一种激光通信装置及方法与流程

本发明涉及激光通信技术领域，尤其涉及一种激光通信装置及方法。

背景技术：

空间激光通信可以替代光纤通信，在不便于架设光纤的情况下，实现自由空间的高速激光数据传输，在应急通信、楼宇间数据传输、野战条件保障等场合具有较大的应用前景。

目前，自由空间激光通信采用伺服转台机构与跟踪相机组成闭环控制系统实现光束的瞄准与跟踪，采用大靶面空间耦合光电探测器进行通信接收。这种方案伺服机构复杂，配置不灵活，成本很高，且大靶面空间耦合通信速率受限(仅为2gbps量级)；虽然目前光纤器件非常成熟，但是，光纤器件应用于空间激光通信，9μm单模光纤接收限制了通信接收视场，对传统相机转台伺服跟踪系统提出了过高的要求，难以实现。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种激光通信装置及方法，以解决现有技术的传统相机转台伺服跟踪系统难以实现单模光纤接收空间激光的问题。

第一方面，提供一种激光通信装置，用于接收空间激光到单模光纤，所述激光通信装置包括：章动跟踪振镜、接收主镜、单模光纤和处理模块；

所述章动跟踪振镜，用于在章动扫描状态下接收并反射所述空间激光；

所述接收主镜，用于接收所述章动跟踪振镜反射的所述空间激光，且对所述空间激光进行光学增益后将所述空间激光汇聚到所述单模光纤的端面；

所述处理模块，用于接收所述单模光纤传输的所述空间激光，且根据一个章动扫描周期内接收的所述空间激光的光功率的最大值对应的章动角度，调整所述章动跟踪振镜的章动中心向所述单模光纤的端面的中心收敛。

第二方面，提供一种激光通信方法，用于接收空间激光到单模光纤，所述激光通信方法用于上述的激光通信装置，所述激光通信方法包括：

章动跟踪振镜在章动扫描状态下接收并反射所述空间激光；

接收主镜接收所述章动跟踪振镜反射的所述空间激光，且对所述空间激光进行光学增益后将所述空间激光汇聚到所述单模光纤的端面；

处理模块接收所述单模光纤传输的所述空间激光，且根据一个章动扫描周期内接收的所述空间激光的光功率的最大值对应的章动角度，调整所述章动跟踪振镜的章动中心向所述单模光纤的端面的中心收敛。

本发明实施例，以光纤章动耦合为基础进行空间光到单模光纤耦合，使章动跟踪振镜的章动中心向单模光纤的端面的中心收敛，从而可实现光轴对准，以便建立激光通信链路，实现高速、高效、便捷的空间激光通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一优选实施例的激光通信装置的结构框图；

图2是本发明实施例的激光通信装置的处理模块的结构框图；

图3是本发明另一优选实施例的激光通信装置的结构框图；

图4是本发明实施例的激光通信装置的工作原理示意图；

图5是本发明实施例的章动扫描单模光纤的截面图；

图6是本发明实施例的章动扫描过程的空间激光的光功率的波动示意图；

图7是本发明实施例的光斑-光纤位置关系图；

图8是本发明实施例的章动扫描过程的光斑-光纤位置变化图；

图9是本发明实施例的章动扫描过程随光斑-光纤位置变化对应的空间激光的光功率的波动示意图；

图10是本发明实施例的激光通信方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种激光通信装置。该激光通信装置用于接收空间激光到单模光纤。具体的，如图1所示，本发明一优选实施例的激光通信装置包括：章动跟踪振镜1、接收主镜2、单模光纤3和处理模块4。本发明实施例采用的单模光纤3的直径为9μm。

具体的，章动跟踪振镜1，用于在章动扫描状态下接收并反射空间激光。空间激光可由光端机发射。具体的，光端机可以1mrad发散角发射空间激光。应当理解的是，空间激光应有效覆盖本发明实施例的激光通信装置，才能获得有效的章动扫描的数据。该章动扫描是一种圆形扫描，其章动半径可根据经验预设，因此，章动跟踪振镜1，具体用于在章动跟踪振镜1的方位轴和俯仰轴分别进行同相位正弦运动和余弦运动，合成圆形章动扫描。通过章动跟踪振镜1的二维运动，实现如图4所示的扫描轨迹。图4中左侧的光端机是发送端。右侧的激光通信装置(同样可以是光端机)是接收端。发送端光端机发射的空间激光的光束有效覆盖接收端的激光通信装置，章动扫描轨迹如虚线所示。

本发明实施例仅采用一个可兼顾高速章动与低速补偿控制的电磁振镜作为章动跟踪振镜1，可以同时实现章动扫描与补偿控制。此外，本发明实施例的激光通信装置主要用于点对点和静态空间激光通信，光纤章动的主要作用是光束瞄准与视场收敛，并不需要特别高速的跟踪与抑制，因此对章动跟踪振镜1的速率不需要特别严格的要求，可以采用单振镜方案，减少振镜的数量，降低了整个装置的复杂度，节省了成本。

接收主镜2，用于接收章动跟踪振镜1反射的空间激光，且对空间激光进行光学增益后将空间激光汇聚到单模光纤3的端面。

处理模块4，与单模光纤3连接，用于接收单模光纤3传输的空间激光，且根据一个章动扫描周期内接收的空间激光的光功率的最大值对应的章动角度，调整章动跟踪振镜1的章动中心向单模光纤3的端面的中心收敛。如图5所示，一个章动扫描周期，光斑移动360度；章动中心逐渐向单模光纤3的端面的中心移动。其中，图中的小圆为采样点，圆心a和圆心b之间的距离为章动步长。圆心b到圆周上的c点的距离为一个章动圆的半径(即章动半径)。

通过提取一个章动扫描周期内光功率的最大值所对应的章动角度，作为方向辨别信息，可以极大地提高角度分辨率，提高对准精确程度。通过调整章动跟踪振镜1的章动中心向单模光纤3的端面的中心收敛，如图6和7所示，光功率逐步增大，有利于高精度的视场对准，建立激光通信链路，从而可实现高效率稳定跟踪与耦合。

具体的，处理模块4包括：与单模光纤3连接的第一sfp(smallformpluggable，小型可插拔)+光纤接口401。该第一sfp+光纤接口401具有10gbps的传输速度，且是一种带有光功率监测功能的sfp探测器；因此，第一sfp+光纤接口401用于接收空间激光，且通过第一sfp+光纤接口401的数字诊断功能检测空间激光的光功率的波动，从而以单一探测器同时实现数据传输与章动跟踪，简化了系统。处理模块4根据第一sfp+光纤接口401检测得到的光功率的波动可得到一个章动扫描周期内接收的空间激光的光功率的最大值对应的章动角度，从而可调整章动跟踪振镜1的章动中心向单模光纤3的端面的中心收敛。

优选的，处理模块4调整章动跟踪振镜1的章动中心向单模光纤3的端面的中心收敛的过程之前，需要章动跟踪振镜1已捕获空间激光，即进入单模光纤3的空间激光的光功率需要满足一个阈值；因此，该处理模块4还用于判断章动跟踪振镜1本次章动扫描周期内的所有采样点的最大光功率是否大于预设光功率阈值；若所有采样点的最大光功率大于预设光功率阈值，则开始调整章动跟踪振镜1的章动中心向单模光纤3的端面的中心收敛。该预设光功率阈值可根据经验设定。

若本次扫描后所有采样点的最大光功率不大于预设光功率阈值，则表明章动跟踪振镜1捕获失败，如图8(a)中所示的光斑未与单模光纤3的端面重合，处理模块4不会通过第一sfp+光纤接口401诊断章动过程中光功率的变化，处理模块4也不会调整章动跟踪振镜1的章动中心，如图9(a)所示，其对应图8(a)，光功率没有变化。章动跟踪振镜1捕获失败，则重新开始捕获的过程，直到该次扫描后所有采样点的最大光功率大于预设光功率阈值。

若本次扫描后所有采样点的最大光功率大于预设光功率阈值，则表明章动跟踪振镜1成功实现空间激光的大范围捕获(±1°)，从而可以采集到有效的数据。当完成空间捕获后，如图8(b)～(d)所示的光斑部分周期性覆盖单模光纤3的端面。应当理解的是，随着章动跟踪振镜1的章动中心向单模光纤3的端面的中心收敛，章动扫描周期内的采样点的最大光功率逐渐增加，因此，采样点的最大光功率保持大于预设光功率阈值。

对于调整章动跟踪振镜1的章动中心向单模光纤3的端面的中心收敛的过程，处理模块4具体的应用如下：

处理模块4，具体用于根据一个章动扫描周期内接收的空间激光的光功率的最大值对应的章动角度确定收敛的方向，且采用计算本次章动扫描周期对应的收敛方向的弧长。

其中，θr,j表示收敛方向的弧长。ij表示一个章动扫描周期内光功率的最大值对应的采样点的排序(例如，第6个采样点的光功率最大，则i＝6)。应当理解的是，该排序是按照章动角度从0～360°排列的，本发明实施例按照逆时针转动排序。n表示采样点的数量。该采样点的数量可根据经验设定。具体的，本发明实施例通过实验确定了采样点的数量对本发明实施例所需的跟踪效果影响不大，并且采样点的数量越少，章动跟踪振镜1的调整越快，效率较高，因此，在保证跟踪效果的基础上，可减少本发明实施例的采样点的数量。优选的，本发明实施例的采样点的数量为100个点。j表示章动扫描周期的次数，且该章动扫描周期内的所有采样点的最大光功率大于预设光功率阈值。

当光斑通过章动跟踪振镜1扫描，与单模光纤3的端面接触时，首先，处理模块4通过第一sfp+光纤接口401获得的光功率会产生如图9(b)～(d)所示的波动(图9(b)～(d)分别对应图8(b)～(d))，即在0～360°的章动扫描范围内，出现了光功率的起伏，其最大值所对应的角度，为光斑距离单模光纤3的端面的中心的方向，即收敛的方向，从而根据该收敛方向计算收敛方向的弧长，以便后续换算极坐标矢量，控制章动跟踪振镜1的章动中心向单模光纤3的端面的中心收敛。

处理模块4还具体用于获取本次章动扫描周期对应的收敛方向的弧长沿收敛方向在x轴的分量error_xj＝cosθr,j和在y轴的分量error_yj＝sinθr,j。

处理模块4还具体用于获取本次章动扫描周期对应的章动跟踪振镜在x轴的迭代执行量sum_error_xj＝sum_error_xj-1+error_xj×u和在y轴的迭代执行量sum_error_yj＝sum_error_yj-1+error_yj×u。

其中，a表示收敛的步长。收敛的步长指的是每一章动扫描周期，章动中心向单模光纤3的端面的中心移动的距离，可根据经验预设。kp表示比例系数，ki表示积分系数，kd表示微分系数，可根据经验预设。pmax表示预设光功率的最大值，其是通过理论计算得到的章动中心与单模光纤3的端面的中心重合时对应的光功率的最大值。pi,j表示一个章动扫描周期内的光功率的最大值。δpmax表示预设光功率的最大值与一个章动扫描周期内的光功率的最大值的差值。表示本次章动扫描周期及本次章动扫描周期之前的所有章动扫描周期的δpmax的和。应当理解的是，此处所述的章动扫描周期均是章动扫描周期内的所有采样点的最大光功率大于预设光功率阈值的章动扫描周期。δpj,j-1表示本次章动扫描周期内的光功率的最大值与前一次章动扫描周期内的光功率的最大值的差值。应当理解的是，初始sum_error_x和sum_error_y为0。还应当理解的是，只有一个章动扫描周期内所有采样点的最大光功率大于预设光功率阈值，才会进行迭代，并且每进行一个章动扫描周期，迭代一次。

处理模块4具体用于获取本次章动扫描周期对应的章动跟踪振镜在x轴的总执行量和在y轴的总执行量

其中，xcenter表示章动扫描中心的初始横坐标，ycenter表示章动扫描中心的初始纵坐标，ar表示章动半径。

处理模块4通过上述具体的应用，在一次章动扫描周期内的所有采样点的最大光功率大于预设光功率阈值后，通过获取每次章动扫描周期的数据，调整章动跟踪振镜1的章动中心逐渐向单模光纤3的端面的中心收敛，从而可最终建立单程激光通信链路，在此基础上，可以自然建立双向激光通信链路，完成双工10gbps高速自由空间激光通信。

优选的，处理模块4还包括：与外部设备连接的第二sfp+光纤接口402。在激光通信链路建立后，处理模块4可将接收到的空间激光的信号转换为电信号，且通过第二sfp+光纤接口402传送到外部设备，以便用户通过外部设备获取相应信息。

通过设置第一sfp+光纤接口401和第二sfp+光纤接口402，可实现透传式sfp架构，该激光通信装置无需进行复杂的信号转换与处理，极大地提高了该激光通信装置的通用性。

具体的，如图1和2所示，处理模块4可包括如下的具体单元以完成对应的功能：

fpga(field-programmablegatearray，现场可编程门阵列)逻辑单元403、arm(advancedriscmachine)控制单元404、振镜驱动单元405和供电单元406。

fpga逻辑单元403，用于实现第一sfp+光纤接口401和第二sfp+光纤接口402之间的信号的串并转换和并串转换，从而可实现激光传输的透传。

当第一sfp+光纤接口401接收到空间激光的信号后，该空间激光的信号转换为电信号后，电信号进入fpga逻辑单元403，通过fpga逻辑单元403进行串-并转换，再将转换得到的并行数据进行并-串转换，然后将得到的串行数据发送到第二sfp+光纤接口402，以便通过第二sfp+光纤接口402发送到外部设备，供用户查看。

arm控制单元404，用于根据第一sfp+光纤接口401得到的一个章动扫描周期内接收的空间激光的光功率的最大值对应的章动角度，确定章动跟踪振镜1在x轴的总执行量和在y轴的总执行量。

振镜驱动单元405，用于根据arm控制单元404确定的章动跟踪振镜1在x轴的总执行量和在y轴的总执行量，驱动章动跟踪振镜1振动，使章动中心向单模光纤3的端面的中心收敛。

供电单元406，用于连接外部供电设备对处理模块4供电。具体的，供电单元406可以包括供电接口和电源管理部。供电接口用于与外部设备连接。电源管理部用于管理和分配电量。

此外，该激光通信装置除了可作为接收端接收空间激光外，还可以作为发送端发送空间激光。具体的，如图3所示，本发明另一优选实施例的激光通信装置还包括：光放大器5、发射主镜6和光束瞄准镜7。

光放大器5，可通过单模光纤3与处理模块4的第一sfp+光纤接口401连接，用于放大待发送的空间激光的信号。具体的，光放大器5可以采用edfa放大器(erbiumdopedfiberamplifier，掺铒光纤放大器)。由于处理模块4传送的激光信号为1mw量级，难以实现远距离光传输，故弱信号进入光放大器5，进行功率放大，放大到1000mw量级。

发射主镜6，用于发射光放大器5放大后的空间激光。该发射主镜6与光放大器5可通过光纤8连接(该光纤也可以是单模光纤)，通过对空间光光纤准直，以一定的激光发散角向空间发射，实现激光束的窄束散角发射。光放大器5和发射主镜6之间可通过光纤8连接。

光束瞄准镜7，用于使空间激光瞄准接收目标。该光速瞄准镜7可以配合可调三脚架，使发射激光对接收目标(例如，光端机)精确覆盖，实现空间瞄准，完成光束精确指向。

当该激光通信装置作为发送端时，第二sfp+光纤接口402用于接收用户输入的发送数据。fpga逻辑单元403通过高速gtx接口接收用户的待发送数据，并进行串-并转换，后对并行数据再次进行并-串转换，串行数据再由第一sfp+光纤接口401调制激光信号发射。

具体的，当激光通信装置作为发送端使用时，处理模块4通过供电单元406上电，用户通过光纤将发送数据输入第二sfp+光纤接口402，从而使数据进入处理模块4。处理模块4对发送数据进行处理后，通过第一sfp+光纤接口401将发送数据调制为空间激光的信号后发射到光放大器5。光放大器5放大空间激光的信号后，由发射主镜6发射到接收目标。光束瞄准镜7辅助光束精确指向接收目标。

采用本发明另一优选实施例的激光通信装置建立通双向信链路，激光通信链路与激光通信装置各参数及指标可采用表1所示的指标。

表1激光通信链路与激光通信装置各参数及指标

综上，本发明实施例的激光通信装置，以光纤章动耦合为基础进行空间光到单模光纤耦合，使章动跟踪振镜的章动中心向单模光纤的端面的中心收敛，从而可实现光轴对准，以便建立激光通信链路，实现高速、高效、便捷的空间激光通信。

本发明实施例还公开了一种激光通信方法。该激光通信方法用于上述实施例的激光通信装置。具体的，该激光通信方法用于接收空间激光到单模光纤。该单模光纤的直径为9μm。如图10所示，该激光通信方法包括如下的步骤：

步骤s101：章动跟踪振镜在章动扫描状态下接收并反射空间激光。

具体的，章动跟踪振镜在章动跟踪振镜的方位轴和俯仰轴分别进行同相位正弦运动和余弦运动，合成圆形章动扫描。

步骤s102：接收主镜接收章动跟踪振镜反射的空间激光，且对空间激光进行光学增益后将空间激光汇聚到单模光纤的端面。

步骤s103：处理模块接收单模光纤传输的空间激光，且根据一个章动扫描周期内接收的空间激光的光功率的最大值对应的章动角度，调整章动跟踪振镜的章动中心向单模光纤的端面的中心收敛。

优选的，调整章动跟踪振镜的章动中心向单模光纤的端面的中心收敛的步骤之前，该激光通信方法还包括：

(1)处理模块判断章动跟踪振镜本次章动扫描周期内的所有采样点的最大光功率是否大于预设光功率阈值。

(2)若所有采样点的最大光功率大于预设光功率阈值，则开始调整章动跟踪振镜的章动中心向单模光纤的端面的中心收敛。

步骤s103具体包括如下的过程：

(1)处理模块根据一个章动扫描周期内接收的空间激光的光功率的最大值对应的章动角度确定收敛的方向，且采用计算本次章动扫描周期对应的收敛方向的弧长。

其中，θr,j表示收敛方向的弧长，ij表示一个章动扫描周期内光功率的最大值对应的采样点的排序，n表示采样点的数量，j表示章动扫描周期的次数，且章动扫描周期内的所有采样点的最大光功率大于预设光功率阈值。

(2)获取本次章动扫描周期对应的收敛方向的弧长沿收敛方向在x轴的分量error_xj＝cosθr,j和在y轴的分量error_yj＝sinθr,j。

(3)获取本次章动扫描周期对应的章动跟踪振镜在x轴的迭代执行量sum_error_xj＝sum_error_xj-1+error_xj×u和在y轴的迭代执行量sum_error_yj＝sum_error_yj-1+error_yj×u。

其中，a表示收敛的步长，kp表示比例系数，ki表示积分系数，kd表示微分系数，pmax表示预设光功率的最大值，pi,j表示一个章动扫描周期内的光功率的最大值，δpmax表示预设光功率的最大值与一个章动扫描周期内的光功率的最大值的差值，表示本次章动扫描周期及本次章动扫描周期之前的所有章动扫描周期的δpmax的和，δpj,j-1表示本次章动扫描周期内的光功率的最大值与前一次章动扫描周期内的光功率的最大值的差值。

(4)获取本次章动扫描周期对应的章动跟踪振镜在x轴的总执行量和在y轴的总执行量

其中，xcenter表示章动扫描中心的初始横坐标，ycenter表示章动扫描中心的初始纵坐标，ar表示章动半径。

对于方法实施例而言，由于其与装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。

综上，本发明实施例的激光通信方法，以光纤章动耦合为基础进行空间光到单模光纤耦合，使章动跟踪振镜的章动中心向单模光纤的端面的中心收敛，从而可实现光轴对准，以便建立激光通信链路，实现高速、高效、便捷的空间激光通信。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。