專利名稱：一種用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)，采用內(nèi)壁涂有反射膜的管道作為光的傳輸通道，用于直線運(yùn)動(dòng)物體與控制中心之間的高速數(shù)據(jù)交換。
背景技術(shù)：
無線光通信(或稱自由空間光通信FSO)系統(tǒng)是指以激光光波作為載波，大氣作為傳輸介質(zhì)的光通信系統(tǒng)。無線光通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，既具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又不需要鋪設(shè)光纖和受無線頻率的管制。系統(tǒng)由兩臺激光通信機(jī)構(gòu)成，它們相互向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號，接收并解調(diào)來自對方的激光脈沖信號，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。
圖1為FSO的示意圖，兩端的FSO設(shè)備是相同的，包括激光器LD驅(qū)動(dòng)及調(diào)制1、光探測和數(shù)據(jù)接收恢復(fù)2、光學(xué)天線3等幾大部件。FSO使用的波長一般為850nm短波長，可以采用垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，功率可以到幾十毫瓦。近年來，1550nm波長也得到很大應(yīng)用，因?yàn)?550nm波長可以進(jìn)行光放大，使輸出功率達(dá)到數(shù)百毫瓦，還可以進(jìn)行波分復(fù)用，極大增加傳輸帶寬(國外已有速率達(dá)160Gb/s的報(bào)道)。光學(xué)天線3是FSO不同于光纖通信的主要部分，由透鏡組組成，光學(xué)天線可以為收發(fā)分開也可以為收發(fā)合一。在發(fā)送端，光學(xué)天線3的主要作用是控制發(fā)送光束的發(fā)散角，使激光能量集中，在接收端，光學(xué)天線3的主要作用是匯聚光能量至光探測器，提高探測靈敏度。
FSO技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問題1、天氣因素尤其是大霧、沙塵暴等所引起的光的色散、漫反射將極大影響光通信的質(zhì)量。2、只能在視距范圍內(nèi)建立通信鏈路。3、安裝點(diǎn)的移動(dòng)或振動(dòng)會(huì)影響兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的激光對準(zhǔn)，使通信質(zhì)量下降甚至?xí)簳r(shí)中斷。4、飛鳥等障礙物經(jīng)過鏈路空間，通信可能會(huì)瞬間中斷。
目前的FSO技術(shù)主要用于固定點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)FSO技術(shù)用于衛(wèi)星等運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，需要復(fù)雜的跟蹤和控制裝置，以使兩端的激光束能夠?qū)?zhǔn)對方，這些技術(shù)還在發(fā)展之中。
在有些工業(yè)應(yīng)用場合(如龍門起重機(jī))，物體在一個(gè)不太長的距離上作直線運(yùn)動(dòng)(＜1000m)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)帶寬較寬、實(shí)時(shí)性較高，無法使用微波通信(工業(yè)環(huán)境干擾和調(diào)制速率達(dá)不到要求)和光纖通信(無法敷設(shè)光纖)時(shí)，無線光通信技術(shù)是一個(gè)較好的解決方案。
圖2示出了一種沿軌道7直線運(yùn)動(dòng)的物體4上的無線光通信設(shè)備5與中心控制器9的無線光通信設(shè)備8之間建立的無線光通信連接，目的是在運(yùn)動(dòng)物體4的控制器6和中心控制器9之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。
先假設(shè)運(yùn)動(dòng)物體4運(yùn)行在理想水平軌道7上，不會(huì)發(fā)生上下振動(dòng)和左右晃動(dòng)。此時(shí)，無線光通信設(shè)備5、8高度一致，連線與軌道平行，系統(tǒng)光路的示意圖如圖3。
FSO發(fā)射光功率P0與探測器接收光功率PL間的關(guān)系如下式PL=P0ηRηTe-αL(drθL)2]]>其中ηT為發(fā)射天線的效率，ηR為接收天線的效率，α為大氣的衰減系數(shù)。假設(shè)ηT＝ηR＝1，α＝10dB/km(薄霧天)。dr為接收口徑，θ為發(fā)散角，L為傳輸距離。如小車運(yùn)動(dòng)的區(qū)間為10m＜L＜500m，此時(shí)，接收光功率相差33+5＝38dB。設(shè)dr＝5cm，θ＝10mrad＝0.01rad(mrad＝0.001rad(弧度)為角度單位，1°＝17.45mrad)，P0＝10mW＝10dBm，此時(shí)P10m＝4dBm，P500m＝-34dBm，一般在200Mb/s速率時(shí)，探測器靈敏度為-36dBm，所以當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)滿足靈敏度要求，但近距離的接收光功率已經(jīng)飽和(一般＜0dBm)，會(huì)造成較大誤碼。由以上分析可以看出，在物體4大范圍移動(dòng)的過程中，光功率變化很大，可能會(huì)超過光探測器的動(dòng)態(tài)范圍。
以上為理想情況，實(shí)際上，軌道7不可能完全水平，運(yùn)動(dòng)物體4也不可能沒有振動(dòng)，為提高接收光功率，控制光斑直徑11，一般的無線光通信系統(tǒng)的發(fā)散角10都很小，允許的發(fā)散角變化只有10mrad以下，即不到1°，軌道和小車無法滿足這個(gè)要求。所以一般的無線光通信系統(tǒng)在沒有加裝自動(dòng)跟蹤和光功率動(dòng)態(tài)控制裝置時(shí)是不適合這種直線運(yùn)動(dòng)無線光通信系統(tǒng)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)，能在直線運(yùn)動(dòng)物體與中心控制器之間建立高速數(shù)據(jù)通信連接，無需復(fù)雜的自動(dòng)跟蹤和光功率動(dòng)態(tài)控制裝置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)，包括在直線軌道上運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)物體、連接運(yùn)動(dòng)物體的控制器和無線光通信設(shè)備、以及連接中心控制器的無線光通信設(shè)備，其特征在于有一根傳輸信號光的管道與所述的直線軌道平行安置，所述的連接運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信設(shè)備通過一個(gè)連接裝置而處于所述管道的一端中心處，所述的連接中心控制器的無線光通信設(shè)備安置于所述管道的另一端中心處；所述的位于管道兩端的兩個(gè)無線光通信設(shè)備用于將各接口輸入的數(shù)據(jù)信號變換為無線激光信號發(fā)射及將接收到的無線光信號變?yōu)楦鹘涌谳敵龅臄?shù)據(jù)信號，中心控制器通過連接運(yùn)動(dòng)物體的控制器控制運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)并采集運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息傳回中心控制器，從而實(shí)現(xiàn)中心控制器對運(yùn)動(dòng)物體的智能控制和管理，同時(shí)，連接運(yùn)動(dòng)物體的控制器和中心控制器控制各自連接的無線光通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)兩無線光通信設(shè)備間的無線光通道建立高速數(shù)據(jù)連接。
上述的無線光通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)是其輸入系統(tǒng)是信號光輸入經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器連接一個(gè)信號選擇器的一個(gè)輸入口，數(shù)據(jù)輸入直接連接信號選擇器的另一輸入口，各信號輸入經(jīng)一個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)接器連接信號選擇器的數(shù)據(jù)輸入口，而信號選擇器的輸出經(jīng)一個(gè)激光調(diào)制及發(fā)射模塊連接一個(gè)光學(xué)天線的輸入口；其輸出系統(tǒng)是所述的光學(xué)天線的輸出經(jīng)一個(gè)光探測及接收模塊連接一個(gè)信號選擇器的輸入口，該信號選擇器的一個(gè)輸出經(jīng)一個(gè)數(shù)據(jù)分接器而輸出各信號輸出，另一輸出直接為數(shù)據(jù)輸出，還有一個(gè)輸出經(jīng)一個(gè)電/光轉(zhuǎn)換器而輸出信號光輸出。
上述的傳輸信號光的管道為金屬或塑料的內(nèi)壁涂有反射膜的管道。
上述的連接裝置是一根連接桿，所述的傳輸信號光的管道有一條軸向開口槽，所述的連接桿穿過管道的軸向開口槽而內(nèi)端與無線光通信設(shè)備固定連接，外端與運(yùn)動(dòng)物體固定連接。
上述的運(yùn)動(dòng)物體為需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備或裝置。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)1、采用內(nèi)壁涂有反射膜的管道作為無線光的傳輸通道，使光能集中。2、需要的輸出光功率小，可在較大范圍內(nèi)滿足光探測器動(dòng)態(tài)范圍的要求。3、無需復(fù)雜的自動(dòng)跟蹤裝置即可實(shí)現(xiàn)沿直線運(yùn)動(dòng)的無線光通信。4、無線光通信設(shè)備在管道內(nèi)工作，受外界環(huán)境的影響小。5、光學(xué)天線的口徑小，能提高可靠性、降低成本。6、具有多種輸入輸出接口，便于與各種設(shè)備連接，采用數(shù)字復(fù)接方式，實(shí)時(shí)性好。


圖1無線光通信系統(tǒng)示意圖。
圖2傳統(tǒng)無線光通信系統(tǒng)在直線運(yùn)動(dòng)物體上運(yùn)用示意圖。
圖3傳統(tǒng)無線光通信系統(tǒng)在直線運(yùn)動(dòng)物體上運(yùn)用的光路示意圖。
圖4本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5用圖1示例的傳輸信號光的管道剖面圖。
圖6用圖1示例的無線光通信設(shè)備原理框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明一種用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例的詳述如下參見圖4，運(yùn)動(dòng)物體12在軌道19上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)物體12上的控制器13需要與中心控制器18進(jìn)行高速通信，以使中心控制器18能對運(yùn)動(dòng)物體12的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能控制和管理，并將運(yùn)動(dòng)物體12的各種狀態(tài)及其他如監(jiān)控視頻等信息傳回控制中心18。由于無法采用微波或光纖通信等方式，這里采用了無線光通信實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體12與中心控制器18之間的高速全雙工通信，為了克服傳統(tǒng)無線光通信方式在應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體時(shí)的缺陷，這里采用了內(nèi)壁涂有反射膜的管道16作為無線光的傳輸通道。管道16與軌道19平行布置，運(yùn)動(dòng)物體12側(cè)的無線光通信設(shè)備15隨運(yùn)動(dòng)物體12在管道16內(nèi)移動(dòng)，中心控制器18側(cè)的無線光通信設(shè)備17在管道16一端的中心固定。
為了使無線光通信設(shè)備15能在管道16內(nèi)移動(dòng)，需要在管道16的下方開槽，參見圖5，連接裝置14為一根連接桿，與槽20間有一定間隙，使運(yùn)動(dòng)物體12移動(dòng)時(shí)可以在一定范圍內(nèi)左右晃動(dòng)，其內(nèi)端連接無線光通信設(shè)備15，外端連接運(yùn)動(dòng)物體12。無線光通信設(shè)備15的外殼與管道16的內(nèi)壁之間也有一定間隙，使運(yùn)動(dòng)物體12可在一定范圍內(nèi)上下振動(dòng)。如運(yùn)動(dòng)物體12運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅度較大，為減小振動(dòng)的影響，可以在無線光通信設(shè)備15與運(yùn)動(dòng)物體12之間采用柔性連接，另外在無線光通信設(shè)備15和管道16間加滑動(dòng)裝置，使無線光通信設(shè)備15在管道16內(nèi)自由滑動(dòng)。
由于管道16內(nèi)部具有良好反射，光能的損耗比自由空間減小很大，而且管道16的使用也減小了雨霧等外界環(huán)境的影響，所以可以采用較小功率的激光器，以滿足動(dòng)態(tài)范圍的要求。
光在管道16中反射傳輸時(shí)，由于入射角不同，使不同入射光的傳輸路徑不同，輸入光脈沖會(huì)有一定程度的展寬，但由于入射光的發(fā)散角很小(＜1°)，傳輸距離較短(＜1km)，使脈沖展寬很小，完全滿足1Gb/s以上傳輸速率的要求。
圖6為上述的無線光通信設(shè)備15、17的原理框圖。無線光通信設(shè)備15、17具有多種輸入輸出接口，無線光通信設(shè)備15的輸入輸出接口接運(yùn)動(dòng)物體12上的控制器13，無線光通信設(shè)備17的輸入輸出接口接中心控制器18。信號光輸入21可以直接接各種速率的已調(diào)光信號，對速率和協(xié)議透明，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換24變?yōu)楦咚贁?shù)字電信號；數(shù)據(jù)輸入22接高速數(shù)字信號；信號輸入23可以接多種輸入信號，如視音頻信號、RS232/485信號、以太網(wǎng)信號、工業(yè)控制信號等，數(shù)據(jù)復(fù)接器25將以上信號復(fù)接為高速數(shù)字信號，數(shù)據(jù)復(fù)接器25采用通用復(fù)接芯片實(shí)現(xiàn)，可以簡化設(shè)計(jì)。信號選擇器26選擇三路高速數(shù)字信號中的一種輸入到激光器調(diào)制及發(fā)射模塊27，將信號調(diào)制到激光上送入光學(xué)天線28發(fā)射，光學(xué)天線28可以采用折射式透鏡組也可采用反射式卡塞克倫天線。由對方設(shè)備經(jīng)管道發(fā)來的已調(diào)信號光經(jīng)光學(xué)天線28接收，匯聚到光探測器上，光探測器可以采用PIN或APD探測器，信號光經(jīng)光探測接收模塊29后恢復(fù)出發(fā)射的高速數(shù)字電信號輸入到信號選擇器30，再由與發(fā)射端對應(yīng)的輸出端輸出。數(shù)據(jù)分接器31將高速數(shù)字信號恢復(fù)為輸入的多種信號接口輸出，數(shù)據(jù)輸出34將高速數(shù)字信號直接輸出，電/光轉(zhuǎn)換器32將高速數(shù)字信號變?yōu)楣庑盘柡筝敵觥?br> 這里通過參考具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但這僅僅是應(yīng)用舉例，應(yīng)該清楚本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)的情況下可做出各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)，包括在直線軌道(19)上運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)物體(12)、連接運(yùn)動(dòng)物體(12)的控制器(13)和無線光通信設(shè)備(15)、以及連接中心控制器(18)的無線光通信設(shè)備(17)，其特征在于有一根傳輸信號光的管道(16)與所述的直線軌道(19)平行安置，所述的連接運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信設(shè)備(15)通過一個(gè)連接裝置(14)而處于所述管道(16)的一端中心處，所述的連接中心控制器的無線光通信設(shè)備(17)安置于所述管道(16)的另一端中心處；所述的位于管道(16)兩端的兩個(gè)無線光通信設(shè)備(15、17)用于將各接口輸入的數(shù)據(jù)信號變換為無線激光信號發(fā)射及將接收到的無線光信號變?yōu)楦鹘涌谳敵龅臄?shù)據(jù)信號，中心控制器(18)通過連接運(yùn)動(dòng)物體的控制器(13)控制運(yùn)動(dòng)物體(12)的運(yùn)動(dòng)并采集運(yùn)動(dòng)物體(12)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息傳回中心控制器(18)，從而實(shí)現(xiàn)中心控制器(18)對運(yùn)動(dòng)物體(12)的智能控制和管理，同時(shí)，連接運(yùn)動(dòng)物體的控制器(13)和中心控制器(18)控制各自連接的無線光通信設(shè)備(15、17)，實(shí)現(xiàn)兩無線光通信設(shè)備(15、17)間的無線光通道建立高速數(shù)據(jù)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)，其特征在于所述的無線光通信設(shè)備(15、17)的結(jié)構(gòu)是其輸入系統(tǒng)是信號光輸入(21)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器(24)連接一個(gè)信號選擇器(26)的一個(gè)輸入口，數(shù)據(jù)輸入(22)直接連接信號選擇器(26)的另一輸入口，各信號輸入(23)經(jīng)一個(gè)數(shù)據(jù)復(fù)接器(25)連接信號選擇器(26)的數(shù)據(jù)輸入口，而信號選擇器(26)的輸出經(jīng)一個(gè)激光調(diào)制及發(fā)射模塊(27)連接一個(gè)光學(xué)天線(28)的輸入口；其輸出系統(tǒng)是所述的光學(xué)天線的輸出經(jīng)一個(gè)光探測及接收模塊(29)連接一個(gè)信號選擇器(30)的輸入口，該信號選擇器(30)的一個(gè)輸出經(jīng)一個(gè)數(shù)據(jù)分接器(31)而輸出各信號輸出(33)，另一輸出直接為數(shù)據(jù)輸出(34)，還有一個(gè)輸出經(jīng)一個(gè)電/光轉(zhuǎn)換器(32)而輸出信號光輸出(35)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)，其特征在于所述的傳輸信號光的管道(16)為金屬或塑料的內(nèi)壁涂有反射膜的管道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)，其特征在于所述的連接裝置(14)是一根連接桿，所述的傳輸信號光的管道(16)有一條軸向開口槽，所述的連接桿穿過管道(16)的軸向開口槽而內(nèi)端與無線光通信設(shè)備(15)固定連接，外端與運(yùn)動(dòng)物體(12)固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)，其特征在于所述的運(yùn)動(dòng)物體(12)為需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備或裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于直線運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信系統(tǒng)。它包括在直線軌道上運(yùn)動(dòng)的物體、連接運(yùn)動(dòng)物體的控制器和無線光通信設(shè)備、以及連接中心控制器的無線光通信設(shè)備，有一根傳輸信號光的管道與直線軌道平行安置，連接運(yùn)動(dòng)物體的無線光通信設(shè)備通過一個(gè)連接裝置而處于管道一端中心處，連接中心控制器的無線光通信設(shè)備安置于管道另一端中心處。本發(fā)明能在直線運(yùn)動(dòng)物體與中心控制器之間建立高速無線光通信連接，無需復(fù)雜的自動(dòng)跟蹤和光功率動(dòng)態(tài)控制裝置，也極大地降低了外界環(huán)境的干擾。
文檔編號H04B10/10GK1878034SQ20061002695
公開日2006年12月13日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者宋英雄, 李迎春, 王廷云, 陳健 申請人:上海大學(xué)