移動場景下無線紫外光自動捕獲對準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)

荊光瑞 楊永坤 白曉晨

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安710048）

當(dāng)前,紫外光通信已經(jīng)成為光通信技術(shù)領(lǐng)域中的新型研究熱點(diǎn),日盲波段（200～280nm）紫外光因其保密性好,抗干擾能力強(qiáng),可非直視通信等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注和重視[1～4]。

捕獲、對準(zhǔn)和跟蹤（Acquisition, Pointing and Tracking,APT）技術(shù)是移動無線光通信的一個重要組成部分,能夠用于光通信發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的對準(zhǔn)而獲得直視光鏈路,是直視光通信系統(tǒng)有效運(yùn)行所必需的。

2016 年,密歇根州立大學(xué)的Mohammed Al-Rubaiai[5]設(shè)計了根據(jù)信號強(qiáng)度控制旋轉(zhuǎn)底座的動態(tài)對準(zhǔn)系統(tǒng),將數(shù)據(jù)丟失率從56.2%降低到9.9%。2017 年長春理工大學(xué)Ma Yanfang[6]比較分析了APT 系統(tǒng)計算精度時經(jīng)常使用的質(zhì)心法、霍夫變換法和圓擬合法等點(diǎn)檢測方法,給出了每種算法的適用條件。2017 年北京航天工程學(xué)院Guo Aiyan[7]針對低地球軌道衛(wèi)星間光通信的場景,研究了基于強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測的小型光終端無信標(biāo)APT,并設(shè)計APT 程序。分析了視軸振動對采集時間和采集概率的影響,提出剩余不確定區(qū)域計算方法。2019 年,華中科技大學(xué)Cai Chengkun[8]提出由位置傳感器控制壓電驅(qū)動轉(zhuǎn)向鏡實現(xiàn)快速對準(zhǔn),其壓電驅(qū)動頻率可達(dá)2kHz,在每秒30 幀的圖像觀察中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以使光束中心位置的變化幅度由0.7mm 縮小到0.2mm。2019 年西北工業(yè)大學(xué)Li Qing[9]提出了由萬向鏡和壓電快速轉(zhuǎn)向鏡組成的復(fù)合軸APT 系統(tǒng),可以實現(xiàn)多個光軸的獨(dú)立和同步控制,能夠在復(fù)雜的機(jī)載環(huán)境下執(zhí)行多目標(biāo)APT。2019年美國林肯實驗室Chang J[10]針對小衛(wèi)星激光通信研究出了一種低復(fù)雜度APT 系統(tǒng),該系統(tǒng)利用單個四單元光電探測器作為光學(xué)空間傳感器,并利用航天器的身體指向能力來執(zhí)行跟蹤機(jī)動,避免了對額外專用光學(xué)硬件的需要。

目前的紫外光通信裝置都是點(diǎn)對點(diǎn)的通信,移動場景下的紫外光通信的快速APT 比較困難,本文提出了一種移動場景下無線紫外光通信自動捕獲對準(zhǔn)跟蹤算法,并基于ARM為核心的硬件處理電路,建立了紫外光通信系統(tǒng),實驗結(jié)果表明本算法能夠?qū)崿F(xiàn)快速的捕獲對準(zhǔn)跟蹤,滿足移動場景下的無線紫外光通信系統(tǒng)要求。

1 移動場景下無線紫外光通信捕獲、對準(zhǔn)、跟蹤方法

1.1 紫外光移動自組網(wǎng)設(shè)計

主從節(jié)點(diǎn)間直視通信和非直視通信示意圖如圖1 所示,“×”表示紫外光發(fā)射器件,如紫外LED,“?”表示紫外光光電轉(zhuǎn)換器件,如光電倍增管。為了避免自身發(fā)射光信號對自身光電倍增管的干擾,LED 和光電倍增管呈90°正交布局。載有LED 和光電倍增管的四棱柱的中心軸固定在伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,由伺服電動機(jī)驅(qū)動。主節(jié)點(diǎn)的四棱柱順時針旋轉(zhuǎn),從節(jié)點(diǎn)的四棱柱逆時針旋轉(zhuǎn)且與主節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)速相同。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)光電倍增管在主節(jié)點(diǎn)LED 的發(fā)散角內(nèi)時,可以實現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)發(fā),從節(jié)點(diǎn)收的紫外光直視通信,此時收發(fā)光椎的公共散射體如圖1 中實線陰影面積所示。隨時間推移,主從節(jié)點(diǎn)皆轉(zhuǎn)過一定角度,從節(jié)點(diǎn)光電倍增管不在主節(jié)點(diǎn)的發(fā)散角照射范圍內(nèi),此時可以實現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)發(fā),從節(jié)點(diǎn)收的紫外光非直視通信,非直視通信情況下收發(fā)光椎的公共散射體如圖1 中虛線陰影面積所示。當(dāng)收發(fā)節(jié)點(diǎn)都轉(zhuǎn)動90°,同理可實現(xiàn)從節(jié)點(diǎn)發(fā),主節(jié)點(diǎn)收的直視和非直視通信。

圖1 主從節(jié)點(diǎn)間直視通信和非直視通信示意圖

1.2 紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計

通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成如圖2 所示,主要包括調(diào)制解調(diào)模塊、發(fā)送模塊、接收模塊、伺服電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊。

2 軟件設(shè)計（圖3）

2.1 捕獲過程

在捕獲的算法中,主節(jié)點(diǎn)保持每秒一圈的勻速轉(zhuǎn)動,從節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行加速度為0.2 的加速運(yùn)動,直至每秒兩圈轉(zhuǎn)動,再減速為每秒一圈的轉(zhuǎn)動,在此過程中會有一個速度差,使得從節(jié)點(diǎn)能夠接受到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的最大幅值信號,完成捕獲。

2.2 對準(zhǔn)過程

圖2 通信節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

圖3 捕獲對準(zhǔn)跟蹤算法流程圖

對準(zhǔn)算法中,從節(jié)點(diǎn)把捕獲過程接收到的最大幅值信號的幅值當(dāng)做參考值,同樣是在主從節(jié)點(diǎn)均旋轉(zhuǎn)且移動的場景下。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)用單片機(jī)采集到的信號幅值再次達(dá)到這個最大參考值的大概90%時,則認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到主從節(jié)點(diǎn)對準(zhǔn)的條件了,于是從節(jié)點(diǎn)立即調(diào)用每秒一圈的電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動算法,即從節(jié)點(diǎn)就電機(jī)加減速轉(zhuǎn)動變成了電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)同速反向的直視通信

2.3 跟蹤過程

在捕獲、對準(zhǔn)成功后,進(jìn)入跟蹤階段。目前是主從節(jié)點(diǎn)電機(jī)同速反向旋轉(zhuǎn),且主從節(jié)點(diǎn)處于直視通信狀態(tài)。在跟蹤算法中,每圈調(diào)整1 次轉(zhuǎn)速,以保證主從節(jié)點(diǎn)始終保持對準(zhǔn)狀態(tài)。調(diào)整方法為：檢測電機(jī)本圈旋轉(zhuǎn)中的信號幅度最大值與上一圈中的信號幅度最大值的關(guān)系,如果本圈與上一圈相比增大了,并且上一圈中是調(diào)用的電機(jī)微加速算法,那么本圈繼續(xù)增加1 次轉(zhuǎn)速,即繼續(xù)調(diào)用電機(jī)微加速算法；如果本圈與上一圈相比減小了,并且上一圈中是調(diào)用的電機(jī)微加速算法,那么本圈就要減少1 次轉(zhuǎn)速,即調(diào)用電機(jī)微減速算法,共有以下四種情況：

與上圈相比， 信號幅度增大 上一圈是增速 本圈繼續(xù)增速 調(diào)用電機(jī)微加速算法 與上圈相比， 信號幅度增大 上一圈是減速 本圈繼續(xù)減速 調(diào)用電機(jī)微減速算法 與上圈相比， 信號幅度減小 上一圈是增速 本圈減速 調(diào)用電機(jī)微減速算法 與上圈相比， 信號幅度減小 上一圈是減速 本圈增速 調(diào)用電機(jī)微加速算法

3 實驗條件及結(jié)論

3.1 實驗條件

為了驗證基于ARM 的紫外光通信系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能,進(jìn)行了一些相關(guān)性實驗。實驗地點(diǎn)為西安工程大學(xué)臨潼校區(qū)電信學(xué)院前,時間為2020 年12 月20 日晚上07:00-10:00。實驗過程中所測的溫度為-4 度,風(fēng)速為1 級,實驗中通信距離為0～20m,間隔為5m,搭建的紫外光通信實驗平臺如圖4、5 所示。

圖4 發(fā)送端實物圖

圖5 接收端實物圖

圖6 距離對捕獲時間的影響

圖7 速度對捕獲時間的影響

3.2 實驗結(jié)果及分析

在距離為5～10m 的時候,只需要經(jīng)過一次就能捕獲到信號,在10～15m 的時候,需要經(jīng)過兩次捕獲,才能獲得信號,超過15m 之后,需要三次才能穩(wěn)定的接收到信號,具體如圖6 所示。

在移動速度不超過0.2m/s 的時候,收端只需要一次即可捕獲成功,在0.2～0.3m/s 的時候,需要兩次才能捕獲成功,如圖7所示。

4 結(jié)論

紫外光通信技術(shù)因其具有保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、可非直視等優(yōu)點(diǎn),被應(yīng)用至無線通信無法觸及的場合,例如軍事和無人機(jī)編隊飛行等領(lǐng)域。建立基于ARM的移動場景下無線紫外光通信系統(tǒng),提出適用于移動場景下節(jié)點(diǎn)間捕獲、對準(zhǔn)、跟蹤的算法,系統(tǒng)利用軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計完成,重點(diǎn)分析捕獲時間與主從節(jié)點(diǎn)間移動速度和主從節(jié)點(diǎn)間間隔距離的關(guān)系,實驗驗結(jié)果表明,在15m 的距離內(nèi),移動速度不超過0.3m/s 時,該系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng),能快速實現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)任意相對位置和任意初始相位情況下的捕獲、對準(zhǔn)、跟蹤。