光通信自动跟踪系统以及光通信自动跟踪方法与流程

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种光通信自动跟踪系统以及光通信自动跟踪方法。

背景技术：

光纤通信技术是利用光导纤维传输宽带信号，以实现信息传递的一种通信方式。光纤通信具有抗电磁干扰、抗辐射性强，保密性好，频带宽，抗干扰性好，防窃听、价格便宜等优点。在无光纤情况下，只有采用无线光通信技术才能传输高带宽的信号。光无线通信作为一种新型的通信技术，同时具有光纤通信和移动通信的优势，可实现宽带传输，组网机动灵活，无需频率申请，并且抗电磁干扰，保密性好，因此如今对无线光通信的研究受到了广泛的重视。但，在无线光通信技术中，如果通信的一端是运动物体（如高铁列车）时，目前的无线光传输系统均无法满足要求，需要增加快速自动跟踪系统才能满足要求。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种光通信自动跟踪系统以及光通信自动跟踪方法。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种光通信自动跟踪系统，包括：相互通信的第一自动跟踪控制系统与第二自动跟踪控制系统；所述第一自动跟踪控制系统与第二自动跟踪控制系统均包括：反射镜组件，接收所述反射组件反射光线的粗跟踪单元，接收所述反射组件发射光的精跟踪单元，与所述粗跟踪单元、精跟踪单元电性连接的现场可编程门阵列，以及驱动所述反射镜组件的执行机构驱动单元；所述执行机构驱动单元与所述现场可编程门阵列电性连接。

所述反射镜组件包括：反射镜基座、设于所述反射镜基座上的执行机构、以及设于所述执行机构上的反射镜，所述执行机构与所述执行机构驱动单元电性连接。

所述光通信自动跟踪系统还包括连接于所述执行机构驱动单元与所述现场可编程门阵列之间的D/A转换模块；

所述粗跟踪单元包括：广角镜、用于接收所述广角镜光线的大面积四象限光探测器、驱动所述大面积四象限光探测器的第一四象限光探测器驱动模块、以及与所述第一四象限光探测器驱动模块连接的第一A/D转换模块；

所述精跟踪单元包括：长焦镜、用于接收所述长焦镜光线的小面积四象限光探测器、驱动所述小面积四象限光探测器的第二四象限光探测器驱动模块、以及与所述第二四象限光探测器驱动模块连接的第二A/D转换模块。

所述反射镜的直径为20mm-200mm，其包括：平面镜、以及形成于所述平面镜的三防膜和金属膜；

所述执行机构包括1根或多根可调节高度的支撑轴，每根所述支撑轴下面设有电源驱动装置；

所述大面积四象限光探测器和小面积四象限光探测器的形状为方形、圆形或椭圆形。

所述反射镜的直径为100mm；

所述执行机构包括4根支撑轴，其中两根支撑轴形成坐标轴的X轴，另两根支撑轴形成坐标轴的Y轴。

本发明还提供一种光通信自动跟踪方法，包括以下步骤：

a、第一自动跟踪控制系统向第二自动跟踪控制系统发射信标光；

b、第二自动跟踪控制系统启动粗跟踪单元进行粗跟踪，获取信标光聚焦后焦点的位置信号，通过执行机构调节反射镜，使得信标光聚焦后的焦点位于大面积四象限光探测器的中心区域；

c、第二自动跟踪控制系统启动精跟踪单元进行精跟踪，获取信标光聚焦后焦点的位置信号，通过执行机构模块调节反射镜，使得信标光聚焦后的焦点位于小面积四象限光探测器的中心区域；

d、第一自动跟踪控制系统与第二自动跟踪控制系统之间完成高速通信。

所述步骤b包括以下步骤：

步骤b1、大面积四象限光探测器获取信标光聚焦后焦点的位置信号，将该位置信号变成模拟电信号，之后再转换为数字信号传送给现场可编程门阵列；

步骤b2、现场可编程门阵列根据该数字信号生成控制信号，之后将该控制信号转变成模拟电信号，并转送给执行机构驱动单元；

步骤b3、执行机构驱动单元驱动执行机构调整发射镜；

步骤b4、重复步骤b1-b3，直至信标光聚焦后的焦点位于大面积四象限光探测器的中心区域。

所述步骤c包括以下步骤：

步骤c1、小面积四象限光探测器获取信标光聚焦后焦点的位置信号，将该位置信号变成模拟电信号，之后再转换数字信号传送给现场可编程门阵列；

步骤c2、现场可编程门阵列根据该数字信号生成控制信号，之后将该控制信号转变成模拟电信号，并转送给执行机构驱动单元；

步骤c3、执行机构驱动单元驱动执行机构调整长焦镜；

步骤c4、重复步骤c1-c3，直至信标光聚焦后的焦点位于小面积四象限光探测器的中心区域。

所述步骤b中，现场可编程门阵列对反射镜进行大幅度调整；所述步骤c中，现场可编程门阵列对反射镜进行小幅度调整。

所述执行机构模块包括若干根可调节高度的支撑轴，每一所述支撑轴设有一电源驱动装置，所述现场可编程门阵列控制输出不同的电压给电源驱动装置，以调整支撑轴的高度。

采用上述方案，本发明提供的光通信自动跟踪系统以及跟踪方法，采用粗跟踪与精跟踪相结合的方式进行，通信的一端即使是运动物体，也可以很好地完成通信。

附图说明

图1为本发明光通信自动跟踪系统的结构示意图；

图2为本发明中支撑轴形成坐标轴的示意图；

图3为本发明中大面积四象限光探测器的探测面；

图4为本发明中大面积四象限光探测器探测的示意图一；

图5为本发明中大面积四象限光探测器探测的示意图二；

图6为本发明中小面积四象限光探测器的探测面；

图7为本发明中小面积四象限光探测器探测的示意图一；

图8为本发明中小面积四象限光探测器探测的示意图二；

图9为本发明光通信自动跟踪方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种光通信自动跟踪系统，包括：相互通信的第一自动跟踪控制系统1与第二自动跟踪控制2系统，两者之间采用粗跟踪与精跟踪相结合的方式进行高速通信。

具体的，所述第一自动跟踪控制系统1与第二自动跟踪控制系统结构一样，两者均包括：反射镜组件10，接收所述反射组件10反射光线的粗跟踪单元20，接收所述反射组件10发射光的精跟踪单元30，与所述粗跟踪单元20、精跟踪单元30电性连接的现场可编程门阵列40，以及驱动所述反射镜组件10的执行机构驱动单元50。所述执行机构驱动单元50与所述现场可编程门阵列40电性连接。所述现场可编程门阵列40采集粗跟踪单元和精跟踪单元传送过来的数字信号，并进行运算处理，将运算结果送给所述执行机构驱动单元50，以完成对反射镜组件10的驱动。

进一步地，所述光通信自动跟踪系统还包括连接于所述执行机构驱动单元50与所述现场可编程门阵列40之间的D/A转换模块60，以将数字信号转变成模拟信号。所述反射镜组件10包括：反射镜基座11、设于所述反射镜基座11上的执行机构12、以及设于所述执行机构12上的反射镜13，所述执行机构12与所述执行机构驱动单元50电性连接。所述反射镜13包括：平面镜、以及形成于所述平面镜的三防膜和金属膜，金属膜的选择可根据整机系统的要求确定，在对质量要求比较高的情况下可镀金或银。本发明中，所述反射镜13的直径优选为20mm-200mm，建议使用直径为100mm的反射镜，因为直径太大，重量就会总增加，执行机构12在调节时要求调节的力量就很大；反射镜13重量大，也导致反射镜13惯性效应大，影响反射镜13的动作速率和跟踪精度，从而设计难度和成本都会增加；但，如果直径太小，通过其反射的光能量就很小，降低了通信链路的可靠性。

在本实施例中，所述执行机构12包括1根或多根可调节高度的支撑轴，每根所述支撑轴下面设有电源驱动装置。所述现场可编程门阵列40控制输出不同的电压或电流给电源驱动装置，所述电源驱动装置会根据不同的输入电压或电流来调节支撑轴的高度，以调整支撑轴的高度，本发明优选采用电压方式。优选的，所述执行机构12包括4根支撑轴，两两构成一个轴，即其中两根支撑轴形成坐标轴的X轴，另两根支撑轴形成坐标轴的Y轴，如图2所示。本发明可以通过现场可编程门阵列控制输出不同的电压给4根支撑轴，可以调节反射镜的角度。

所述粗跟踪单元20包括：广角镜21、用于接收所述广角镜21光线的大面积四象限光探测器22、驱动所述大面积四象限光探测器22的第一四象限光探测器驱动模块23、以及与所述第一四象限光探测器驱动模块23连接的第一A/D转换模块24。所述广角镜用于将信标光70汇聚，所述第一A/D转换模块24用于将模拟信号转换为数字信号。

所述大面积四象限光探测器22用于检测信标光70汇聚后在大面积四象限光探测器22探测面上形成的焦点位置，从而用来初步判断进入反射镜13的信标光70角度。所述大面积四象限光探测器22的探测面可以设定为50mm×50mm，如图3所示，当大面积四象限光探测器22检测到信标光70汇聚后的焦点在其探测面时，输出两个电压信号，分别代表焦点在X轴和Y轴的位置，具体可以通过信号的强弱来代表焦点在大面积四象限光探测器22探测面的具体位置，如：当焦点（图中黑点）位于探测面的左边时，如图4所示，则输出的X轴电压为0V，Y轴的电压为-5V；当焦点（图中黑点）位于探测面的上方时，如图5所示，则输出的X轴电压为5V，Y轴的电压为0V。

所述精跟踪单元30包括：长焦镜31、用于接收所述长焦镜31光线的小面积四象限光探测器32、驱动所述小面积四象限光探测器32的第二四象限光探测器驱动模块33、以及与所述第二四象限光探测器驱动模块33连接的第二A/D转换模块34。所述长焦镜31用于将信标光70汇聚，所述第二A/D转换模块34用于将模拟信号转换为数字信号。

所述小面积四象限光探测器32用于检测信标光70汇聚后在小面积四象限光探测器32探测面上形成的焦点位置，从而精确判断进入反射镜13的信标光70角度。所述小面积四象限光探测器32的探测面可以设定为5mm×5mm，如图6所示，小面积四象限光探测器32检测到信标光70汇聚后的焦点在其探测面时，输出两个电压信号，分别代表焦点在X轴和Y轴的位置，具体可以通过信号的强弱来代表焦点在小面积四象限光探测器32探测面的具体位置，如：当焦点（图中黑点）位于探测面的左边时，如图7所示，则输出的X轴电压为0V，Y轴的电压为-1V；当焦点（图中黑点）位于探测面的上方时，如图8所示，则输出的X轴电压为1V，Y轴的电压为0V。

另外，所述大面积四象限光探测器22和小面积四象限光探测器32的形状可以根据具体需要设计为所属的形状，例如方形、圆形、椭圆形等。本发明中，所述第一A/D转换模块24与第二A/D转换模块34采用16位100MHz精度的A/D转换模块，有利于提高反射镜的调节精度。因为A/D转换模块精度的高低会影响现场可编程门阵列的运算结果，从而影响发射镜13角度的调节。

请结合参阅图1与图9，本发明提供的光通信自动跟踪系统的跟踪方法，包括以下步骤：

a、第一自动跟踪控制系统1向第二自动跟踪控制系统2发射信标光70；

信标光70采用波长为780mm或650mm的两种激光，该光源放在设备机框的前面，其光线方向平行于4根可调节高度的支撑轴在初始条件下构成的平面的中心垂直线；

b、第二自动跟踪控制系统2启动粗跟踪单元20进行粗跟踪，获取信标光70聚焦后焦点的位置信号，通过执行机构12调节反射镜13，使得信标光70聚焦后的焦点位于大面积四象限光探测器22的中心区域。

在该步骤中，现场可编程门阵列40对反射镜13进行大幅度调整，其具体包括以下步骤：

步骤b1、大面积四象限光探测器22获取信标光70聚焦后焦点的位置信号，并将该位置信号变成模拟电信号，之后第一A/D转换模块24再将模拟电信号转换为数字信号，并传送给现场可编程门阵列40；

步骤b2、现场可编程门阵列40进行运算处理，根据该数字信号生成控制信号，之后由D/A转换模块60将该控制信号转变成模拟电信号，并转送给执行机构驱动单元50；

步骤b3、执行机构驱动单元50驱动执行机构12调整发射镜13；

步骤b4、重复步骤b1-b3，直至信标光70聚焦后的焦点位于大面积四象限光探测器22的中心区域。

c、第二自动跟踪控制系统2启动精跟踪单元30进行精跟踪，获取信标光70聚焦后焦点的位置信号，通过执行机构12调节反射镜13，使得信标光70聚焦后的焦点位于小面积四象限光探测器32的中心区域。

在该步骤中，现场可编程门阵列40对反射镜13进行小幅度调整，其具体包括以下步骤：

步骤c1、小面积四象限光探测器32获取信标光70聚焦后焦点的位置信号，将该位置信号变成模拟电信号，之后再由第二A/D转换模块34转换为数字信号，并传送给现场可编程门阵列40；

步骤c2、现场可编程门阵列40进行运算处理，根据该数字信号生成控制信号，之后由D/A转换模块60将该控制信号转变成模拟电信号，并转送给执行机构驱动单元50；

步骤c3、执行机构驱动单元50驱动执行机构12调整长焦镜13；

步骤c4、重复步骤c1-c3，直至信标光70聚焦后的焦点位于小面积四象限光探测器32的中心区域。

d、第一自动跟踪控制系统1与第二自动跟踪控制系统2之间完成高速通信。

所述第二自动跟踪控制系统2向第一自动跟踪控制系统1发射信标光70的通信方法与上述一样。而且，第一自动跟踪控制系统1与第二自动跟踪控制系统2的信标光可以采用相同波长或不同波长的激光作为信标光70。

在使用过程中，第一自动跟踪控制系统1用于运动的列车上，第二自动跟踪控制系统2用于地面。首先第二自动跟踪控制系统2在上电后或一次通信完成后，其由现场可编程门阵列40控制反射镜13，使其恢复到初始设定的角度，启动搜寻第一自动跟踪控制系统1的信标光70，一旦收到第一自动跟踪控制系统1发送的信标光70，就进行跟踪。

综上所述，本发明提供一种光通信自动跟踪系统以及跟踪方法，采用粗跟踪与精跟踪相结合的方式进行，通信的一端即使是运动物体，也可以很好地完成通信。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。