光发射天线系统及其波束控制方法

专利名称：光发射天线系统及其波束控制方法
技术领域：
本发明属于激光通信技术领域，尤其涉及一种移动大气激光通信系统中基于光束可控技术的多波束光天线装置，利用光束的视距传输特性、角度分集技术以及控制算法实现光学天线之间智能的捕获、对准与跟踪。
背景技术：
大气激光通信又称自由空间光通信(Free Space Optical Communication, FSO) 或无线光通信(Wireless Optical Communication)，其既可承载数字信号也可承载无线射频信号，是ー种新兴的无线通信方式。它具通信容量大、安全保密性好、有抗电磁干扰能力强，无需申请无线频段等优点，在军事通信和民用通信领域都具有重要的应用价值。FSO是ー种视距传输系统。为了在发射端和接收端之间建立一条有效的通信链路， 精确可靠的捕获、对准和跟踪(APT Acquisition Pointing and Tracking)技术至关重要， 该技术是实现移动大气激光通信的关键。目前对APT技术的研究集中于采用步进电机或快速振镜等传统的机械方法，在定点FSO通信中，通过系统本身的自动调整机械装置克服小范围的器件振动与形变等因素的影响，可以满足激光通信精度的要求；在空间FSO通信(例如卫星与卫星之间以及卫星与地面之间)中，通过对稳定平台以及高速振镜的精确控制， 也可以满足激光通信精度的要求，但是其代价是需要设计复杂的APT系统；而对于近地移动(特別是快速移动)大气激光通信系统，由于大气效应和目标相对运动的影响将更加显著，目前的APT技术还不能满足激光通信的要求。

发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种光发射天线系统及其波束控制方法，更好的实现近地大气激光系统移动中通信，减少对复杂的APT系统的依赖， 提高通信的可靠性。本发明的技术解决方案是ー种光学天线，其特殊之处在于所述光学天线是多个激光发射天线和多个接收天线均勻排列的阵列结构，所述阵列结构设置在弧面(半球面或球面)上，所述每个激光发射天线包含发射多模光纤与发射微透镜；接收天线包含接收多模光纤与接收微透镜；所述发射微透镜分别位于ー个接收微透镜的中心。上述系统包括依次连接的光发射机、光发射交換矩阵、光发射/接收天线阵列、光接收机；所述控制器分別与光发射机、光发射交換矩阵以及光接收机连接。上述光发射机包括LD激光器、调制器、数据接ロ、缓存区、消息产生模块和掺铒光纤放大器；所述数据接ロ、缓存区以及消息产生模块依次连接，所述消息产生模块与控制器连接；所述LD激光器、调制器以及掺铒光纤放大器依次连接，所述调制器与消息产生模块连接，所述掺铒光纤放大器与光发射交換矩阵连接。上述光交換矩阵包括与光发射机连接的输入端以及切換发送激光信号的输出单元，光交換矩阵包括多个光交換节点，每个光交換节点由微腔谐振器組成，该谐振器包含4 个输入\输出端，任意一个输入\输出端输入\输出激光信号，与光发射机连接的输入端通过光交換节点的交換，通过程序的控制将其输出到指定的ー个或多个输出端。上述光接收机包括光电ニ极管阵列，电流放大器，缓存区和用户接ロ ；所述光电ニ 极管阵列与光发射/接收天线连接；所述每个光电ニ极管表面周围有ー个光功率感应探头。上述控制器包括定时器、光功率检测模块、消息处理模块、发射控制模块和运算逻辑单元；光功率检测模块与运算逻辑单元连接，所述运算逻辑单元与消息处理模块连接，所述消息处理模块、运算逻辑单元分別与发射控制模块连接。一种光发射天线系统的波束控制方法，其特殊之处在于所述方法包括以下步骤1)主天线通过系统发射天线进行发射；具体步骤是1. 1)用户请求通过天线系统与从天线端用户进行通信；1. 2)设置光束宽度指数N为0 ；1. 3)天线扫描模块发送HELL0_N分组，进行ー轮天线扫描，得到能进行通信的区域；1.4)扫描完成后判断是否接收到控制消息al或a2，如果是，进行步骤1.5)；若否，则进行步骤1.7)；1.5)根据接收到的控制消息进行选择如果收到al，则将N的值加1 ；如果收到 a2，则将N的值减1 ；1.6)判断N的值是否在
区间ぱ为天线单元的总个数)；如果是，则返回步骤1.3)，若否，通信结束。1. 7)判断是否接收到控制消息a3，如果是，则执行步骤1. 9)，否则，执行步骤 1.8)；1. 8)判断计时器是否超吋，如果是，则执行步骤1. 10)；否则，返回步骤1. 4)；1. 9)通信建立，进入跟踪模式；1. 10)执行发送端跟踪模块，根据通信光束的光功率以及质心位置的改变来改变光束的宽度和位置，通信断开或检测超时后通信终止。2)从天线通过系统接收天线进行捕获、对准以及跟踪过程；具体步骤是2. 1)系统启动，准备进入“捕获”、“对准”和“跟踪过程”；2.2)判断是否存在接收天线感光，即在ー个时钟周期内，是否存在接收天线単元光电ニ极管表面光功率大于Pt。如果是，则执行步骤2. 4)，否则执行步骤2. 3)；2.3)判断计时器是否超吋，如果是，则通信终止，否则，返回步骤2. 2)；2.4)执行接收天线捕获模块，对接收的光信号的消息进行检測，并存储与控制器中；2. 5)控制器确定初歩通信区域以及从天线收发天线单元坐标与主天线收发天线坐标的映射关系；2. 6)对于所有映射对应的光功率，判断是否存在光功率大于Pmax，如果是，则执行步骤2. 7)，否则执行步骤2. 8)；
2. 7)控制器发送本地控制消息bl，返回步骤2. 2)；2. 8)判断是否所有映射所对应的功率的平均值在[Pt，Pfflin)范围内，如果是，执行步骤2. 9)，否则执行步骤2. 10)；2. 9)控制器向本地发送控制消息b2，返回步骤2. 2)；2. 10)控制器筛选映射中光功率最大的作为最终进行通信的映射，发送本地控制消息b3告知本地发送端；2. 11)通信已经建立，在接收功率最大的映射对应接收单元接收主天线发送的用户消息，执行接收端跟踪模块，根据每个时钟周期内光功率的改变以及质心位置的改变来调节光束大小和位置，直至天线之间无法建立连接；3)从天线通过系统发射天线进行捕获、对准以及跟踪过程；具体步骤是3. 1)系统启动，准备进入“捕获”、“对准”和“跟踪过程”；3.2)判断是否受到本地控制器发送的控制消息bl或は，如果是，则执行步骤 3. 3)，否则执行步骤3. 5)；3. 3)将天线模式设置为从模式；3. 4)根据收到的消息类型进行选择，如果收到bl，则天线扫描模块以原光束大小扫描发送REPLY_NNENLARGE消息给对应主天线的接收天线単元，告知主天线需要増大光束宽度；如果收到b2，则天线扫描模块以原光束大小扫描发送REPLY_N_CONTRACT消息给对应主天线的接收天线単元，告知主天线需要减小光束宽度，选择完成后返回步骤3. 2)；3. 5)判断是否受到本地发送控制消息b3，如果是，则执行步骤3. 7)，否则执行步骤 3. 6)；3.6)判断计时器是否超吋，如果是，则通信终止，否则，返回步骤3. 2)；3. 7)天线根据b3中的天线坐标发送REPLY_N_COMMUNICATE消息至主天线接收端， 告知主天线可以进行通信以及通信的具体光束大小和位置；3. 8)连接建立，可以发送从天线端用户信息给主天线端用户；3. 9)执行发送端跟踪模块，根据通信光束的光功率以及质心位置的改变来改变光束的宽度和位置，通信断开或检测超时后通信终止；4)主天线通过系统接收天线进行捕获、对准以及跟踪过程；具体步骤是4. 1)系统启动，准备进入“捕获”、“对准”和“跟踪过程”；4.2)判断是否存在接收天线感光，即在ー个时钟周期内，是否存在接收天线単元光电ニ极管表面光功率大于Pt。如果是，则执行步骤4. 4)，否则执行步骡4. 3)；4. 3)判断计时器是否超吋，如果是，则通信终止，否则，返回步骤4. 2)；4.4)执行接收天线捕获模块，对接收的光信号的消息进行检測，并存储与控制器中；4. 5)控制器通过读取消息内容确定感光区域以及映射关系；4. 6)判断接收到的消息是否是REPLY_N_ENLARGE或REPLY_N_CONTRACT，如果是， 则执行步骤4. 7)，否则执行步骤4. 8)；4. 7)根据收到的消息类型进行选择，如果接收到REPLY_N_ENLARGE，则向本地发送端发送控制消息al，告知发送端需要増大光束宽度，同时告知其扫描的范围；如果接收到REPLY_N_CONTRACT，则向本地发送端发送控制消息a2，告知发送端需要减小光束宽度， 同时告知其扫描范围；4. 8)判断接收到的消息是否是REPLY_N_COMMUNICATE，如果是，则执行步骤4. 9)， 否则返回步骤4. 3)；4. 9)控制器向本地发送端发送控制消息a3，告知其可以进行通信，同时告知其进行通信的光束宽度和具体光単元的位置；4. 10)连接建立，接收从天线发出的用户信息；4. 11)执行接收端跟踪模块，根据每个时钟周期内光功率的改变以及质心位置的改变来调节光束大小和位置，直至通信断开，无法继续连接后通信终止。上述发送端捕获过程的具体工作步骤是1. 1. 1)生成发射范围矩阵，根据本地控制器发来的控制消息，可以得到需要发送消息的内容，进行扫描的天线具体坐标以及光束宽度；1. 1.2)闭合矩阵紧邻左上方边界的的2N个相邻天线，组成一个宽度指数为N的光束，发射指定分组消息，发射的分组可以为HELL0_N分組，REPLY_N_ENLARGE分组或REPLY_ N_C0NTRACT 分组；1. 1. 3)判断发射出所在行是否扫描完成。如果完成，则执行步骤1. 1. 5)，否则执行步骤1. 1. 4)；1. 1. 4)闭合原闭合光开关横坐标加1的光开关，对于重合的光开关继续保持原状，新増加的光开关进行闭合，不需要通信的区域光开关断开，完成后返回步骤ι. 1. 3)；1. 1. 5)判断发射处所在列是否扫描完成，如果是，则ー轮特定区域内的扫描完成， 否则执行步骤ι. 1. 6)；1. 1. 6)闭合原闭合光开关纵坐标加1的光开关，对于重合的光开关继续保持原状他新増加的光开关进行闭合，不需要通信的区域光开关断开，完成后返回步骤ι. 1. 3)。上述接收端捕获过程的具体工作步骤是1. 2. 1)记录感光天线的编号以及天线接收的光功率；1. 2. 2)判断是否接收到 HELL0_N 分组或 REPLY_N_ENLARGE 分组或 REPLY_N_ CONTRACT分组或REPLY_N_COMMUNICATE分组，如果收到其中任意ー个分组，则执行步骤 1.2. 3)，否则执行步骤1.2.4)；1. 2. 3)根据接收到的消息类型进行选择，如果接收到了 HELL0_N分組，则将分组存入存储区，并进入从天线模式，此后执行主天线接收部分的算法；如果接收到了 REPLY_ N_ENLARGE 或 REPLY_N_CONTRACT 或 REPLY_N_COMMUNICATE 消息，则将消息存入存储区， 进入主天线模式，此后执行从天线接收部分的算法，完成后执行步骤1. 2. 4)；1.2.4)判断扫描剩余时间是否为0，如果是，则接收端捕获完成，否则返回步骤 1. 2. 1)。上述发送端跟踪过程的具体步骤是2. 1. 1)判断用户是否请求中断连接或N已经不在
范围内，如果是，则执行步骤2. 1. 3)，否则执行步骤2. 1. 2)；2. 1. 2)根据收到控制消息类型进行选择，如果收到Cl，则N加1，増大光束宽度1个指数级，同时以r为单位向质心改变方向平移发射光束；如果收到C2，则N减1，减小光束宽度1个指数级，并以r为单位向质心改变方向平移发射光束；如果收到C3，则以r为单位向质心改变方向平移发射光束；如果收到C4，则N加1，増大光束宽度ー个指数级；如果收到C5，则N减1，减小光束宽度1个指数级；如果收到C6，则光束大小和位置保持不变；返回步骤 2. 1. 1)；2. 1. 3)发送端跟踪模块跟踪完成；上述接收端跟踪过程的具体步骤是2. 2. 1)接收光信号并解调、传输信息至本地用户；2. 2. 2)判断通信区域是否能感光，如果是，则执行步骤2. 2. 4)，否则执行步骤 2. 2. 3)；2. 2. 3)判断计时器是否超吋，如果是，则接收端跟踪模块跟踪完成，否则返回步骤 2. 2. 2)；2. 2. 4)定时检测每个进行通信的天线单元的光功率強度和接收区域的质心位置， 并计算平均光功率;^ ；2. 2. 5)判断质心位置的改变量Vr是否大于等于相邻两个天线单元中心的半径的一半r/2，如果是，则执行步骤2. 2. 6)，否则执行步骤2. 2. 12)；2. 2. 6)将通信区域向质心改变方向平移，平移的距离以r为单位，平移方向为质心改变的方向；2. 2. 7)判断当前进行接收的区域是否存在光电ニ极管表面功率大于Pmax，如果是， 则执行步骤2. 2. 8)，否则执行步骤2. 2. 9)；2. 2. 8)控制器向本地发送端发送控制消息Cl，告知发送端扩大光束的宽度，并改变发送光束的位置，返回步骤2. 2. 2)；2. 2. 9)判断当前接收区域的平均光功率;^是否在[Pt，Pmin]范围内，如果是，则执行步骤2. 2. 10)，否则执行步骤2. 2. 11)；2.2. 10)控制器向发送端发送控制消息C2，告知发送端减小发送光束ー个指数级，并改变发送光束位置，返回步骤2. 2. 2)；2.2. 11)控制器发送控制消息C3，告知发送端改变发送光束位置；返回步骤 2. 2. 2)；2.2. 12)判断当前区域的是否存在光电ニ极管表面功率大于Pmax，如果是，则执行步骤2. 2. 13)，否则执行步骤2. 2. 14)；2. 2. 13)发送控制消息C4，告知本地发送増大光束宽度ー个指数级；返回步骤 2. 2. 2)；2. 2. 14)判断当前接收区域的平均光功率;^是否在[Pt，Pfflin]范围内，如果是，则执行步骤2. 2. 15)，否则执行步骤2. 2. 16)；2. 2. 15)发送控制消息C5，告知本地发送端减小光束宽度ー个指数级；返回步骤 2. 2. 2)；2. 2. 16)发送控制消息C6，告知本地发送端不采取任何行动，保持原通信状态。返回步骤2. 2. 2)；本发明的优点是
1、光天线设计成弧面(半球面或球面)结构，光收/发天线按照一定的順序配置在光天线的表面，比传统的平面结构更能有效的覆盖空间区域。例如采用球面结构，可以覆盖全方位立体角4 π的空间区域；2、与现有机械方法实现扫描的方法相比，多波束光天线的波束扫描速度更高，可以有效的克服机械方法旋转天线时惯性大、速度慢的缺点；适合于移动节点特别是快速移动节点之间的激光通信。3、在扫描、捕获和跟踪过程中通信光束的大小“智能”可控。通信天线之间距离近，则光束较粗，同时发送激光的发射单元数目较大，保证天线之间有较大的相对移动速度时也不会立即丢失连接；通信天线之间距离远，则光束较细，同时发送激光的发送单元数目较小，激光能够更集中地发射以保证光通信时功率的要求。4、扫描波束与通信波束采用相同的波段，采用信标光、信号光“合ニ为一”的技木， 捕获、对准和跟踪与激光通信有机的结合起来。


图1是本发明光学智能天线系统中光天线结构示意图；图2是本发明光学智能天线系统中通信范围计算示意图；图3是本发明光学智能天线系统組成示意图；图4是本发明光学天线系统内部控制方式示意图；图5是本发明智能天线扫描过程示意图；图6是本发明“主天线”发射天线部分的算法描述；图7是本发明“从天线”接收部分的算法描述；图8是本发明“从天线”发送部分的算法描述；图9是本发明“主天线”接收天线部分的算法描述；图10是本发明发送端发射天线扫描模块工作过程流程图；图11是本发明接收端捕获模块工作过程流程图；图12是本发明发射端跟踪模块工作过程流程图；图13是本发明接收端跟踪模块工作过程流程具体实施例方式參见图1，本发明提出的光学天线就是ー种利用角度分级技术在一个弧面上(覆盖立体角为Ω)均勻配置数量为η的激光发射和接收天线的阵列结构，该阵列中的发射天线受激光发射交換矩阵控制，每个接收天线分別由接收机中的光电ニ极管进行光电转换并检测光功率，根据控制算法切換激光的输入/输出通路，以达到灵活控制发送光束的数目、 方向以及灵活设定用于接收光信号的天线单元位置的目的，实现两个天线系统之间智能化的捕获、对准与跟踪过程，最终实现移动物体间，特别是高速移动物体之间的光通信。光学天线外表弧面的大小可按实际需要覆盖的立体角灵活设计。容易看出，立体角的覆盖范围最小为ー个发射-接收天线単元覆盖的立体角Ω min，最大为球面覆盖的立体角4π。图1画出了弧面为球面(覆盖立体角Ω =4π)的光学天线正面图。本发明采用的每个发射(或接收)天线的结构包含多模光纤与微透镜。即对于发射天线，光信号沿着多模光纤传播，通过微透镜的折射实现光信号以ー个特定的束散角从该天线的发送；每个接收天线具有特定的视场角接收收空间中光信号。用于接收的微透镜其半径大于发射天线透镜的半径，将空间光光耦合至多模光纤中。图1中，球面上均勻排列了 η对发射/接收天线的微透镜，每个发射天线的微透镜分别位于ー个接收天线微透镜的中心，即每对发射/ 接收透镜共轴，各发射/接收透镜组圆心之间的距离均为r。天线系统发射的激光信号最终由若干个发射透镜发射到大气中；而接收端接收的激光信号被若干个接收天线从大气进行接收。所有发射透镜具有相同的发射视场角θ t，接收透镜具有相同的接收视场角θメ θ^ > θ t)，这样，当各个发射透镜发射视场随着与天线系统的距离增大逐渐重合(此时接收视场已经重合)吋，在立体角Ω覆盖范围内空间任意一点的另外ー个光天线，均能够被该光天线系统锁定具体位置，与之进行智能化的捕获、对准与跟踪，并最终进行通信。经计算，若两个发射透镜之间的距离为r，球天线的半径为R，每个发射天线的视场角为θ，则发射束散角重合的位置，參见图2，
D=r/2tan(π-θt-arccosr/2R),π/2-arccosr/2R<=θt<=π-arccosr/2R
在天线系统中总的光天线个数
n=2/1-cos(arcsinr/2R)
以r = 20mm, R = 250mm为例，代入公式O)，可得天线系统中光天线个数η约为 2500个；将r与R代入公式(1)可知，对于ー个束散角为0. 0403rad的发射天线，每个发射天线的束散角将在距离天线D = 30米处重合，实现发射端对整个4 π空间的覆盖。由于接受视场大于发射疏散角，则此时接收市场已经覆盖4 π空间。在一个弧面(柱面、半球面或球面)基座上有序配置一組激光收/发阵列(光天线)，由多个光发射和接收光天线单元按照一定的順序排列而成，该结构能够保证相邻光发射天线单元射出的激光的光斑在远场处重叠；光接收天线接收视场部分重叠，且光发射天线阵列总的束散角和光接收天线阵列总的接收视场均能覆盖整个进行通信的区域。图3为光发射天线系统的組成，包括光发射机101，光发射交換矩阵102，光发射/ 接收天线阵列103，光接收机104和控制器105。图4为光学天线系统内部控制方式的示意图，包含每个模块的具体结构以及各结构处理消息的过程。光发射机101 光发射机101由LD激光器11，调制器12，数据接ロ 13，缓存区14， 消息产生模块15和掺铒光纤放大器16組成。LD激光器11用来产生激光信号，在实际应用时可以采用多级LD激光器以增大最高通信光功率，便于在远距离传输时满足误码率要求。 数据接ロ 13接收上层用户传来的数据，缓存区14为上述数据提供一定的缓存空间。消息产生模块15受控制器控制产生包含发射和接收天线位置信息的HELLO分組、REPLY分组或 REPLY_ACK分组，调制器12用来调制消息产生模块15产生的消息或用户数据信号至光载波上，掺铒光纤放大器16将已调激光信号进行放大，发送至光发射交換矩阵102。光发射机与光发射交換矩阵单向连接，与控制器单向连接。光发射交換矩阵102 光发射交換矩阵102用于切換发送激光信号的不同输出单(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_来定义。这样，从球面天线上顶点至下顶点，每个发送/接收透镜均有了其各自的坐标(eu，Φv)，唯一对应ー个顶角和方位角。这个矩阵映射关系系存储于天线系统的控制器中，在捕获，对准与跟踪过程中均能发挥重要作用。每个发射天线的多模光纤与发射交换矩阵的ー个输出端相连接，每个接收天线的多模光纤与接收机中的ー个光电ニ极管相连接。光接收机104 光接收机由光电ニ极管阵列，电流放大器，缓存区和用户接ロ组成。光电ニ极管的数量与接收天线的数量相同，每个光电ニ极管与一个接收天线相连接。锋个光电ニ极管表面周围有ー个光功率感应探头，用于定时检测该光电ニ极管接收的光功率強度。电流放大器用来对光点感应产生的微弱的电流进行放大。缓存单元用于均衡、同步感应的电流并解调，同时暂时存储接收的信号发送到消息处理单元进行处理或直接发送至用户接ロ实现数据接收。控制单元105 控制单元包括定时器、光功率检测模块、消息处理模块、发射控制器和运算逻辑单元。光功率监测模块用于监测各个光电ニ极管单元中的光功率并进行暂时的存储运算逻辑単元用来比较光功率是否满足阈值P要求，并将满足阈值要求的接收单元的坐标发送至消息处理模块和发射控制模块；消息处理模块用来检测符合功率阈值P要求的接收区域接收信号的消息内容。发射交叉矩阵控制器用来整合消息的内容和功率的強度
元，矩阵大小为ΙΧη，输入端连接光发射机101发出的已调放大光信号，矩阵的η个输出端与光发射天线阵列的η个光发射天线分别相连接。通过控制光发射交換矩阵节点的通断， 可以控制激光波束从天线表面任意的位置射出，实现激光波束位置和大小的智能控制；矩阵的交叉结点为基于环形谐振腔结构的路由光开关结构，能够实现光的直通、换路功能。
发射/接收天线阵列103 发射/接收天线阵列103由发射天线和接收天线組成。 外形结构已经在前文进行了说明。接收天线和发射天线数量均为η个。为了描述方便，我们将发射天线和接收天线按其行编号；每个发射天线和与其发射透镜同心共轴的接收透镜对应的接收天线具有相同的编号。具体的编号方法为通过确定每个发送/接收天线的透镜中心(由于每对发射天线和接收天线的透镜中心为同一点)在整个球面天线中的顶角θ 和方位角Φ来定义每个发射/接收天线的编号，同时也能够确定该发射/接收天线在球面的位置。由于天线在球面均勻排布，故对整个球面的所有天线，如果从上顶点开始，即球面的“北极点”，一直命名至下顶点，即“南极点”，可以用矩阵 [01221
3来控制产生携帯特定消息的激光信号通过发射交換矩阵输出到指定的收发单元对大气进行捕获、对准与跟踪。下面将详细介绍本专利提出的多波束天线在点对点通信中建立连接、进行通信并在天线之间有相对位移时保持通信状态的过程的步骤，即实现传统激光光通信中捕获、对准与跟踪过程的方法。该两个多波束光天线完全相同，为了便于区分，我们将首先提出建立连接(例如由于该天线所连接的用户首先请求发送信息)的一方称为“主天线”，另一方成为“从天线”。在算法的描述过程中，为了便于理解，主天线与从天线的算法将被分开表述， 每个天线系统的发送、接收算法也将分别进行描述。同吋，主天线和从天线在发送和接收过程中会共同用到的ー些功能将以模块的形式在算法中表示，每个模块的具体算法及实现功能会在下文进行描述。捕获过程用户向主天线系统发出发送信息请求，主天线系统发起向从天线系统的连接。控制器定时控制主天线的发射交換矩阵对光开关进行通断控制从而实现光束的逐行扫描。设置N为光束扫描宽度指数，在一轮天线扫描发射中，以2N作为每次同时发射的天线数量，每个时钟周期闭合2N个发射天线对应的光开关，发射指定消息，然后在下ー个时钟周期，通过更改光开关的闭合、断开状态情況，实现此次用于发射的光天线的位置为上个时钟周期发射消息的光天线单元平移1个光天线单元的距离所在位置的光天线。 初始情况下，N = 0，即天线在此次螺旋扫描过程中毎次光束从1个发射天线单元射出，发送含有该天线単元信息的HELL0_N(N = 0)消息(此时发射単元大小为1)，依照前文所述发送/接收天线的坐标矩阵按逐行逐个天线的顺序进行发射，在第一个时间周期闭合发射天线(θ。，Φ0)在发射交換矩阵中对应的光开关，第二个时间周期断开上述光开关，闭合发射天线(θ ” Φ0)在发射交換矩阵中对应的光开关，第三个时间周期断开(θ ” φ0)对应光开关，闭合(θ ” φ》对应光开关，依次类推。按照坐标的排布順序，坐标矩阵中每一行扫描完成就光天线就跳至下一行进行扫描，直至所有天线单元都分別发送过HELL0_N(N = 0)分组消息，螺旋扫描完成，天线系统实现对整个覆盖空间4 π的螺旋扫描，主天线的接收端等待对方天线的回应。“从天线”中光天线阵列的所有接收天线在开启后等待接收“主天线”发送的 HELL0_N(N = 0)分組。接收天线通过判断每个天线上光电ニ极管表面接收的光功率来确定该接收区域是否能够满足通信需求。我们设定每个光电ニ极管的灵敏度为Pt，只有光电ニ极管表面光功率大于灵敏度Pt才能被广电ニ极管感知；Pmin为使达到误码率要求(BER彡ΙΟ"6)的最小光功率；Ps为光电ニ极管的饱和功率；Pmax为满足误码率要求 (BER く 10_6)的最高光功率，并且有Pt く Pmin < Pmax く Ps0在一个时间周期内，对于能感光的接收区域(光电ニ极管表面光功率高于Pt)，控制器首先记录这些接收天线的坐标以及接收的光功率，然后控制接收机解调满足Pt要求的接收区域携帯的光信号，得到HELL0_N(N =0)分组消息。控制器读取该HELL0_N(N= 1)消息中“主天线”系统发送该消息时使用的发射天线的坐标编号并将其和“从天线”感光区域编号对应存入存储区；同时，控制器还要读取HELL0_N(N = 0)消息中的剰余时间域，用来判断“主天线”系统的发射扫描过程是否完成。当从剩余时间域中读取的值为0吋，主天线本轮发射扫描完成。扫描完成后，控制器将会根据存储区存储的关于“主天线”发射天线单元坐标编号与“从天线”接收天线单元的坐标编号初歩得到能进行通信的区域。由于激光光束存在束散角，主天线每个发射单元发出的HELL0_N(N = 0)分组可能被多个接收単元同时接收因此就存在了发射天线单元坐标编号和接收天线単元坐标编号不唯一对应的现象，控制器将采用筛选最优对应关系的方式得到光功率最大的映射关系，例如，对于“主天线”系统坐标为(民，ち)的发射天线单元发送的HELL0_N(N = 0)分組，同时有“从天线”系统天线坐标为 (ea,(pb\iea+”(pb\(Pa,(pb+l), 、ぬ>Ρφα+ιΜ)>。三个接收天线单元接收光信号功率能被其各自的光电ニ极管感知，则此时选择三个接收光功率中最強的接收天线坐标(も，％)作为与(民，ち)通信的最佳映射。并且，可以证明，由于无论是主天线系统还是从天线系统，其每个天线单元的发射透镜和接收透镜同心共轴，因此，“从天线”系统的(も，％)坐标对应的发射天线一定也可以被主天线的(氏，ち)坐标对应的接收天线正确接收，并且接收光功率最大。经过筛选，控制器得到与“主天线”系统发射/接收单元与“从天线”系统发射接收单元以坐标形式一一对应的通信最佳映射集合，即我们得到了“主天线”系统和“从天线”系统在可以以光束宽度为ι的光信号进行通信的区域，同时得到了“主天线”系统和“从天线” 系统各通信天线单元的对应关系。然而从上述映射中选取任意一对对应天线单元进行通信无法保证通信质量。若大气杂散光的光功率接近或大于灵敏度pt，或通信光功率接近光电ニ极管的饱和光功率ps， 都会导致误码率上升造成通信质量的下降；另外ー种情况是，由于光束宽度为1，只有ー对天线单元进行发送和接收，由于光线的直线传播特性，一旦“主” “从”两个天线系统有轻微的相对移动，通信就很有可能中断。为了解决可能存在的误码率过高和通信易中断的问题，拟通过重复的扫描对准过程，在满足一定通信功率的前提下尽可能増加通信时光束的宽度，即利用尽可能多的发射天线、接收天线进行通信。上文提到了功率Pmin为满足误码率条件的最小光功率，功率Pmax为满足误码率条件的最大光功率，即当接收光信号在[Pmin，PmaJ范围内吋，通信误码率
BER <\0-6,な和なx的值可以由实验进行測定。另外，若所有映射真共η対)
所对应的接收功率分别为Pln,则我们定义平均功率为？ = L。控制
器对所有通信映射所对应的光功率进行判断，如果存在光功率大于Pmax的映射，则表明通信光功率过大，应增加光束宽度，使激光功率分散发送，既保证了误码率又减少了通信断开的概率，此时控制器向“从天线”系统的发送端发送bl控制消息，发送端向“主天线”系统扫描发送REPLY_N_ENLARGE消息进行回复，告知“主天线”系统需要増大光束宽度；若η个光功率值均小于等于Pmax，但平均功率;^在[Pt，Pfflin)区间内，则表明多数接收功率小于能保证正确接收的功率Pmin，通信光功率过小，应减小光束宽度，此时控制器向从天线的发送端发送 b2控制消息，发送端向主天线扫描发送REPLY_N_CONTRACT消息进行回复，告知主天线系统需要减小光束宽度；若η个光功率值均小于等于Pmax，且平均功率;^在[Pmin，Pmax)区间内，则表明多数接收功率满足正确接收的条件，可以以当前光束宽度进行通信，控制其向从天线的发送端发送b3控制消息，发送端向“主天线”系统扫描发送REPLY_N_COMMUNICATE消息， 此时表明通信正式建立。光束的扫描发送方式与“主天线”扫描发送的方式相同，只是扫描的范围变为所有映射中“从天线”系统坐标对应的天线单元。对准过程主天线系统此时等待从天线系统发送的回复消息，定时监测每个接收天线接收的光功率。在一个周期内，如果存在某个区域接收功率大于通信最低门限Pt则记录该接收单元编号及对应光功率，并开辟存储区进行存储。然后控制器提取“从天线”系统扫描法发送的 REPLY_N_ENLARGE，REPLY_N_CONTRACT 或者 REPLY_N_COMMUNICATE 消息，并提取消息中的扫描剩余时间域的值，如果扫描剩余时间为0，则接收端对“从天线”扫描发射的回复信息接收完成。此时“主天线”系统控制器通过读取接收到的REPLY_N_ENLARGE，REPLY_N_CONTRACT 或者REPLY_N_COMMUNICATE消息就能够得到“主天线”发送/接收单元与“从天线”发送/接收单元的映射。如果在一轮扫描过程中，主天线接收到“REPLY_N_ENLARGE”，则控制器发送al控制信号给本地发送端，发射天线在发射新的HELL0_N之前，将N的值加1，根据确定的发送/接收区域进行扫描发射HELL0_N分组消息。扫描发射的方式与“从天线”扫描发射回复消息的方式相同；如果主天线接收到“REPLY_N_CONTRACT”，则控制器发送a2控制信号给本地发送端，发射天线在发射新的HELL0_N之前，将N的值减1，根据确定的发送/接收区域进行扫描发射HELL0_N分组消息；如果“主天线”系统接收到REPLY_N_COMMUNICATE，则控制器筛选出映射中光强最大的单元作为通信单元，并将控制消息a3发送至发送端，“主天线”开始发送用户请求的消息内容，与“从天线”开始通信。“从天线”接收天线接收到“主天线”新一轮扫描发送的HELL0_N消息后，收到的每个HELL0_N消息中最大的2N天线单元个作为新的与“主天线”同时发送的天线的映射，扫描完成后生成新的映射集合，并继续判断光功率强度，发送对应消息给“主天线”系统。“对准”过程不断执行，在外观上看到就是光束的宽度在进行变化，并不断进行扫描，直至“主天线”以光束宽度指数为Nx进行扫描发射时，对“从天线”系统中得到的所有映射对应接收的光功率，P < Pmax，且；^在[Pt，Pmin)范围内，此时“从天线”的控制器发送b3控制消息使发送端发送REPLY_N_COMMUNICATE消息，接收端开始以光束宽度指数为Nx的激光束向发送端发送用户消息。发送端接收到REPLY_N_COMMUNICATE消息后，发送a3控制消息给发送端，“主天线”的发送端开始以光束宽度指数为Nx的激光向“从天线”发送用户信息。此时，双向通信建立。跟踪过程当通信过程建立后，跟踪机制开始发挥作用。在跟踪过程中，主天线系统和从天线系统的跟踪算法完全相同，每个天线系统均通过判断其正在通信的2N个接收天线单元的功率P，质心的位移，平均光功率；^来实现对天线的跟踪。控制器会定时对整个通信区域区域里每个天线接收的功率强度做记录，并根据其坐标编号对整个通信区域的区域的质心进行计算。质心的计算方法为对于r个通信接收天线，其天线单元中心坐标分别为(^,^),/ = 1,2,...,Λ，接收平均功率功率分别为Pi, i = 1，2，. . .，k，则其质心坐标运, )为
权利要求
1.ー种光学天线，其特征在于所述光学天线是多个激光发射天线和多个接收天线均勻排列的阵列结构，所述阵列结构设置在弧面(半球面或球面)上，所述每个激光发射天线包含发射多模光纤与发射微透镜；接收天线包含接收多模光纤与接收微透镜；所述发射微透镜分别位于ー个接收微透镜的中心。
2.一种基于如权利要求1所述的光学天线的光发射天线系统，其特征在于所述系统包括依次连接的光发射机、光发射交換矩阵、光发射/接收天线阵列、光接收机；所述控制器分別与光发射机、光发射交換矩阵以及光接收机连接。
3.根据权利要求2所述的光学天线的光发射天线系统，其特征在于所述光发射机包括LD激光器、调制器、数据接ロ、缓存区、消息产生模块和掺铒光纤放大器；所述数据接ロ、 缓存区以及消息产生模块依次连接，所述消息产生模块与控制器连接；所述LD激光器、调制器以及掺铒光纤放大器依次连接，所述调制器与消息产生模块连接，所述掺铒光纤放大器与光发射交換矩阵连接。
4.根据权利要求3所述的光学天线的光发射天线系统，其特征在于所述光交換矩阵包括与光发射机连接的输入端以及切換发送激光信号的输出单元，光交換矩阵包括多个光交換节点，每个光交換节点由微腔谐振器組成，该谐振器包含4个输入\输出端，任意ー个输入\输出端输入\输出激光信号，与光发射机连接的输入端通过光交換节点的交換，通过程序的控制将其输出到指定的ー个或多个输出端。
5.根据权利要求4所述的光学天线的光发射天线系统，其特征在于所述光接收机包括光电ニ极管阵列，电流放大器，缓存区和用户接ロ ；所述光电ニ极管阵列与光发射/接收天线连接；所述每个光电ニ极管表面周围有ー个光功率感应探头。
6.根据权利要求5所述的光学天线的光发射天线系统，其特征在于所述控制器包括定时器、光功率检测模块、消息处理模块、发射控制模块和运算逻辑単元；光功率检测模块与运算逻辑单元连接，所述运算逻辑单元与消息处理模块连接，所述消息处理模块、运算逻辑单元分別与发射控制模块连接。
7.一种光发射天线系统的波束控制方法，其特征在干所述方法包括以下步骤.1)主天线通过系统发射天线进行发射；具体步骤是.1.1)用户请求通过天线系统与从天线端用户进行通信；.1.2)设置光束宽度指数N为0;.1. 3)天线扫描模块发送HELL0_N分组，进行ー轮天线扫描，得到能进行通信的区域；.1.4)扫描完成后判断是否接收到控制消息al或a2，如果是，进行步骤1.5)；若否，则进行步骤1. 7)；.1. 5)根据接收到的控制消息进行选择如果收到al，则将N的值加1 ；如果收到a2，则将N的值减1 ；.1.6)判断N的值是否在
区间(2"为天线单元的总个数)；如果是，则返回步骤 1.3)，若否，通信结束。.1. 7)判断是否接收到控制消息a3，如果是，则执行步骤1. 9)，否则，执行步骤1. 8)；.1.8)判断计时器是否超吋，如果是，则执行步骤1.10)；否则，返回步骤1.4)；.1. 9)通信建立，进入跟踪模式；.1. 10)执行发送端跟踪模块，根据通信光束的光功率以及质心位置的改变来改变光束的宽度和位置，通信断开或检测超时后通信终止。2)从天线通过系统接收天线进行捕获、对准以及跟踪过程；具体步骤是 2. 1)系统启动，准备进入“捕获”、“对准”和“跟踪过程”；2. 2)判断是否存在接收天线感光，即在ー个时钟周期内，是否存在接收天线単元光电 ニ极管表面光功率大于Pt。如果是，则执行步骤2. 4)，否则执行步骤2. 3)； 2.3)判断计时器是否超吋，如果是，则通信终止，否则，返回步骤2. 2)； 2. 4)执行接收天线捕获模块，对接收的光信号的消息进行检測，并存储与控制器中；2.5)控制器确定初歩通信区域以及从天线收发天线单元坐标与主天线收发天线坐标的映射关系；2. 6)对于所有映射对应的光功率，判断是否存在光功率大于Pmax，如果是，则执行步骤 2. 7)，否则执行步骤2. 8)；2.7)控制器发送本地控制消息bl，返回步骤2.2)；2.8)判断是否所有映射所对应的功率的平均值在[Pt，Pfflin)范围内，如果是，执行步骤2.9)，否则执行步骤2. 10)；2.9)控制器向本地发送控制消息は，返回步骤2.2)；2. 10)控制器筛选映射中光功率最大的作为最终进行通信的映射，发送本地控制消息 b3告知本地发送端；2.11)通信已经建立，在接收功率最大的映射对应接收单元接收主天线发送的用户消息，执行接收端跟踪模块，根据每个时钟周期内光功率的改变以及质心位置的改变来调节光束大小和位置，直至天线之间无法建立连接；3)从天线通过系统发射天线进行捕获、对准以及跟踪过程； 具体步骤是3.1)系统启动，准备进入“捕荻”、“对准”和“跟踪过程”；3. 2)判断是否受到本地控制器发送的控制消息bl或は，如果是，则执行步骤3. 3)，否则执行步骤3. 5)；3. 3)将天线模式设置为从模式；3. 4)根据收到的消息类型进行选择，如果收到bl，则天线扫描模块以原光束大小扫描发送REPLY_NNENLARGE消息给对应主天线的接收天线単元，告知主天线需要増大光束宽度；如果收到b2，则天线扫描模块以原光束大小扫描发送REPLY_N_CONTRACT消息给对应主天线的接收天线単元，告知主天线需要减小光束宽度，选择完成后返回步骤3. 2)；3. 5)判断是否受到本地发送控制消息b3，如果是，则执行步骤3. 7)，否则执行步骤3.6)；3.6)判断计时器是否超吋，如果是，则通信终止，否则，返回步骤3.2)；3. 7)天线根据b3中的天线坐标发送REPLY_N_COMMUNICATE消息至主天线接收端，告知主天线可以进行通信以及通信的具体光束大小和位置；3. 8)连接建立，可以发送从天线端用户信息给主天线端用户； 3. 9)执行发送端跟踪模块，根据通信光束的光功率以及质心位置的改变来改变光束的宽度和位置，通信断开或检测超时后通信终止；4)主天线通过系统接收天线进行捕获、对准以及跟踪过程；具体步骤是.4. 1)系统启动，准备进入“捕获”、“对准”和“跟踪过程”；.4. 2)判断是否存在接收天线感光，即在ー个时钟周期内，是否存在接收天线単元光电 ニ极管表面光功率大于Pt。如果是，则执行步骤4. 4)，否则执行步骤4. 3)； 4.3)判断计时器是否超吋，如果是，则通信终止，否则，返回步骤4. 2)； 4. 4)执行接收天线捕获模块，对接收的光信号的消息进行检測，并存储与控制器中； 4. 5)控制器通过读取消息内容确定感光区域以及映射关系；.4. 6)判断接收到的消息是否是REPLY_N_ENLARGE或REPLY_N_CONTRACT，如ロ果是，则执行步骤4. 7)，否则执行步骤4. 8)；.4. 7)根据收到的消息类型进行选择，如果接收到REPLY_N_ENLARGE，则向本地发送端发送控制消息al，告知发送端需要増大光束宽度，同时告知其扫描的范围；如果接收到 REPLY_N_CONTRACT，则向本地发送端发送控制消息a2，告知发送端需要减小光束宽度，同时告知其扫描范围；.4. 8)判断接收到的消息是否是REPLY_N_COMMUNICATE，如果是，则执行步骤4. 9)，否则返回步骤4. 3)；.4. 9)控制器向本地发送端发送控制消息a3，告知其可以进行通信，同时告知其进行通信的光束宽度和具体光単元的位置；.4. 10)连接建立，接收从天线发出的用户信息；.4. 11)执行接收端跟踪模块，根据每个时钟周期内光功率的改变以及质心位置的改变来调节光束大小和位置，直至通信断开，无法继续连接后通信终止。
8.根据权利要求7所述的光发射天线系统的波束控制方法，其特征在于所述发送端捕获过程的具体工作步骤是.1.1.1)生成发射范围矩阵，根据本地控制器发来的控制消息，可以得到需要发送消息的内容，进行扫描的天线具体坐标以及光束宽度；. 1. 1. 2)闭合矩阵紧邻左上方边界的的2N个相邻天线，组成一个宽度指数为N的光束， 发射指定分组消息，发射的分组可以为HELL0_N分组，REPLY_N_ENLARGE分组或REPLY_N_ CONTRACT 分组；.1.1.3)判断发射出所在行是否扫描完成。如果完成，则执行步骤1.1. 5)，否则执行步骤 1. 1. 4)；.1. 1.4)闭合原闭合光开关横坐标加1的光开关，对于重合的光开关继续保持原状，新増加的光开关进行闭合，不需要通信的区域光开关断开，完成后返回步骤ι. 1. 3)；.1. 1.5)判断发射处所在列是否扫描完成，如果是，则ー轮特定区域内的扫描完成，否则执行步骤1. 1. 6)；.1. 1.6)闭合原闭合光开关纵坐标加1的光开关，对于重合的光开关继续保持原状他新増加的光开关进行闭合，不需要通信的区域光开关断开，完成后返回步骤.1. 1.3)。
9.根据权利要求8所述的光发射天线系统的波束控制方法，其特征在于所述接收端捕获过程的具体工作步骤是.1. 2. 1)记录感光天线的编号以及天线接收的光功率；.1. 2. 2)判断是否接收到HELLO N分组或REPLY N ENLARGE分组或REPLY N CONTRACT分组或REPLY_N_COMMUNICATE分组，如果收到其中任意ー个分组，则执行步骤1. 2. 3)，否则执行步骤1. 2. 4)；.1.2. 3)根据接收到的消息类型进行选择，如果接收到了 HELL0_N分組，则将分组存入存储区，并进入从天线模式，此后执行主天线接收部分的算法；如果接收到了 REPLY_N_ ENLARGE 或 REPLY_N_CONTRACT 或 REPLY_N_COMMUNICATE 消息，则将消息存入存储区，进入主天线模式，此后执行从天线接收部分的算法，完成后执行步骤1. 2. 4)；.I.2.4)判断扫描剩余时间是否为0，如果是，则接收端捕获完成，否则返回步骤 1. 2. 1)。
10.根据权利要求9所述的光发射天线系统的波束控制方法，其特征在于所述发送端跟踪过程的具体步骤是.2.1. 1)判断用户是否请求中断连接或N已经不在
范围内，如果是，则执行步骤 2. 1.3)，否则执行步骤2. 1.2)；.2. 1. 2)根据收到控制消息类型进行选择，如果收到Cl，则N加1，増大光束宽度1个指数级，同时以r为单位向质心改变方向平移发射光束；如果收到C2，则N减1，减小光束宽度 1个指数级，并以r为单位向质心改变方向平移发射光束；如果收到C3，则以r为单位向质心改变方向平移发射光束；如果收到C4，则N加1，増大光束宽度ー个指数级；如果收到C5， 则N减1，减小光束宽度1个指数级；如果收到C6，则光束大小和位置保持不变；返回步骤 2. 1. 1)；.2. 1. 3)发送端跟踪模块跟踪完成；
11.根据权利要求10所述的光发射天线系统的波束控制方法，其特征在于所述接收端跟踪过程的具体步骤是.2. 2. 1)接收光信号并解调、传输信息至本地用户；.2. 2. 2)判断通信区域是否能感光，如果是，则执行步骤2. 2. 4)，否则执行步骤2. 2. 3)；.2. 2. 3)判断计时器是否超吋，如果是，则接收端跟踪模块跟踪完成，否则返回步骤 2. 2. 2)；.2. 2. 4)定时检测每个进行通信的天线单元的光功率強度和接收区域的质心位置，并计算平均光功率云；.2. 2. 5)判断质心位置的改变量Vr是否大于等于相邻两个天线单元中心的半径的一半 r/2,如果是，则执行步骤2. 2. 6)，否则执行步骤2. 2. 12)；.2. 2. 6)将通信区域向质心改变方向平移，平移的距离以r为单位，平移方向为质心改变的方向；.2. 2. 7)判断当前进行接收的区域是否存在光电ニ极管表面功率大于Pmax，如果是，则执行步骤2. 2. 8)，否则执行步骤2. 2. 9)；.2. 2. 8)控制器向本地发送端发送控制消息Cl，告知发送端扩大光束的宽度，并改变发送光束的位置，返回步骤2. 2. 2)；.2. 2.9)判断当前接收区域的平均光功率フ是否在[Pt，Pmin]范围内，如果是，则执行步骤2. 2. 10)，否则执行步骤2. 2. 11)；.2. 2. 10)控制器向发送端发送控制消息C2，告知发送端减小发送光束ー个指数级，并改变发送光束位置，返回步骤2. 2. 2)；.2. 2. 11)控制器发送控制消息C3，告知发送端改变发送光束位置；返回步骤2. 2. 2)； 2. 2. 12)判断当前区域的是否存在光电ニ极管表面功率大于Pmax，如果是，则执行步骤 2.2. 13)，否则执行步骤2. 2. 14)；.2. 2. 13)发送控制消息C4，告知本地发送増大光束宽度ー个指数级；返回步骤 2. 2. 2)；.2.2. 14)判断当前接收区域的平均光功率云是否在[Pt，Pfflin]范围内，如果是，则执行步骤2. 2. 15)，否则执行步骤2. 2. 16)；.2. 2. 15)发送控制消息C5，告知本地发送端减小光束宽度ー个指数级；返回步骤 2. 2. 2)；.2. 2. 16)发送控制消息C6，告知本地发送端不采取任何行动，保持原通信状态。返回步骤2.2.2)。
全文摘要
本发明提出了一种光发射天线系统及其波束控制方法，光学天线是多个激光发射天线和多个接收天线均匀排列的阵列结构，阵列结构设置在弧面(半球面或球面)上，每个激光发射天线包含发射多模光纤与发射微透镜；接收天线包含接收多模光纤与接收微透镜；发射微透镜分别位于一个接收微透镜的中心。本发明的更好的光发射天线系统及其波束控制方法实现近地大气激光系统移动中通信，减少对复杂的APT系统的依赖，提高通信的可靠性。
文档编号G02B6/42GK102571204SQ20111041048
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者刘增基, 岳鹏, 易湘, 王宇, 王拓, 鞠茂光, 顾华玺, 黎倩男 申请人:西安电子科技大学