相敏波束跟踪的制作方法

本公开涉及相敏波束跟踪系统。

背景技术：

通信网络是用于接收信息(信号)并将信息发送到目的地的大型分布式系统。在过去的几十年中，对通信接入的需求急剧增加。尽管传统的有线和光纤陆线、蜂窝网络和地球静止卫星系统不断增加以适应需求的增长，但是现有通信基础设施仍然不够大，无法满足增长需求。通信网络可以通过使用光通信波束来寻求改善带宽和传输范围。由于闪烁和指向误差，在地球上使用自由空间光通信波束可能是有问题的。闪烁可能是由大气湍流和波束大小引起的。指向误差包括静态和动态的抖动、不对准、建筑摇摆和振动、平台运动和振动、热膨胀等。由这些指向误差引起的快速变化可能引起对高精度，高速波束跟踪系统的需求。

技术实现要素：

本公开描述了一种跟踪系统，其可以将传统上需要通过模拟或数字划分解决的归一化的高动态幅度驱动的差分模拟信号处理问题转换成可以使用数字电子设备轻松测量的相位/定时问题。在这样做时，消除了由划分产生的许多误差。特别地，本文描述的方法和系统可以在位置传感器上测量位置，其涉及精确测量两个信号的比率低至0.1％，同时信号的幅度改变许多数量级。

本公开的一方面提供了一种操作用于通信波束的波束跟踪系统方法。所述方法包括：在信号处理硬件处从多轴位置感测检测器接收轴信号；并且由信号处理硬件通过对轴信号求和，产生参考信号。所述方法还包括由信号处理硬件基于多轴位置感测检测器的每个轴的波束位置误差确定引导光束的镜的镜位置；以及由信号处理硬件致动镜以移动到镜位置。每个轴信号指示入射在多轴位置感测检测器上的光束的波束位置。此外，每个轴信号对应于多轴位置感测检测器的轴。对于多轴位置感测检测器的每个轴，所述方法包括：i)由信号处理硬件将轴的第一轴信号的相位转换为与轴的第二轴信号具有90度的相位差；ii)由信号处理硬件通过对第一和第二轴信号求和，产生轴相量信号；iii)由信号处理硬件将轴相量信号和参考信号进行比较以确定相位差。轴相量信号具有映射到光束的波束位置的角度。相位差沿多轴位置感测检测器上的相应轴映射到波束位置误差。

本公开的实现方式可以包括下面可选特征的一个或多个。在一些实现方式中，所述方法包括在信号处理硬件处接收多轴位置感测检测器的每个轴的光电流；以及由信号处理硬件的至少一个跨阻抗放大器将光电流转换成对应的轴信号，每个轴信号是电压信号。每个光电流可以具有取决于光束的波束功率和波束位置的幅度。所述方法可以包括使用信号处理硬件的至少一个单极或多极滤波器对每个轴信号进行高通滤波。所述方法还可以包括：使用信号处理硬件的至少一个单极或多极滤波器对每个轴相量信号进行低通滤波。在一些示例中，所述方法包括通过信号处理硬件的至少一个限幅放大器将每个轴相量信号和参考信号修改为每个表示对应的对数增益。

在一些实现方式中，所述方法包括由信号处理硬件的至少一个比较器对修改的轴相量信号和修改的参考信号进行滤波，以对修改的轴相量信号和修改的参考信号的每一个执行边缘检测。所述方法还可以包括由信号处理硬件将参考信号同步到信号处理硬件的参考时钟。所述方法还可以包括使用信号处理硬件的数字电位计修整参考信号的频率，以考虑任何模拟设备的等待时间和相移。所述方法还可以包括由信号处理硬件的闭环控制器(例如，比例-积分-微分(pid)控制器)基于多轴位置感测检测器的至少一个轴的波束位置误差、考虑镜位置的变化率来确定镜位置。所述方法还可以包括由与控制器通信的陷波滤波器来滤波镜位置以衰减目标频率。

本公开的另一方面提供一种操作用于通信波束的光束跟踪系统方法。所述方法包括：在信号处理硬件处接收与入射在位置感测检测器上的光束的波束位置有关的包括x信号相位的第一x信号和第二x信号以及包括y信号相位的第一y信号和第二y信号。所述方法包括由信号处理硬件将第二x信号的x信号相位移位90度；并且由信号处理硬件将第二y信号的y信号相位移位90度。所述方法还包括由信号处理硬件：i)通过对第一x信号和移位的第二x信号求和，产生求和x信号；ii)通过对第一y信号和移位的第二y信号求和，产生求和y信号；iii)通过对第一x信号、第二x信号、第一y信号和第二y信号求和，产生参考信号。所述方法还包括由信号处理硬件确定引导光束的镜的镜位置。镜位置基于以下至少一个：参考信号和求和x信号之间的第一信号差；或者参考信号和求和y信号之间的第二信号差。所述方法包括由信号处理硬件致动镜以移动到镜位置。

此方面可以包括下面可选特征的一个或多个。所述方法包括：在信号处理硬件处接收第一x光电流、第二x光电流、第一y光电流和第二y光电流，每个光电流具有取决于光束的波束功率和波束位置的幅度。所述方法还可以包括由信号处理硬件的至少一个跨阻抗放大器将第一x光电流、第二x光电流、第一y光电流和第二y光电流转换到对应的第一x信号、第二x信号、第一y信号和第二y信号，每个信号是电压信号。

所述方法还可以包括：由信号处理硬件的至少一个单极或多极滤波器对第一x信号、第二x信号、第一y信号和第二y信号进行高通滤波。在一些示例中，所述方法包括由信号处理硬件的至少一个限幅放大器将求和x信号、求和y信号和参考信号修改为每个表示对应的对数增益。修改的求和x信号、修改的求和y信号和修改的参考信号各自与对应的求和x信号、对应的求和y信号和对应的参考信号的对数成比例。在一些实现方式中，所述方法包括由信号处理硬件将修改的求和x信号、修改的求和y信号和修改的参考信号放大到每个表示对应的对数增益。所述方法还可以包括由信号处理硬件的至少一个比较器对修改的求和x信号、修改的求和y信号和修改的参考信号进行滤波，以对修改的求和x信号、修改的求和y信号和修改的参考信号的每一个执行边缘检测。

在一些示例中，所述方法包括使用信号处理硬件的数字电位计修整参考信号的频率，以考虑任何模拟设备的等待时间和相移。在一些示例中，所述方法包括由信号处理硬件的控制器(例如，pid控制器)基于第一信号差或第二信号差中的至少一个，考虑镜位置的变化率确定镜位置。所述方法还可以包括由与控制器通信的陷波滤波器来滤波镜位置以衰减目标频率。

本公开的又一方面提供了一种光束跟踪系统。所述系统包括位置敏感检测器，被配置为输出与入射在位置敏感检测器上的光束的波束位置相关的包括x信号的第一x信号相位和第二x信号以及包括y信号相位的第一y信号和第二y信号。至少一个移相器与位置敏感检测器通信并被配置为将第二x信号的x信号相位移位90度，以及将第二y信号的y信号相位移位90度。至少一个求和放大器与位置敏感检测器和至少一个移相器通信。所述至少一个求和放大器被配置为输出：求和x信号，包括第一x信号和移位的第二x信号的总和；求和y信号，包括第一y信号和移位的第二y信号的总和；以及参考信号，包括第一x信号、第二x信号、第一y信号和第二y信号的总和。所述系统还包括信号处理硬件，与至少一个求和放大器通信，并被配置为：确定引导光束的镜的镜位置以及致动镜以移动到镜位置。镜位置基于以下至少一个：参考信号和求和x信号之间的第一信号差；或者参考信号和求和y信号之间的第二信号差。

此方面可以包括下面可选特征的一个或多个。位置敏感检测器可以包括：第一x阳极，被配置为输出第一x光电流；第二x阳极，被配置为输出第二x光电流；第一y阳极，被配置为输出第一y光电流；第二y阳极，被配置为输出第二y光电流。每个光电流取决于光束的波束功率和波束位置。位置敏感检测器还可以包括至少一个跨阻抗放大器，与第一x阳极、第二x阳极、第一y阳极、第二y阳极通信。至少一个跨阻抗放大器可以被配置为将第一x光电流、第二x光电流、第一y光电流和第二y光电流转换为对应的第一x信号、第二x信号、第一y信号和第二y信号，每个信号是电压信号。在一些示例中，所述系统包括至少一个单极或多极滤波器，与位置敏感检测器通信并被配置为对第一x信号、第二x信号、第一y信号和第二y信号进行高通滤波。

在一些示例中，至少一个移相器包括：第一移相器，被配置为将第二x信号的x信号相位移位90度；以及第二移相器，被配置为将第二y信号的y信号相位移位90度。所述至少一个求和放大器可以包括：第一求和放大器，与第一移相器通信并被配置为对第一x信号和移位的第二x信号求和；第二求和放大器，与第二移相器通信并被配置为对第一y信号和移位的第二y信号求和；以及第三求和放大器，与位置敏感检测器通信并配置为对第一x信号、第二x信号、第一y信号和第二y信号求和。所述系统还可以包括至少一个限幅放大器，与至少一个求和放大器通信。所述至少一个限幅放大器被配置为：i)接收求和x信号、求和y信号和参考信号；将求和x信号、求和y信号和参考信号修改到每个表示对数增益；以及ii)输出修改的求和x信号、修改的求和y信号和修改的参考信号。每个修改的信号可以与对应的接收信号的对数成比例。

在一些实现方式中，所述系统包括至少一个比较器，与至少一个限幅放大器通信。所述至少一个比较器可以被配置为对修改的求和x信号、修改的求和y信号和修改的参考信号的每一个执行边缘检测。所述系统还可以包括数字电位计，与至少一个比较器通信，并被配置为修整参考信号的频率，以考虑任何模拟设备的等待时间和相移。

信号处理硬件包括控制器(例如，pid控制器)，被配置为基于第一信号差或第二信号差中的至少一个、考虑镜位置的变化率来确定镜位置。在一些示例中，所述系统包括与控制器通信的陷波滤波器，所述陷波滤波器被配置为滤波镜位置以衰减目标频率。所述系统还可以包括镜缩放计算器，与控制器通信，所述镜缩放计算器被配置为生成旋转远离镜偏差设置点的互补的第一和第二镜信号。

在附图和以下描述中阐述了本公开的一个或多个实现方式的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其他方面，特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1a是示例性通信系统的示意图。

图1b是包括机载基站和地面终端的示例性通信系统的示意图。

图1c是具有卫星和通信气球的示例性全球规模通信系统的示意图，其中卫星形成极坐标星座。

图1d是图1a的形成walker星座的示例卫星组的示意图。

图2a和图2b是示例机载基站的透视图。

图3是示例性卫星的透视图。

图4是波束跟踪系统的示意图。

图5是光敏检测器系统的示意图。

图6是信号调节系统的示意图。

图7是数据处理硬件功能的示意图。

图8是示例镜控制系统的示意图。

图9是用于操作波束跟踪系统的方法的操作的示例布置。

图10是用于操作波束跟踪系统的方法的操作的示例布置。

各附图中的相同标号表示相同元件。

具体实施方式

本公开描述了一种用于快速对准和校正自由空间光通信波束的波束跟踪系统。光通信系统可以通过光通信波束发送数据。光通信波束可能受到静态和/或动态闪烁和指向误差的影响。光通信系统可以使用波束跟踪系统来跟踪光通信波束并确定通信波束的位置和对准校正，以校正闪烁和指向误差。波束跟踪系统可以将高动态幅度驱动的差分模拟信号处理问题转换为可以使用数字电子设备而不是模拟电子设备或模数转换器轻松测量的相位/定时问题。特别地，波束跟踪系统可在位置传感器上以测量位置，其涉及精确测量两个信号的比率低至0.1％，同时信号的幅度改变许多数量级。镜可以基于波束跟踪系统对光通信波束的跟踪来引导通信波束。

波束跟踪系统包括多轴位置敏感检测器，其被配置为感测入射到其上的通信波束的位置，并输出对应于感测的通信波束位置的轴信号。波束跟踪系统还包括信号处理硬件，其被配置为调节轴信号以通过相移轴信号将轴信号从幅度问题转换为频率问题。信号处理硬件进一步通过增加轴信号的增益并补偿波束功率的任何快速变化来调节轴信号。信号处理硬件通过将经调节的轴信号与参考信号进行比较来确定位置敏感检测器的每个轴的位置误差，该参考信号是所有轴信号的总和。此外，信号处理硬件可以可选地使用比例-积分-微分计算和陷波滤波器来改善位置误差。由信号处理硬件进行的镜缩放可以将位置误差缩放到适当的值以操作镜并产生镜位置信号。信号处理硬件将镜位置信号发送到镜控制器。镜控制器可以包括数模转换器，其将镜位置信号转换为镜信号以移动镜。镜将通信波束引导到位置敏感检测器上。在一些实现方式中，镜将通信波束的位置引导到一个或多个不同的光通信系统。

概述

参照图1a-图1d，在一些实现方式中，全球规模通信系统100包括网关110(例如，源地面站110a和目的地地面站110b)、高空平台(hap)或机载基站200以及卫星300。高空平台(hap)和机载基站200可以互换使用。源地面站110a可以与卫星300通信，卫星300可以与机载基站200通信，并且机载基站200可以与目的地地面站110b通信。在一些示例中，源地面站110a还用作卫星300之间的链接网关。源地面站110a可以连接到一个或多个服务提供商，并且目的地地面站110b可以是用户终端(例如，移动设备、住宅wifi设备、家庭网络等)。在一些实现方式中，机载基站200是在高海拔(例如，17-22km)操作的空中通信设备。机载基站可以例如通过飞行器释放到地球大气中，或者飞行到期望的高度。此外，机载基站200可以作为准静止飞行器操作。在一些示例中，机载基站200是飞行器200a，诸如无人驾驶飞行器(uav)；而在其他示例中，机载基站200是通信气球200b。卫星300可以处于低地球轨道(leo)、中地球轨道(meo)或高地球轨道(heo)，包括地球同步地球轨道(geo)。

图1b提供了通信系统100的示例性体系结构的示意图，该通信系统100通过光通信系统130的光通信波束120建立通信链路。光通信系统130通过光通信波束120在机载基站200和一个或多个地面终端110(例如，网关110)之间进行通信。地面终端110可以经由光通信波束120彼此通信。光通信波束120可以包括作为其位置的参考的波束位置122和作为其强度的参考的波束功率124。

在一些示例中，机载基站200是无人驾驶航空系统(uas)。在所示的示例中，机载基站200包括支持光通信系统130的主体210。光通信系统130可以经由一个或多个光通信系统130发送或接收多个光通信波束120。单个光通信系统130可以发送多个光通信波束120，或者多个光通信系统130可以各自发送对应的光通信波束120或其组合。光通信系统130可以包括收发器、波束发射器、波束接收器、以及用于通过光通信波束120发送和接收数据的系统。

由于闪烁和指向误差，在地球5上使用光通信波束120可能是有问题的。闪烁可能是由大气湍流和波束大小引起的。静态和/或动态指向误差可能由抖动、未对准、建筑物摇摆和振动、平台运动和振动、热膨胀等引起。

光通信系统130可以包括波束跟踪系统400，其被配置为跟踪光通信波束120的位置/对准，并调整引导光通信波束120的镜880以补偿任何位置/对准误差。波束跟踪系统400可以确保光通信波束120保持与预期的光通信系统130(诸如地面终端110或机载基站200)通信。光通信系统130可以经由光通信波束120向地面终端110、机载基站200或卫星300发送数据140。波束跟踪系统400通过快速调整镜880来补偿任何闪烁和指向误差的影响，以调整波束位置122，确保波束位置122保持与另一光通信系统130接触。

在一些示例中，地面终端110包括光通信系统130，其被配置为与机载基站200或卫星300通信。类似地，机载基站200和卫星300可以各自包括光通信系统130。每个光通信系统130可以包括专用波束跟踪系统400，或者多个光通信系统130可以与共享波束跟踪系统400通信。

机载基站200可以将各种数据140和信息传送到地面终端110，诸如但不限于空速、航向、姿态位置、温度、gps(全球定位系统)坐标、风况、飞行计划信息、燃料量、电池量、从其他来源接收的数据、从其他天线接收的数据、传感器数据等。类似地，地面终端110可以向机载基站200传送各种数据140和包括要转发到其他地面终端110或其他数据网络的数据的信息。机载基站200可以是飞行器的各种实现方式，包括但不限于飞机、飞船、直升机、旋翼机、飞艇、多旋翼飞行器、滑翔机、气球、固定翼、旋转翼、旋翼飞机、升力体、重于空气的飞行器、轻于空气的飞行器等的组合。

机载基站200可以沿着路径、轨迹或轨道202(也称为平面，由于它们的轨道或轨迹可以近似地形成几何平面)绕地球5移动。此外，若干机载基站200可以在相同或不同的轨道202中操作。例如，一些机载基站200可以大致沿着地球5的纬度(或者在部分由盛行风确定的轨迹中)在第一轨道202a中移动，而其他机载基站200可以沿不同纬度或轨迹在第二轨道202b中移动。机载基站200可以在围绕地球5的若干不同轨道202之间分组和/或它们可以沿着其他路径202(例如，各个路径)移动。类似地，卫星300可以沿着不同的轨道302、302a-n移动。一致工作的多个卫星300形成卫星星座。卫星星座内的卫星300可以以协调方式操作以在地面覆盖范围内重叠。在图1c所示的示例中，卫星300通过使卫星300绕地球5的轨道运行而在极坐标星座中工作；而在图1d所示的示例中，卫星300在walker星座中操作，其覆盖特定纬度以下的区域并且考虑到地面上的网关110同时提供更多数量的卫星300(导致更高的可用性，更少的掉线连接)。

参照图1b、图2a和图2b所示，在一些实现方式中，机载基站200包括机载基站主体210和设置在机载基站主体210上的光通信系统130。机载基站200的光通信系统130可以是被配置为经由对应的光通信波束120从卫星300接收通信20，并且经由对应的光通信波束120将通信20重新路由到目的地地面站110b，反之亦然。机载基站200的光通信系统130可以处理接收的通信20并确定通信20的路径以到达目的地地面站110b(例如，用户终端)。在一些实现方式中，地面上的地面终端110b具有将通信信号发送到机载基站200的专用天线或光发射器。接收通信20的机载基站200可以将通信20发送到另一个机载基站200、发送到卫星300、或发送或网关110(例如，地面终端110b)。

图2b示出示例通信气球200b，其包括气球204(例如，尺寸大约49英尺宽，39英尺高并且充满氦气或氢气)、作为机载基站主体210的设备箱206、以及太阳能电池板208。设备箱206包括数据处理设备和/或光通信系统130，其执行算法以确定高空气球200b需要去的位置，然后每个高空气球200b移动到在可以会把它带到应该去的方向吹动的风层中。光通信系统130可以包括波束跟踪系统400和引导对应的通信波束120的镜880。设备盒206还包括用于存储电力的电池和用于与其他设备(例如，其他机载基站200、卫星300、网关110、诸如地面终端110b、地面上的互联网天线等)通信的收发器(例如，天线或光发射器)。太阳能电池板208可以为设备箱206供电。

通信气球200b通常被释放到地球的平流层中以达到11到23英里之间的高度，并且以与地面无线数据服务(诸如3g或4g)相当的速度提供直径为25英里的地面区域的连接性。通信气球200b漂浮在平流层中，其高度是飞机和气象层(weather)的两倍(例如，地球表面上方20公里)。高空气球200b通过风绕地球5运送，并且可以通过在期望方向上移动的风而上升或下降到一高度来操纵。平流层中的风通常是稳定的，并以约5和20英里/小时的速度缓慢移动，每层风的方向和大小都不同。

参照图3，卫星300是放置在绕地球5的轨道302中的物体，并且可以用于不同的目的，诸如军用或民用观测卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星和研究卫星。卫星300的轨道302部分地取决于卫星300的目的而变化。卫星轨道302可以基于它们距离地球5表面的高度被分类为低地球轨道(leo)、中地球轨道(meo)和高地球轨道(heo)。leo是地心轨道(即，围绕地球5轨道运行)，其高度范围从0到1240英里。meo也是一个地心轨道，其高度范围从1200英里到22,236英里。heo也是一个地心轨道，其高度超过22,236英里。地球同步轨道(geo)是heo的一个特例。地球静止地球轨道(gso，虽然有时也称为geo)是地球同步地球轨道的一个特例。

在一些实现方式中，卫星300包括具有数据处理设备和/或光通信系统130的卫星主体304，例如，类似于机载基站200的数据处理设备或光通信系统130。数据处理设备和/或光通信系统130执行算法以确定卫星300正在前进到哪儿。光通信系统130可以包括波束跟踪系统400和引导对应通信波束120的镜880。卫星300还包括用于接收和发送通信20的天线或光发射器320。卫星300包括安装在卫星主体304上用于向卫星300提供电力的太阳能电池板308。在一些示例中，卫星300包括当太阳光未到达并对太阳能电池板308充电时使用的可充电电池。

当使用机载基站200构建全球规模通信系统100时，有时希望通过将机载基站200与卫星300和/或一个机载基站200彼此链接，通过通信系统100远距离路由业务。例如，两个卫星300可以经由设备间链路进行通信，并且两个机载基站200可以经由设备间链路进行通信。设备间链路(idl)消除或减少机载基站200或卫星300到网关110跳的数量，这减少了等待时间并增加了整体网络能力。设备间链路允许来自覆盖特定区域的一个机载基站200或卫星300的通信业务无缝地切换到覆盖相同区域的另一个机载基站200或卫星300，其中，第一机载基站200或卫星300离开第一区域，且第二机载基站200或卫星300进入该区域。这种设备间链接对于向远离源和目的地地面站110a、110b的区域提供通信服务是有用的，并且还可以减少等待时间并增强安全性(可以拦截光纤电缆并且可以检索通过电缆的数据)。这种类型的设备间通信不同于“弯管”模型，其中，所有信号流量从源地面站110a到达卫星300，然后直接到达目的地地面站110b(例如，地面终端)，反之亦然。“弯管”模型不包括任何设备间通信。相反，卫星300用作中继器。在“弯管”模型的一些示例中，卫星300接收的信号在重新发送之前被放大；然而，不会发生信号处理。在“弯管”模型的其他示例中，可以处理和解码部分或全部信号，以允许路由到不同波束、纠错或服务质量控制中的一个或多个；然而，没有发生设备间通信。

在一些实现方式中，关于多个轨道202、302以及每个轨道202、302的机载基站200或卫星300的数量来描述大规模通信星座。在同一轨道202、302内的机载基站200或卫星300相对于其轨道内机载基站200或卫星300邻居保持相同位置。然而，机载基站200或卫星300相对于相邻轨道202、302中的邻居的位置可随时间变化。例如，在具有近极轨道的大规模卫星星座中，同一轨道202内的卫星300(在给定时间点大致对应于特定纬度)相对于其轨道内邻居(即前向和后向卫星300)保持大致恒定的位置，但它们相对于相邻轨道302中的邻居的位置随时间变化。类似的概念适用于机载基站200；然而，机载基站200沿着纬度平面绕地球5移动并且大致保持到邻近的机载基站200的恒定位置。

源地面站110a可以用作卫星300和互联网之间的连接器，或者机载基站200和地面终端110b之间的连接器。在一些示例中，系统100利用源地面站110a作为链接网关110a，用于将通信20从一个机载基站200或卫星300中继到另一个机载基站200或卫星300，其中每个机载基站200或卫星在不同的轨道202、302中。例如，链接网关110a可以从轨道卫星300接收通信20，处理通信20，并且将通信20切换到不同轨道302中的另一个卫星300。因此，卫星300和链接网关110a的组合提供了完全连接的系统100。为了进一步的示例，网关110(例如，源地面站110a和目的地地面站110b)应被称为地面终端110。

波束跟踪系统

图4示出示例波束跟踪系统400的示意图。波束跟踪系统400包括多轴位置感测检测器系统500，其被配置为接受光通信波束120并在多轴位置感测检测器系统500上报告光通信波束120的波束位置122。波束跟踪系统400还包括与多轴位置感测检测器系统500通信的信号调节系统600和与信号调节系统600通信的信号处理硬件700。信号调节系统600调节从多轴位置感测检测器系统500接收的信号。镜控制系统800可以与信号处理硬件700通信。镜控制系统800可以响应于信号处理硬件700输出的角度移动镜880。波束跟踪系统400、多轴位置感测检测器系统500、信号调节系统600、信号处理硬件700和镜控制系统800可以在单个电路板上实现，或者实现为彼此通信的单独板。

图5是示例性位置多轴位置感测检测器系统500的示意图。多轴位置感测检测器系统500包括多轴位置感测检测器510(例如，一个或多个光电二极管)。多轴位置感测检测器510可以响应于入射到多轴位置感测检测器510上的光通信波束120输出一个或多个信号。在一些示例中，多轴位置感测检测器510定向在网格上并且每轴580输出一个或两个信号。多轴位置感测检测器510可以包括对应于x轴582的第一轴580、582和对应于y轴584的第二轴580、584。多轴位置感测检测器510可以输出响应于影响多轴位置感测检测器510的光通信波束120的波束位置122和波束功率124的幅度和相位。多轴位置感测检测器510可以包括对应于x轴582的第一x阳极512和第二x阳极514。第一x阳极512和第二x阳极514可以分别输出第一x轴信号520和第二x轴信号530。多轴位置感测检测器510可以包括对应于y轴584的第一y阳极516和第二y阳极518。第一y阳极516和第二y阳极518可以分别输出第一y轴信号540和第二y轴信号550。第一x轴信号520可以包括分别表示第一x轴信号520的相位和幅度的第一x轴相位522和第一x轴幅度524。第二x轴信号530可以包括分别表示第二x轴信号530的相位和幅度的第二x轴相位532和第二x轴幅度534。第一y轴信号540可以包括分别表示第一y轴信号540的相位和幅度的第一y轴相位542和第一y轴幅度544。第二y轴信号550可以包括分别表示第二y轴信号550的相位和幅度的第二y轴相位552和第二y轴幅度554。

在至少一个示例中，光通信波束120可以影响更靠近第一x阳极512和第一y阳极516的多轴位置感测检测器510。第一x阳极512、第二x阳极514、第一y阳极516和第二y阳极518可以分别输出第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540和第二y轴信号550。响应于影响多轴位置感测检测器510的光通信波束120的位置，第一x轴信号幅度524可以高于第二x轴信号幅度534，并且第一y轴信号幅度544可以高于第二y轴信号幅度554。影响多轴位置感测检测器510的光通信波束120的强度可以导致第一x轴信号幅度524、第二x轴信号幅度534、第一y轴信号幅度544和第二y轴信号幅度554的不同总幅度。在一些实现方式中，响应于对第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540和第二y轴信号550，光通信波束120、波束位置122和波束功率124如何影响多轴位置感测检测器510，多轴位置感测检测器510输出电流变化。当多轴位置感测检测器510响应于光通信波束120输出电流时，跨阻抗放大器560可以将第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540和第二y轴信号550分别转换为基于电压的信号，如第一x轴幅度524、第二x轴幅度534、第一y轴幅度544和第二y轴幅度554。当不存在跨阻抗放大器560时，多轴位置感测检测器510可以输出分别对应于第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540、第二y轴信号550的第一x光电流520、第二x光电流530、第一y光电流540和第二y光电流550，并且根据是否可以包括跨阻抗放大器560而可互换使用。第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540、第二y轴信号550、第一x轴信号幅度524、第二x轴信号幅度534、第一y轴信号幅度544和第二y轴信号幅度554、第一x轴信号相位522、第二x轴信号相位532、第一y轴信号相位542和第二y轴信号相位552可以通过多轴位置感测检测器系统输出570从位置多轴位置感测检测器系统500输出。多轴位置感测检测器系统输出570可以连接到信号调节系统600。多轴位置感测检测器系统输出570可以是适合于发送信号(或多个)的所需数据、幅度、相位或电压的任何连接。

图6是示例信号调节系统600的示意图。第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540和第二y轴信号550进入信号调节系统600。在所示的示例中，具有第一x轴相位522和第一x轴幅度524的第一x轴信号520进入第一高通滤波器610，610a。类似地，具有第二x轴相位532和第二x轴幅度534的第二x轴信号530进入第二高通滤波器610，610b。此外，在所示的示例中，具有第一y轴相位542和第一y轴幅度544的第一y轴信号540进入第三高通滤波器610，610c。类似地，具有第二y轴相位552和第二y轴幅度524的第二y轴信号550进入第四高通滤波器610，610d。在一些实现方式中，第一、第二、第三和第四高通滤波器610、610a-d被组合为单个共享高通滤波器610。高通滤波器(或多个)610可以用于滤除各个信号的高频噪声或干扰。在一些示例中，高通滤波器610是高通滤波器，以限制高通滤波器610滤波的信号中的任何dc贡献。

在一些实现方式中，第一全通滤波器620，620a接收第二x轴信号530且将第二x轴相位532移位90度。第一求和放大器630，630a接收第一x轴信号520和相移的第二x轴信号530，并将第一x轴信号520添加到相移的第二x轴信号530，得到相量(phasor)x轴信号640。第一求和放大器630，630a可以对信号的频带限制贡献低通响应。通过将第一x轴信号520添加到相移的第二x轴信号530，仅保留表示光通信波束120相对于多轴位置感测检测器510的偏移的幅度。相位和相等幅度的任何差都可能导致信号完全相互抵消。相位和/或幅度的任何差可以导致信号保持为相量x轴信号640。

第一限幅放大器670，670a可以接收相量x轴信号640并变化或改变相量x轴信号640以保持对数增益。对数增益允许幅度的大变化被改变到可管理的水平，同时仍然允许控制波束跟踪系统400并增加波束跟踪系统400的动态范围。第一限幅放大器670，670a可以提供增益以限制闪烁的影响。

第一比较器680，680a可以接收相量x轴信号640并提供边缘检测以识别相量x轴信号640的边缘和任何改变。第一比较器680，680a可以对相量x轴信号640进行电平移位到3.3伏信号。第一比较器680，680a还可以提供低通滤波器以限制高频颤振。相量x轴640可以可选地在连接器690或通用输入输出(gpio)端口处离开信号调节系统600以进入信号处理硬件700。

在一些实现方式中，第二全通滤波器620，620b接收第二y轴信号550且将第二y轴信号相位532移位90度。第二求和放大器630，630b接收第一y轴信号540和相移的第二y轴信号550，并将第一y轴信号540添加到相移的第二y轴信号550，得到相量y轴信号650。第二求和放大器630，630b可以对信号的频带限制贡献低通响应。通过将第一y轴信号540和相移的第二y轴信号550相加，仅保留表示光通信波束120相对于多轴位置感测检测器510的偏移的幅度。相位和相等幅度的任何差都可能导致信号完全相互抵消。相位和/或幅度的任何差可以导致信号保持为相量y轴信号650。

第二限幅放大器670，670b接收相量y轴信号650并变化或改变相量y轴信号650以保持对数增益。对数增益允许将幅度的大变化改变到可管理的水平，同时仍允许控制系统并增加系统的动态范围。第二限幅放大器670，670b可以提供增益以限制闪烁的影响。

第二比较器680，680b可以接收相量y轴信号650以提供边缘检测，以识别相量y轴信号650的边缘和任何改变。第二比较器680，680b可以对相量y轴信号进行电平移位650到3.3伏信号。此外，第二比较器680，680b还可以提供低通滤波器以限制高频颤振。相量y轴信号650可以在连接器690或通用输入输出端口处离开信号调节系统600以进入信号处理硬件700。

第三求和放大器630，630c接收并求和第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540、第二y轴信号550以输出参考信号660。第三求和放大器630，630c可以用于组合第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540和第二y轴信号550。此外，第三求和放大器630，630c可以提供低通滤波器。信号520、530、540、550的对应相位或幅度用于表示影响多轴位置感测检测器510的光通信波束120的总幅度，并且还用于为光学通信波束120相对于多轴位置感测检测器510的中心的总偏移量提供参考位置。

第三限幅放大器670，670c接收参考信号660。第三限幅放大器670，670c被配置为变化或改变参考信号660以保持对数增益。对数增益允许将幅度的大变化改变到可管理的水平，同时仍允许控制系统并增加系统的动态范围。第三比较器680，680c从第三限幅放大器670，670c接收参考信号660。第三比较器680，680c可以提供边缘检测以识别参考信号660的边缘、过零点和/或改变。参考信号660可以在连接器690或通用输入输出端口处离开信号调节系统600以进入信号处理硬件700。第三比较器680，680c还可以基于参考信号660输出光学接收时钟662。在一些示例中，第三比较器680，680c基于第三比较器680，680c的过零点检测器确定光学接收时钟662。

图7是示例信号处理硬件700的示意图。信号处理硬件700可以对相量x轴信号640、相量y轴信号650和/或参考信号660进行过采样。在一些示例中，信号处理硬件700以高速率(例如，50mhz)对相量x轴信号640、相量y轴信号650和/或参考信号660进行采样。数字信号处理器710可以接收并单独地缩放相量x轴信号640、相量y轴信号650和/或参考信号660的每一个。数字信号处理器710可以进一步改善动态范围。包括锁相环的时钟恢复720接收参考信号660并将信号处理硬件700的本地时钟同步到光接收时钟662。信号处理硬件700(例如，数字信号处理硬件)使用通用目的i/o可以对参考信号660和光学接收时钟662进行采样。相位修整器722可以从时钟恢复720接收参考信号660并且修整参考信号660的相位以考虑包括信号调节系统600的模拟电子设备的任何等待时间和相移。相位修整器722的相位修整可以通过电位计或由电位计调节的量来完成。第一加法器730，730a将相量x轴信号640添加到参考信号660，从而基于两个信号之间的差产生x轴信号位置误差780(或相位差)。控制器740，诸如比例-积分-微分(pid)控制器，接收x轴信号位置误差780。控制器740可以响应于与参考信号660的比例、积分和/或微分改变x轴信号位置误差780。在一些实现方式中，信号处理硬件700包括与控制器740通信的陷波滤波器750，可以改变x轴信号位置误差780以限制特定频率周围的任何误差。镜缩放760可以将x轴信号位置误差780转换为x镜位置764。此外，镜偏差设置点762可以移位x轴信号位置误差780，改变x镜位置764以考虑镜控制系统800中的任何误差。

以类似的方式，第二加法器730，730b将相量y轴信号650添加到参考信号660，从而基于两个信号之间的差产生y轴信号位置误差790(或相位差)。控制器740接收y轴信号位置误差790并响应于与参考信号660的比例、积分和/或微分改变y轴信号位置误差790。陷波滤波器750可以改变y轴信号位置误差790以限制特定频率周围的任何误差。镜缩放760可以将y轴信号位置误差790转换为y镜位置766。此外，镜偏差设置点762可以移位y轴信号位置误差790，改变y镜位置766以考虑镜控制系统800中的任何误差。x镜位置764和y镜位置766可以被输入到总线控制器770中，该总线控制器770将x镜位置764和y镜位置766组合到总线信号772中。总线控制器770是可选的。在一些示例中，x镜位置764和y镜位置766直接馈送到镜控制系统800中。

图8显示示例镜控制系统800的示意图。总线信号772可以可选地通过主终端连接器810行进到镜驱动器板820。镜驱动器板820可以包括四个数模转换器822，每个数模转换器822包括输出824。数模转换器822可以读取spi信号772并基于x镜位置764和y镜位置766的数字值输出表示电压。电压转换器830可以将数模转换器822的输出824缩放到镜880的可接受电压。在至少一个例子中，镜880使用0-160伏的驱动电压，中心设置点为80伏。四个数模转换器822可以各自输出以下信号之一：第一镜x信号840；第二镜x信号850；第一镜y信号860；或第二镜y信号870。第一镜x信号840和第二镜x信号850可以沿着轴、诸如x轴移动镜880以对准光学通信波束120与多轴位置感测检测器510。第一镜y信号860和第二镜y信号870可以沿另一轴、诸如y轴移动镜880以对准光学通信波束120与多轴位置感测检测器510，允许波束跟踪系统400补偿光通信波束120的移动或大气效应。

图9提供用于操作波束跟踪系统400的方法900的操作的示例布置。在块902处，方法900包括在信号处理硬件400处从多轴位置感测检测器510接收轴信号520、530、540、550。每个轴信号520、530、540、550表示入射在多轴位置感测检测器510上的光束的波束位置122。此外，每个轴信号520、530、540、550对应于多轴位置感测检测器510的轴580。轴信号520、530、540、550可以是第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540或第二y轴信号550中的一个。第一x轴信号520可以包括分别表示第一x轴信号520的相位和幅度的第一x轴相位522和第一x轴幅度524。第二x轴信号530可以包括分别表示第二x轴信号530的相位和幅度的第二x轴相位532和第二x轴幅度534。第一y轴信号540可以包括分别表示第一y轴信号540的相位和幅度的第一y轴相位542和第一y轴幅度544。第二y轴信号550可以包括分别表示第二y轴信号550的相位和幅度的第二y轴相位552和第二y轴幅度554。在块902，方法900可以包括由信号处理硬件400通过对轴信号520、530、540、550求和来生成参考信号660。求和放大器630可以对第一x轴信号520、第二x轴信号530、第一y轴信号540和第二y轴信号550求和，得到参考信号660。对于多轴位置感测检测器510的每个轴信号520、530、540、550，方法900可以包括，在块906，由信号处理硬件400将轴580的第一轴信号520、540的相位522、542转换为与轴580的第二轴信号530、550具有90度的相位差。例如，第一x轴相位522和/或第二x轴相位542可以由全通滤波器620相移90度。在块908，方法900包括由信号处理硬件400通过对第一和第二轴信号520、530、540、550求和产生轴相量信号640、650。轴相量信号640、650具有映射到光通信波束120的波束位置122的角度。此外，轴相量信号640、650可以是通过求和放大器对第一x轴信号520和第二x轴信号530和/或第一y轴信号540和第二y轴信号550求和。在块910，方法900可以包括由信号处理硬件400将轴相量信号640、650和参考信号660进行比较以确定相位差。相位差沿着多轴位置感测检测器510上的相应轴映射到波束位置误差780、790。求和器730可以将相量x信号640与参考信号660进行比较，得到x轴信号位置误差780。类似地，求和器730可以将相量y信号650与参考信号660进行比较，得到y轴信号位置误差790。在块912，方法900可以包括由信号处理硬件400基于多轴位置感测检测器510的每个轴的波束位置误差780、790来确定引导光学通信波束120的镜880的镜位置764、766。镜位置764、766可以包括x镜位置764和y镜位置766。在块914，方法900可以包括由信号处理硬件400致动镜880以移动到镜位置764、766。镜驱动器820可以基于来自数模转换器822的电压，包括第一镜x信号840、第二镜x信号850、第一镜y信号860和第二镜y信号870，致动镜880。

在一些实现方式中，方法900包括在信号处理硬件400处接收多轴位置感测检测器510的每个轴的光电流520、530、540、550，以及由信号处理硬件400的至少一个跨阻抗放大器560将光电流520、530、540、550转换成对应的轴信号520、530、540、550，每个轴信号520、530、540、550是电压信号。每个光电流520、530、540、550可以具有取决于光通信波束120的波束功率124和波束位置122的幅度524、534、544、554。方法900可以包括使用信号处理硬件400的至少一个单极或多极滤波器610对每个轴信号520、530、540、550进行高通滤波。方法900还可以包括使用信号处理硬件400的至少一个单极或多极滤波器610，620对每个轴相量信号640、650进行低通滤波。在一些示例中，方法900包括由信号处理硬件400的至少一个限幅放大器670将每个轴相量信号640、650或轴信号520、530、540、550和参考信号660修改到每个表示一个对应的对数增益。

在一些实现方式中，方法900包含由信号处理硬件400的至少一个比较器680滤波修改的轴相量信号640、650和修改的参考信号660以对修改的轴相量信号640、650和修改的参考信号660中的每一个执行边缘检测。方法900还可以包括由信号处理硬件400将参考信号660同步到信号处理硬件400的参考时钟662。方法900还可以包括使用信号处理硬件400的数字电位计或相位修整器722修整参考信号660的频率。方法900还可以包括通过信号处理硬件400的比例-积分-微分(pid)控制器740，基于多轴位置感测检测器510的至少一个轴的位置误差780、790，考虑镜位置764、766的变化率来确定镜位置764，766。该方法还可以包括由与控制器740通信的陷波滤波器750对镜位置764，766进行滤波以衰减目标频率。

图10提供用于操作波束跟踪系统400的方法1000的操作的示例布置。在块1002，方法1000可以包括在信号处理硬件400处接收与入射到位置感测检测器510上的光通信波束120的波束位置122相关的、包括x信号相位532的第一x信号520和第二x信号530以及包括y信号相位552的第一y信号540和第二y信号550。在块1004，方法1000可以包括由信号处理硬件400将第二x信号530的x信号相位532移位90度。第二x信号530的x信号相位532可以由全通滤波器620移位。在块1006，方法1000可以包括由信号处理硬件400将第二y信号550的y信号相位552移位90度。第二y信号550的y信号相位552可以由全通滤波器620移位。在块1008，方法1000可以包括由信号处理硬件400通过对第一x信号520和移位的第二x信号530求和产生求和x信号或相量x信号640。可以通过求和放大器630对第一x信号520和移位的第二x信号530求和，以产生求和x信号或相量x信号640。在块1010，方法1000可以包括由信号处理硬件400通过对第一y信号540和移位的第二y信号550求和产生求和y信号或相量y信号650。可以通过求和放大器630对第一y信号540和移位的第二y信号550求和产生求和y信号或相量y信号650。在块1012，方法1000可以包括由信号处理硬件400通过对第一x信号520、第二x信号530、第一y信号540和第二y信号550求和产生参考信号660。可以通过求和放大器630求和第一x信号520、第二x信号530、第一y信号540和第二y信号550以产生参考信号660。在块1014，方法1000还可以包括由信号处理硬件400确定引导光学通信波束120的镜880的镜位置764、766，镜位置764、766基于以下中的至少一个：参考信号660和求和x信号640之间的第一信号差；或者参考信号660和求和y信号650之间的第二信号差。求和器730可以将参考信号660和求和x信号640的差和/或参考信号660和求和y信号650之间的第二信号差求和，以产生信号差。在块1016，方法1000可以包括由信号处理硬件400致动镜880以移动到镜位置764，766。

方法1000包括在信号处理硬件400处接收第一x光电流520、第二x光电流530、第一y光电流540和第二y光电流550，每个光电流520、530、540、550具有取决于光通信波束120的波束功率124和波束位置122的幅度524、534、544、554。方法1000还可以包括由信号处理硬件400的至少一个跨阻抗放大器560将第一x光电流520、第二x光电流530、第一y光电流540和第二y光电流550转换为对应的第一x信号520、第二x信号530、第一y信号540和第二y信号550，每个信号520、530、540、550是电压信号。方法1000还可以包括由信号处理硬件400的至少一个单极或多极滤波器610，将第一x信号520、第二x信号530、第一y信号540和第二y信号550滤波器进行高通滤波。在一些示例中，方法1000包括由信号处理硬件400的至少一个限幅放大器670将求和x信号640、求和y信号650和参考信号660修改为每个表示对应的对数增益。修改的求和x信号640、修改的求和y信号650和修改的参考信号660可以各自与对应的求和x信号640、对应的求和y信号650和对应的参考信号660的对数成比例。

在一些实现方式中，方法1000包括由信号处理硬件400将修改的求和x信号640、修改的求和y信号650和修改的参考信号660放大到每个表示对应的对数增益。方法1000还可以包括由信号处理硬件400的至少一个比较器680对修改的求和x信号640、修改的求和y信号650和修改的参考信号660进行滤波，以对修改的求和x信号640、修改的求和y信号650和修改的参考信号660的每一个执行边缘检测。在一些示例中，方法1000包括使用信号处理硬件400的数字电位计或相位修整器722修整参考信号660的频率。在一些示例中，方法1000包括由信号处理硬件400的比例-积分-微分(pid)控制器740基于第一信号差780或第二信号差790中的至少一个、考虑镜位置764的变化率766来确定镜位置764、766。该方法还可以包括由与控制器740通信的陷波滤波器750对镜位置764、766进行滤波以衰减目标频率。

已经描述了许多实现方式。然而，应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实现方式在以下权利要求的范围内。