一种具有测距功能的大气激光通信机及其测距方法与流程

本发明涉及大气激光通信技术领域，具体为一种具有测距功能的大气激光通信机及其测距方法。

背景技术：

大气激光通信即为自由空间的光通信，也称作无线光通信。大气激光通信以激光作为信息载体，直接在大气中进行信息传输，具有速率高、通信容量大、保密性好、无射频干扰、使用灵活性强等优点。与光纤通信相比，大气激光通信无需光纤铺设和维护；与微波通信相比，它无需频率使用许可证的审批，不受无线电干扰，因此大气激光通信因其造价低、施工快在数据和音视频信息的传输方面广泛应用。

大气激光通信系统是在通信的两端各架设一台大气激光通信机，两台大气激光通信机发射和接收激光束，实现两端的信息传送。

两台大气激光通信机之间的距离由其安装架设的地点决定，影响大气激光通信的质量的一个因素就是两端的距离。当大气激光通信机之间的距离延长，大气通信机的通信质量随之降低，为此需要获得两台大气激光通信机间的准确通信距离，以适当调节通信机，以保大气激光通信的质量。

但是目前大气激光通信系统中两台大气激光通信机间的距离测量，费时费力。测量两点距离的传统方法需要激光测距机、gps等外部设备，成本高，完成一次测距所需时间长。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种具有测距功能的大气激光通信机，在现有的大气激光通信机基础上其信号处理模块还连接模式选择开关、作为时钟源的测距晶振和显示模块，增加测距功能。

本发明的另一目的是设计一种具有测距功能的大气激光通信机的测距方法，两端的大气激光通信机的模式选择开关均选择测距模式；本端的测距晶振生成测距编码信号，启动计数器开始计数，测距编码信号经发射天线发射；对端接收测距编码光信号将其直接返回；本端接收对端返回的测距编码光信号，停止计数器计数，根据计数值得到两端传输的时延，用光速计算两端的距离。扩展大气激光通信机的应用范围。

本发明设计的一种具有测距功能的大气激光通信机包括含有光模块、信号处理模块和透镜系统模块的大气激光通信系统，用户光信号输入后经光电转换器转换为用户电信号接入信号处理模块，处理后的电信号经电光转换器转换为光信号接入发射透镜系统，再送入发射天线发射无线光信号。接收天线连接接收透镜系统，接收无线光信号经光电转换器转换为电信号接入信号处理模块，信号处理模块将其解调得到接收电信号，接入电光转换器转换为接收光信号输出。

所述信号处理模块还连接模式选择开关、作为时钟源的测距晶振和显示模块。模式选择开关有通信模式和测距模式两档，选择通信模式时，光信号输入端与信号处理模块的信号输入端连接，信号处理器按通信模式运行；当模式选择开关选择测距模式时，测距晶振的输出端与信号处理模块的信号输入端连接，信号处理器按测距模式运行。

所述信号处理模块为可编程门阵列器件fpga。处理测距信号的编码与解码，计算时延以及距离。

所述信号处理模块的输出端连接edfa(erbium-dopedopticalfiberamplifier掺铒光纤放大器)模块，放大后的光信号接入发射透镜系统。所述掺铒光纤放大器放大发射光的光功率，提高大气激光通信机的通信距离。使本大气激光通信机适用于距离大于一公里的两端通信和距离测量。

所述显示模块为wifi显示模块。

本发明一种具有测距功能的大气激光通信机的测距方法采用上述本发明的具有测距功能的大气激光通信机，测量本端大气激光通信机至对端大气激光通信机之间的距离，主要步骤如下：

ⅰ、两端大气激光通信机模式选择开关选择测距模式；

ⅱ、本端大气激光通信机的测距晶振在信号处理模块中生成测距编码信号，测距编码信号中的标志位启动信号处理模块的计数器开始计数，测距编码信号经电光转换器转换为光信号接入掺铒光纤放大器，放大后的光信号接入发射透镜系统，再送入发射天线发射；

ⅲ、对端大气激光通信机和接收透镜系统接收测距编码光信号，经光电转换器转换为电信号接入信号处理模块，信号处理模块直接将该电信号返回，经电光转换器转换为测距编码光信号，经掺铒光纤放大器放大，送发射透镜系统发出；

ⅳ、本端大气激光通信机接收对端返回的测距编码光信号，经光电转换后送入信号处理模块，检测到测距编码信号中的标志位立即暂停计数器计数，信号处理模块由计数值得到测距编码信号从本端传输至对端再返回的时延，根据光在大气中的传播速度，计算得到本端到对端的距离；

从本端传输至对端再返回的时延为(τa+τb+2τ)，其中τa、τb分别为本端和对端大气激光通信机本身的固定时延，通过自环回时延测量即可得到。τ为本端发射后光在大气信道中传输至达到对端产生的时延。本端大气激光通信机至对端大气激光通信机之间的准确距离d＝c×τ，c＝3.0×10⁸m/s，为光在大气中传播速度。

本发明采用数字法测量时延，信息处理模块内配置计数器和两个锁存器。以本端测距晶振的时钟周期为基准，测距晶振在信号处理模块产生测距编码信号，此为方波信号，在该测距编码信号送出时，发送的测距编码信号的上升沿启动本端的信号处理模块的计数器，同时一个锁存器锁存当前时刻，信号处理模块接收到返回的测距编码信号，计数器停止，同时另一个锁存器锁存此时刻，两个锁存器锁存的时刻之间的计数器计数值nc为发送测距编码信号时刻和接收测距编码信号时刻之间的本地测距晶振的时钟周期数，nc与本地测距晶振时钟周期的乘积即为从本端传输至对端再返回的时延(τa+τb+2τ)。

ⅴ、本端大气激光通信机信号处理模块所得本端到对端的距离送至显示模块显示。

当所述显示模块为wifi显示模块时，信号处理模块将所得本端到对端的距离经wifi显示模块转换成wifi信号，发送到相关人员的手机或电脑上。

与现有技术相比，本发明一种具有测距功能的大气激光通信机及其测距方法的优点为：利用现有的大气激光通信机的基本电路，只需加一个模式开关和测距晶振，即可使现有大气激光通信机具有精确测定两端通信机距离的功能，扩展大气激光通信机的应用范围，方便大气激光通信机的工程安装；集成度高，且加装成本低。

附图说明

图1为本具有测距功能的大气激光通信机实施例结构示意图；

图2本具有测距功能的大气激光通信机的测距方法实施例的从本端传输至对端再返回的三部分时延示意图。

具体实施方式

为了使本发明技术方案更加清晰，下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。

具有测距功能的大气激光通信机实施例

本具有测距功能的大气激光通信机实施例的结构如图1所示，图内虚线箭头表示光信号传输，实线箭头表示电信号传输，包括含有光模块、信号处理模块、edfa模块和透镜系统模块的大气激光通信系统，用户光信号s输入后经光电转换器oe转换为用户电信号se接入信号处理模块，处理后的电信号经电光转换器eo转换为光信号接入掺铒光纤放大器，放大后的光信号接入发射透镜系统，再送入发射天线发射无线光信号ss。接收天线连接接收透镜系统，接收的无线光信号xs经光电转换器oe转换为电信号接入信号处理模块，信号处理模块将其解调得到接收电信号xe，接入电光转换器eo转换为接收光信号x输出给用户。

本例信号处理模块还连接模式选择开关、作为时钟源的测距晶振和wifi显示模块。模式选择开关有通信模式和测距模式两档，选择通信模式时，光信号输入端与信号处理模块的信号输入端连接，信号处理器按通信模式运行；当模式选择开关选择测距模式时，本地测距晶振的输出端与信号处理模块的信号输入端连接，信号处理器按测距模式运行。

本例信号处理模块为可编程门阵列器件fpga。

具有测距功能的大气激光通信机的测距方法实施例

本具有测距功能的大气激光通信机的测距方法实施例采用上述具有测距功能的大气激光通信机实施例，测量本端大气激光通信机至对端大气激光通信机之间的距离，主要步骤如下：

ⅰ、两端大气激光通信机模式选择开关选择测距模式；

ⅱ、本端大气激光通信机的测距晶振在信号处理模块中生成测距编码信号方波，在该测距编码信号送出时，该方波信号的上升沿启动信号处理模块的计数器开始计数，测距编码信号经电光转换器转换为光信号接入掺铒光纤放大器，放大后的光信号接入发射透镜系统，再送入发射天线发射；

ⅲ、对端大气激光通信机和接收透镜系统接收测距编码光信号，经光电转换器转换为电信号接入信号处理模块，信号处理模块直接将该电信号返回，经电光转换器转换为测距编码光信号，经掺铒光纤放大器放大，送发射透镜系统发出；

ⅳ、本端大气激光通信机接收对端返回的测距编码光信号，经光电转换后送入信号处理模块，检测到测距编码信号中的标志位立即暂停计数器计数，信号处理模块由计数值得到测距编码信号从本端传输至对端再返回的时延，根据光在大气中的传播速度，计算得到本端到对端的距离；

如图2所示，从本端传输至对端再返回的时延为(τa+τb+2τ)，其中τa、τb分别为本端和对端大气激光通信机本身的固定时延，通过自环回时延测量即可得到。τ为本端发射后光在大气信道中传输至达到对端产生的时延。本端大气激光通信机至对端大气激光通信机之间的准确距离d＝c×τ，c＝3.0×10⁸m/s，为光在大气中传播速度。

采用数字法测量时延，信息处理模块内配置计数器和两个锁存器。以本端测距晶振的时钟周期为基准，测距晶振在信号处理模块产生测距编码信号，此为方波信号，在该测距编码信号送出时，发送的测距编码信号的上升沿启动本端的信号处理模块的计数器，同时一个锁存器锁存当前时刻，信号处理模块接收到返回的测距编码信号，计数器停止，同时另一个锁存器锁存此时刻，两个锁存器锁存的时刻之间的计数器计数值nc为发送测距编码信号时刻和接收测距编码信号时刻之间的本地测距晶振的时钟周期数，nc与本地测距晶振时钟周期的乘积即为从本端传输至对端再返回的总的时延(τa+τb+2τ)。

ⅴ、本端大气激光通信机信号处理模块所得本端到对端的距离送至显示模块显示。

当所述显示模块为wifi显示模块时，信号处理模块将所得本端到对端的距离经wifi显示模块转换成wifi信号，发送到相关人员的手机或电脑上。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。