本發(fā)明涉及水下激光通信裝置及方法，具體涉及一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、水下無線光通信相較于傳統(tǒng)的水聲通信，具有帶寬大、高速率、低功耗、高抗干擾和保密性好等優(yōu)點，近年來引起了人們的廣泛關(guān)注。在水下無線光通信中，相比采用led光源的光通信設(shè)備，采用激光光源可以有效提升通信速率和距離，但由于激光光束窄、指向性強，需要實現(xiàn)水下光路的強對準，建立通信鏈路及穩(wěn)定保持的難度非常大。

2、對激光通信光束進行捕獲、瞄準和跟蹤(apt)是進行水下激光通信的前提之一。首先，雖然空間激光通信的apt系統(tǒng)已經(jīng)成熟，但空間環(huán)境下的光學設(shè)備口徑較大，且未考慮水下巨大壓強和密封性等特殊環(huán)境要求，因此難以直接應(yīng)用于水下激光通信中。目前水下激光通信常采用固定式框架實現(xiàn)彈道式光束對準，采用水下動密封式云臺或者擺鏡進行目標搜索。但是，固定式框架難以滿足復(fù)雜的實際應(yīng)用需求，水下動密封式云臺響應(yīng)速度慢、精度低，設(shè)備尺寸重量大，搭載受限；而擺鏡轉(zhuǎn)動范圍小，難以實現(xiàn)大范圍的目標搜索。

3、其次，常見的空間激光通信設(shè)備以搭載平臺為合作目標，如衛(wèi)星平臺可以通過星歷推算初始位置，在較小的不確定區(qū)域內(nèi)，可以很快建立光通信鏈路。而水下激光通信設(shè)備一般搭載在移動平臺如載人潛器、auv(自主式水下航行器)或rov(遙控無人潛水器)等，移動平臺隨機運動，若借助聲通信定位精度不高，且很容易暴露定位信息，導致水下通信目標難以獲取初始指向。

4、因此，水下激光通信設(shè)備需要能夠在大空間范圍進行掃描、捕獲以期建立光通信鏈路。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決水下隨機運動平臺間難以快速定向、建立光通信鏈路的技術(shù)問題，而提供一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置及方法。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置，包括兩個結(jié)構(gòu)相同的光通信機，兩個光通信機分別安裝在本端設(shè)備和對端設(shè)備上，其特殊之處在于：所述光通信機包括由固定座和透明光學窗口構(gòu)成的密封艙、設(shè)置在密封艙內(nèi)的二維轉(zhuǎn)臺和主控單元，以及設(shè)置在二維轉(zhuǎn)臺上的收發(fā)離軸式光學系統(tǒng)；

4、所述收發(fā)離軸式光學系統(tǒng)靠近透明光學窗口設(shè)置，包括相互平行的發(fā)射支路與接收支路；

5、所述發(fā)射支路包括用于發(fā)出信標光和/或通信光的激光器，以及沿激光傳輸方向依次設(shè)置的激光準直器和第一變焦鏡頭；

6、所述接收支路包括沿光束傳輸方向依次設(shè)置的第二變焦鏡頭和分光棱鏡，分光棱鏡的透射光路和反射光路上分別設(shè)置有一級大范圍掃描及通信單元和二級精跟蹤掃描單元，一級大范圍掃描及通信單元包括沿光束傳播方向依次設(shè)置的準直聚焦單元和光電探測器，二級精跟蹤掃描單元包括沿光束傳播方向依次設(shè)置的反射鏡、聚焦單元和圖像探測器；

7、所述主控單元分別與二維轉(zhuǎn)臺、激光器、光電探測器、圖像探測器電連接，用于控制二維轉(zhuǎn)臺、對激光器輸出的激光進行調(diào)制，以及對光電探測器和圖像探測器接收到的激光信號進行濾波和解調(diào)。

8、進一步地，所述激光器包括信標激光器和通信激光器，信標激光器和通信激光器發(fā)射的光束波長相同，通信激光器用于發(fā)射通信光，信標激光器用于發(fā)射信標光和增強通信光的功率；

9、所述信標激光器和通信激光器后端沿激光傳輸方向均依次設(shè)置有激光準直器和第一變焦鏡頭。

10、進一步地，所述光電探測器和圖像探測器的探測視場均≥10°；

11、所述光電探測器采用pmt探測器，圖像探測器采用ccd相機；

12、所述透明光學窗口為圓柱段加半球的大口徑透明光學窗口，其內(nèi)表面設(shè)置有抗反射涂層；

13、所述二維轉(zhuǎn)臺采用l型布局，方位轉(zhuǎn)動和俯仰轉(zhuǎn)動采用伺服電機驅(qū)動，測角元件采用小型時柵編碼器；

14、所述分光棱鏡的分光比為1：4。

15、進一步地，所述準直聚焦單元包括沿光束傳播方向依次設(shè)置的第一聚焦透鏡、可變光闌、整型透鏡、窄帶濾波器和第二聚焦透鏡，所述可變光闌與主控單元電連接；

16、所述聚焦單元包括第三聚焦透鏡。

17、進一步地，還包括跟蹤處理板，所述跟蹤處理板分別與激光器、光電探測器、圖像探測器電連接，與主控單元采用無線連接，用于接收主控單元發(fā)送的調(diào)制電信號，并將其發(fā)送至激光器，以及放大光電探測器的輸出信號、解析圖像探測器的輸出信號，并將其發(fā)送至主控單元；

18、或者，還包括兩端分別安裝在二維轉(zhuǎn)臺和收發(fā)離軸式光學系統(tǒng)上的外置同步旋轉(zhuǎn)架，主控單元與二維轉(zhuǎn)臺、激光器、光電探測器、圖像探測器之間的電氣接線固定在外置同步旋轉(zhuǎn)架上。

19、本發(fā)明還提供一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信方法，采用上述的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置，其特殊之處在于，包括以下步驟：

20、步驟1、本端主控單元控制激光器發(fā)出信標光，對端主控單元控制二維轉(zhuǎn)臺帶動光電探測器進行一級大范圍掃描、圖像探測器進行二級精跟蹤掃描，使本端激光器發(fā)出的信標光光斑處于對端圖像探測器的靶面中心；

21、步驟2、按照步驟1的方法，使對端激光器發(fā)出的信標光光斑處于本端圖像探測器的靶面中心，從而建立通信鏈路；

22、步驟3、分別調(diào)整本端和對端第二變焦鏡頭的位置，使接收視場角縮小，然后本端和對端的主控單元分別控制對應(yīng)的激光器發(fā)出通信光；

23、步驟4、本端和對端的通信光依次經(jīng)過其對端的第二變焦鏡頭、分光棱鏡后被分為跟蹤光束和通信光束，跟蹤光束經(jīng)過聚焦單元聚焦后被圖像探測器接收并傳輸至主控單元，通信光束經(jīng)過準直聚焦單元整形聚焦后被光電探測器接收并傳輸至主控單元；

24、步驟5、本端和對端的主控單元分別實時處理對應(yīng)圖像探測器的輸出信號，計算通信光光斑質(zhì)心位置，并調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺使通信光光斑始終處于圖像探測器的靶面中心；本端和對端的主控單元分別實時處理對應(yīng)光電探測器的輸出信號，得到通信信息，完成水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信。

25、進一步地，所述步驟1具體為：

26、步驟1.1、設(shè)定本端第一變焦鏡頭的調(diào)節(jié)時間間隔和位置，主控單元控制激光器發(fā)出信標光，然后采用輪詢方式按照設(shè)定的調(diào)節(jié)間隔和位置調(diào)節(jié)第一變焦鏡頭的位置，從而調(diào)整本端信標光的光束發(fā)散角；

27、步驟1.2、對端二維轉(zhuǎn)臺上電回零進入等待狀態(tài)，然后調(diào)整第二變焦鏡頭使對端的接收視場角最大，并通過主控單元設(shè)置二維轉(zhuǎn)臺分別在一級大范圍掃描、二級精跟蹤掃描狀態(tài)下的預(yù)定掃描軌跡和步距，以及光電探測器的輸出閾值；

28、步驟1.3、打開對端光電探測器和圖像探測器，主控單元根據(jù)圖像探測器的輸出信號判斷其是否接收到光斑，若接收到光斑，則執(zhí)行步驟1.8；否則，執(zhí)行步驟1.4；

29、步驟1.4、對端主控單元控制二維轉(zhuǎn)臺按照預(yù)定的掃描軌跡和步距進行一級大范圍掃描，并記錄光電探測器的輸出信號，直至完成整個空間范圍的掃描；

30、步驟1.5、對端主控單元對光電探測器的輸出信號進行分析，若光電探測器的輸出信號大于輸出閾值，則提取光電探測器輸出信號最大光強峰值區(qū)間相應(yīng)的空間區(qū)域，將其確定為疑似目標區(qū)域，然后執(zhí)行步驟1.6；

31、否則，減小對端一級大范圍掃描的預(yù)定步距，減小本端信標光的光束發(fā)散角，然后返回步驟1.4；

32、步驟1.6、對端主控單元控制二維轉(zhuǎn)臺按照預(yù)定的掃描軌跡和步距，對疑似目標區(qū)域進行二級精跟蹤掃描，并記錄圖像探測器的輸出信號；

33、步驟1.7、對端主控單元對圖像探測器的輸出信號進行實時分析，若對端圖像探測器接收到光斑，則執(zhí)行步驟1.8；否則，減小二級精跟蹤掃描的預(yù)定步距，返回步驟1.6；

34、步驟1.8、對端主控單元計算圖像探測器輸出信號的光斑質(zhì)心位置，然后根據(jù)光斑質(zhì)心位置調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺，使本端激光器發(fā)出的信標光光斑處于對端圖像探測器24的靶面中心。

35、進一步地，步驟1.2中，所述光電探測器的輸出閾值通過以下方法獲得：

36、利用光電探測器記錄背景噪聲，計算背景噪聲的輸出電壓平均值，然后取輸出電壓平均值加上3倍標準差作為光電探測器的輸出閾值；

37、或者，利用光電探測器記錄背景噪聲，計算背景噪聲的變化速率平均值，將背景噪聲平均變化速率加上3倍標準差作為光電探測器的輸出閾值。

38、進一步地，步驟1.1中，所述本端信標光的光束發(fā)散角滿足：通過透明光學窗口出射的光束直徑至少覆蓋對端光通信機。

39、進一步地，步驟1.2中，所述二維轉(zhuǎn)臺分別在一級大范圍掃描、二級精跟蹤掃描狀態(tài)下的預(yù)定掃描軌跡和步距具體為：

40、一級大范圍掃描的預(yù)定掃描軌跡為蛇形掃描或矩形掃描，步距為光電探測器視場的80％～85％；

41、二級精跟蹤掃描的預(yù)定掃描軌跡為螺旋掃描，步距為激光器光束發(fā)散角的80％～85％。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益技術(shù)效果如下：

43、1、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置，采用光電探測器配合二維轉(zhuǎn)臺進行一級大范圍掃描，采用圖像探測器配合二維轉(zhuǎn)臺進行二級精跟蹤掃描，既保證了大的掃描范圍，又具有高速、高精度的特點，針對水下非合作目標場景，可快速縮小不確定區(qū)域，完成初始指向，再通過獲取激光光斑質(zhì)心位置對其進行定位跟蹤，實現(xiàn)水下隨機運動平臺的發(fā)現(xiàn)、捕獲，快速建立光通信鏈路，同時有效提高了通信距離和通信速率，設(shè)備整體布局緊湊小型化，易于工程應(yīng)用；

44、2、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置中，發(fā)射支路與接收支路平行，可保證通信過程中收發(fā)信號之間不產(chǎn)生干擾；

45、3、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置中，在分光棱鏡的反射光路上設(shè)置反射鏡，使圖像探測器支路與光電探測器支路平行設(shè)置，可減小系統(tǒng)體積，滿足系統(tǒng)的尺寸約束；

46、4、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置中，設(shè)置兩路激光發(fā)射，兩個激光器發(fā)出的光束波長相同，其中一個用作發(fā)出信標光，一方面用于裝置的跟蹤掃描，另一方面當通信光功率不足時，用作增強通信光功率；

47、5、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置中，采用pmt探測器，視場大、靈敏度高，數(shù)據(jù)處理速度快，針對水下非合作目標場景，能快速縮小不確定區(qū)域；

48、6、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置中，二維轉(zhuǎn)臺采用伺服電機和小型時柵編碼器，避免了動密封大摩擦力矩，具有快速響應(yīng)和高精度性能；

49、7、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置中，密封艙采用透明光學窗口和固定座，能夠在不干擾光線傳輸?shù)那闆r下保護設(shè)備免受水下環(huán)境影響，透明光學窗口內(nèi)表面的抗反射涂層可使透明光學窗口保持優(yōu)良的光學透過性；

50、8、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置中，利用外置同步旋轉(zhuǎn)架固定電氣接線使連接線保持相對靜止，避免二維轉(zhuǎn)臺軸心走線，或者利用跟蹤處理板對數(shù)據(jù)進行初步處理后再無線傳輸至主控單元，解決了在緊湊布局約束條件下，連接線轉(zhuǎn)動中纏繞扭轉(zhuǎn)的問題；

51、9、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信裝置中，包括可變光闌，主控單元可根據(jù)比特時隙內(nèi)的噪聲計數(shù)實時調(diào)整可變光闌的大小，減輕背景光信號的干擾；

52、10、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信方法，先利用光電探測器進行全空間范圍的掃描，根據(jù)其輸出信號在搜索周期內(nèi)出現(xiàn)的峰值突變建立疑似目標區(qū)域，再利用圖像探測器進行疑似目標區(qū)域的精跟蹤掃描，根據(jù)圖像探測器輸出信號計算得到的光斑質(zhì)心位置調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺，使光斑質(zhì)心位置處于圖像探測器的靶面中心，實現(xiàn)對水下隨機運動目標的發(fā)現(xiàn)捕獲；

53、11、本發(fā)明提供的一種水下大范圍搜索跟蹤雙工激光通信方法中，裝置處于凝視掃描狀態(tài)時，接收支路處于大視場角狀態(tài)，大范圍捕獲對端接收光束；當對準、捕獲、追蹤狀態(tài)完成，通信鏈路建立之后，接收支路處于小視場狀態(tài)，避免背景光劣化通信質(zhì)量。