長距離無線激光傳輸設(shè)備的信號(hào)捕獲與自動(dòng)跟蹤

莫海濤，王慶福，何曉壘，潘曉樂（.中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西桂林54004；.遼寧行政學(xué)院 信息技術(shù)系，沈陽06）

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長距離無線激光傳輸設(shè)備的信號(hào)捕獲與自動(dòng)跟蹤

莫海濤1，王慶福2，何曉壘1，潘曉樂1
（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西桂林541004；2.遼寧行政學(xué)院 信息技術(shù)系，沈陽110161）

摘要：針對(duì)長距離無線激光傳輸設(shè)備開通使用過程中容易受到超出視距范圍及各種天氣狀況的影響，提出了一種無線激光傳輸設(shè)備的信號(hào)捕獲與自動(dòng)跟蹤相結(jié)合的技術(shù)，并介紹了該技術(shù)的具體設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：長距離；無線激光傳輸設(shè)備；信號(hào)捕獲；自動(dòng)跟蹤

0　引言

長距離無線激光傳輸設(shè)備是針對(duì)長距離、高速率無線光通信設(shè)備的市場需求而開發(fā)出的產(chǎn)品，適用于地面長距離通信。由于設(shè)備的設(shè)計(jì)通信距離大于我們的視距范圍，單純依靠操作人員借助光學(xué)天線的望遠(yuǎn)觀察光路和可見信標(biāo)光來捕獲信號(hào)存在一定的難度，因此設(shè)備需要通過輔助開通設(shè)備完成自動(dòng)掃描、捕獲對(duì)準(zhǔn)以簡化開通難度。隨著設(shè)備的通信距離加長，要求無線激光發(fā)射設(shè)備的發(fā)散角壓縮得很小，通信鏈路更容易受到大氣的影響，導(dǎo)致設(shè)備在接收端的光斑抖動(dòng)引起接收光功率的不穩(wěn)定也隨之增加，因此必須在短距離跟蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上針對(duì)長距離的情況進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。

1　信號(hào)捕獲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1輔助對(duì)準(zhǔn)設(shè)備

當(dāng)設(shè)備的開通距離超出我們的視距范圍時(shí)，首先要了解到架設(shè)地點(diǎn)的位置信息，使設(shè)備能大致對(duì)準(zhǔn)對(duì)端，于是設(shè)計(jì)了輔助對(duì)準(zhǔn)設(shè)備。輔助對(duì)準(zhǔn)設(shè)備采用基于GPS的輔助定位系統(tǒng)將兩點(diǎn)的經(jīng)緯度以及海拔信息收集并相互傳送對(duì)方，然后通過計(jì)算兩點(diǎn)角度差，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互指向?qū)Ψ?。輔助對(duì)準(zhǔn)設(shè)備如圖1所示，是由差分天線、差分處理計(jì)算單元、軟件和槍瞄望遠(yuǎn)系統(tǒng)組成。

輔助對(duì)準(zhǔn)設(shè)備可安裝在無線激光傳輸設(shè)備上，使用前需將輔助設(shè)備的槍瞄望遠(yuǎn)系統(tǒng)與無線激光傳輸設(shè)備的光路進(jìn)行同軸校準(zhǔn)。輔助對(duì)準(zhǔn)設(shè)備啟動(dòng)后，軟件會(huì)通過差分天線和差分處理計(jì)算單元自動(dòng)獲取本端GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)。操作人員將本端設(shè)備的GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)告知對(duì)端人員，并手動(dòng)輸入對(duì)端設(shè)備的GPS坐標(biāo)，點(diǎn)擊“偏角計(jì)算”，軟件會(huì)根據(jù)兩端設(shè)備的經(jīng)緯度和海拔高度等GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算兩端設(shè)備位置的偏角數(shù)據(jù)。此時(shí)我們調(diào)節(jié)無線激光傳輸設(shè)備的姿態(tài)，將兩端設(shè)備的姿態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)到與計(jì)算得到的偏角數(shù)據(jù)一致的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)粗對(duì)準(zhǔn)。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試測試，輔助對(duì)準(zhǔn)設(shè)備可以使系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到0.2°，滿足自動(dòng)掃描捕獲的精度要求。

圖1　輔助對(duì)準(zhǔn)設(shè)備

1.2自動(dòng)掃描捕獲

設(shè)備在輔助開通設(shè)備的基礎(chǔ)上采用的自動(dòng)掃描捕獲技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲。自動(dòng)掃描捕獲技術(shù)采用矩形螺旋式的掃描方式，掃描軌跡如圖2所示。矩形螺旋式的掃描是從中心依次向外圍進(jìn)行矩形螺旋式的掃描，這種掃描方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠在設(shè)定的掃描范圍內(nèi)從高到低地概率掃描且容易實(shí)現(xiàn)，也更容易設(shè)計(jì)掃描區(qū)域增量和重疊，掃描范圍也可以覆蓋設(shè)定掃描區(qū)域的所有部分。

圖2　自動(dòng)掃描軌跡圖

自動(dòng)掃描捕獲的范圍是掃描捕獲技術(shù)的一個(gè)比較重要的參數(shù)，如果掃描范圍過大會(huì)增加掃描捕獲的時(shí)間，如果掃描范圍過小又會(huì)降低掃描捕獲的實(shí)用性。經(jīng)實(shí)際測試，設(shè)備掃描范圍確定為±2°，捕獲概率可以達(dá)到93%，當(dāng)未捕獲成功時(shí)，需要人工介入，稍微調(diào)整設(shè)備的姿態(tài)，重新進(jìn)行自動(dòng)掃描捕獲。如果要提高捕獲概率，需要擴(kuò)大掃描范圍，這將大大增加單次掃描時(shí)間。通過掃描捕獲的方式來使探測器獲取跟蹤信號(hào)，當(dāng)跟蹤探測器捕獲到光信號(hào)就立即進(jìn)入自動(dòng)跟蹤階段。

2　自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于設(shè)備的通信距離較長，無線激光發(fā)射設(shè)備的發(fā)散角較小，使得光束在通信鏈路受到大氣的影響較大，導(dǎo)致設(shè)備在接收端的光斑抖動(dòng)引起接收光功率的不穩(wěn)定也隨著增加，這對(duì)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

四象限探測跟蹤法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速、大范圍的捕獲和粗對(duì)準(zhǔn)，在系統(tǒng)建立連接時(shí)或出現(xiàn)大范圍偏移時(shí)啟動(dòng)，保證系統(tǒng)能快速捕獲并進(jìn)入到粗對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)。四象限探測跟蹤法雖然跟蹤速度快且范圍大，但是QD探測器極易受較長的通信鏈路引起的光斑抖動(dòng)從而影響穩(wěn)定性；而光功率檢測跟蹤法則彌補(bǔ)了四象限探測跟蹤法的缺點(diǎn)，雖然跟蹤范圍和速度較慢，但可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確對(duì)準(zhǔn)和穩(wěn)定跟蹤。本文將兩種跟蹤方法結(jié)合起來，可以揚(yáng)長避短，充分發(fā)揮出兩者的優(yōu)勢(shì)。

2.1四象限探測跟蹤系統(tǒng)

四象限探測跟蹤系統(tǒng)由信標(biāo)光、探測器和伺服機(jī)構(gòu)組成。由于無線激光傳輸設(shè)備傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，考慮到霧衰、背景雜光等影響，直接選擇1550nm波長的信號(hào)光作為信標(biāo)光使用［1］，選擇1550nm響應(yīng)的QD探測器的探測信號(hào)作為自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)分析處理對(duì)象［2］，驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)。四象限探測跟蹤系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　四象限探測跟蹤系統(tǒng)框圖

QD探測器有a、b、c、d四個(gè)象限，每一象限有著相同的光電特性，每一象限產(chǎn)生的光電流正比于照在它上面的光功率。當(dāng)QD的四個(gè)象限所接收到的光功率大小一致時(shí)，說明光斑照在QD的正中央。當(dāng)無線激光傳輸設(shè)備相互對(duì)準(zhǔn)時(shí)，通過無線激光傳輸設(shè)備接收到的信標(biāo)光光斑是落在QD探測器上的。因此，我們只要計(jì)算出當(dāng)前信標(biāo)光光斑離QD探測器中央位置的偏差值，QD信號(hào)處理單元再將此偏差值轉(zhuǎn)換為伺服轉(zhuǎn)臺(tái)水平和俯仰的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以此驅(qū)動(dòng)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整兩端設(shè)備的姿態(tài)，完成粗對(duì)準(zhǔn)。

2.2光功率檢測跟蹤系統(tǒng)

光功率檢測跟蹤系統(tǒng)實(shí)際上是對(duì)人工調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)方法的一種模擬，主要是通過兩端設(shè)備的接收光功率值來進(jìn)行判斷。光功率檢測跟蹤系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4　光功率檢測跟蹤系統(tǒng)框圖

經(jīng)過四象限探測粗跟蹤后，無線激光傳輸設(shè)備已經(jīng)能夠接收到對(duì)端的光信號(hào)，該光信號(hào)中包含了對(duì)端設(shè)備接收的光功率信號(hào)信息，通過分光片將光信號(hào)分為兩部分：一部分光作為信標(biāo)光，進(jìn)入光功率探測處理單元，根據(jù)該部分光的強(qiáng)度，可以相對(duì)地判斷出接收光功率的值，并將該功率信息調(diào)制到信號(hào)光中，通過信號(hào)光激光器發(fā)送給對(duì)端接收；另一部分較強(qiáng)的光作為信號(hào)光，進(jìn)入光業(yè)務(wù)處理單元，而該部分光中調(diào)制有對(duì)端設(shè)備的接收光功率信息，將其解調(diào)出來，進(jìn)入光功率探測處理單元。這樣，光功率探測處理單元就可以根據(jù)探測到的本端光功率值和接收到的對(duì)端光功率值，控制伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)精跟蹤。

2.3自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，兩種跟蹤方法的切換是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，直接影響到設(shè)備的穩(wěn)定性。具體的實(shí)現(xiàn)方法是根據(jù)光功率強(qiáng)度的變化給兩種跟蹤方法分別設(shè)置不同的閾值：從QD探測器接收到光功率信號(hào)至無線激光傳輸設(shè)備的探測器檢測到某一數(shù)值的光功率的時(shí)間段使用四象限探測跟蹤法；光功率值達(dá)到精跟蹤閾值后使用光功率檢測跟蹤法。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)框圖如圖5所示。

在實(shí)際的測試過程中，由于受大氣湍流的影響，四象限探測無法確定功率的跳變是由于方位的偏差或湍流引起，會(huì)出現(xiàn)頻繁調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)中增加鎖定四象限探測跟蹤的功能可以緩解大氣湍流對(duì)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的影響：依照光功率檢測跟蹤系統(tǒng)所監(jiān)測的光功率取若干時(shí)間的功率平均值，可以判別是否光學(xué)天線方位出現(xiàn)偏移，以確定是否啟動(dòng)四象限探測跟蹤。

圖5　自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

經(jīng)實(shí)際測試，加鎖定控制功能后可大幅度減少跟蹤次數(shù)，提高了自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和整個(gè)無線激光傳輸設(shè)備穩(wěn)定性。實(shí)際測試記錄如表1所示。

表1　跟蹤啟動(dòng)次數(shù)記錄表（時(shí)間：15min，距離：10km）

3　結(jié)束語

無線激光通信具有容量大、安裝開通方便快捷等特點(diǎn)，但是其開通和使用過程也極易受到各種天氣情況及使用距離等的影響。本文針對(duì)長距離無線激光通信系統(tǒng)提出了一種信號(hào)捕獲和自動(dòng)跟蹤的方法，通過實(shí)際測試證明，該技術(shù)可以使得無線激光通信設(shè)備在視距范圍以外的距離也能夠快速準(zhǔn)確地開通和穩(wěn)定使用，對(duì)于下一步的星地、星間無線激光通信的相關(guān)研究提供了一定理論和數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)：

［1］柯熙政，席曉莉，劉長城.大氣激光通信中一種新的光束自動(dòng)捕獲方法［J］.光通信技術(shù)，2004，28（10）：39-41.

［2］姜會(huì)林.空間激光通信技術(shù)與系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

中圖分類號(hào)：TN929.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）06-0041-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.012

收稿日期：2016-02-25。

作者簡介：莫海濤（1981-），男，工程師，主要從事大氣激光通信方面的技術(shù)研究。

Signal acquisition and automatic tracking for a long distance wireless laser communicator

MO Hai-tao1，WANG Qing-fu2，HE Xiao-lei1，PAN Xiao-le1
（1.The 34th Research Institute of CETC，Guilin Guangxi 541004，China；2.Department of information technology，Liaoning Academy of Governance，Shenyang 110161，china）

Abstract：The long distance wireless laser communicator is easy to be affected by beyond visual range and some kinds of weather conditions．In view of the above factors，the paper introduces a signal acquisition technology and an automatic tracking technology used in long distance wireless laser communicator，and gives a detailed description on the design of these technologies．

Key words：long distance，wireless laser communicator，signal acquisition，automatic tracking