基于双波长的多节点空间激光通信方法

1.本专利涉及了空间激光通信领域的一种多节点空间激光通信方法，具体涉及了一种基于双波长的多节点空间激光通信方法。


背景技术：

2.空间激光通信是一种利用激光光束作为载波，直接在空间中进行信号传递的通信方式。此外由于激光光束能量集中、方向性好，因此也具有很强的保密性和抗干扰性。
3.与传统的微波通信相比，空间激光通信具有极大的带宽，可以进行更高速率的数据传输。
4.空间激光通信快速地架设网络，不受地形地貌影响，可以解决环境恶劣地区的“最后一公里”网络铺设问题。同时传统通信会因为自然灾害导致连接中断，也可以通过空间激光通信，快速恢复受影响地区通信网络。
5.传统的空间激光通信仅限于点对点间的通信，即通信链路只在两个节点之间建立。该方式具有一定的局限性，无法形成有效的空间网络连接，且容易受地理位置和链路条件的影响。关于点到多点以及多点之间也有基于波分复用wdm和光分插复用器oadm等方案的提出，但是实用性不高，且未给出具体实施方案。
6.在自由空间光通信系统中，为缩小体积并减轻设备重量，一般采用收发一体的光学天线，同时还会对接收和发送的信号光进行光谱隔离，即收发光波长不一致，但是对于多点之间的连接，波长的滥用会浪费掉宝贵的信道资源，同时为解决波长冲突还会引入复杂的波长管理问题，不利于各个节点设备参数的统一化和标准化网络的形成。


技术实现要素：

7.本发明提出了一种基于双波长的多节点空间激光通信方法，可以解决多节点间的如何进行空间激光通信问题，使得多个节点之间可以形成较复杂的网络拓扑结构，从而进一步形成空间激光通信网络，推进天地一体化的网络建设。
8.本发明的目的是利用基于双波长方案的主节点来解决多节点间空间激光通信问题。
9.本发明采用双波长的方案，即所有从节点到主节点采用波长为λ1的信号进行通信，而主节点发往各个从节点的信号的波长为λ2。
10.本发明的技术方案如下：
11.本发明包括一个主节点和多个从节点；主节点包括主收发一体天线模块、主捕获对准跟踪模块和光路交换模块，从节点主要由从收发一体天线模块和从捕获对准跟踪模块相连组成；
12.主收发一体天线模块通过主捕获对准跟踪模块与光路交换模块相连，主收发一体天线模块对空间光进行采集并将空间光输入到主捕获对准跟踪模块，主捕获对准跟踪模块将空间光中的从节点的信号光和信标光进行分离并将信号光发送到光路交换模块，从捕获
对准跟踪模块将空间光中的主节点的信号光和信标光进行分离；
13.主捕获对准跟踪模块和从捕获对准跟踪模块通过追踪对方发出的信标光使得主收发一体天线模块和从收发一体天线模块动态对准，光路交换模块接收信号光并将信号光进行处理，将处理后的信号光直接通过主收发一体天线模块发送给指定从节点。
14.所述光路交换模块包括多个从节点传输模块、波长转换系统、电子系统和光开关矩阵，每个从节点传输模块均与波长转换系统、电子系统和光开关矩阵相连，波长转换系统与光开关矩阵相连，光开关矩阵还与电子系统相连；
15.一个从节点传输模块包括环形器、低噪声前置掺铒光纤放大器、光学带通滤波器、耦合器和后置高功率掺铒光纤放大器；
16.波长转换系统设置有多个输入端口和输出端口，光开关矩阵设置有一个控制端口、多个输入端口和多个输出端口，电子系统设置有多个输入端口和两个输出端口；
17.每个从节点传输模块中，从节点的信号光输入到环形器的第一端口，环形器的第二端口依次经低噪声前置掺铒光纤放大器和光学带通滤波器后与耦合器的输入端口相连；
18.各个从节点传输模块的耦合器的第一输出端口连接到电子系统的各个输入端口，耦合器的第二输出端口连接到波长转换系统的一个输入端口，电子系统的第一输出端口连接到光开关矩阵的控制端口，电子系统的第二输出端口与光开关矩阵的一个输入端口相连，波长转换系统的每个输出端口与光开关矩阵对应的一个输入端口相连，光开关矩阵的各个输出端口连接到各个从节点传输模块的后置高功率掺铒光纤放大器的输入端口，每个从节点传输模块中的后置高功率掺铒光纤放大器的输出端口均连接到环形器的第三端口。
19.所述主节点中的收发一体天线模块包括多个收发一体天线，多个收发一体天线相互之间独立工作，从节点传输模块和收发一体天线个数相同，每个收发一体天线与一个从节点传输模块相连，每个收发一体天线与每个从节点一一对应，每个从节点的信号光通过一个收发一体天线接收并传输给对应的从节点传输模块，从节点传输模块输出的信号通过对应的收发一体天线直接发送给从节点。
20.所述波长转换系统的输入端口和输出端口个数、电子系统的输入端口个数、光开关矩阵的输出端口个数均与从节点传输模块个数相同。
21.所述波长转换系统包括数据转换模块和多个光模块，每个光模块均有一个输入端、数据转换端和输出端，多个光模块并联设置后多个光模块的数据转换端均与数据转换模块连接，一个光模块的输出作为波长转换系统的一个输入端口，一个光模块的输出作为波长转换系统的一个输出端口。
22.所述耦合器的分束参数根据实际情况设计。
23.所述电子系统中设置有光模块，光模块的输出作为电子系统的第二输出端口，电子系统产生主节点信号光，主节点信号光利用光模块进行信号转换后通过电子系统的第二输出端口发送给光开关矩阵。
24.所述电子系统对传输的多个从节点的信号光和一个主节点的信号光中特殊控制字段进行解调后转换成光开关的控制子指令，由多个控制子指令组成的控制指令从第一输出端口发送给光开关矩阵的控制端口，控制指令对光开关矩阵中光学路径进行配置。
25.所述光开关矩阵的输入端口个数比光开关矩阵的输出端口个数多一个；光开关矩阵实际工作的输入端口个数不超过光开关矩阵的输出端口个数；从光开关矩阵的输入端口
中输入的信号一定会从光开关矩阵的一个输出端口中输出。
26.本发明的有益效果：
27.本发明基于双波长的方案，提出了一种多节点空间激光通信系统中的主节点的实现方法，并设计了主节点结构，可以支持主节点到从节点以及各个从节点之间自由、同时、双向的空间激光通信。本发明可以解决一体化空间网络中多节点间的通信问题，解决了空间激光通信星型网络拓扑中各个节点之间波长分配混乱和浪费信道资源的问题；具有节省波长资源、结构紧凑、可行性高的特点，有利于空间激光通信中更复杂网络拓扑乃至局域网络的形成。
附图说明
28.图1为主从节点连接示意图；
29.图2为光路交换模块内部结构示意图；
30.图3为链路工作状态示意图；
31.图4为实例场景1示意图；
32.图中：环形器1、低噪声前置掺铒光纤放大器2、光学带通滤波器3、耦合器4、电子系统5、数据转换模块6、光模块7、光开关矩阵8、后置高功率掺铒光纤放大器9。
33.附图中从节点数目为4个，可以按照实际需要增加或者减少端口的数目。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的具体实施方法做进一步说明。
35.如图1所示，本发明包括一个主节点和多个从节点；主节点包括主收发一体天线模块、主捕获对准跟踪模块apt和光路交换模块，从节点主要由从收发一体天线模块和从捕获对准跟踪模块apt相连组成；
36.主收发一体天线模块通过主捕获对准跟踪模块apt与光路交换模块相连，主收发一体天线模块对空间光进行采集并将空间光输入到主捕获对准跟踪模块apt，主捕获对准跟踪模块apt将空间光中的从节点的信号光和信标光进行分离并将信号光发送到光路交换模块，从捕获对准跟踪模块apt将空间光中的主节点的信号光和信标光进行分离；
37.主捕获对准跟踪模块(apt)和从捕获对准跟踪模块(apt)通过追踪对方发出的信标光使得主收发一体天线模块和从收发一体天线模块动态对准，达到空间激光通信链路的可靠性，光路交换模块接收信号光并将信号光进行波长转换处理，将处理后的信号光直接通过主收发一体天线模块发送给指定从节点从节点只能接收主节点的信号和向主节点发送信号，主节点不仅能接收从节点的信号和自身产生信号发送到从节点，还能将从节点之间信号进行转发，主节点实现从节点间和主从节点间的信号自由交换。
38.主收发一体天线模块和从收发一体天线模块功能相同，主捕获对准跟踪模块apt和从捕获对准跟踪模块apt功能相似。
39.收发一体天线模块由大口径光学天线组成，实现两个功能；发射信标光和空间光、捕获信标光和空间光；
40.捕获对准跟踪模块apt主要由ccd相机、精跟踪振镜、粗瞄准振镜、信标光激光器、伺服电机和主控系统组成。
41.主捕获对准跟踪模块apt实时调整主收发一体天线模块的方向使得从节点的信标光始终在主捕获对准跟踪模块apt的ccd相机的成像位置上，以此实现主从节点的收发一体天线的动态对准，保证链路的可靠性。
42.本方案中的收发一体天线模块和捕获对准跟踪模块apt与常规点对点空间激光通信中所对应的模块结构和用途均相同。
43.如图2所示，光路交换模块包括多个从节点传输模块、波长转换系统、电子系统5和光开关矩阵8，每个从节点传输模块均与波长转换系统、电子系统5和光开关矩阵8相连，波长转换系统与光开关矩阵8相连，光开关矩阵8还与电子系统5相连；
44.一个从节点传输模块包括环形器1、低噪声前置掺铒光纤放大器2、光学带通滤波器3、耦合器4和后置高功率掺铒光纤放大器9；
45.波长转换系统设置有多个输入端口和输出端口，光开关矩阵8设置有一个控制端口、多个输入端口和多个输出端口，电子系统5设置有多个输入端口和两个输出端口；
46.每个从节点传输模块中，从节点的信号光输入到环形器的第一端口a，环形器的第二端口b依次经低噪声前置掺铒光纤放大器2和光学带通滤波器3后与耦合器4的输入端口相连；低噪声前置掺铒光纤放大器2将从节点的信号光的功率进行放大，放大的功率范围具体为光模块中的探测器工作功率的范围，光学带通滤波器3是滤去杂散光信号，防止杂散光信号的干扰，提高从节点的信号光的信噪比。
47.各个从节点传输模块的耦合器4的第一输出端口连接到电子系统5的各个输入端口，耦合器4的第二输出端口连接到波长转换系统的一个输入端口，电子系统5的第一输出端口连接到光开关矩阵8的控制端口，电子系统5的第二输出端口与光开关矩阵8的一个输入端口相连，波长转换系统的每个输出端口与光开关矩阵8对应的一个输入端口相连，光开关矩阵8的各个输出端口连接到各个从节点传输模块的后置高功率掺铒光纤放大器9的输入端口，每个从节点传输模块中的后置高功率掺铒光纤放大器9的输出端口均连接到环形器的第三端口c，后置高功率掺铒光纤放大器9将光开关矩阵8发送的信号光的功率放大至较大的输出功率，输出功率的量级为瓦量级。环形器控制光路的传输，保证光路的单向传输和双工模式的实现。
48.主节点中的收发一体天线模块包括多个收发一体天线，具体实施中，考虑到体积和重量的限制，收发一体天线为卡塞格林式、格里高利式的光学天线，多个收发一体天线相互之间独立工作，安装位置应根据需要设计来覆盖大角度的空间视场以此更便捷地捕获从节点的信标光，从节点传输模块和收发一体天线个数相同，每个收发一体天线与一个从节点传输模块相连，每个收发一体天线与每个从节点一一对应，每个从节点的信号光通过一个收发一体天线接收并传输给对应的从节点传输模块，从节点传输模块输出的信号通过对应的收发一体天线直接发送给从节点，具体实施中，主节点收发一体天线的个数不小于同时连接的从节点个数。
49.波长转换系统的输入端口和输出端口个数、电子系统5的输入端口个数、光开关矩阵8的输出端口个数均与从节点传输模块个数相同。
50.波长转换系统包括数据转换模块6和多个光模块7，每个光模块7均有一个输入端、数据转换端和输出端，多个光模块7并联设置后多个光模块7的数据转换端均与数据转换模块6连接，一个光模块7的输出作为波长转换系统的一个输入端口，一个光模块7的输出作为
波长转换系统的一个输出端口。波长转换系统内部不进行多路信号之间的交换，具体实施中，数据转换模块6为光纤收发器、交换主机或者其他具备将信号转换为光模块7能进行处理的数据的功能的器件，光模块7将从节点的信号光的波长λ1转换成波长λ2。
51.耦合器4的分束参数根据实际情况设计。具体实施中，采用分束参数为1：9的光学耦合器4，10％信号光进入电子系统5，剩下的90％信号光进入波长转换系统。
52.电子系统5中设置有光模块7，光模块7的输出作为电子系统5的第二输出端口，电子系统5产生主节点信号光，主节点信号光利用光模块7进行信号转换后通过电子系统5的第二输出端口发送给光开关矩阵8，实现主节点与从节点的信号交换。
53.电子系统5对传输的多个从节点的信号光中特殊控制字段进行解调后转换成光开关的控制子指令，由多个控制子指令组成的控制指令从第一输出端口发送给光开关矩阵8的控制端口，控制指令对光开关矩阵8中光学路径按照需求进行配置，如图3所示。
54.光开关矩阵8的输入端口个数比光开关矩阵8的输出端口个数多一个；光开关矩阵8实际工作的输入端口个数不超过光开关矩阵8的输出端口个数；从光开关矩阵8的输入端口中输入的信号一定会从光开关矩阵8的一个输出端口中输出。
55.具体实施中，如图1所示，从节点发往主节点的信号光波长为λ1，主节点发往从节点的信号光波长为λ2，且主从节点间为双工通信。示意图中从节点数目为四个。
56.主节点光学天线个数、光路交换模块的输入和输出端口个数可以根据从节点的数目确定，可以按照光路交换模块的输入和输出端口个数增加或者减少从结点的数目。但是同时连接的从节点不能大于预设计的光路交换模块的输入和输出端口个数。
57.图2中主节点的光学天线数目和光路交换模块中部分元件的端口数也为四个，需要注意的是4个光学天线在图2中的位置并不代表其实际位置，实际会根据需要在空间上有不同地安装分布，实现对从节点更大范围的捕获。
58.电子系统5由xilinx公司生产的ultravirtex 7系列fpga板卡构成，具有高速信号的处理功能，ultravirtex 7系列fpga板卡自身提供光模块接口，光模块7与光模块接口相连，使得光模块7将ultravirtex 7系列fpga板卡产生的电信号转换为波长为λ2的主节点信号光，光模块7的输出作为电子系统5的第二输出端口，电子系统5能够对波长为λ1的各路信号中特殊控制字段进行捕获和解调并转换成对应的控制子指令，电子系统5也具有rs232控制端口与光开关矩阵8进行连接。
59.需要说明的是，波长转换系统可以有多种方案，有基于光模块7和交换主机的光电混合型方案和非线性效应的全光波长转换类型。本发明中使用商业化程度高的光模块7和交换主机6的组合来实现波长转换系统的功能。
60.光模块7一般为采用商用dwdm的sfp+接口光模块，速率一般为10g、25g、40g，最高可达400g。若采用40g光模块，主节点的理论最大吞吐量最高可达160gbps，足以满足小型网络节点的流量需求。
61.交换主机为各路光模块提供数据通道，实现信号光的整形、放大和再生，避免下个传输阶段中信号光的恶化。
62.光开关矩阵8的功能是根据控制指令在不同输入输出端口构建光学通路。本方面采用mems类型光开关矩阵。目前已经主流商用光开关的有基于机械振镜型、mems型和soa型，速度为ns级别到ms级别不等，实际可以根据需要选择不同类型的光开关矩阵。
63.电子系统5对光开关矩阵路径进行配置，随后四路的数据载荷会根据光开关矩阵的路径而有不同的流向，因此可以动态的配置光开关矩阵改变数据载荷的终点，图3链路工作状态示意图展示了实际工作时的连接状态。
64.本发明设计方案中所述器件均有成熟的商业产品，可行性高、结构简单。本方案中各个节点通过主节点可以实现与其他任意节点的连接，主节点会对各信号进行整形、放大、再生实现更远距离的空间激光通信、同时该方案也可以解决由于两节点间局部条件恶劣或者因为apt系统俯仰角极限产生的空间激光通信链路中断的问题，因此本方案具有一定的应用价值。
65.如图4所示，以飞行平台为中继节点，可以利用空间激光通信使得地面站、海上舰船和空中节点间进行相互通信，形成了一个小型化的局域网络。
66.本发明也可以卫星间进行通信，使得低轨道卫星与高轨道卫星间或高轨道卫星与高轨道卫星间进行通信，实现基于空间激光通信的卫星组网。
67.如果仅用于陆基的非移动节点间，则本发明的系统结构可以进一步简化，复杂的apt系统可以用机械调节装置代替。
68.另外地，对于光纤链路铺设困难的地区，如多山地区或野外营区，本发明可以实现数据中继和局域网络快速架设。
69.以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何本技术领域相关的技术人员在本申请申明的技术范围内进行轻微的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。