì)準(zhǔn)”和“跟蹤過程”；2.2)判斷是否存在接收天線感光，即在ー個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，是否存在接收天線単元光電ニ極管表面光功率大于Pt。如果是，則執(zhí)行步驟2. 4)，否則執(zhí)行步驟2. 3)；2.3)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則通信終止，否則，返回步驟2. 2)；2.4)執(zhí)行接收天線捕獲模塊，對(duì)接收的光信號(hào)的消息進(jìn)行檢測(cè)，并存儲(chǔ)與控制器中；2. 5)控制器確定初歩通信區(qū)域以及從天線收發(fā)天線單元坐標(biāo)與主天線收發(fā)天線坐標(biāo)的映射關(guān)系；2. 6)對(duì)于所有映射對(duì)應(yīng)的光功率，判斷是否存在光功率大于Pmax，如果是，則執(zhí)行步驟2. 7)，否則執(zhí)行步驟2. 8)；
2. 7)控制器發(fā)送本地控制消息bl，返回步驟2. 2)；2. 8)判斷是否所有映射所對(duì)應(yīng)的功率的平均值在[Pt，Pfflin)范圍內(nèi)，如果是，執(zhí)行步驟2. 9)，否則執(zhí)行步驟2. 10)；2. 9)控制器向本地發(fā)送控制消息b2，返回步驟2. 2)；2. 10)控制器篩選映射中光功率最大的作為最終進(jìn)行通信的映射，發(fā)送本地控制消息b3告知本地發(fā)送端；2. 11)通信已經(jīng)建立，在接收功率最大的映射對(duì)應(yīng)接收單元接收主天線發(fā)送的用戶消息，執(zhí)行接收端跟蹤模塊，根據(jù)每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)光功率的改變以及質(zhì)心位置的改變來調(diào)節(jié)光束大小和位置，直至天線之間無法建立連接；3)從天線通過系統(tǒng)發(fā)射天線進(jìn)行捕獲、對(duì)準(zhǔn)以及跟蹤過程；具體步驟是3. 1)系統(tǒng)啟動(dòng)，準(zhǔn)備進(jìn)入“捕獲”、“對(duì)準(zhǔn)”和“跟蹤過程”；3.2)判斷是否受到本地控制器發(fā)送的控制消息bl或は，如果是，則執(zhí)行步驟 3. 3)，否則執(zhí)行步驟3. 5)；3. 3)將天線模式設(shè)置為從模式；3. 4)根據(jù)收到的消息類型進(jìn)行選擇，如果收到bl，則天線掃描模塊以原光束大小掃描發(fā)送REPLY_NNENLARGE消息給對(duì)應(yīng)主天線的接收天線単元，告知主天線需要増大光束寬度；如果收到b2，則天線掃描模塊以原光束大小掃描發(fā)送REPLY_N_CONTRACT消息給對(duì)應(yīng)主天線的接收天線単元，告知主天線需要減小光束寬度，選擇完成后返回步驟3. 2)；3. 5)判斷是否受到本地發(fā)送控制消息b3，如果是，則執(zhí)行步驟3. 7)，否則執(zhí)行步驟 3. 6)；3.6)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則通信終止，否則，返回步驟3. 2)；3. 7)天線根據(jù)b3中的天線坐標(biāo)發(fā)送REPLY_N_COMMUNICATE消息至主天線接收端， 告知主天線可以進(jìn)行通信以及通信的具體光束大小和位置；3. 8)連接建立，可以發(fā)送從天線端用戶信息給主天線端用戶；3. 9)執(zhí)行發(fā)送端跟蹤模塊，根據(jù)通信光束的光功率以及質(zhì)心位置的改變來改變光束的寬度和位置，通信斷開或檢測(cè)超時(shí)后通信終止；4)主天線通過系統(tǒng)接收天線進(jìn)行捕獲、對(duì)準(zhǔn)以及跟蹤過程；具體步驟是4. 1)系統(tǒng)啟動(dòng)，準(zhǔn)備進(jìn)入“捕獲”、“對(duì)準(zhǔn)”和“跟蹤過程”；4.2)判斷是否存在接收天線感光，即在ー個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，是否存在接收天線単元光電ニ極管表面光功率大于Pt。如果是，則執(zhí)行步驟4. 4)，否則執(zhí)行步騾4. 3)；4. 3)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則通信終止，否則，返回步驟4. 2)；4.4)執(zhí)行接收天線捕獲模塊，對(duì)接收的光信號(hào)的消息進(jìn)行檢測(cè)，并存儲(chǔ)與控制器中；4. 5)控制器通過讀取消息內(nèi)容確定感光區(qū)域以及映射關(guān)系；4. 6)判斷接收到的消息是否是REPLY_N_ENLARGE或REPLY_N_CONTRACT，如果是， 則執(zhí)行步驟4. 7)，否則執(zhí)行步驟4. 8)；4. 7)根據(jù)收到的消息類型進(jìn)行選擇，如果接收到REPLY_N_ENLARGE，則向本地發(fā)送端發(fā)送控制消息al，告知發(fā)送端需要増大光束寬度，同時(shí)告知其掃描的范圍；如果接收到REPLY_N_CONTRACT，則向本地發(fā)送端發(fā)送控制消息a2，告知發(fā)送端需要減小光束寬度， 同時(shí)告知其掃描范圍；4. 8)判斷接收到的消息是否是REPLY_N_COMMUNICATE，如果是，則執(zhí)行步驟4. 9)， 否則返回步驟4. 3)；4. 9)控制器向本地發(fā)送端發(fā)送控制消息a3，告知其可以進(jìn)行通信，同時(shí)告知其進(jìn)行通信的光束寬度和具體光単元的位置；4. 10)連接建立，接收從天線發(fā)出的用戶信息；4. 11)執(zhí)行接收端跟蹤模塊，根據(jù)每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)光功率的改變以及質(zhì)心位置的改變來調(diào)節(jié)光束大小和位置，直至通信斷開，無法繼續(xù)連接后通信終止。上述發(fā)送端捕獲過程的具體工作步驟是1. 1. 1)生成發(fā)射范圍矩陣，根據(jù)本地控制器發(fā)來的控制消息，可以得到需要發(fā)送消息的內(nèi)容，進(jìn)行掃描的天線具體坐標(biāo)以及光束寬度；1. 1.2)閉合矩陣緊鄰左上方邊界的的2N個(gè)相鄰天線，組成一個(gè)寬度指數(shù)為N的光束，發(fā)射指定分組消息，發(fā)射的分組可以為HELL0_N分組，REPLY_N_ENLARGE分組或REPLY_ N_C0NTRACT 分組；1. 1. 3)判斷發(fā)射出所在行是否掃描完成。如果完成，則執(zhí)行步驟1. 1. 5)，否則執(zhí)行步驟1. 1. 4)；1. 1. 4)閉合原閉合光開關(guān)橫坐標(biāo)加1的光開關(guān)，對(duì)于重合的光開關(guān)繼續(xù)保持原狀，新増加的光開關(guān)進(jìn)行閉合，不需要通信的區(qū)域光開關(guān)斷開，完成后返回步驟ι. 1. 3)；1. 1. 5)判斷發(fā)射處所在列是否掃描完成，如果是，則ー輪特定區(qū)域內(nèi)的掃描完成， 否則執(zhí)行步驟ι. 1. 6)；1. 1. 6)閉合原閉合光開關(guān)縱坐標(biāo)加1的光開關(guān)，對(duì)于重合的光開關(guān)繼續(xù)保持原狀他新増加的光開關(guān)進(jìn)行閉合，不需要通信的區(qū)域光開關(guān)斷開，完成后返回步驟ι. 1. 3)。上述接收端捕獲過程的具體工作步驟是1. 2. 1)記錄感光天線的編號(hào)以及天線接收的光功率；1. 2. 2)判斷是否接收到 HELL0_N 分組或 REPLY_N_ENLARGE 分組或 REPLY_N_ CONTRACT分組或REPLY_N_COMMUNICATE分組，如果收到其中任意ー個(gè)分組，則執(zhí)行步驟 1.2. 3)，否則執(zhí)行步驟1.2.4)；1. 2. 3)根據(jù)接收到的消息類型進(jìn)行選擇，如果接收到了 HELL0_N分組，則將分組存入存儲(chǔ)區(qū)，并進(jìn)入從天線模式，此后執(zhí)行主天線接收部分的算法；如果接收到了 REPLY_ N_ENLARGE 或 REPLY_N_CONTRACT 或 REPLY_N_COMMUNICATE 消息，則將消息存入存儲(chǔ)區(qū)， 進(jìn)入主天線模式，此后執(zhí)行從天線接收部分的算法，完成后執(zhí)行步驟1. 2. 4)；1.2.4)判斷掃描剩余時(shí)間是否為0，如果是，則接收端捕獲完成，否則返回步驟 1. 2. 1)。上述發(fā)送端跟蹤過程的具體步驟是2. 1. 1)判斷用戶是否請(qǐng)求中斷連接或N已經(jīng)不在
范圍內(nèi)，如果是，則執(zhí)行步驟2. 1. 3)，否則執(zhí)行步驟2. 1. 2)；2. 1. 2)根據(jù)收到控制消息類型進(jìn)行選擇，如果收到Cl，則N加1，増大光束寬度1個(gè)指數(shù)級(jí)，同時(shí)以r為單位向質(zhì)心改變方向平移發(fā)射光束；如果收到C2，則N減1，減小光束寬度1個(gè)指數(shù)級(jí)，并以r為單位向質(zhì)心改變方向平移發(fā)射光束；如果收到C3，則以r為單位向質(zhì)心改變方向平移發(fā)射光束；如果收到C4，則N加1，増大光束寬度ー個(gè)指數(shù)級(jí)；如果收到C5，則N減1，減小光束寬度1個(gè)指數(shù)級(jí)；如果收到C6，則光束大小和位置保持不變；返回步驟 2. 1. 1)；2. 1. 3)發(fā)送端跟蹤模塊跟蹤完成；上述接收端跟蹤過程的具體步驟是2. 2. 1)接收光信號(hào)并解調(diào)、傳輸信息至本地用戶；2. 2. 2)判斷通信區(qū)域是否能感光，如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 4)，否則執(zhí)行步驟 2. 2. 3)；2. 2. 3)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則接收端跟蹤模塊跟蹤完成，否則返回步驟 2. 2. 2)；2. 2. 4)定時(shí)檢測(cè)每個(gè)進(jìn)行通信的天線單元的光功率強(qiáng)度和接收區(qū)域的質(zhì)心位置， 并計(jì)算平均光功率;^ ；2. 2. 5)判斷質(zhì)心位置的改變量Vr是否大于等于相鄰兩個(gè)天線單元中心的半徑的一半r/2，如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 6)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 12)；2. 2. 6)將通信區(qū)域向質(zhì)心改變方向平移，平移的距離以r為單位，平移方向?yàn)橘|(zhì)心改變的方向；2. 2. 7)判斷當(dāng)前進(jìn)行接收的區(qū)域是否存在光電ニ極管表面功率大于Pmax，如果是， 則執(zhí)行步驟2. 2. 8)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 9)；2. 2. 8)控制器向本地發(fā)送端發(fā)送控制消息Cl，告知發(fā)送端擴(kuò)大光束的寬度，并改變發(fā)送光束的位置，返回步驟2. 2. 2)；2. 2. 9)判斷當(dāng)前接收區(qū)域的平均光功率;^是否在[Pt，Pmin]范圍內(nèi)，如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 10)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 11)；2.2. 10)控制器向發(fā)送端發(fā)送控制消息C2，告知發(fā)送端減小發(fā)送光束ー個(gè)指數(shù)級(jí)，并改變發(fā)送光束位置，返回步驟2. 2. 2)；2.2. 11)控制器發(fā)送控制消息C3，告知發(fā)送端改變發(fā)送光束位置；返回步驟 2. 2. 2)；2.2. 12)判斷當(dāng)前區(qū)域的是否存在光電ニ極管表面功率大于Pmax，如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 13)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 14)；2. 2. 13)發(fā)送控制消息C4，告知本地發(fā)送増大光束寬度ー個(gè)指數(shù)級(jí)；返回步驟 2. 2. 2)；2. 2. 14)判斷當(dāng)前接收區(qū)域的平均光功率;^是否在[Pt，Pfflin]范圍內(nèi)，如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 15)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 16)；2. 2. 15)發(fā)送控制消息C5，告知本地發(fā)送端減小光束寬度ー個(gè)指數(shù)級(jí)；返回步驟 2. 2. 2)；2. 2. 16)發(fā)送控制消息C6，告知本地發(fā)送端不采取任何行動(dòng)，保持原通信狀態(tài)。返回步驟2. 2. 2)；本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、光天線設(shè)計(jì)成弧面(半球面或球面)結(jié)構(gòu)，光收/發(fā)天線按照一定的順序配置在光天線的表面，比傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)更能有效的覆蓋空間區(qū)域。例如采用球面結(jié)構(gòu)，可以覆蓋全方位立體角4 π的空間區(qū)域；2、與現(xiàn)有機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)掃描的方法相比，多波束光天線的波束掃描速度更高，可以有效的克服機(jī)械方法旋轉(zhuǎn)天線時(shí)慣性大、速度慢的缺點(diǎn)；適合于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)特別是快速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的激光通信。3、在掃描、捕獲和跟蹤過程中通信光束的大小“智能”可控。通信天線之間距離近，則光束較粗，同時(shí)發(fā)送激光的發(fā)射單元數(shù)目較大，保證天線之間有較大的相對(duì)移動(dòng)速度時(shí)也不會(huì)立即丟失連接；通信天線之間距離遠(yuǎn)，則光束較細(xì)，同時(shí)發(fā)送激光的發(fā)送單元數(shù)目較小，激光能夠更集中地發(fā)射以保證光通信時(shí)功率的要求。4、掃描波束與通信波束采用相同的波段，采用信標(biāo)光、信號(hào)光“合ニ為一”的技木， 捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤與激光通信有機(jī)的結(jié)合起來。


圖1是本發(fā)明光學(xué)智能天線系統(tǒng)中光天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明光學(xué)智能天線系統(tǒng)中通信范圍計(jì)算示意圖；圖3是本發(fā)明光學(xué)智能天線系統(tǒng)組成示意圖；圖4是本發(fā)明光學(xué)天線系統(tǒng)內(nèi)部控制方式示意圖；圖5是本發(fā)明智能天線掃描過程示意圖；圖6是本發(fā)明“主天線”發(fā)射天線部分的算法描述；圖7是本發(fā)明“從天線”接收部分的算法描述；圖8是本發(fā)明“從天線”發(fā)送部分的算法描述；圖9是本發(fā)明“主天線”接收天線部分的算法描述；圖10是本發(fā)明發(fā)送端發(fā)射天線掃描模塊工作過程流程圖；圖11是本發(fā)明接收端捕獲模塊工作過程流程圖；圖12是本發(fā)明發(fā)射端跟蹤模塊工作過程流程圖；圖13是本發(fā)明接收端跟蹤模塊工作過程流程具體實(shí)施例方式參見圖1，本發(fā)明提出的光學(xué)天線就是ー種利用角度分級(jí)技術(shù)在一個(gè)弧面上(覆蓋立體角為Ω)均勻配置數(shù)量為η的激光發(fā)射和接收天線的陣列結(jié)構(gòu)，該陣列中的發(fā)射天線受激光發(fā)射交換矩陣控制，每個(gè)接收天線分別由接收機(jī)中的光電ニ極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并檢測(cè)光功率，根據(jù)控制算法切換激光的輸入/輸出通路，以達(dá)到靈活控制發(fā)送光束的數(shù)目、 方向以及靈活設(shè)定用于接收光信號(hào)的天線單元位置的目的，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)天線系統(tǒng)之間智能化的捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤過程，最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)物體間，特別是高速移動(dòng)物體之間的光通信。光學(xué)天線外表弧面的大小可按實(shí)際需要覆蓋的立體角靈活設(shè)計(jì)。容易看出，立體角的覆蓋范圍最小為ー個(gè)發(fā)射-接收天線単元覆蓋的立體角Ω min，最大為球面覆蓋的立體角4π。圖1畫出了弧面為球面(覆蓋立體角Ω =4π)的光學(xué)天線正面圖。本發(fā)明采用的每個(gè)發(fā)射(或接收)天線的結(jié)構(gòu)包含多模光纖與微透鏡。即對(duì)于發(fā)射天線，光信號(hào)沿著多模光纖傳播，通過微透鏡的折射實(shí)現(xiàn)光信號(hào)以ー個(gè)特定的束散角從該天線的發(fā)送；每個(gè)接收天線具有特定的視場(chǎng)角接收收空間中光信號(hào)。用于接收的微透鏡其半徑大于發(fā)射天線透鏡的半徑，將空間光光耦合至多模光纖中。圖1中，球面上均勻排列了 η對(duì)發(fā)射/接收天線的微透鏡，每個(gè)發(fā)射天線的微透鏡分別位于ー個(gè)接收天線微透鏡的中心，即每對(duì)發(fā)射/ 接收透鏡共軸，各發(fā)射/接收透鏡組圓心之間的距離均為r。天線系統(tǒng)發(fā)射的激光信號(hào)最終由若干個(gè)發(fā)射透鏡發(fā)射到大氣中；而接收端接收的激光信號(hào)被若干個(gè)接收天線從大氣進(jìn)行接收。所有發(fā)射透鏡具有相同的發(fā)射視場(chǎng)角θ t，接收透鏡具有相同的接收視場(chǎng)角θメ θ^ > θ t)，這樣，當(dāng)各個(gè)發(fā)射透鏡發(fā)射視場(chǎng)隨著與天線系統(tǒng)的距離增大逐漸重合(此時(shí)接收視場(chǎng)已經(jīng)重合)吋，在立體角Ω覆蓋范圍內(nèi)空間任意一點(diǎn)的另外ー個(gè)光天線，均能夠被該光天線系統(tǒng)鎖定具體位置，與之進(jìn)行智能化的捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤，并最終進(jìn)行通信。經(jīng)計(jì)算，若兩個(gè)發(fā)射透鏡之間的距離為r，球天線的半徑為R，每個(gè)發(fā)射天線的視場(chǎng)角為θ，則發(fā)射束散角重合的位置，參見圖2，
D=r/2tan(π-θt-arccosr/2R),π/2-arccosr/2R<=θt<=π-arccosr/2R
在天線系統(tǒng)中總的光天線個(gè)數(shù)
n=2/1-cos(arcsinr/2R)
以r = 20mm, R = 250mm為例，代入公式O)，可得天線系統(tǒng)中光天線個(gè)數(shù)η約為 2500個(gè)；將r與R代入公式(1)可知，對(duì)于ー個(gè)束散角為0. 0403rad的發(fā)射天線，每個(gè)發(fā)射天線的束散角將在距離天線D = 30米處重合，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端對(duì)整個(gè)4 π空間的覆蓋。由于接受視場(chǎng)大于發(fā)射疏散角，則此時(shí)接收市場(chǎng)已經(jīng)覆蓋4 π空間。在一個(gè)弧面(柱面、半球面或球面)基座上有序配置一組激光收/發(fā)陣列(光天線)，由多個(gè)光發(fā)射和接收光天線單元按照一定的順序排列而成，該結(jié)構(gòu)能夠保證相鄰光發(fā)射天線單元射出的激光的光斑在遠(yuǎn)場(chǎng)處重疊；光接收天線接收視場(chǎng)部分重疊，且光發(fā)射天線陣列總的束散角和光接收天線陣列總的接收視場(chǎng)均能覆蓋整個(gè)進(jìn)行通信的區(qū)域。圖3為光發(fā)射天線系統(tǒng)的組成，包括光發(fā)射機(jī)101，光發(fā)射交換矩陣102，光發(fā)射/ 接收天線陣列103，光接收機(jī)104和控制器105。圖4為光學(xué)天線系統(tǒng)內(nèi)部控制方式的示意圖，包含每個(gè)模塊的具體結(jié)構(gòu)以及各結(jié)構(gòu)處理消息的過程。光發(fā)射機(jī)101 光發(fā)射機(jī)101由LD激光器11，調(diào)制器12，數(shù)據(jù)接ロ 13，緩存區(qū)14， 消息產(chǎn)生模塊15和摻鉺光纖放大器16組成。LD激光器11用來產(chǎn)生激光信號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以采用多級(jí)LD激光器以增大最高通信光功率，便于在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)滿足誤碼率要求。 數(shù)據(jù)接ロ 13接收上層用戶傳來的數(shù)據(jù)，緩存區(qū)14為上述數(shù)據(jù)提供一定的緩存空間。消息產(chǎn)生模塊15受控制器控制產(chǎn)生包含發(fā)射和接收天線位置信息的HELLO分組、REPLY分組或 REPLY_ACK分組，調(diào)制器12用來調(diào)制消息產(chǎn)生模塊15產(chǎn)生的消息或用戶數(shù)據(jù)信號(hào)至光載波上，摻鉺光纖放大器16將已調(diào)激光信號(hào)進(jìn)行放大，發(fā)送至光發(fā)射交換矩陣102。光發(fā)射機(jī)與光發(fā)射交換矩陣單向連接，與控制器單向連接。光發(fā)射交換矩陣102 光發(fā)射交換矩陣102用于切換發(fā)送激光信號(hào)的不同輸出單(θΜχθ^χθ,Α)
φ 水),水),水),水),φ2水),φ2 水)
φαΑ)λθαΑ).................................................................................(も，んァ)
的—2,iU哄為),(ら為+1),(ら為+2),的為+3),(氏為+4) (U。Xd 為),的為+1)
ΨΜ_來定義。這樣，從球面天線上頂點(diǎn)至下頂點(diǎn)，每個(gè)發(fā)送/接收透鏡均有了其各自的坐標(biāo)(eu，Φv)，唯一對(duì)應(yīng)ー個(gè)頂角和方位角。這個(gè)矩陣映射關(guān)系系存儲(chǔ)于天線系統(tǒng)的控制器中，在捕獲，對(duì)準(zhǔn)與跟蹤過程中均能發(fā)揮重要作用。每個(gè)發(fā)射天線的多模光纖與發(fā)射交換矩陣的ー個(gè)輸出端相連接，每個(gè)接收天線的多模光纖與接收機(jī)中的ー個(gè)光電ニ極管相連接。光接收機(jī)104 光接收機(jī)由光電ニ極管陣列，電流放大器，緩存區(qū)和用戶接ロ組成。光電ニ極管的數(shù)量與接收天線的數(shù)量相同，每個(gè)光電ニ極管與一個(gè)接收天線相連接。鋒個(gè)光電ニ極管表面周圍有ー個(gè)光功率感應(yīng)探頭，用于定時(shí)檢測(cè)該光電ニ極管接收的光功率強(qiáng)度。電流放大器用來對(duì)光點(diǎn)感應(yīng)產(chǎn)生的微弱的電流進(jìn)行放大。緩存單元用于均衡、同步感應(yīng)的電流并解調(diào)，同時(shí)暫時(shí)存儲(chǔ)接收的信號(hào)發(fā)送到消息處理單元進(jìn)行處理或直接發(fā)送至用戶接ロ實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收?？刂茊卧?05 控制單元包括定時(shí)器、光功率檢測(cè)模塊、消息處理模塊、發(fā)射控制器和運(yùn)算邏輯單元。光功率監(jiān)測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)各個(gè)光電ニ極管單元中的光功率并進(jìn)行暫時(shí)的存儲(chǔ)運(yùn)算邏輯単元用來比較光功率是否滿足閾值P要求，并將滿足閾值要求的接收單元的坐標(biāo)發(fā)送至消息處理模塊和發(fā)射控制模塊；消息處理模塊用來檢測(cè)符合功率閾值P要求的接收區(qū)域接收信號(hào)的消息內(nèi)容。發(fā)射交叉矩陣控制器用來整合消息的內(nèi)容和功率的強(qiáng)度
元，矩陣大小為ΙΧη，輸入端連接光發(fā)射機(jī)101發(fā)出的已調(diào)放大光信號(hào)，矩陣的η個(gè)輸出端與光發(fā)射天線陣列的η個(gè)光發(fā)射天線分別相連接。通過控制光發(fā)射交換矩陣節(jié)點(diǎn)的通斷， 可以控制激光波束從天線表面任意的位置射出，實(shí)現(xiàn)激光波束位置和大小的智能控制；矩陣的交叉結(jié)點(diǎn)為基于環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)的路由光開關(guān)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)光的直通、換路功能。
發(fā)射/接收天線陣列103 發(fā)射/接收天線陣列103由發(fā)射天線和接收天線組成。 外形結(jié)構(gòu)已經(jīng)在前文進(jìn)行了說明。接收天線和發(fā)射天線數(shù)量均為η個(gè)。為了描述方便，我們將發(fā)射天線和接收天線按其行編號(hào)；每個(gè)發(fā)射天線和與其發(fā)射透鏡同心共軸的接收透鏡對(duì)應(yīng)的接收天線具有相同的編號(hào)。具體的編號(hào)方法為通過確定每個(gè)發(fā)送/接收天線的透鏡中心(由于每對(duì)發(fā)射天線和接收天線的透鏡中心為同一點(diǎn))在整個(gè)球面天線中的頂角θ 和方位角Φ來定義每個(gè)發(fā)射/接收天線的編號(hào)，同時(shí)也能夠確定該發(fā)射/接收天線在球面的位置。由于天線在球面均勻排布，故對(duì)整個(gè)球面的所有天線，如果從上頂點(diǎn)開始，即球面的“北極點(diǎn)”，一直命名至下頂點(diǎn)，即“南極點(diǎn)”，可以用矩陣 [01221
3來控制產(chǎn)生攜帯特定消息的激光信號(hào)通過發(fā)射交換矩陣輸出到指定的收發(fā)單元對(duì)大氣進(jìn)行捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤。下面將詳細(xì)介紹本專利提出的多波束天線在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中建立連接、進(jìn)行通信并在天線之間有相對(duì)位移時(shí)保持通信狀態(tài)的過程的步驟，即實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)激光光通信中捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤過程的方法。該兩個(gè)多波束光天線完全相同，為了便于區(qū)分，我們將首先提出建立連接(例如由于該天線所連接的用戶首先請(qǐng)求發(fā)送信息)的一方稱為“主天線”，另一方成為“從天線”。在算法的描述過程中，為了便于理解，主天線與從天線的算法將被分開表述， 每個(gè)天線系統(tǒng)的發(fā)送、接收算法也將分別進(jìn)行描述。同吋，主天線和從天線在發(fā)送和接收過程中會(huì)共同用到的ー些功能將以模塊的形式在算法中表示，每個(gè)模塊的具體算法及實(shí)現(xiàn)功能會(huì)在下文進(jìn)行描述。捕獲過程用戶向主天線系統(tǒng)發(fā)出發(fā)送信息請(qǐng)求，主天線系統(tǒng)發(fā)起向從天線系統(tǒng)的連接?？刂破鞫〞r(shí)控制主天線的發(fā)射交換矩陣對(duì)光開關(guān)進(jìn)行通斷控制從而實(shí)現(xiàn)光束的逐行掃描。設(shè)置N為光束掃描寬度指數(shù)，在一輪天線掃描發(fā)射中，以2N作為每次同時(shí)發(fā)射的天線數(shù)量，每個(gè)時(shí)鐘周期閉合2N個(gè)發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的光開關(guān)，發(fā)射指定消息，然后在下ー個(gè)時(shí)鐘周期，通過更改光開關(guān)的閉合、斷開狀態(tài)情況，實(shí)現(xiàn)此次用于發(fā)射的光天線的位置為上個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射消息的光天線單元平移1個(gè)光天線單元的距離所在位置的光天線。 初始情況下，N = 0，即天線在此次螺旋掃描過程中毎次光束從1個(gè)發(fā)射天線單元射出，發(fā)送含有該天線単元信息的HELL0_N(N = 0)消息(此時(shí)發(fā)射単元大小為1)，依照前文所述發(fā)送/接收天線的坐標(biāo)矩陣按逐行逐個(gè)天線的順序進(jìn)行發(fā)射，在第一個(gè)時(shí)間周期閉合發(fā)射天線(θ。，Φ0)在發(fā)射交換矩陣中對(duì)應(yīng)的光開關(guān)，第二個(gè)時(shí)間周期斷開上述光開關(guān)，閉合發(fā)射天線(θ ” Φ0)在發(fā)射交換矩陣中對(duì)應(yīng)的光開關(guān)，第三個(gè)時(shí)間周期斷開(θ ” φ0)對(duì)應(yīng)光開關(guān)，閉合(θ ” φ》對(duì)應(yīng)光開關(guān)，依次類推。按照坐標(biāo)的排布順序，坐標(biāo)矩陣中每一行掃描完成就光天線就跳至下一行進(jìn)行掃描，直至所有天線單元都分別發(fā)送過HELL0_N(N = 0)分組消息，螺旋掃描完成，天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)覆蓋空間4 π的螺旋掃描，主天線的接收端等待對(duì)方天線的回應(yīng)?！皬奶炀€”中光天線陣列的所有接收天線在開啟后等待接收“主天線”發(fā)送的 HELL0_N(N = 0)分組。接收天線通過判斷每個(gè)天線上光電ニ極管表面接收的光功率來確定該接收區(qū)域是否能夠滿足通信需求。我們?cè)O(shè)定每個(gè)光電ニ極管的靈敏度為Pt，只有光電ニ極管表面光功率大于靈敏度Pt才能被廣電ニ極管感知；Pmin為使達(dá)到誤碼率要求(BER彡ΙΟ"6)的最小光功率；Ps為光電ニ極管的飽和功率；Pmax為滿足誤碼率要求 (BER く 10_6)的最高光功率，并且有Pt く Pmin < Pmax く Ps0在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，對(duì)于能感光的接收區(qū)域(光電ニ極管表面光功率高于Pt)，控制器首先記錄這些接收天線的坐標(biāo)以及接收的光功率，然后控制接收機(jī)解調(diào)滿足Pt要求的接收區(qū)域攜帯的光信號(hào)，得到HELL0_N(N =0)分組消息。控制器讀取該HELL0_N(N= 1)消息中“主天線”系統(tǒng)發(fā)送該消息時(shí)使用的發(fā)射天線的坐標(biāo)編號(hào)并將其和“從天線”感光區(qū)域編號(hào)對(duì)應(yīng)存入存儲(chǔ)區(qū)；同時(shí)，控制器還要讀取HELL0_N(N = 0)消息中的剰余時(shí)間域，用來判斷“主天線”系統(tǒng)的發(fā)射掃描過程是否完成。當(dāng)從剩余時(shí)間域中讀取的值為0吋，主天線本輪發(fā)射掃描完成。掃描完成后，控制器將會(huì)根據(jù)存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)的關(guān)于“主天線”發(fā)射天線單元坐標(biāo)編號(hào)與“從天線”接收天線單元的坐標(biāo)編號(hào)初歩得到能進(jìn)行通信的區(qū)域。由于激光光束存在束散角，主天線每個(gè)發(fā)射單元發(fā)出的HELL0_N(N = 0)分組可能被多個(gè)接收単元同時(shí)接收因此就存在了發(fā)射天線單元坐標(biāo)編號(hào)和接收天線単元坐標(biāo)編號(hào)不唯一對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，控制器將采用篩選最優(yōu)對(duì)應(yīng)關(guān)系的方式得到光功率最大的映射關(guān)系，例如，對(duì)于“主天線”系統(tǒng)坐標(biāo)為(民，ち)的發(fā)射天線單元發(fā)送的HELL0_N(N = 0)分組，同時(shí)有“從天線”系統(tǒng)天線坐標(biāo)為 (ea,(pb\iea+”(pb\(Pa,(pb+l), 、ぬ>Ρφα+ιΜ)>。三個(gè)接收天線單元接收光信號(hào)功率能被其各自的光電ニ極管感知，則此時(shí)選擇三個(gè)接收光功率中最強(qiáng)的接收天線坐標(biāo)(も，％)作為與(民，ち)通信的最佳映射。并且，可以證明，由于無論是主天線系統(tǒng)還是從天線系統(tǒng)，其每個(gè)天線單元的發(fā)射透鏡和接收透鏡同心共軸，因此，“從天線”系統(tǒng)的(も，％)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線一定也可以被主天線的(氏，ち)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的接收天線正確接收，并且接收光功率最大。經(jīng)過篩選，控制器得到與“主天線”系統(tǒng)發(fā)射/接收單元與“從天線”系統(tǒng)發(fā)射接收單元以坐標(biāo)形式一一對(duì)應(yīng)的通信最佳映射集合，即我們得到了“主天線”系統(tǒng)和“從天線”系統(tǒng)在可以以光束寬度為ι的光信號(hào)進(jìn)行通信的區(qū)域，同時(shí)得到了“主天線”系統(tǒng)和“從天線” 系統(tǒng)各通信天線單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而從上述映射中選取任意一對(duì)對(duì)應(yīng)天線單元進(jìn)行通信無法保證通信質(zhì)量。若大氣雜散光的光功率接近或大于靈敏度pt，或通信光功率接近光電ニ極管的飽和光功率ps， 都會(huì)導(dǎo)致誤碼率上升造成通信質(zhì)量的下降；另外ー種情況是，由于光束寬度為1，只有ー對(duì)天線單元進(jìn)行發(fā)送和接收，由于光線的直線傳播特性，一旦“主” “從”兩個(gè)天線系統(tǒng)有輕微的相對(duì)移動(dòng)，通信就很有可能中斷。為了解決可能存在的誤碼率過高和通信易中斷的問題，擬通過重復(fù)的掃描對(duì)準(zhǔn)過程，在滿足一定通信功率的前提下盡可能増加通信時(shí)光束的寬度，即利用盡可能多的發(fā)射天線、接收天線進(jìn)行通信。上文提到了功率Pmin為滿足誤碼率條件的最小光功率，功率Pmax為滿足誤碼率條件的最大光功率，即當(dāng)接收光信號(hào)在[Pmin，PmaJ范圍內(nèi)吋，通信誤碼率
BER <\0-6,な和なx的值可以由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。另外，若所有映射真共η対)
所對(duì)應(yīng)的接收功率分別為Pln,則我們定義平均功率為？ = L?？刂?br> 器對(duì)所有通信映射所對(duì)應(yīng)的光功率進(jìn)行判斷，如果存在光功率大于Pmax的映射，則表明通信光功率過大，應(yīng)增加光束寬度，使激光功率分散發(fā)送，既保證了誤碼率又減少了通信斷開的概率，此時(shí)控制器向“從天線”系統(tǒng)的發(fā)送端發(fā)送bl控制消息，發(fā)送端向“主天線”系統(tǒng)掃描發(fā)送REPLY_N_ENLARGE消息進(jìn)行回復(fù)，告知“主天線”系統(tǒng)需要増大光束寬度；若η個(gè)光功率值均小于等于Pmax，但平均功率;^在[Pt，Pfflin)區(qū)間內(nèi)，則表明多數(shù)接收功率小于能保證正確接收的功率Pmin，通信光功率過小，應(yīng)減小光束寬度，此時(shí)控制器向從天線的發(fā)送端發(fā)送 b2控制消息，發(fā)送端向主天線掃描發(fā)送REPLY_N_CONTRACT消息進(jìn)行回復(fù)，告知主天線系統(tǒng)需要減小光束寬度；若η個(gè)光功率值均小于等于Pmax，且平均功率;^在[Pmin，Pmax)區(qū)間內(nèi)，則表明多數(shù)接收功率滿足正確接收的條件，可以以當(dāng)前光束寬度進(jìn)行通信，控制其向從天線的發(fā)送端發(fā)送b3控制消息，發(fā)送端向“主天線”系統(tǒng)掃描發(fā)送REPLY_N_COMMUNICATE消息， 此時(shí)表明通信正式建立。光束的掃描發(fā)送方式與“主天線”掃描發(fā)送的方式相同，只是掃描的范圍變?yōu)樗杏成渲小皬奶炀€”系統(tǒng)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的天線單元。對(duì)準(zhǔn)過程主天線系統(tǒng)此時(shí)等待從天線系統(tǒng)發(fā)送的回復(fù)消息，定時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)接收天線接收的光功率。在一個(gè)周期內(nèi)，如果存在某個(gè)區(qū)域接收功率大于通信最低門限Pt則記錄該接收單元編號(hào)及對(duì)應(yīng)光功率，并開辟存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行存儲(chǔ)。然后控制器提取“從天線”系統(tǒng)掃描法發(fā)送的 REPLY_N_ENLARGE，REPLY_N_CONTRACT 或者 REPLY_N_COMMUNICATE 消息，并提取消息中的掃描剩余時(shí)間域的值，如果掃描剩余時(shí)間為0，則接收端對(duì)“從天線”掃描發(fā)射的回復(fù)信息接收完成。此時(shí)“主天線”系統(tǒng)控制器通過讀取接收到的REPLY_N_ENLARGE，REPLY_N_CONTRACT 或者REPLY_N_COMMUNICATE消息就能夠得到“主天線”發(fā)送/接收單元與“從天線”發(fā)送/接收單元的映射。如果在一輪掃描過程中，主天線接收到“REPLY_N_ENLARGE”，則控制器發(fā)送al控制信號(hào)給本地發(fā)送端，發(fā)射天線在發(fā)射新的HELL0_N之前，將N的值加1，根據(jù)確定的發(fā)送/接收區(qū)域進(jìn)行掃描發(fā)射HELL0_N分組消息。掃描發(fā)射的方式與“從天線”掃描發(fā)射回復(fù)消息的方式相同；如果主天線接收到“REPLY_N_CONTRACT”，則控制器發(fā)送a2控制信號(hào)給本地發(fā)送端，發(fā)射天線在發(fā)射新的HELL0_N之前，將N的值減1，根據(jù)確定的發(fā)送/接收區(qū)域進(jìn)行掃描發(fā)射HELL0_N分組消息；如果“主天線”系統(tǒng)接收到REPLY_N_COMMUNICATE，則控制器篩選出映射中光強(qiáng)最大的單元作為通信單元，并將控制消息a3發(fā)送至發(fā)送端，“主天線”開始發(fā)送用戶請(qǐng)求的消息內(nèi)容，與“從天線”開始通信?！皬奶炀€”接收天線接收到“主天線”新一輪掃描發(fā)送的HELL0_N消息后，收到的每個(gè)HELL0_N消息中最大的2N天線單元個(gè)作為新的與“主天線”同時(shí)發(fā)送的天線的映射，掃描完成后生成新的映射集合，并繼續(xù)判斷光功率強(qiáng)度，發(fā)送對(duì)應(yīng)消息給“主天線”系統(tǒng)。“對(duì)準(zhǔn)”過程不斷執(zhí)行，在外觀上看到就是光束的寬度在進(jìn)行變化，并不斷進(jìn)行掃描，直至“主天線”以光束寬度指數(shù)為Nx進(jìn)行掃描發(fā)射時(shí)，對(duì)“從天線”系統(tǒng)中得到的所有映射對(duì)應(yīng)接收的光功率，P < Pmax，且；^在[Pt，Pmin)范圍內(nèi)，此時(shí)“從天線”的控制器發(fā)送b3控制消息使發(fā)送端發(fā)送REPLY_N_COMMUNICATE消息，接收端開始以光束寬度指數(shù)為Nx的激光束向發(fā)送端發(fā)送用戶消息。發(fā)送端接收到REPLY_N_COMMUNICATE消息后，發(fā)送a3控制消息給發(fā)送端，“主天線”的發(fā)送端開始以光束寬度指數(shù)為Nx的激光向“從天線”發(fā)送用戶信息。此時(shí)，雙向通信建立。跟蹤過程當(dāng)通信過程建立后，跟蹤機(jī)制開始發(fā)揮作用。在跟蹤過程中，主天線系統(tǒng)和從天線系統(tǒng)的跟蹤算法完全相同，每個(gè)天線系統(tǒng)均通過判斷其正在通信的2N個(gè)接收天線單元的功率P，質(zhì)心的位移，平均光功率；^來實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的跟蹤?？刂破鲿?huì)定時(shí)對(duì)整個(gè)通信區(qū)域區(qū)域里每個(gè)天線接收的功率強(qiáng)度做記錄，并根據(jù)其坐標(biāo)編號(hào)對(duì)整個(gè)通信區(qū)域的區(qū)域的質(zhì)心進(jìn)行計(jì)算。質(zhì)心的計(jì)算方法為對(duì)于r個(gè)通信接收天線，其天線單元中心坐標(biāo)分別為(^,^),/ = 1,2,...,Λ，接收平均功率功率分別為Pi, i = 1，2，. . .，k，則其質(zhì)心坐標(biāo)運(yùn), )為
權(quán)利要求
1.ー種光學(xué)天線，其特征在于所述光學(xué)天線是多個(gè)激光發(fā)射天線和多個(gè)接收天線均勻排列的陣列結(jié)構(gòu)，所述陣列結(jié)構(gòu)設(shè)置在弧面(半球面或球面)上，所述每個(gè)激光發(fā)射天線包含發(fā)射多模光纖與發(fā)射微透鏡；接收天線包含接收多模光纖與接收微透鏡；所述發(fā)射微透鏡分別位于ー個(gè)接收微透鏡的中心。
2.一種基于如權(quán)利要求1所述的光學(xué)天線的光發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括依次連接的光發(fā)射機(jī)、光發(fā)射交換矩陣、光發(fā)射/接收天線陣列、光接收機(jī)；所述控制器分別與光發(fā)射機(jī)、光發(fā)射交換矩陣以及光接收機(jī)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)天線的光發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征在于所述光發(fā)射機(jī)包括LD激光器、調(diào)制器、數(shù)據(jù)接ロ、緩存區(qū)、消息產(chǎn)生模塊和摻鉺光纖放大器；所述數(shù)據(jù)接ロ、 緩存區(qū)以及消息產(chǎn)生模塊依次連接，所述消息產(chǎn)生模塊與控制器連接；所述LD激光器、調(diào)制器以及摻鉺光纖放大器依次連接，所述調(diào)制器與消息產(chǎn)生模塊連接，所述摻鉺光纖放大器與光發(fā)射交換矩陣連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)天線的光發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征在于所述光交換矩陣包括與光發(fā)射機(jī)連接的輸入端以及切換發(fā)送激光信號(hào)的輸出單元，光交換矩陣包括多個(gè)光交換節(jié)點(diǎn)，每個(gè)光交換節(jié)點(diǎn)由微腔諧振器組成，該諧振器包含4個(gè)輸入\輸出端，任意ー個(gè)輸入\輸出端輸入\輸出激光信號(hào)，與光發(fā)射機(jī)連接的輸入端通過光交換節(jié)點(diǎn)的交換，通過程序的控制將其輸出到指定的ー個(gè)或多個(gè)輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)天線的光發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征在于所述光接收機(jī)包括光電ニ極管陣列，電流放大器，緩存區(qū)和用戶接ロ ；所述光電ニ極管陣列與光發(fā)射/接收天線連接；所述每個(gè)光電ニ極管表面周圍有ー個(gè)光功率感應(yīng)探頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)天線的光發(fā)射天線系統(tǒng)，其特征在于所述控制器包括定時(shí)器、光功率檢測(cè)模塊、消息處理模塊、發(fā)射控制模塊和運(yùn)算邏輯単元；光功率檢測(cè)模塊與運(yùn)算邏輯單元連接，所述運(yùn)算邏輯單元與消息處理模塊連接，所述消息處理模塊、運(yùn)算邏輯單元分別與發(fā)射控制模塊連接。
7.一種光發(fā)射天線系統(tǒng)的波束控制方法，其特征在干所述方法包括以下步驟.1)主天線通過系統(tǒng)發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射；具體步驟是.1.1)用戶請(qǐng)求通過天線系統(tǒng)與從天線端用戶進(jìn)行通信；.1.2)設(shè)置光束寬度指數(shù)N為0;.1. 3)天線掃描模塊發(fā)送HELL0_N分組，進(jìn)行ー輪天線掃描，得到能進(jìn)行通信的區(qū)域；.1.4)掃描完成后判斷是否接收到控制消息al或a2，如果是，進(jìn)行步驟1.5)；若否，則進(jìn)行步驟1. 7)；.1. 5)根據(jù)接收到的控制消息進(jìn)行選擇如果收到al，則將N的值加1 ；如果收到a2，則將N的值減1 ；.1.6)判斷N的值是否在
區(qū)間(2"為天線單元的總個(gè)數(shù))；如果是，則返回步驟 1.3)，若否，通信結(jié)束。.1. 7)判斷是否接收到控制消息a3，如果是，則執(zhí)行步驟1. 9)，否則，執(zhí)行步驟1. 8)；.1.8)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則執(zhí)行步驟1.10)；否則，返回步驟1.4)；.1. 9)通信建立，進(jìn)入跟蹤模式；.1. 10)執(zhí)行發(fā)送端跟蹤模塊，根據(jù)通信光束的光功率以及質(zhì)心位置的改變來改變光束的寬度和位置，通信斷開或檢測(cè)超時(shí)后通信終止。2)從天線通過系統(tǒng)接收天線進(jìn)行捕獲、對(duì)準(zhǔn)以及跟蹤過程；具體步驟是 2. 1)系統(tǒng)啟動(dòng)，準(zhǔn)備進(jìn)入“捕獲”、“對(duì)準(zhǔn)”和“跟蹤過程”；2. 2)判斷是否存在接收天線感光，即在ー個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，是否存在接收天線単元光電 ニ極管表面光功率大于Pt。如果是，則執(zhí)行步驟2. 4)，否則執(zhí)行步驟2. 3)； 2.3)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則通信終止，否則，返回步驟2. 2)； 2. 4)執(zhí)行接收天線捕獲模塊，對(duì)接收的光信號(hào)的消息進(jìn)行檢測(cè)，并存儲(chǔ)與控制器中；2.5)控制器確定初歩通信區(qū)域以及從天線收發(fā)天線單元坐標(biāo)與主天線收發(fā)天線坐標(biāo)的映射關(guān)系；2. 6)對(duì)于所有映射對(duì)應(yīng)的光功率，判斷是否存在光功率大于Pmax，如果是，則執(zhí)行步驟 2. 7)，否則執(zhí)行步驟2. 8)；2.7)控制器發(fā)送本地控制消息bl，返回步驟2.2)；2.8)判斷是否所有映射所對(duì)應(yīng)的功率的平均值在[Pt，Pfflin)范圍內(nèi)，如果是，執(zhí)行步驟2.9)，否則執(zhí)行步驟2. 10)；2.9)控制器向本地發(fā)送控制消息は，返回步驟2.2)；2. 10)控制器篩選映射中光功率最大的作為最終進(jìn)行通信的映射，發(fā)送本地控制消息 b3告知本地發(fā)送端；2.11)通信已經(jīng)建立，在接收功率最大的映射對(duì)應(yīng)接收單元接收主天線發(fā)送的用戶消息，執(zhí)行接收端跟蹤模塊，根據(jù)每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)光功率的改變以及質(zhì)心位置的改變來調(diào)節(jié)光束大小和位置，直至天線之間無法建立連接；3)從天線通過系統(tǒng)發(fā)射天線進(jìn)行捕獲、對(duì)準(zhǔn)以及跟蹤過程； 具體步驟是3.1)系統(tǒng)啟動(dòng)，準(zhǔn)備進(jìn)入“捕荻”、“對(duì)準(zhǔn)”和“跟蹤過程”；3. 2)判斷是否受到本地控制器發(fā)送的控制消息bl或は，如果是，則執(zhí)行步驟3. 3)，否則執(zhí)行步驟3. 5)；3. 3)將天線模式設(shè)置為從模式；3. 4)根據(jù)收到的消息類型進(jìn)行選擇，如果收到bl，則天線掃描模塊以原光束大小掃描發(fā)送REPLY_NNENLARGE消息給對(duì)應(yīng)主天線的接收天線単元，告知主天線需要増大光束寬度；如果收到b2，則天線掃描模塊以原光束大小掃描發(fā)送REPLY_N_CONTRACT消息給對(duì)應(yīng)主天線的接收天線単元，告知主天線需要減小光束寬度，選擇完成后返回步驟3. 2)；3. 5)判斷是否受到本地發(fā)送控制消息b3，如果是，則執(zhí)行步驟3. 7)，否則執(zhí)行步驟3.6)；3.6)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則通信終止，否則，返回步驟3.2)；3. 7)天線根據(jù)b3中的天線坐標(biāo)發(fā)送REPLY_N_COMMUNICATE消息至主天線接收端，告知主天線可以進(jìn)行通信以及通信的具體光束大小和位置；3. 8)連接建立，可以發(fā)送從天線端用戶信息給主天線端用戶； 3. 9)執(zhí)行發(fā)送端跟蹤模塊，根據(jù)通信光束的光功率以及質(zhì)心位置的改變來改變光束的寬度和位置，通信斷開或檢測(cè)超時(shí)后通信終止；4)主天線通過系統(tǒng)接收天線進(jìn)行捕獲、對(duì)準(zhǔn)以及跟蹤過程；具體步驟是.4. 1)系統(tǒng)啟動(dòng)，準(zhǔn)備進(jìn)入“捕獲”、“對(duì)準(zhǔn)”和“跟蹤過程”；.4. 2)判斷是否存在接收天線感光，即在ー個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，是否存在接收天線単元光電 ニ極管表面光功率大于Pt。如果是，則執(zhí)行步驟4. 4)，否則執(zhí)行步驟4. 3)； 4.3)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則通信終止，否則，返回步驟4. 2)； 4. 4)執(zhí)行接收天線捕獲模塊，對(duì)接收的光信號(hào)的消息進(jìn)行檢測(cè)，并存儲(chǔ)與控制器中； 4. 5)控制器通過讀取消息內(nèi)容確定感光區(qū)域以及映射關(guān)系；.4. 6)判斷接收到的消息是否是REPLY_N_ENLARGE或REPLY_N_CONTRACT，如ロ果是，則執(zhí)行步驟4. 7)，否則執(zhí)行步驟4. 8)；.4. 7)根據(jù)收到的消息類型進(jìn)行選擇，如果接收到REPLY_N_ENLARGE，則向本地發(fā)送端發(fā)送控制消息al，告知發(fā)送端需要増大光束寬度，同時(shí)告知其掃描的范圍；如果接收到 REPLY_N_CONTRACT，則向本地發(fā)送端發(fā)送控制消息a2，告知發(fā)送端需要減小光束寬度，同時(shí)告知其掃描范圍；.4. 8)判斷接收到的消息是否是REPLY_N_COMMUNICATE，如果是，則執(zhí)行步驟4. 9)，否則返回步驟4. 3)；.4. 9)控制器向本地發(fā)送端發(fā)送控制消息a3，告知其可以進(jìn)行通信，同時(shí)告知其進(jìn)行通信的光束寬度和具體光単元的位置；.4. 10)連接建立，接收從天線發(fā)出的用戶信息；.4. 11)執(zhí)行接收端跟蹤模塊，根據(jù)每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)光功率的改變以及質(zhì)心位置的改變來調(diào)節(jié)光束大小和位置，直至通信斷開，無法繼續(xù)連接后通信終止。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光發(fā)射天線系統(tǒng)的波束控制方法，其特征在于所述發(fā)送端捕獲過程的具體工作步驟是.1.1.1)生成發(fā)射范圍矩陣，根據(jù)本地控制器發(fā)來的控制消息，可以得到需要發(fā)送消息的內(nèi)容，進(jìn)行掃描的天線具體坐標(biāo)以及光束寬度；. 1. 1. 2)閉合矩陣緊鄰左上方邊界的的2N個(gè)相鄰天線，組成一個(gè)寬度指數(shù)為N的光束， 發(fā)射指定分組消息，發(fā)射的分組可以為HELL0_N分組，REPLY_N_ENLARGE分組或REPLY_N_ CONTRACT 分組；.1.1.3)判斷發(fā)射出所在行是否掃描完成。如果完成，則執(zhí)行步驟1.1. 5)，否則執(zhí)行步驟 1. 1. 4)；.1. 1.4)閉合原閉合光開關(guān)橫坐標(biāo)加1的光開關(guān)，對(duì)于重合的光開關(guān)繼續(xù)保持原狀，新増加的光開關(guān)進(jìn)行閉合，不需要通信的區(qū)域光開關(guān)斷開，完成后返回步驟ι. 1. 3)；.1. 1.5)判斷發(fā)射處所在列是否掃描完成，如果是，則ー輪特定區(qū)域內(nèi)的掃描完成，否則執(zhí)行步驟1. 1. 6)；.1. 1.6)閉合原閉合光開關(guān)縱坐標(biāo)加1的光開關(guān)，對(duì)于重合的光開關(guān)繼續(xù)保持原狀他新増加的光開關(guān)進(jìn)行閉合，不需要通信的區(qū)域光開關(guān)斷開，完成后返回步驟.1. 1.3)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光發(fā)射天線系統(tǒng)的波束控制方法，其特征在于所述接收端捕獲過程的具體工作步驟是.1. 2. 1)記錄感光天線的編號(hào)以及天線接收的光功率；.1. 2. 2)判斷是否接收到HELLO N分組或REPLY N ENLARGE分組或REPLY N CONTRACT分組或REPLY_N_COMMUNICATE分組，如果收到其中任意ー個(gè)分組，則執(zhí)行步驟1. 2. 3)，否則執(zhí)行步驟1. 2. 4)；.1.2. 3)根據(jù)接收到的消息類型進(jìn)行選擇，如果接收到了 HELL0_N分組，則將分組存入存儲(chǔ)區(qū)，并進(jìn)入從天線模式，此后執(zhí)行主天線接收部分的算法；如果接收到了 REPLY_N_ ENLARGE 或 REPLY_N_CONTRACT 或 REPLY_N_COMMUNICATE 消息，則將消息存入存儲(chǔ)區(qū)，進(jìn)入主天線模式，此后執(zhí)行從天線接收部分的算法，完成后執(zhí)行步驟1. 2. 4)；.I.2.4)判斷掃描剩余時(shí)間是否為0，如果是，則接收端捕獲完成，否則返回步驟 1. 2. 1)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光發(fā)射天線系統(tǒng)的波束控制方法，其特征在于所述發(fā)送端跟蹤過程的具體步驟是.2.1. 1)判斷用戶是否請(qǐng)求中斷連接或N已經(jīng)不在
范圍內(nèi)，如果是，則執(zhí)行步驟 2. 1.3)，否則執(zhí)行步驟2. 1.2)；.2. 1. 2)根據(jù)收到控制消息類型進(jìn)行選擇，如果收到Cl，則N加1，増大光束寬度1個(gè)指數(shù)級(jí)，同時(shí)以r為單位向質(zhì)心改變方向平移發(fā)射光束；如果收到C2，則N減1，減小光束寬度 1個(gè)指數(shù)級(jí)，并以r為單位向質(zhì)心改變方向平移發(fā)射光束；如果收到C3，則以r為單位向質(zhì)心改變方向平移發(fā)射光束；如果收到C4，則N加1，増大光束寬度ー個(gè)指數(shù)級(jí)；如果收到C5， 則N減1，減小光束寬度1個(gè)指數(shù)級(jí)；如果收到C6，則光束大小和位置保持不變；返回步驟 2. 1. 1)；.2. 1. 3)發(fā)送端跟蹤模塊跟蹤完成；
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光發(fā)射天線系統(tǒng)的波束控制方法，其特征在于所述接收端跟蹤過程的具體步驟是.2. 2. 1)接收光信號(hào)并解調(diào)、傳輸信息至本地用戶；.2. 2. 2)判斷通信區(qū)域是否能感光，如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 4)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 3)；.2. 2. 3)判斷計(jì)時(shí)器是否超吋，如果是，則接收端跟蹤模塊跟蹤完成，否則返回步驟 2. 2. 2)；.2. 2. 4)定時(shí)檢測(cè)每個(gè)進(jìn)行通信的天線單元的光功率強(qiáng)度和接收區(qū)域的質(zhì)心位置，并計(jì)算平均光功率云；.2. 2. 5)判斷質(zhì)心位置的改變量Vr是否大于等于相鄰兩個(gè)天線單元中心的半徑的一半 r/2,如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 6)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 12)；.2. 2. 6)將通信區(qū)域向質(zhì)心改變方向平移，平移的距離以r為單位，平移方向?yàn)橘|(zhì)心改變的方向；.2. 2. 7)判斷當(dāng)前進(jìn)行接收的區(qū)域是否存在光電ニ極管表面功率大于Pmax，如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 8)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 9)；.2. 2. 8)控制器向本地發(fā)送端發(fā)送控制消息Cl，告知發(fā)送端擴(kuò)大光束的寬度，并改變發(fā)送光束的位置，返回步驟2. 2. 2)；.2. 2.9)判斷當(dāng)前接收區(qū)域的平均光功率フ是否在[Pt，Pmin]范圍內(nèi)，如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 10)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 11)；.2. 2. 10)控制器向發(fā)送端發(fā)送控制消息C2，告知發(fā)送端減小發(fā)送光束ー個(gè)指數(shù)級(jí)，并改變發(fā)送光束位置，返回步驟2. 2. 2)；.2. 2. 11)控制器發(fā)送控制消息C3，告知發(fā)送端改變發(fā)送光束位置；返回步驟2. 2. 2)； 2. 2. 12)判斷當(dāng)前區(qū)域的是否存在光電ニ極管表面功率大于Pmax，如果是，則執(zhí)行步驟 2.2. 13)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 14)；.2. 2. 13)發(fā)送控制消息C4，告知本地發(fā)送増大光束寬度ー個(gè)指數(shù)級(jí)；返回步驟 2. 2. 2)；.2.2. 14)判斷當(dāng)前接收區(qū)域的平均光功率云是否在[Pt，Pfflin]范圍內(nèi)，如果是，則執(zhí)行步驟2. 2. 15)，否則執(zhí)行步驟2. 2. 16)；.2. 2. 15)發(fā)送控制消息C5，告知本地發(fā)送端減小光束寬度ー個(gè)指數(shù)級(jí)；返回步驟 2. 2. 2)；.2. 2. 16)發(fā)送控制消息C6，告知本地發(fā)送端不采取任何行動(dòng)，保持原通信狀態(tài)。返回步驟2.2.2)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種光發(fā)射天線系統(tǒng)及其波束控制方法，光學(xué)天線是多個(gè)激光發(fā)射天線和多個(gè)接收天線均勻排列的陣列結(jié)構(gòu)，陣列結(jié)構(gòu)設(shè)置在弧面(半球面或球面)上，每個(gè)激光發(fā)射天線包含發(fā)射多模光纖與發(fā)射微透鏡；接收天線包含接收多模光纖與接收微透鏡；發(fā)射微透鏡分別位于一個(gè)接收微透鏡的中心。本發(fā)明的更好的光發(fā)射天線系統(tǒng)及其波束控制方法實(shí)現(xiàn)近地大氣激光系統(tǒng)移動(dòng)中通信，減少對(duì)復(fù)雜的APT系統(tǒng)的依賴，提高通信的可靠性。
文檔編號(hào)G02B6/42GK102571204SQ20111041048
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者劉增基, 岳鵬, 易湘, 王宇, 王拓, 鞠茂光, 顧華璽, 黎倩男 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)