專利名稱：自由空間光通信系統(tǒng)中通信信號自動(dòng)跟蹤的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，尤其涉及自由空間光數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
利用物理線路或電纜連接兩個(gè)或多個(gè)地點(diǎn)的傳統(tǒng)通信系統(tǒng)通常受限于相對低速、低容量的應(yīng)用中，為克服這些缺陷，最近開發(fā)的系統(tǒng)使用了光纖。然而光纖仍要求使用物理光纜連接。為解決這個(gè)問題，已開發(fā)出利用自由空間傳輸一個(gè)或多個(gè)調(diào)制有數(shù)據(jù)的光束的系統(tǒng)。使用這種光束的系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的基于有線的系統(tǒng)大大提高了數(shù)據(jù)速率和容量率，高達(dá)每秒10G字節(jié)，同時(shí)避免了在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，鋪設(shè)光纜以物理連接系統(tǒng)中的各個(gè)地點(diǎn)所需的基礎(chǔ)設(shè)施成本。自由空間光通信系統(tǒng)不使用光纜，而是部分由至少一個(gè)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和至少一個(gè)接收望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成，用于在兩個(gè)或多個(gè)通信地點(diǎn)之間分別發(fā)送和接收信息。每個(gè)望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)至少包括一個(gè)主反射鏡(primary mirror)和一個(gè)次反射鏡(secondary mirror)或透鏡。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡使用其光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射光束到接收望遠(yuǎn)鏡。接收望遠(yuǎn)鏡使用其光學(xué)系統(tǒng)聚焦輸入光束到望遠(yuǎn)鏡的焦平面上。通常，每個(gè)望遠(yuǎn)鏡連接一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)或其它信息源/目的地。在操作中，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡通過電纜或無線傳輸接收來自其相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的信息，接著發(fā)送調(diào)制有這個(gè)信息的光束到一個(gè)或多個(gè)目的接收望遠(yuǎn)鏡。每個(gè)接收望遠(yuǎn)鏡接著通過電纜或無線傳輸中繼數(shù)據(jù)到其相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的預(yù)定目的地。
前面提到的自由空間通信系統(tǒng)因此顯然具有減小維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的物理硬線(hard-wired)部分相關(guān)的成本，同時(shí)增大傳輸容量的優(yōu)點(diǎn)。然而，自由空間光通信可能受多種因素的制約。例如，由地面引起的溫度變化可能導(dǎo)致大氣湍流具有不同的折射率。對于較小的湍流擾動(dòng)，當(dāng)光束通過這些區(qū)域時(shí)，一部分光束折射引起發(fā)射光束失真。如果湍流足夠大，整個(gè)光束都可被折射，這樣光束就不再入射到接收望遠(yuǎn)鏡焦平面上的光纖，從而導(dǎo)致出現(xiàn)一種稱為光束漂移(wander)的干擾通信的情形。另外，在發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡之間出現(xiàn)的例如霧或雪等大氣條件可能導(dǎo)致光束衰減?；蛘?，如果在通信期間由于多種因素，如風(fēng)、溫室效應(yīng)、望遠(yuǎn)鏡支座振動(dòng)引起發(fā)射和/或接收望遠(yuǎn)鏡移動(dòng)，或發(fā)射和/或接收望遠(yuǎn)鏡無意之中的移動(dòng)，都能造成通信中斷，這使得發(fā)射光束的最大幅度不入射到位于接收望遠(yuǎn)鏡焦平面上的光纖，導(dǎo)致通信連接損耗。

發(fā)明內(nèi)容
利用本發(fā)明可解決前面提到的由于衰減或湍流引起的波束偏移或望遠(yuǎn)鏡移動(dòng)導(dǎo)致的通信損耗問題。根據(jù)本發(fā)明，為響應(yīng)測量的接收信號幅度降低，通過高頻脈動(dòng)(dither)發(fā)射光束和/或接收光纖可改變?nèi)肷涞浇邮胀h(yuǎn)鏡的接收光纖的信號幅度。通過利用在接收望遠(yuǎn)鏡測量與接收光束幅度相關(guān)的一個(gè)信號參數(shù)，如接收信號功率，以控制發(fā)射光束和/或接收光纖的移動(dòng)變量使所述光束的最大幅度與接收焦平面上的接收光纖重合，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束和接收望遠(yuǎn)鏡的校準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，位于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡焦平面上的光纖以一種可變模式高頻脈動(dòng)，如一個(gè)半徑可變的圓。這種高頻脈動(dòng)的效果是，以對應(yīng)該脈動(dòng)模式的模式振動(dòng)發(fā)射光束，這種高頻脈動(dòng)又振動(dòng)接收望遠(yuǎn)鏡焦平面上的圖象的接收信號幅度。當(dāng)光束振動(dòng)時(shí)，接著測量一個(gè)信號參數(shù)，如接收望遠(yuǎn)鏡焦平面上的光纖的接收信號功率。通過比較光纖已知振動(dòng)的相位與測量的接收信號功率的相位可確定相移。功率測量和相移確定可用于確定最大化接收光纖上的接收信號幅度所必需的發(fā)射光纖運(yùn)動(dòng)的方向和大小。隨著接收望遠(yuǎn)鏡焦平面上的圖象的接收信號幅度增大，發(fā)射光纖高頻脈動(dòng)的半徑(范圍)減小。通過反復(fù)測量接收信號功率、移動(dòng)發(fā)射光纖以實(shí)現(xiàn)更大的接收信號功率，以及減小高頻脈動(dòng)模式的半徑可獲得最大信號幅度。該結(jié)果為一個(gè)搜索函數(shù)，通過這個(gè)函數(shù)搜索到最大接收信號幅度，并通過逐步微調(diào)發(fā)射光纖的位置和脈動(dòng)模式半徑維持這個(gè)最大幅度。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中，不是高頻脈動(dòng)發(fā)射光纖，而是以一種可變模式高頻脈動(dòng)接收光纖在接收望遠(yuǎn)鏡焦平面處或附近的位置以定位最大信號幅度點(diǎn)。通過利用上述的相移測量技術(shù)，接收光纖可逐步靠近光束聚焦在焦平面上的一點(diǎn)，由此靠近接收光束的最大接收幅度點(diǎn)。如同上述實(shí)施例一樣，當(dāng)這樣移動(dòng)光纖時(shí)，圓形脈動(dòng)圖的半徑減小以逐步微調(diào)接收光纖的位置。
在大氣擾動(dòng)改變了發(fā)射光束路徑，或發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡都出現(xiàn)了擾動(dòng)的情況下，可能必須高頻脈動(dòng)發(fā)射光束和接收光纖以使最大發(fā)射信號幅度與接收光纖重合。
通過利用一種增大望遠(yuǎn)鏡焦平面面積的反射鏡設(shè)計(jì)可簡化本發(fā)明的實(shí)施例。特別地，這些實(shí)施例使用一種使主反射鏡和次反射鏡的形狀特征為可變錐形常數(shù)的設(shè)計(jì)，以使望遠(yuǎn)鏡的焦平面面積最大。在自由空間激光通信系統(tǒng)中使用這種反射鏡為，在此作為參考、與此共同申請的標(biāo)題為“用于自由空間光通信系統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡”的共同等待審查的專利申請No.09/679,159的主題。


圖1示出了一種在正常通信條件下利用現(xiàn)有技術(shù)望遠(yuǎn)鏡裝置的自由空間光通信系統(tǒng)；圖2示出了一種利用現(xiàn)有技術(shù)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡裝置的自由空間光通信系統(tǒng)，其中一種擾動(dòng)，如無意之中移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，導(dǎo)致發(fā)射光束偏離其預(yù)定路徑，由此接收信號幅度降低；圖3示出了一種利用現(xiàn)有技術(shù)接收望遠(yuǎn)鏡裝置的自由空間光通信系統(tǒng)，其中一種擾動(dòng)，如無意之中移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，導(dǎo)致接收信號幅度降低；圖4示出了一種利用現(xiàn)有技術(shù)望遠(yuǎn)鏡裝置的自由空間光通信系統(tǒng)，其中由于湍流、衰減或發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡之間的相對角度誤差引起的干擾導(dǎo)致通信損耗；圖5示出了本發(fā)明的通信系統(tǒng)，利用它發(fā)射光束以一種可變方式高頻脈動(dòng)；
圖6表示垂直面視圖，在圖5中標(biāo)記為A-A’，還示出了該平面內(nèi)用于高頻脈動(dòng)發(fā)射光纖，由此脈動(dòng)發(fā)射光束，以實(shí)現(xiàn)入射到接收望遠(yuǎn)鏡的信號幅度最大的一種代表性模式；圖7示出了一種用于高頻脈動(dòng)接收望遠(yuǎn)鏡焦平面內(nèi)或附近的接收光纖，以實(shí)現(xiàn)接收信號幅度最大的一種代表性模式；圖8示出了發(fā)射光束或接收光纖振動(dòng)的圖形表示，以及作為時(shí)間函數(shù)、能確定相移的測量的相應(yīng)接收信號功率；以及圖9示出了描繪本發(fā)明步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了在正常工作條件下自由空間通信系統(tǒng)中的兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)通信望遠(yuǎn)鏡101和102。激光130產(chǎn)生的光束被從網(wǎng)絡(luò)110接收的數(shù)據(jù)調(diào)制。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡101經(jīng)光纖106接收調(diào)制的光學(xué)信號。主反射鏡120和次反射鏡121光學(xué)成像經(jīng)調(diào)制的光束，以便當(dāng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡101和接收望遠(yuǎn)鏡102對準(zhǔn)時(shí)，光束入射到接收望遠(yuǎn)鏡的焦平面。接收望遠(yuǎn)鏡102利用其光學(xué)系統(tǒng)(包括主反射鏡122和次反射鏡123)聚焦輸入的調(diào)制光束103到位于接收望遠(yuǎn)鏡102焦平面上的接收光纖112。接收光纖112接著發(fā)送調(diào)制的光學(xué)信號到接收機(jī)129，接收機(jī)129從光束中解調(diào)數(shù)據(jù)并以電信號形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)109內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以便在該網(wǎng)絡(luò)中傳播數(shù)據(jù)。
然而在某些情況下，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡101發(fā)射的光束103的最大幅度可能沒有完全入射到位于接收望遠(yuǎn)鏡102的焦平面上的光纖。例如，圖2示出了發(fā)射望遠(yuǎn)鏡上的擾動(dòng)導(dǎo)致發(fā)射光束偏離其預(yù)定路徑的情況。在這種情況下，當(dāng)發(fā)射光纖發(fā)送一個(gè)光學(xué)信號到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡210時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)形成光束203，這樣光束203就只部分入射到接收望遠(yuǎn)鏡202。雖然接收光束圖象仍入射到接收光纖212，但入射到該光纖上的光能降低。因此，接收光纖212接收的圖象幅度將降低。
在圖3所示的另一情況下，接收望遠(yuǎn)鏡上出現(xiàn)擾動(dòng)，在這種情況下，雖然發(fā)射光束303的最大幅度仍完全入射到接收望遠(yuǎn)鏡302，但接收焦平面313上的圖象將相對于接收光纖312移動(dòng)到例如點(diǎn)311。結(jié)果是接收光纖312接收的信號幅度降低。
圖4分別示出了當(dāng)大氣中有溫度變化湍流，和發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡401和402之間存在衰減的第三種擾動(dòng)情況。當(dāng)發(fā)射光束403通過湍流404和/或衰減405時(shí)，光束將偏離其預(yù)定路徑，而且接收望遠(yuǎn)鏡焦平面上的信號圖象幅度可能降低。如果在發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡之間的路徑上存在足夠的湍流或衰減，路徑偏移或幅度減小量可能足夠大，使得發(fā)射光束不入射到位于接收望遠(yuǎn)鏡402焦平面上的光纖412。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一種自由空間通信系統(tǒng)，其中發(fā)射和接收光纖能被高頻脈動(dòng)以實(shí)現(xiàn)最大接收信號功率。在這個(gè)實(shí)施例中，激光530產(chǎn)生的光束再次被調(diào)制器504調(diào)制來自網(wǎng)絡(luò)510的數(shù)據(jù)。光束接著經(jīng)光纖506發(fā)送到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡501，望遠(yuǎn)鏡501經(jīng)自由空間發(fā)射光束到接收望遠(yuǎn)鏡502。光束被聚焦到位于接收望遠(yuǎn)鏡502焦平面上的光纖512。光電檢測器508將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，送至接收機(jī)529用于解調(diào)光束中的數(shù)據(jù)。接著由功率計(jì)531測量電信號的信號功率。如果大氣擾動(dòng)或任何一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的擾動(dòng)使得光束503的最大幅度不入射到接收光纖512，那么，光纖512上的光信號功率降低，導(dǎo)致功率計(jì)531檢測到的功率下降。
在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡上出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，發(fā)射光纖503被高頻脈動(dòng)以重新獲得最大接收功率。為啟動(dòng)高頻脈動(dòng)，接收望遠(yuǎn)鏡的控制器532發(fā)送一個(gè)信號到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的控制器523?？刂破?23接著產(chǎn)生信號控制電動(dòng)級521和522以圓形脈動(dòng)模式移動(dòng)發(fā)射光纖506，由此移動(dòng)光束503。結(jié)果，在接收望遠(yuǎn)鏡502的焦平面上接收的光束圖象幅度根據(jù)發(fā)射光束的移動(dòng)改變。
圖6表示圖5中標(biāo)記為A-A’，垂直于接收望遠(yuǎn)鏡縱軸的平面，其中接收望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡固定。圖6還示出了由于高頻脈動(dòng)圖5中的發(fā)射光纖506引起的發(fā)射光束在該平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)截面圖。當(dāng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的擾動(dòng)改變了發(fā)射光束的路徑時(shí)，在啟動(dòng)任何高頻脈動(dòng)之前，發(fā)射光束以及最大發(fā)射信號幅度入射到區(qū)域601。點(diǎn)603表示接收望遠(yuǎn)鏡的位置。由于位于點(diǎn)601的發(fā)射光束的最大信號幅度不入射到接收望遠(yuǎn)鏡603，因此，圖5中的功率計(jì)531檢測到的功率低于一個(gè)指定門限。因此如上所述，圖5中的發(fā)射光纖506以圓形模式被脈動(dòng)，這導(dǎo)致相應(yīng)的圓形圖案(模式)604具有原點(diǎn)601和半徑R(標(biāo)記為606)。為啟動(dòng)這種模式，移動(dòng)發(fā)射光纖，這樣發(fā)射光束在圓形圖案604的圓周線上沿半徑606移動(dòng)到點(diǎn)602，并以環(huán)繞圓心601的605方向通過圓形高頻脈動(dòng)圖604。
再次參考圖5，當(dāng)發(fā)射光纖506被脈動(dòng)時(shí)，功率計(jì)531測量的接收信號功率發(fā)送到一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)511。鎖相環(huán)在技術(shù)上是公知的。PLL 511從發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的控制器523接收指示高頻脈動(dòng)振動(dòng)模式的信號。PLL 511接著分離發(fā)射光纖506高頻脈動(dòng)振動(dòng)的垂直和水平分量。
圖8分別示出了當(dāng)發(fā)射光束完成圖6所示的一個(gè)高頻脈動(dòng)模式周期604時(shí)，其運(yùn)動(dòng)的垂直和水平分量801和802的圖形表示。沿橫軸的變量T定義為高頻脈動(dòng)模式完成一個(gè)周期所需的時(shí)間。圖8中的分量803也表示在對應(yīng)圖6中的高頻脈動(dòng)圖604的接收望遠(yuǎn)鏡，圖5中功率計(jì)531測量的功率。當(dāng)發(fā)射光束通過高頻脈動(dòng)圖案604移動(dòng)時(shí)，PLL511比較圖8中垂直和水平移動(dòng)分量801和802之間的相差與在接收望遠(yuǎn)鏡測量的信號功率803。PLL 511接著輸出對應(yīng)這些偏差的水平和垂直相差值。這些差值和測量功率指示實(shí)現(xiàn)入射最大幅度的發(fā)射光束602到接收望遠(yuǎn)鏡603焦平面內(nèi)的接收光纖512上所必需的圓形脈動(dòng)圖604的原點(diǎn)601移動(dòng)的角度方向和大小。隨著高頻脈動(dòng)圖604的原點(diǎn)601以及對應(yīng)的發(fā)射光束的最大幅度逐步靠近接收望遠(yuǎn)鏡603，通過減小高頻脈動(dòng)圖的半徑606簡化了這種移動(dòng)。因此，通過反復(fù)測量接收信號功率、調(diào)整發(fā)射光束高頻脈動(dòng)圖的原點(diǎn)位置，以及減小高頻脈動(dòng)圖半徑以逐步微調(diào)，可獲得最大接收功率。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，高頻脈動(dòng)發(fā)射光束將只能完全校正源于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的擾動(dòng)。例如，如果發(fā)射望遠(yuǎn)鏡無意中被移動(dòng)，發(fā)射光束將不會完全入射到接收望遠(yuǎn)鏡，導(dǎo)致接收幅度降低。在這種情況下，可如上所述脈動(dòng)發(fā)射光纖以移動(dòng)光束的發(fā)射路徑，這樣光束將再次完全入射到接收望遠(yuǎn)鏡，相應(yīng)地，最大發(fā)射信號幅度也入射到位于該望遠(yuǎn)鏡焦平面上的接收光纖上。然而如果在接收望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)擾動(dòng)，簡單地使入射到接收望遠(yuǎn)鏡上的信號幅度最大不一定會導(dǎo)致最大發(fā)射信號幅度與接收光纖重合。反而可能必須對接收望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行校正。
因此，本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例針對接收望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)擾動(dòng)，導(dǎo)致接收望遠(yuǎn)鏡接收光纖處的接收信號幅度降低的情形。當(dāng)接收望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，如當(dāng)望遠(yuǎn)鏡被無意之中移動(dòng)時(shí)，結(jié)果是發(fā)射光束的入射角相對于接收望遠(yuǎn)鏡發(fā)生了變化。這種變化導(dǎo)致接收光束在接收焦平面上的圖象離開圖象完全入射到接收光纖上的點(diǎn)移動(dòng)。這導(dǎo)致入射到接收光纖上的接收信號幅度相應(yīng)降低。因此，當(dāng)接收望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，不是高頻脈動(dòng)發(fā)射光纖，而是脈動(dòng)接收望遠(yuǎn)鏡上的接收光纖，同時(shí)接收光束在接收望遠(yuǎn)鏡502焦平面上的圖象位置保持不變。圖7表示了位于圓704圓心701處的接收光纖512相對于接收望遠(yuǎn)鏡焦平面上的固定最大幅度點(diǎn)703的移動(dòng)。
當(dāng)圖5中的功率計(jì)531測量到由于幅度降低導(dǎo)致的接收信號功率降低時(shí)，控制器532產(chǎn)生信號，使得電動(dòng)級526和527以圖7中的圓形高頻脈動(dòng)模式704移動(dòng)接收光纖512。接收光纖512從圓704的圓心701沿半徑706移動(dòng)到點(diǎn)702，并在圍繞圓心701的方向705上啟動(dòng)圓形高頻脈動(dòng)模式。PLL 511比較接收功率的相位與光纖512移動(dòng)的垂直和水平分量的相位。PLL 511接著輸出誤差值指示，移動(dòng)高頻脈動(dòng)圖704的圓心以便最大接收功率點(diǎn)703入射到接收光纖512上所必需的移動(dòng)幅度和方向。隨著高頻脈動(dòng)圖704的圓心向最大功率點(diǎn)703移動(dòng)，通過減小高頻脈動(dòng)圖的半徑706可簡化這種移動(dòng)。以這種方式，通過反復(fù)測量接收信號功率、調(diào)整接收光纖高頻脈動(dòng)圖的圓心位置，以及減小高頻脈動(dòng)圖的半徑以便逐步微調(diào)，可獲得最大接收功率。
應(yīng)注意，上面的實(shí)施例僅針對擾動(dòng)發(fā)生在發(fā)射或接收望遠(yuǎn)鏡局部的情況。然而，前面討論過，自由空間光通信經(jīng)常受發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡之間的大氣擾動(dòng)的影響。在這種情況下，必須同時(shí)或順序高頻脈動(dòng)發(fā)射光束和接收光纖，以便發(fā)射光束的最大幅度與接收光纖重合。例如，當(dāng)在沿發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡之間的發(fā)射光束路徑上存在一個(gè)或多個(gè)大氣擾動(dòng)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡上產(chǎn)生的圖象幅度降低，類似于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡上發(fā)生擾動(dòng)的情形。另外，由于大氣擾動(dòng)，這個(gè)圖象可能移動(dòng)到接收焦平面上的一個(gè)新點(diǎn)，這類似于接收望遠(yuǎn)鏡上發(fā)生擾動(dòng)的情形。結(jié)果，在這些大氣擾動(dòng)的情況下，只有通過以上述方式高頻脈動(dòng)發(fā)射光束(以使入射到接收望遠(yuǎn)鏡上的發(fā)射光束幅度最大)和接收光纖(以移動(dòng)接收光纖到該光纖的最大入射幅度點(diǎn))才能實(shí)現(xiàn)最大幅度。因此，通過反復(fù)測量信號功率、高頻脈動(dòng)發(fā)射和/或接收光纖，以及移動(dòng)發(fā)射和/或接收光纖到相應(yīng)望遠(yuǎn)鏡焦平面上的一個(gè)新位置才能獲得最大發(fā)射信號幅度，以便最大化接收信號幅度。
雖然上面的實(shí)施例暗示僅在檢測到信號幅度降低時(shí)才啟動(dòng)高頻脈動(dòng)，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識到在通信操作期間都可保持發(fā)射和/或接收望遠(yuǎn)鏡的高頻脈動(dòng)。在這種情況下，如果在發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡之間存在一個(gè)強(qiáng)通信信號，那么高頻脈動(dòng)圖所包含的區(qū)域相對較小以維持可能的最強(qiáng)信號。然而，一旦接收信號功率降低到低于一個(gè)預(yù)定門限，任何一個(gè)望遠(yuǎn)鏡上的高頻脈動(dòng)圖面積將增加以根據(jù)上述實(shí)施例尋找一個(gè)更強(qiáng)的信號。一旦檢測到一個(gè)更強(qiáng)的信號，高頻脈動(dòng)圖的面積再次減小。如果通信連接完全丟失(例如，由于湍流、望遠(yuǎn)鏡之間的角度誤差等等引起)，高頻脈動(dòng)圖的直徑可擴(kuò)展，以便發(fā)射光束和/或接收光纖在一個(gè)較大區(qū)域內(nèi)變化相對較大以試圖重建連接。如果通信成功重建，那么高頻脈動(dòng)圖的中心可再次對準(zhǔn)產(chǎn)生最強(qiáng)接收信號的相關(guān)望遠(yuǎn)鏡焦平面上的一點(diǎn)，而且高頻脈動(dòng)圖的直徑可減小。
本發(fā)明的各種形態(tài)可用于一般由圖9步驟表示的自由空間光通信操作。在正常通信期間，在步驟901測量接收信號功率。在步驟902，啟動(dòng)高頻脈動(dòng)以響應(yīng)測量到的信號功率低于一個(gè)指定門限。一旦實(shí)現(xiàn)了可能的最大信號功率，高頻脈動(dòng)或停止或以某一最小級別繼續(xù)進(jìn)行。
前面僅示意了本發(fā)明的原理。因此可以理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能設(shè)計(jì)出各種方案，這些方案盡管在此沒有明確描述或示出，但體現(xiàn)了本發(fā)明的原理并且包含于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。此外，在此列舉的所有例子和條件語言主要用于幫助讀者理解本發(fā)明的原理，以及發(fā)明人提供用于推動(dòng)該技術(shù)發(fā)展的概念，應(yīng)認(rèn)為是不限制到這些特別引用的例子和條件。此外，在此列舉的本發(fā)明的各個(gè)方面和實(shí)施例，以及特定例子的所有陳述目的是包含本發(fā)明的等效功能。
因此，例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)知道，在此附圖表示光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和調(diào)制數(shù)據(jù)用于自由空間光通信的光束的原理圖。光學(xué)組件圖在尺寸或與其它組件的關(guān)系上不必很精確，而是僅僅表示這些組件可能的物理布局。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，在附圖中描繪的所有光纖僅表示在望遠(yuǎn)鏡和網(wǎng)絡(luò)目的地之間傳輸數(shù)據(jù)的一種方法。用于從望遠(yuǎn)鏡傳遞數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)目的地的任何其它通信方法也可用作附圖中所示方法的替代方法，而且沒有任何限制。
另外，在上述的發(fā)射光纖被高頻脈動(dòng)的實(shí)施例中，接收望遠(yuǎn)鏡的控制器經(jīng)硬線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳遞是否需要高頻脈動(dòng)發(fā)射光纖。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，這種反饋功能可通過許多不同方法實(shí)現(xiàn)，包括但不限制為，無線射頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，或甚至自由空間光通信。后一方法可利用與該發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡共址的第二對望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)。這種望遠(yuǎn)鏡不要求進(jìn)行高帶寬通信，因此沒有主通信望遠(yuǎn)鏡那么復(fù)雜和昂貴?；蛘?，現(xiàn)有的發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡除了它們主要的通信功能外還可發(fā)射該反饋信號。在這種情況下，通信系統(tǒng)可使用一個(gè)不同頻率用于反饋信號以避免與主通信信號干擾。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，如果第二對望遠(yuǎn)鏡與主望遠(yuǎn)鏡共址，或如果兩個(gè)主望遠(yuǎn)鏡都能發(fā)射和接收，那么校正任何一個(gè)通信地點(diǎn)出現(xiàn)的擾動(dòng)的高頻脈動(dòng)算法將變得更為復(fù)雜。
另外，在上面的本發(fā)明實(shí)施例中，高頻脈動(dòng)要求發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡之間保持時(shí)間同步。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，這種同步可通過許多不同方法實(shí)現(xiàn)，包括但不限制為，在每個(gè)望遠(yuǎn)鏡使用穩(wěn)態(tài)振蕩器。這種同步使得一個(gè)或兩個(gè)地點(diǎn)能精確地跟蹤被高頻脈動(dòng)光纖的移動(dòng)。如同上面實(shí)施例描述的，必須比較該高頻脈動(dòng)的相位與在接收望遠(yuǎn)鏡測量的接收信號功率的相位。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還認(rèn)識到，還必需某種方式保持這種同步。這也可通過許多不同的方法實(shí)現(xiàn)，包括但不限制為，使用從一個(gè)望遠(yuǎn)鏡到另一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的信息突發(fā)，指示在一個(gè)特定時(shí)刻振動(dòng)光纖或測量的接收功率信號的預(yù)期相位位置。如果預(yù)期的相位位置不精確，可請求調(diào)整失相(out-of-phase)光纖的振動(dòng)。
本發(fā)明的其它方面也僅表現(xiàn)其本質(zhì)的一面。例如，雖然所示的電動(dòng)級為實(shí)現(xiàn)發(fā)射或接收光纖高頻脈動(dòng)的裝置，但有許多其它等效功能可實(shí)現(xiàn)這種高頻脈動(dòng)，包括但不限制為，壓電驅(qū)動(dòng)器。另外，與鎖相環(huán)連接的功率計(jì)在本發(fā)明中用于測量和比較接收信號功率的相位與高頻脈動(dòng)振動(dòng)分量的相位。然而，這種比較只是激勵(lì)高頻脈動(dòng)功能的一種方式。任何可測量的信號參數(shù)都可用于這種高頻脈動(dòng)以產(chǎn)生用于移動(dòng)高頻脈動(dòng)圖原點(diǎn)的誤差值。而且，圓形脈動(dòng)圖只是可采用的一種可能模式，并不是要排除其它可能的高頻脈動(dòng)模式實(shí)施例。
最后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還知道，可在一個(gè)通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同方面，或者本發(fā)明的任何方面可實(shí)現(xiàn)為一種“獨(dú)立”測量以提高通信能力。在此并不要求本發(fā)明的所有方面包含于一個(gè)實(shí)施例內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，包括用于發(fā)射一個(gè)光束到一個(gè)接收望遠(yuǎn)鏡的裝置；以及響應(yīng)一個(gè)指示接收望遠(yuǎn)鏡上的信號幅度降低的信號而工作的裝置，用于高頻脈動(dòng)發(fā)射光束以便相對于發(fā)射光束的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的角度改變，目的是改變?nèi)肷涞轿挥诮邮胀h(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或附近的接收光纖上的信號幅度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，其中用于高頻脈動(dòng)光束的裝置包括用于高頻脈動(dòng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡光纖的裝置，其發(fā)送光束到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，而且以一種模式終止于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上或附近。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，其中該模式為一個(gè)半徑可變的圓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，還包括用于產(chǎn)生指示發(fā)射光纖相位的時(shí)變信號的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，還包括響應(yīng)一個(gè)指示在接收望遠(yuǎn)鏡接收的信號功率相位的時(shí)變信號而工作的裝置，用于比較發(fā)射光纖的相位與接收信號功率的相位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，其中所述用于高頻脈動(dòng)發(fā)射光纖的裝置移動(dòng)發(fā)射光纖，以響應(yīng)從比較發(fā)射光纖相位與接收信號功率相位中產(chǎn)生的一個(gè)信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，其中高頻脈動(dòng)裝置脈動(dòng)發(fā)射光束，直到在接收望遠(yuǎn)鏡的接收光纖檢測到一個(gè)最大信號幅度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，其中響應(yīng)與接收望遠(yuǎn)鏡接收的發(fā)射光束相關(guān)的至少一個(gè)可測量信號參數(shù)，產(chǎn)生指示接收光纖上的信號幅度降低的信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，其中可測量的信號參數(shù)為信號功率。
10.一種接收望遠(yuǎn)鏡，包括用于從一個(gè)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡接收光束的裝置；以及用于產(chǎn)生一個(gè)指示接收信號幅度降低的裝置，用于改變?nèi)肷涞轿挥诮邮胀h(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或附近的接收光纖上的信號幅度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的接收望遠(yuǎn)鏡，還包括用于產(chǎn)生指示高頻脈動(dòng)接收光束相位與接收信號功率相位比較結(jié)果的信號。
12.一種接收望遠(yuǎn)鏡，包括用于從一個(gè)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡接收光束的裝置；以及用于高頻脈動(dòng)位于接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上或附近的接收光纖的裝置，以便改變?nèi)肷涞剿龉饫w上的信號幅度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的接收望遠(yuǎn)鏡，其中高頻脈動(dòng)裝置以一種模式脈動(dòng)接收光纖。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的接收望遠(yuǎn)鏡，其中該模式為一個(gè)半徑可變的圓。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的接收望遠(yuǎn)鏡，還包括用于產(chǎn)生指示發(fā)射光纖相位的時(shí)變信號的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的接收望遠(yuǎn)鏡，還包括用于比較發(fā)射光纖的相位與接收信號功率相位的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的接收望遠(yuǎn)鏡，其中所述用于高頻脈動(dòng)接收光纖的裝置移動(dòng)接收光纖，以響應(yīng)從比較接收光纖相位與接收信號功率相位中產(chǎn)生的一個(gè)信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的接收望遠(yuǎn)鏡，其中高頻脈動(dòng)裝置脈動(dòng)接收光纖，直到在接收光纖檢測到一個(gè)最大信號幅度。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的接收望遠(yuǎn)鏡，其中高頻脈動(dòng)裝置脈動(dòng)所述接收光纖，以響應(yīng)與所述接收望遠(yuǎn)鏡光纖發(fā)送的一個(gè)信號相關(guān)的至少一個(gè)可測量信號參數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的接收望遠(yuǎn)鏡，其中可測量的信號參數(shù)為信號功率。
21.一種在包括發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡的自由空間通信系統(tǒng)中的方法，該方法包括高頻脈動(dòng)發(fā)射光束，以響應(yīng)一個(gè)指示在位于接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或附近的接收光纖接收的信號幅度降低的信號，以便相對于發(fā)射光束的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的角度改變，目的是改變?nèi)肷涞浇邮展饫w上的信號幅度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中高頻脈動(dòng)發(fā)射光束包括脈動(dòng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡光纖，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡光纖發(fā)送光束到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，并以一種模式終止于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上或附近。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中該模式包括一個(gè)半徑可變的圓。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括產(chǎn)生一個(gè)指示發(fā)射光纖相位的時(shí)變信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，還包括比較發(fā)射光纖的相位與接收信號功率的相位，以響應(yīng)一個(gè)指示接收望遠(yuǎn)鏡接收的信號功率相位的時(shí)變信號。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中高頻脈動(dòng)發(fā)射光纖移動(dòng)發(fā)射光纖，以響應(yīng)從比較發(fā)射光纖相位與接收信號功率相位中產(chǎn)生的一個(gè)信號。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中，響應(yīng)與接收光束相關(guān)的至少一個(gè)可測量的信號參數(shù)產(chǎn)生指示接收信號幅度降低的信號。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中可測量的信號參數(shù)為信號功率。
29.一種自由空間通信系統(tǒng)方法，包括高頻脈動(dòng)位于接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或附近的接收光纖，以便改變?nèi)肷涞剿龉饫w上的信號幅度。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中接收光纖以一種模式高頻脈動(dòng)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中該模式為一個(gè)半徑可變的圓。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，還包括比較產(chǎn)生一個(gè)指示接收光纖相位的時(shí)變信號。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，還包括比較接收光纖的相位與接收信號功率相位的相位。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中高頻脈動(dòng)接收光纖移動(dòng)接收光纖，以響應(yīng)從比較接收光纖相位與接收信號功率相位中產(chǎn)生的一個(gè)信號。
35.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中接收望遠(yuǎn)鏡光纖被高頻脈動(dòng)直到在該光纖上檢測到一個(gè)最大信號幅度。
36.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中接收光纖被高頻脈動(dòng)，以響應(yīng)與所述光纖上發(fā)送的一個(gè)信號相關(guān)的至少一個(gè)可測量的信號參數(shù)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中可測量的信號參數(shù)為信號功率。
38.一種在包括發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡的自由空間通信系統(tǒng)中的方法，該方法包括高頻脈動(dòng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的發(fā)射光束和位于接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或附近的接收光纖，以響應(yīng)一個(gè)指示接收光纖接收的信號幅度降低的信號，這樣入射到接收光纖上的信號幅度改變。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中高頻脈動(dòng)發(fā)射光束包括移動(dòng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡光纖，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡光纖發(fā)送光束到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，并以一種模式終止于接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)焦平面上或附近。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中該模式為一個(gè)半徑可變的圓。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中高頻脈動(dòng)接收光纖包括以一種模式移動(dòng)所述接收光纖。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中該模式為一個(gè)半徑可變的圓。
43.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中發(fā)射光纖被高頻脈動(dòng)直到發(fā)射光束的最大幅度入射到接收望遠(yuǎn)鏡，而且接收光纖被高頻脈動(dòng)，直到所述接收光纖與接收望遠(yuǎn)鏡焦平面上的最大接收功率點(diǎn)重合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自由空間通信系統(tǒng)。當(dāng)測量到接收信號幅度降低時(shí),通過高頻脈動(dòng)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的光束或接收光纖可改變?nèi)肷涞浇邮胀h(yuǎn)鏡接收光纖上的信號幅度,以使入射到接收光纖上的最大發(fā)射信號幅度在接收焦平面上。發(fā)射光束以一種相應(yīng)模式振動(dòng)。與之響應(yīng),接收望遠(yuǎn)鏡焦平面上的圖象的接收信號幅度也以相同模式振動(dòng)。通過比較接收信號的相位與發(fā)射光束移動(dòng)的相位,可移動(dòng)發(fā)射光束高頻脈動(dòng)圖的原點(diǎn)直到入射到接收光纖上的發(fā)射光束幅度最大。
文檔編號H04B10/118GK1348264SQ01135330
公開日2002年5月8日 申請日期2001年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月5日
發(fā)明者羅伯特·G·阿倫斯, 赫爾曼·M·普雷斯比, 約翰·A·泰森 申請人:朗迅科技公司