一种基于自由空间光通信的高斯光束跟踪方法

本发明涉及可见光定位技术领域，特别是一种基于自由空间光(fso)通信的高斯光束跟踪方法。

背景技术：

在过去的几十年中，通信速率不断提高，通信系统正在利用更高的频带覆盖毫米波，太赫兹波和光波。频率越高，信号束便越窄，从而带来越高的方向增益。然而，窄光束对跟踪速度和鲁棒性提出了更高的要求。

现有的fso跟踪系统大多利用电荷耦合器件、硅光伏板或自由旋转云台，这些跟踪方法没有考虑跟踪速度的限制，或没有考虑如何减少反馈链接的工作量。因此，已有的fso跟踪系统无法支持高移动性的节点，很难应用在对追踪速度有一定要求的设备上。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是现有fso跟踪系统跟踪速度慢，或反馈链接的工作量大的问题，提供了一种基于自由空间光(freespatialoptical)通信的高斯光束跟踪方法。该算法计算效率高，只需要线性方程组的解，这可以用低成本的信号处理单元来实现。同时减少了对反馈链路的需求，不依赖迭代过程。

本发明包括如下步骤：

步骤1：发射机发射激光，在接收平面上形成一个激光点。发射机平面和接收机平面之间的平面距离为d，接收机中心坐标为(ρr,θr)，激光点中心坐标为(ρl,θl)。发射机指向接收机所在平面的原点。当d很大时，使得ρlcosθl/d和ρlsinθl/d都足够小(小于0.01)时，偏转角可以近似为

步骤2：距发射机距离d的接收强度的空间分布为

pr是接收机测量的激光功率；a是常数，取决于传播距离d和发射功率pt；σ是距发射器单位距离处的激光强度的分布参数；σd是距离d处的激光强度的分布参数，即激光光斑直径随着d线性增加。

步骤3：把采样过程分成k个时间段，在第k个时间段里，发射机发射定向参数(ρl,kcosθl,k/d,ρl,ksinθl,k/d)的激光，接收机可以在k个时间段里获得k个样本：

其中δk～n(0,1)是加性高斯噪声。

将上式中第k和第k-1个式子相除，得出线性方程组：

其中是k时刻测得的光功率样本，是接收机的估计坐标。

步骤4：求解该线性方程组可以得出用户的相对坐标。

有益效果：本发明计算效率高，只需要线性方程组的解，这可以用低成本的信号处理单元来实现。同时减少了对反馈链路的需求，不依赖迭代过程。

附图说明

图1为发射机和接收机的示意图。

图2为时域方法的示意图。

图3为空域方法的示意图。

图4为在无噪声环境中使用本发明计算出的用户相对坐标与用户实际相对坐标的相对关系示意图。

图5为在噪声环境中使用该方案确定的用户相对坐标与用户实际相对坐标的相对关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示发射机发射激光，在接收平面上形成一个点。发射机平面和接收机平面之间的平面距离为d，接收机中心坐标为(ρr,θr)，点中心坐标为(ρl,θl)。发射机指向接收机所在平面的原点。当d很大时，偏转角可以近似为

与发射机距离为d的接收功率为

其中a是取决于距离d和发射功率pt的常数；σ是距发射机单位距离的激光强度的分布参数；σd是距离发射机d处的激光强度的分布参数。

如图2时域方法所示，在多个时刻调整发射机角度，假设有k个不同时刻的发射信号，在第k个时间段里，发射机发射角度为(ρl,kcosθl,k/d,ρl,ksinθl,k/d)的激光，接收机可以在k个时间段里获得k个样本：

其中δk～n(0,1)是加性高斯噪声。

将第k和k-1的上述式子相除，即线性方程组：

其中是k时刻测得的光功率样本，是接收机的估计坐标。

变换上式，可以得出：

其中

由线性代数知识可知

使用matlab软件求解即可以得出用户的相对坐标，即接收面上的用户位置。

为了减少时域方法的时间，还可以采用如附图3所示的空域方法，使用k个发射机同时发射具有不同波长的高斯光束，计算方法与时域方法相同。

下面结合具体实施案例来对我们的方案进行进一步的说明。

附图4展示了在无噪声环境中使用本发明计算出的用户相对坐标与用户实际相对坐标的相对关系，在该案例中，使用三组数据来对用户进行定位即k＝3且(ρl,kcosθl,k,ρl,ksinθl,k)，k＝1,2,3等间隔的分布在以为中心的单位圆上，附图4中的结果表明：在无噪声环境，本发明计算出的的用户相对坐标与用户实际相对坐标完全吻合，这意味着算法是无偏的。

附图5展示了在噪声环境中使用该方案确定的用户相对坐标与用户实际相对坐标的相对关系，在该案例中，向环境中引入加性噪声，并保持其他条件不变，附图5中的结果表明：即使噪声环境下，本发明计算出的用户相对坐标仍然能够与用户实际相对坐标相匹配，这意味着即使环境中存在一定的干扰因素，本发明仍然能够实现对用户的准确跟踪。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。