小型无人机平台下行数据自适应光传输装置和方法与流程

本发明涉及一种小型无人机平台下行数据自适应光传输装置和方法，属于无线光通信技术领域。

背景技术：

小型无人机在实时监测和评估方面具有特别优势，为此，该领域正向高分辨率、高帧频、宽光谱和多传感器复合监测等方面发展，与此同时，迫切需要将海量原始数据以无损压缩方式实时回传，而现有射频通信数据传输技术已经无法胜任此项任务，替代方案则是在小型无人机端、地面端建立单向光通信链路，在保持小型无人机端与地面端对准跟踪后，以无线光通信的方式实现数据回传，完成下行数据光传输。但是，在下行数据光传输过程中，由于环境因素的影响，小型无人机的飞行状态和无线光通信的信道状态随时都在变化，这对数据传输速率、链路的稳定性、通信误码率均有较大影响。

在现有无人机大气信道无线光通信技术领域，并未采取专门措置应对飞行状态、信道状态的变化对无线光通信的影响，只是在通信能力方面为无人机无线光通信系统设置足够大的余量，能够在飞行状态和信道状态的极限条件下保证正常通信。不过，这种方法并不适合需要将海量原始数据以无损压缩方式实时回传的小型无人机无线光通信，因为，如果按照恶劣的极限条件设定通信能力，余量过大，虽然飞行状态、信道状态的变化对无线光通信的影响显现不出来，但是，通信能力设定余量过大其代价是牺牲通信速率，尤其在常态下这样的通信速率显得过低，难以高速回传海量原始数据。

技术实现要素：

本发明其目的在于，使得小型无人机能够根据其飞行状态及其无线光通信信道状态，实时调整数据回传参数和无线光通信参数，在维持正常的无线光通信的前提下，最大限度提高通信速率，为此，我们发明了一种小型无人机平台下行数据自适应光传输装置和方法，能够根据飞行状态及无线光通信信道状态的变化，自适应调整和优化数据回传参数和无线光通信参数，以使通信速率始终能够最大化，以尽可能高的通信速率回传海量原始数据。

本发明之小型无人机平台下行数据自适应光传输装置其特征在于，数据源与编码器的相连，编码器内置存储单元；编码器、放大器、t型偏置器、发光二极管依次连接，t型偏置器接有直流电源；在发光二极管的出光光路上设置光束整形发射系统，光束整形发射系统内置调焦单元；成像光学系统的像面与相机的感光面重合，相机、惯性传感器分别与控制器的输入端相连；控制器的输出端分别与直流电源、调焦单元、编码器相连；光束整形发射光学系统、成像光学系统、惯性传感器安装在同一个二维转台上，光束整形发射光学系统的光轴与成像光学系统的光轴平行；编码器的作用是将拟回传数据进行回传参数编码，使拟回传数据成为利于回传的通信电信号，并根据控制器发送的无线光通信信道特性数据和小型无人机飞行数据，优化拟回传数据的回传参数；存储单元的作用是数据的缓存；放大器的作用是将通信电信号进行功率放大；直流电源的作用是根据控制器发送的无线光通信信道特性数据和小型无人机飞行数据，调整直流电压的高低并提供给t型偏置器；t型偏置器的作用是将直流电源提供的直流电压设置为经过功率放大的通信电信号的偏置电压；发光二极管的作用是在所述偏置电压的驱动下，将通信电信号转换为具有某一平均光强的通信光信号；光束整形发射系统的作用是通过内置调焦单元，根据控制器发送的无线光通信信道特性数据和小型无人机飞行数据，调整通信光信号的束散角；成像光学系统的作用是将无线光通信地面端辅助光源发射的光成像于相机的感光面上，并由相机转换为电子图像作为无线光通信的信道状态信息；惯性传感器的作用是获取小型无人机的飞行状态信息；控制器的作用是分别从无线光通信的信道状态信息、小型无人机的飞行状态信息中提取无线光通信信道特性数据、小型无人机飞行数据。

本发明之小型无人机平台下行数据自适应光传输方法其特征在于，在无人机端与地面端对准并保持跟踪后，在无人机端，由惯性传感器获取小型无人机的飞行状态信息，由成像光学系统将无线光通信地面端辅助光源发射的光成像于相机的感光面上，并由相机转换为电子图像作为无线光通信的信道状态信息；控制器分别接收到小型无人机的飞行状态信息、无线光通信的信道状态信息后，分别从中提取小型无人机飞行数据、无线光通信信道特性数据，并同时发送给编码器、直流电源、光束整形发射系统中的调焦单元；数据源将拟回传数据输入到编码器中，由编码器将拟回传数据进行回传参数编码，得到利于回传的通信电信号，编码器再根据控制器发送的小型无人机飞行数据和无线光通信信道特性数据，优化拟回传数据的回传参数；所述通信电信号由放大器进行功率放大，并送入t型偏置器；直流电源根据控制器发送的无线光通信信道特性数据和小型无人机飞行数据，调整直流电压的高低并提供给t型偏置器，再由t型偏置器将该直流电压设置为通信电信号的偏置电压；由所述偏置电压驱动发光二极管，将通信电信号转换为具有某一平均光强的通信光信号；光束整形发射系统内置的调焦单元根据控制器发送的无线光通信信道特性数据和小型无人机飞行数据，调整通信光信号的束散角并向地面端发射。

本发明其技术效果在于，采用本发明之装置和方法实现小型无人机海量原始数据的回传，无线光通信参数，包括信号光束散角和平均光强，数据回传参数，包括数据长度、数据密度(数据间隔)和数据传输速率，并非预设过大余量，并非固定和一成不变，而是根据小型无人机的飞行状态及无线光通信的信道状态，实时调整无线光通信参数和优化数据回传参数，摆脱飞行状态、信道状态的不利变化对小型无人机下行数据光传输的干扰，在维持正常的无线光通信的前提下，最大限度提高通信速率。否则，无线光通信参数、数据回传参数余量预设过大，其代价是通信速率的降低；如果预设为看似恰到好处的某一固定值，当飞行状态、信道状态出现较为明显的不利变化，对无线光通信的影响超出该预设，则无线光通信无法正常进行。

例如，小型无人机的飞行状态由三轴角速度、三轴加速度、三轴磁力表征，由包含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计的惯性传感器获取，由控制器从中提取小型无人机的飞行数据，包括飞行速度、与地面端之间的距离和飞行稳定性，并同时发送给编码器、直流电源、光束整形发射系统中的调焦单元。当飞行数据分别为飞行速度快、与地面端之间的距离远、飞行稳定性低时，编码器以较短的数据长度、较低的数据密度低和较低的数据传输速率对拟回传数据进行回传参数编码；直流电源供给t型偏置器较高的直流电压，最终提高通信光信号的平均光强；调焦单元扩大通信光信号的束散角。反之做与上述相反的调整。

无线光通信的信道状态由闪烁效应表征，由相机获取，由控制器从中提取无线光通信的信道特性数据，包括大气相干长度、折射率结构常数和大气信道衰落时间，并同时发送给编码器、直流电源、光束整形发射系统中的调焦单元。当气象条件差时，闪烁效应明显，大气相干长度短、折射率结构常数大、大气信道衰落时间短，编码器以较短的数据长度、较低的数据密度低和较低的数据传输速率对拟回传数据进行回传参数编码；直流电源供给t型偏置器较高的直流电压，最终提高通信光信号的平均光强；调焦单元扩大通信光信号的束散角。反之做与上述相反的调整。

附图说明

图1是本发明之小型无人机平台下行数据自适应光传输装置结构示意图，同时也是本发明之小型无人机平台下行数据自适应光传输方法示意图，该图兼作为摘要附图。

具体实施方式

在本发明之小型无人机平台下行数据自适应光传输装置中，数据源与编码器的相连，编码器内置存储单元。编码器、放大器、t型偏置器、发光二极管依次连接，t型偏置器接有直流电源。编码器为一种专用集成电路(asic)，内置128mb存储单元。放大器是一种宽带放大器。t型偏置器的偏置信号速率最高可达50ghz。在发光二极管的出光光路上设置光束整形发射系统，光束整形发射系统内置调焦单元。发光二极管的发光点位于光束整形发射系统焦点处。光束整形发射系统为透射式光学系统，由前固定组、变倍组、补偿组以及后固定组组成，光学系统的口径为60mm，焦距为50～200mm，通过调焦单元在该焦距范围内电控调焦。发光二极管的发射光功率为50mw，发射信号速率为2.5gbps。直流电源输出电压的范围为0～5v，输出最大电流为3a。成像光学系统的像面与相机的感光面重合，相机、惯性传感器分别与控制器的输入端相连。成像光学系统的口径为50mm，焦距为85mm。相机的光电探测器件为ccd，分辨率为1280×1024，采样频率506hz。控制器的输出端分别与直流电源、调焦单元、编码器相连。控制器是一种专用集成电路(asic)。光束整形发射光学系统、成像光学系统、惯性传感器安装在同一个二维转台上，光束整形发射光学系统的光轴与成像光学系统的光轴平行。所述二维转台能够在俯仰方向和方位方向上转动。惯性传感器内置三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计。

在本发明之小型无人机平台下行数据自适应光传输装置中，各个组成部分的作用与本说明书发明内容部分的说明相同。

在本发明之小型无人机平台下行数据自适应光传输装置和方法中，所述无线光通信的信道状态信息是指闪烁效应；所述小型无人机的飞行状态信息包括三轴角速度、三轴加速度、三轴磁力；所述无线光通信信道特性数据包括大气相干长度、折射率结构常数和大气信道衰落时间；所述小型无人机飞行数据包括飞行速度、与地面端之间的距离和飞行稳定性；所述回传参数包括数据长度、数据密度和数据传输速率；所述平均光强、束散角统称为无线光通信参数。

本发明之小型无人机平台下行数据自适应光传输方法还具有以下特征：

控制器接收从惯性传感器发来的小型无人机的飞行状态信息，包括三轴角速度、三轴加速度、三轴磁力，运用惯性导航技术推导出小型无人机飞行数据，包括飞行速度、与地面端之间的距离和飞行稳定性。

当小型无人机飞行数据分别为飞行速度快、与地面端之间的距离远、飞行稳定性低时，编码器以较短的数据长度、较低的数据密度低和较低的数据传输速率对拟回传数据进行回传参数编码；直流电源供给t型偏置器较高的直流电压，最终提高通信光信号的平均光强；调焦单元扩大通信光信号的束散角；反之做与上述相反的调整。

控制器接收从相机发来的电子图像，计算电子图像的亮度变化，得到光强闪烁数据，再从光强闪烁数据推导出无线光通信信道特性数据，包括大气相干长度、折射率结构常数以及大气信道衰落时间。

当气象条件差时，闪烁效应明显，大气相干长度短、折射率结构常数大、大气信道衰落时间短，编码器以较短的数据长度、较低的数据密度低和较低的数据传输速率对拟回传数据进行回传参数编码；直流电源供给t型偏置器较高的直流电压，最终提高通信光信号的平均光强；调焦单元扩大通信光信号的束散角；反之做与上述相反的调整。