专利名称：移动物体间高速空间激光通信接收装置及激光通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光通信领域，尤其涉及移动物体间高速空间激光通信接收装置及激光通信系统。
背景技术：
空间激光通信的基本原理是以激光束为载体，通过在激光束上调制模拟信号或者数字信号来实现空间信息传递。现有高速空间激光通信技术一般应用于固定物体间的数据通信。其基本激光通信系统结构如图1所示例，其包括激光发射装置和与之对应的激光接收装置，激光发射装置将调制好的激光信号发送到激光接收装置。
如图2所示，是现有技术中激光接收装置的示意图，从图2中可见，该激光接收装置包括激光接收单元和信号放大模块，其中能够完成高速激光通信的高速光至电转换激光接收单元，采用各种光敏材料制作的光电转换器件形成，一般采用半导体光敏二极管或者光敏三极管组成。他们共同的缺点是感光面积非常小，一般在几个平方毫米以内。感光面积稍微大一些的是硅光电池器件，面积可到几个平方厘米，但是也比较小，并且其光至电转换速度与半导体光敏二、三极管相比较低。
在物体间的空间激光通信中，由于激光的方向性很强，因此首先要保证激光发射装置发射的激光束必须准确对正激光接收装置的感光部分。在固定(非移动)物体间完成这项操作是比较容易做到的。但是在移动物体间，由于激光接收装置的感光面积很小，做到准确对正很难，甚至是几乎不可能的事情了。
发明内容
本发明的目的就是提供一种移动物体间高速空间激光通信接收装置及激光通信系统，以降低激光发射装置与激光接收装置的对准难度，同时还要保证激光通信的高速率。
为此本发明采用如下技术方案一种移动物体间高速空间激光通信接收装置，包括激光接收单元和信号放大单元，所述的激光接收单元接收激光信号并将其转换为电信号，经信号放大单元放大后输出，其特征在于所述的激光接收单元，为感光单元构成的阵列。
所述的感光单元构成的阵列，可以为感光单元规则排列构成，也可以由感光单元非规则排列构成。
所述的感光单元构成的阵列，为矩形阵列、同心圆形阵列、交错形阵列、矩阵形阵列或者其它离散形阵列。
所述的感光单元，可以是下述器件之一或者组合光敏二极管、光敏三极管、硅光电池。
所述的阵列，为硅光电池组合成的电压型阵列，所述的硅光电池异极相连。
所述的阵列，为光敏二极管组合成的电流型阵列，所述的光敏二极管同极相连。
所述的装置，还包括带通滤波电路，与信号放大电路相连，以滤除激光信号中的背光信号，并将滤除背光信号后的激光信号发送给放大电路。
一种移动物体间高速空间激光通信系统，包括产生并发射激光信号的激光发射装置，以及激光接收装置，所述的激光接收装置包括激光接收单元和信号放大单元，所述的激光接收单元接收激光发射装置发送的激光信号并将其转换为电信号，经信号放大单元放大后输出，其特征在于所述的激光接收单元，为感光单元构成的阵列。
所述激光接收装置的感光单元构成的阵列，可以为感光单元规则排列构成，也可以由感光单元非规则排列构成。
所述的激光接收装置的感光单元构成的阵列，为矩形阵列、同心圆形阵列、交错形阵列、矩阵形阵列或者其它离散形阵列。
所述的激光接收装置的感光单元，可以是下述器件之一或者组合光敏二极管、光敏三极管、硅光电池。
采用本发明的激光接收装置，由于激光接收面积通过感光单元阵列的扩展，可以做到很大，因此可以很方便的解决两个移动物体间激光通信的“对准”难题。
由于激光接收装置采用半导体光敏二极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)或者半导体光敏三极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)，因此与其他光至电光敏材料或者器件(如硅光电池)相比，具有更高的通信速率。
由于激光接收装置采用半导体光敏二极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)或者半导体光敏三极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)，因此与其他光至电光敏材料或者器件(如硅光电池)相比，具有更低的造价和成本。
图1为现有技术中移动物体间的激光通信系统的示意图；图2为现有技术中，采用非阵列式感光的激光通信接收装置的示意图；图3为本发明移动物体间高速空间激光数字通信系统的系统示意图；图4为本发明移动物体间高速空间激光通信接收装置的结构示意图；图5为本发明移动物体间高速空间激光通信接收装置中，激光接收单元的感光单元构成阵列示意图之一；图6为本发明移动物体间高速空间激光通信接收装置中，激光接收单元的感光单元构成阵列示意图之二；图7为本发明移动物体间高速空间激光通信接收装置中，激光接收单元的感光单元构成阵列示意图之三；
图8为本发明移动物体间高速空间激光通信接收装置中，激光接收单元的感光单元构成阵列示意图之四；图9为本发明移动物体间高速空间激光通信接收装置中，电流型激光接收单元之间的并联连接方式示意图；图10为本发明移动物体间高速空间激光通信接收装置中，电压型激光接收单元之间串连连接方式示意图；图11为本发明移动物体间高速空间激光通信接收装置中，光敏二极管和光敏三极管之间的等效替换示意图。
具体实施例方式
下面结合说明书附图来说明本发明的具体实施方式
。
如图3所示，是本发明的激光通信系统的机构示意图，从图中可见本发明的激光通信系统包括激光发射装置和激光接收装置，该激光发射装置可以采用常规的技术方案。本发明对激光接收装置作了一系列的改进，由此可以降低激光发射装置与激光接收装置的对准难度，同时保证了激光通信的高速率。
如图4所示，是本发明的激光接收装置的结构示意图，从图4中可见，本发明的激光接收装置由激光接收单元和信号放大单元组成。其中，信号放大单元由带通滤波电路和信号放大电路组成。
在传统的激光接收装置中，该激光接收单元由普通的感光单元构成，利用感光单元的光敏特性，接收激光信号，由于感光单元的感光面积有限，直接导致接收激光信号的效果不佳，本发明的激光接收单元，由感光单元组合的阵列构成，这样可以充分利用感光单元的阵列结构来充分扩充感光面积，大大提高系统的性能。
本发明激光接收装置中采用的激光接收单元，是感光单元构成的阵列，经过感光单元的并、串联连接所形成激光接收单元。
本发明的激光接收单元中，对感光单元的阵列部署可以是规则的也可以是不规则的。规则的部署可以有多种方式，如图5所示，可以是矩阵方式，或者如图6所示，可以是同心圆方式，或者如图7所示，是交错方式，或任何其他规则部署方式，在此不一一列举。不规则部署是随机的离散形的部署方式，如图8所示。
在图5--图8所示的感光单元部署方式的示意图中，感光单元的部署数量仅为部署形式的示意，在实际应用中，各个方向部署的感光单元的数量可多可少，取决于应用对整体感光面积需要，也取决于对部署密度的需要，如果激光光斑较小，相对部署密度要求就较大，感光单元的数量要求自然要增加。
本发明激光接收装置所采用的感光单元，可以是半导体光敏二极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)或者半导体光敏三极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)或者硅光电池等。不同的感光单元具有不同的特性，具体选择哪一种可以根据激光通信需要而定。
图9和图10是本发明感光单元构成阵列时，所采用的具体连接方式，图9和图10中，标有正负极性的圆形图标表示感光单元。
通常来讲感光单元分为电压型和电流型两种，在实际应用中，电压型感光单元一般采用硅光电池元件，而电流型感光单元一般采用光敏二极管或者三极管做为感光单元。
对于电压型感光单元组成的激光接收单元，其接收阵列采用串联方式组合，如图9所示。如果采用硅光电池做为激光接收单元，一个硅光电池的正极与另一个硅光电池的负极相连，依次类推，异极相连构成串连接收阵列。采用硅光电池构成的感光阵列，其响应频率较低，仅适用于低速信号传送的应用。
对于电流型感光单元构成的激光接收单元，其接收阵列采用并联方式组合，如图10所示。需要说明的是，在图10的感光单元的正极(+)可以对应光敏二极管的阳极，也可以对应阴极；相对应的，接收单元的负极(-)可以对应光敏二极管的阴极，也可以对应阳极，可以依据不同的应用要求而定。总之，同极性端需要连接在一起作为接收阵列的一个输出端。光敏二极管具有较高的频率响应特性，适合于对信号传输速率要求较高的应用环境，其脉冲信号频率依据光敏二极管的频响特性设定，最高可达几十MHz。
对于光敏三极管，可以按照图11所示，在感光单元的连接方式上，将其等效为光敏二极管来连接。采用光敏三极管所构成的阵列，其光至电转换灵敏度要比光敏二极管高2到3个数量级；但其响应频率要比光敏二极管低2到3个数量级，适用于对接收灵敏度要求较高但信号传输速率要求不高的应用，其脉冲信号频率依据光敏三极管的频响特性设定，最高可达几百KHz。
在激光接收单元所接收的光信号中，除了激光发射单元发射的光信号外，还有系统外自然界发出的各种杂散光信号。在这里，我们通称这类杂散光为背景光，简称“背光”。激光接收单元输出给信号放大模块的电信号是上述两类光信号经光电转换后的结果。它包括了脉冲激光信号所产生的电脉冲信号和背光所产生的背光信号分量。
带通滤波电路的作用是将脉冲激光信号经光至电转换所产生的电脉冲信号从激光接收阵列所产生的混合电信号中分离出来，滤除背光所产生的电信号分量。
信号放大电路的主要作用是对经带通滤波电路提取的微弱激光电脉冲信号进行信号幅度放大和脉冲波形整形，并提供必要的功率增益。
本发明的激光通信系统和激光接收装置，适合应用于短距离(几百米半径以内)的移动物体间的空间数据通信解决方案。
采用该空间激光通信系统和激光接收装置，由于激光接收面积通过光敏器件阵列的扩展，可以做到很大。因此可以很方便的解决两个移动物体间激光通信的“对准”难题。
由于激光接收装置采用半导体光敏二极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)或者半导体光敏三极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)，因此与其他光至电光敏材料或者器件(如硅光电池)相比，具有更高的通信速率。
由于激光接收装置采用半导体光敏二极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)或者半导体光敏三极管器件(或者该器件中的核心光至电转换部分)，因此与其他光至电光敏材料或者器件(如硅光电池)相比，具有更低的造价和成本。
现有技术中的激光接收装置，由于其感光面积较小，通常在激光光斑覆盖范围之内，因此其激光和背光的感光面积是基本相同的；又由于在单位感光面积中，自然界空间通常的背光信号能量要远小于激光信号能量，因此光至电转换后的电信号是以激光信号分量为主，在信号放大模块进行信号放大时，对背光信号分量的考虑不很重要，有时甚至可以忽略。然而，在激光接收装置采用感光阵列时，由于感光阵列的面积远大于激光光斑的面积，而整个感光阵列的面积都是自然界空间背光信号的接收面积，因此对整个感光阵列来讲，其所接收的背光信号能量将接近或者超过激光信号能量，因此光至电转换后的电信号是激光信号分量和与其幅度接近甚至更大的背光信号分量的混合信号，在信号放大模块中，对信号放大之前，就必须采用必要的手段对背光信号分量进行有效的抑制。由于背光信号分量的频率要远低于或远高于激光信号的频段，因此可以采用常规的带通滤波技术对背光信号分量进行抑制，可以很大程度上简化信号放大模块的设计难度和降低激光接收装置的成本。
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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种移动物体间高速空间激光通信接收装置，包括激光接收单元和信号放大单元，所述的激光接收单元接收激光信号并将其转换为电信号，经信号放大单元放大后输出，其特征在于所述的激光接收单元，为感光单元构成的阵列。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的感光单元构成的阵列，可以为感光单元规则排列构成，也可以由感光单元非规则排列构成。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的感光单元构成的阵列，为矩形阵列、同心圆形阵列、交错形阵列、矩阵形阵列或者其它离散形阵列。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的感光单元，可以是下述器件之一或者组合光敏二极管、光敏三极管、硅光电池。
5.如权利要求1所述装置，其特征在于所述的阵列，为硅光电池组合成的电压型阵列，所述的硅光电池异极相连，构成串连阵列。
6.如权利要求1所述装置，其特征在于所述的阵列，为光敏二极管组合成的电流型阵列，所述的光敏二极管同极相连，构成并联阵列。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括带通滤波电路，与信号放大电路相连，以滤除激光信号中的背光信号，并将滤除背光信号后的激光信号发送给放大电路。
8.一种移动物体间高速空间激光通信系统，包括产生并发射激光信号的激光发射装置，以及接收激光信号的激光接收装置，所述的激光接收装置包括激光接收单元和信号放大单元，所述的激光接收单元接收激光发射装置发送的激光信号并将其转换为电信号，经信号放大单元放大后输出，其特征在于所述的激光接收单元，为感光单元构成的阵列。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述激光接收装置的感光单元构成的阵列，可以为感光单元规则排列构成，也可以由感光单元非规则排列构成。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的激光接收装置的感光单元构成的阵列，为矩形阵列、同心圆形阵列、交错形阵列、矩阵形阵列或者其它离散形阵列。
全文摘要
本发明公开了一种移动物体间高速空间激光通信接收装置及激光通信系统，该激光接收装置包括激光接收单元和信号放大单元，所述的激光接收单元接收激光信号并将其转换为电信号，经信号放大单元放大后输出，其特征在于所述的激光接收单元，为感光单元构成的阵列。采用本发明的激光接收装置，由于激光接收面积通过感光单元阵列的扩展，可以做到很大，因此可以很方便的解决两个移动物体间激光通信的“对准”难题。
文档编号H04B10/10GK1863009SQ200510069059
公开日2006年11月15日 申请日期2005年5月10日 优先权日2005年5月10日
发明者马克 申请人:马克