实现无线光收发端对准的方法及装置与流程

本发明涉及光通信应用技术领域，特别是涉及一种实现无线光收发端对准的方法及装置。

背景技术：

电磁波技术的发展，不仅为人们带来了无线通话、上网，还逐步实现了近距离无线充电等便利的实际应用，但相比于电磁波技术，无线光技术在通信带宽、传播距离与效率上具有更明显优势，因此近年来各种无线光应用成为人们竟相研究和追逐的目标。例如，目前无线光通信已在楼宇通信、卫星通信、军事通信等场合大显身手；无线光充电也在中远距离无线充电方面备受青睐。

然而对于无线光应用，光接收端和光发射端在视距范围内实现点对点对准是必要条件，但在实际应用场景中，作为在光发射端和光接收端之间传播的信号光的激光束，无论在大气中或者水下等自由空间中传播都会有比较严重的传输损耗(包括扩散、发散或者耗散)，因此为尽量保证光束集中，使光接收端更容易捕获、跟踪、瞄准光发射端发出的信号光，光发射端往往会将激光束的发散角控制在一个非常小的范围。

对于彼此相对静止的物体来说，可以事先由人工完成光接收端和光发射端的对准工作，然而对于相对运动的物体来说，如何实现窄束激光的捕获、跟踪、瞄准(acqusition,tracking,pointing,atp)就不那么容易，尤其对于高速运动的物体，收发端不仅要实现激光光束的捕获、跟踪、瞄准，而且要求尽可能快速地实现收发端之间激光光束的捕获、跟踪、瞄准，否则光发射端和光接收端之间的正常通信或者充电时间将被大大压缩，严重影响实际工作效率与质量。因此，需要可行的方法实现具有相对运动的无线光收发端之间的快速、精确对准。

现有技术中，实现具有相对运动的物体之间激光信号光的捕获、跟踪和瞄准，是采用“信标光+信号光”进行粗、细两级跟踪的方法实现。首先在初始阶段，光接收端对周围空间进行比较盲目的大范围扫描来捕获信标光，以粗跟踪光发射端发出的激光束；而后光接收端在激光束光斑范围内获得相对最大的信号光光强，实现精跟踪光发射端发出的激光束，从而实现收发端的对准。但是这种方法在初始阶段需要对周围空间进行比较盲目的大范围扫描来捕获信标光，这一过程非常耗时，导致无线光应用中光收发端完成点对点对准的整个过程在完成时间和效率上不太理想。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实现无线光收发端对准的方法及装置，与现有技术相比可减少无线光收发端实现对准所用时间，提高效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种实现无线光收发端对准的方法，包括：

根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪所述光发射端；

通过识别所述光发射端上设置的标识物，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪所述光发射端，所述第二距离级别范围小于所述第一距离级别范围；

由所述光接收端在第二距离级别范围内扫描，捕获所述光发射端发出的信号光，调整所述光接收端实现所述光接收端与所述光发射端发出的光束中心对准。

可选的，包括两个或者两个以上所述定位装置；

所述根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据包括：

根据各所述定位装置获取的所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据，通过对比和分析得到所述光发射端相对于所述光接收端最终的位置数据。

可选的，包括至少两个所述定位装置；

在其中一个所述定位装置出现故障时，由另外一个所述定位装置获取所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据。

可选的，所述定位装置包括卫星定位系统、雷达或者测速仪。

可选的，所述卫星定位系统包括全球卫星导航系统或者北斗卫星导航系统。

可选的，所述光发射端上设置的标识物包括在拍摄的可见光图像中显示明显的标识物；

所述通过识别所述光发射端上设置的标识物，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪所述光发射端包括：

拍摄所述光发射端的可见光图像，从拍摄的图像中识别所述标识物并计算所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据，根据该位置数据调整所述光接收端，以跟踪所述光发射端。

可选的，所述光发射端上设置的标识物包括热源；

所述通过识别所述光发射端上设置的标识物，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪所述光发射端包括：

采集所述光发射端的红外图像，从拍摄的红外图像中识别所述热源并计算所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据，根据该位置数据调整所述光接收端，以跟踪所述光发射端。

可选的，还包括：根据拍摄的图像对标识物进行机器学习，结合学习结果，根据实时拍摄的图像计算所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据。

可选的，还包括：所述光接收端通过无线通信的方式告知所述光发射端自身捕捉到的信号光的状况，所述光发射端根据所述光接收端捕获到的信号光的状况，确定是否继续发出信号光。

一种实现无线光收发端对准的装置，包括：

第一跟踪模块，用于根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪所述光发射端；

第二跟踪模块，用于通过识别所述光发射端上设置的标识物，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪所述光发射端，所述第二距离级别范围小于所述第一距离级别范围；

第三跟踪模块，用于由所述光接收端在第二距离级别范围内扫描，捕获所述光发射端发出的信号光，调整所述光接收端实现所述光接收端与所述光发射端发出的光束中心对准。

由上述技术方案可知，本发明所提供的实现无线光收发端对准的方法及装置，首先根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据，调整光接收端，以自身与光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪光发射端，实现光接收端粗跟踪光发射端；然后通过识别光发射端上设置的标识物，调整光接收端以自身与光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪光发射端，其中第二距离级别范围小于第一距离级别范围，实现了光接收端较为精确地跟踪光发射端；最后由光接收端在第二距离级别范围内扫描，捕获光发射端发出的信号光，调整光接收端实现光接收端与光发射端发出的光束中心对准，从而实现光接收端与光发射端发出激光束的精确对准。

本发明实现无线光收发端对准的方法及装置，光接收端在捕获及瞄准光接收端发出的信号光之前，先通过定位及调整使光接收端在第一距离级别范围内粗跟踪光发射端，再进一步通过识别发射端上设置的标识物，在第二距离级别范围内跟踪光发射端，这样与现有技术相比，避免了光接收端首先需要在较大的空间范围内盲目扫描来捕获信号光会消耗大量时间，因此可减少无线光收发端实现对准所用时间，提高效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种实现无线光收发端对准的方法流程图；

图2为应用场景中光发射端与光接收端的示意图；

图3为本发明实施例中在光发射端设置标识物的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种实现无线光收发端对准的装置示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例提供的一种实现无线光收发端对准的方法，包括步骤：

s10：根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪所述光发射端。

首先说明的是，光发射端是指无线光应用中向外发出激光信号光的设备，光接收端是指无线光应用中接收激光信号光的设备。

本方法中，在对光接收端与光发射端实现点对点对准的初始阶段，由定位装置获取光发射端相对于光接收端的位置数据，动态调整光接收端，使光接收端跟踪光发射端，光接收端与光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内，实现粗跟踪光发射端。

其中需说明的是，光接收端以自身与光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪光发射端，是指在光接收端跟踪光发射端过程中，光接收端与光发射端发出的光束中心的偏移距离在第一距离级别范围内。

s11：通过识别所述光发射端上设置的标识物，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪所述光发射端，所述第二距离级别范围小于所述第一距离级别范围。

在光发射端上设置有标识物，本步骤中，通过识别光发射端上设置的标识物，获得光发射端相对于光接收端的位置信息，根据相对位置信息来动态调整光接收端，使光接收端以与光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪光发射端，实现光接收端对光发射端进一步较为精确的跟踪。

其中要说明的是，光接收端以自身与光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪光发射端，是指在光接收端跟踪光发射端过程中，光接收端与光发射端发出的光束中心的偏移距离在第二距离级别范围内。

s12：由所述光接收端在第二距离级别范围内扫描，捕获所述光发射端发出的信号光，调整所述光接收端实现所述光接收端与所述光发射端发出的光束中心对准。

经过上一步骤实现了光接收端与光发射端较为精确的对准，本步骤中，由光接收端朝向跟踪目标即光发射端扫描，捕获光发射端发出的信号光，并动态调整光接收端，实现光接收端与光发射端发出的光束中心对准，从而实现光接收端与光发射端发出激光束的精确对准。

本实施例实现无线光收发端对准的方法，光接收端在捕获及瞄准光接收端发出的信号光之前，先通过定位及调整使光接收端在第一距离级别范围内粗跟踪光发射端，再进一步通过识别发射端上设置的标识物，在第二距离级别范围内跟踪光发射端，这样与现有技术相比，避免了光接收端首先需要在较大的空间范围内盲目扫描来捕获信号光会消耗大量时间，因此可减少无线光收发端实现对准所用时间，提高效率。

下面结合具体实施方式对本实施例实现无线光收发端对准的方法进行详细说明。

本实施例实现无线光收发端对准的方法，包括步骤：

s10：根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪所述光发射端。

请参考图2，在光发射端设备与光接收端设备进行无线光通信之前，光接收端与光发射端首先需要在视距范围内实现点对点对准，即光接收端瞄准光发射端发出的激光束中心。

本步骤作为光接收端与光发射端实现点对点对准的初始阶段，由定位装置定位光接收端和光发射端的位置，进行粗跟踪。

在具体实施时，定位装置可以是卫星定位系统、雷达或者测速仪，或者也可以是其它类型的定位装置，均在本发明保护范围内。

若定位装置采用卫星定位系统，卫星定位系统分别获取光接收端的地理位置数据和光发射端的地理位置数据，根据二者的地理位置数据计算出光发射端相对于光接收端的位置数据。可选的，卫星定位系统可以是全球卫星导航系统(globalpositioningsystem，gps)或者北斗卫星导航系统。

定位装置若采用雷达，雷达设置在光接收端，雷达通过向周围空间发射电磁波并探测被光发射端反射回的电磁波，根据返回波获得光发射端至光接收端的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息，进而计算出光发射端相对于光接收端的位置数据。

定位装置也可以是设置在光接收端上的测速仪，光接收端通过侧速仪测量得到光发射端相对于光接收端的位置数据。

本步骤中，光接收端根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据，以自身与光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪光发射端，实现光接收端与光发射端发出的光束中心的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪。在实际应用中，第一距离级别范围为米级别范围，本步骤中可以实现光发射端与光接收端在米级别范围内的粗跟踪。

作为一种优选实施方式，包括两个或者两个以上定位装置，本步骤中，根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据包括：根据各所述定位装置获取的所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据，通过对比和分析得到所述光发射端相对于所述光接收端最终的位置数据。本实施例方法中，通过设置多个定位装置分别获取位置数据，进一步根据各定位装置获取的位置数据经过对比和分析，得到最终的位置数据，可以提高定位的准确性，提高收发端对准的准确性和对准效率。

其中，各定位装置可以是卫星定位系统、雷达或者测速仪，各定位装置可以采用不同种类的定位装置，也可以采用相同种类的定位装置。

在本实施例又一种优选实施方式中，包括至少两个所述定位装置。本方法还包括：在其中一个所述定位装置出现故障时，由另外一个所述定位装置获取所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据。本实施例方法中，设置多个定位装置，在同一时间多个定位装置中只由其中一个定位装置工作，而当该定位装置出现故障时，由另外一个定位装置获取位置数据，因此提高了冗余性和安全可靠性。

对于上一实施方式中描述的工作方式，即在同一时间由多个定位装置分别获取位置数据，将各定位装置获取的位置数据通过对比和分析后得到最终的位置数据，这种工作方式下，若其中某一定位装置出现故障，则不考虑该定位装置获取的位置数据。

其中，各定位装置可以是卫星定位系统、雷达或者测速仪，各定位装置可以采用相同种类的定位装置，也可以是采用不同种类的定位装置。

s11：通过识别所述光发射端上设置的标识物，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪所述光发射端，所述第二距离级别范围小于所述第一距离级别范围。

在光发射端上设置的标识物可以是在拍摄的可见光图像中显示明显的标识物。相应的，本步骤具体包括：

拍摄所述光发射端的可见光图像，从拍摄的图像中识别所述标识物并计算所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据，根据该位置数据调整所述光接收端，以跟踪所述光发射端。

在具体实施时，可以在光接收端设置用于拍摄可见光图像的摄像装置，在光发射端镜头上设置标识物，可参考图3所示。在光接收端对光发射端动态的跟踪过程中，光接收端通过摄像装置拍摄光发射端的可见光图像，从拍摄的图像中识别标识物，来定位光发射端相对于光接收端的位置，并动态调整光接收端，使光接收端在第二距离级别范围内跟踪光发射端，可以在上一步骤的基础上实现光接收端对光发射端进一步较为精确的跟踪和对准。

作为另一种具体实施方式，所述光发射端上设置的标识物包括热源；相应的，本步骤通过识别所述光发射端上设置的标识物，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪所述光发射端包括：

采集所述光发射端的红外图像，从拍摄的图像中识别所述热源并计算所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据，根据该位置数据调整所述光接收端，以跟踪所述光发射端。

在具体实施时，可以在光接收端上设置用于采集红外图像的摄像装置，在光发射端镜头上设置热源，可参考图3所示。在光接收端对光发射端动态的跟踪过程中，光接收端通过摄像装置拍摄光发射端的红外图像，从拍摄的红外图像中识别热源，来定位光发射端相对于光接收端的位置，并动态调整光接收端镜头方向，使光接收端在第二距离级别范围内跟踪光发射端，实现光接收端对光发射端进一步准确跟踪和对准。

在实际应用中，第二距离级别范围为厘米级别范围，本步骤中可以实现光发射端与光接收端在厘米级别范围内的较为精确的跟踪和对准。

进一步优选的，在以上各实施方式中，本方法还包括：根据拍摄的图像对标识物进行机器学习，结合学习结果，根据实时拍摄的图像计算所述光发射端相对于所述光接收端的位置数据。在光接收端与光发射端动态调整和跟踪的过程中，根据在过程中拍摄的图像，对标识物及环境进行机器学习，使光接收端更加准确地动态跟踪和对准。

在本实施例方法的其它具体实施方式中，也可采用其它通过识别标识物的方式，来实现光接收端在与光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪光发射端，也在本发明保护范围内。

s12：由所述光接收端在第二距离级别范围内扫描，捕获所述光发射端发出的信号光，调整所述光接收端实现所述光接收端与所述光发射端发出的光束中心对准。

经过上一步骤，光接收端对光发射端实现了较为精确的跟踪和对准后，本步骤中，光接收端在第二距离级别范围内扫描，捕获光发射端发出的信号光，来实现对光发射端发出的激光束的精准对准。

在具体实施时，光接收端朝向跟踪目标即光发射端扫描，捕获光发射端发出的信号光，在激光束光斑范围内获得相对最大的信号光光强，实现瞄准光发射端的光束中心。

在传统的跟踪方法中，光接收端只是根据自己接收到的信号光光强去调整自己的伺服电机或者旋转镜等设备，而此时光发射端并不知道光接收端接收到的信号光状况，因此会出现光接收端已瞄准光发射端的信号光，而光发射端仍在继续盲目扫描。鉴于此，在本方法的一种优选实施方式中，本步骤中还包括：所述光接收端通过无线通信的方式告知所述光发射端自身捕捉到的信号光的状况，所述光发射端根据所述光接收端捕获到的信号光的状况，确定是否继续发出信号光。这样避免了上述所存在的问题。

在具体实施时，可以在光接收端和光发射端上分别设置无线通信模块，光发射端和光接收端通过无线通信模块可以进行无线通信。

在无线光实际应用中，光接收端可能静止或者移动，光发射端可能静止或者移动。以上本实施例所述的实现无线光收发端对准的方法，对于上述几种应用场景都可应用。

相应的，请参考图4，本发明实施例还提供一种实现无线光收发端对准的装置，包括：

第一跟踪模块30，用于根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪所述光发射端；

第二跟踪模块31，用于通过识别所述光发射端上设置的标识物，调整所述光接收端以自身与所述光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪所述光发射端，所述第二距离级别范围小于所述第一距离级别范围；

第三跟踪模块32，用于由所述光接收端在第二距离级别范围内扫描，捕获所述光发射端发出的信号光，调整所述光接收端实现所述光接收端与所述光发射端发出的光束中心对准。

可以看出，本实施例实现无线光收发端对准的装置，首先第一跟踪模块根据定位装置获取的光发射端相对于光接收端的位置数据，调整光接收端，以自身与光发射端的偏移距离在第一距离级别范围内跟踪光发射端，实现光接收端粗跟踪光发射端；然后，第二跟踪模块通过识别光发射端上设置的标识物，调整光接收端以自身与光发射端的偏移距离在第二距离级别范围内跟踪光发射端，其中第二距离级别范围小于第一距离级别范围，实现了光接收端较为精确地跟踪光发射端；最后由光接收端在第二距离级别范围内扫描，第三跟踪模块捕获光发射端发出的信号光，调整光接收端实现光接收端与光发射端发出的光束中心对准，从而实现光接收端与光发射端发出激光束的精确对准。

本实施例实现无线光收发端对准的装置，光接收端在捕获及瞄准光接收端发出的信号光之前，先通过定位及调整使光接收端在第一距离级别范围内粗跟踪光发射端，再进一步通过识别发射端上设置的标识物，在第二距离级别范围内跟踪光发射端，这样与现有技术相比，避免了光接收端首先需要在较大的空间范围内盲目扫描来捕获信号光会消耗大量时间，因此可减少无线光收发端实现对准所用时间，提高效率。

需要说明的是，本实施例实现无线光收发端对准的装置，各过程的具体实施方式都可参考上述关于实现无线光收发端对准的方法的实施例中所描述内容。

以上对本发明所提供的实现无线光收发端对准的方法及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。