單光源全雙工逆向調(diào)制無線光通信裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線光通信技術(shù)，特別是一種單光源全雙工逆向調(diào)制無線光通信裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線光通信，也稱為自由空間光通信(Free Space Optical Communicat1n,FSO)，是一種在自由空間信道中通過激光傳輸信息的通信方式。無線光通信的設(shè)置成本相對較低，不需要頻率分配和許可。它在軍事應(yīng)用中的主要優(yōu)點(diǎn)是隱蔽性好，無射頻干擾，沒有頻率分配的要求，傳輸帶寬高。
[0003]傳統(tǒng)的無線光通信系統(tǒng)要求通信的兩個終端都必須安裝有激光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。由于大氣湍流的影響，以及通信平臺的運(yùn)動、振動等情況，很容易導(dǎo)致在大氣中傳輸?shù)臉O窄激光光束難以對準(zhǔn)接收端，從而影響通信可靠性。因此，無線光通信系統(tǒng)往往還必須裝有復(fù)雜的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)(PAT)系統(tǒng)，而這不但提高了技術(shù)難度，還增加了通信設(shè)備的體積和重量。
[0004]近些年發(fā)展起來的基于光學(xué)逆向器的逆向調(diào)制光通信系統(tǒng)，減去了傳統(tǒng)無線光通信系統(tǒng)一個終端的發(fā)射機(jī)和跟瞄系統(tǒng)，在一定程度上降低了無線光通信系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜度，引起了各國的廣泛關(guān)注，歐美等國對此開展了大量研究。逆向調(diào)制自由空間光通信系統(tǒng)包括兩個終端:詢問端和逆向調(diào)制端，如圖1所示；詢問端包括一個發(fā)送機(jī)和一個接收機(jī)，逆向調(diào)制端配置一個逆向調(diào)制器(Modulating Retro-Reflector，MRR)。
[0005]當(dāng)詢問端想要發(fā)送數(shù)據(jù)給MRR端時，詢問端可以傳統(tǒng)的方式直接發(fā)送調(diào)制激光束給MRR終端。當(dāng)詢問端要接收MRR終端的信息時，詢問端發(fā)送一束未調(diào)制的激光光束給MRR端，稱之為詢問光束，MRR終端通過控制開關(guān)模式調(diào)制數(shù)據(jù)在逆向反射光束上。這個基于MRR的光鏈路是以主從模式工作的，只有詢問端可在兩個方向上發(fā)起通信。
[0006]一條MRR鏈路是高度不對稱的。MRR終端利用了大量詢問端的能量和資源，以至于MRR端本身不需要激光光源。此外，MRR部件可以做的非常小，并且能夠在非常低的功耗下工作，這就使得它的使用壽命延長。
[0007]應(yīng)用光學(xué)逆向調(diào)制技術(shù)的光通信系統(tǒng)采用逆向調(diào)制信號進(jìn)行通信，免去其中一個終端的跟瞄系統(tǒng)，減輕了其中一個終端的體積和重量，增加了通信系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性。光學(xué)逆向器常見的有角錐棱鏡反射型、“貓眼”結(jié)構(gòu)回波調(diào)制型、球形“貓眼”反射器反射型等結(jié)構(gòu)類型。調(diào)制器從傳統(tǒng)的伸縮材料、液晶材料傳感器發(fā)展到目前使用廣泛的微機(jī)電器件和多量子講器件。
[0008]這些逆向調(diào)制無線光通信系統(tǒng)從一定程度上解決了傳統(tǒng)無線光通信系統(tǒng)存在的需要自動跟瞄等問題，各國對這一技術(shù)相當(dāng)重視并進(jìn)行了大量的研究。國外對逆向調(diào)制技術(shù)的研究相比于國內(nèi)起步較早。美國海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)從1998年開始就對其戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究，并且應(yīng)用于爆炸性軍械處理(EOD)、無人機(jī)(UAVs)和無人戰(zhàn)車(UGVs)三個領(lǐng)域。此外，英國、瑞典等國家也都開展有相關(guān)研究。
[0009]一般來說，通信鏈路要求通信兩端能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工通信。在逆向調(diào)制光通信鏈路中，詢問端與逆向調(diào)制端只能夠?qū)崿F(xiàn)單向通信，詢問端發(fā)送非調(diào)制光束給逆向調(diào)制端，逆向調(diào)制端調(diào)制器對該詢問光束進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制過的光束反射給詢問端，詢問端的接收機(jī)對逆向調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)逆向調(diào)制端向詢問端發(fā)送信息的單向通信模式。
[0010]如果要實(shí)現(xiàn)逆向調(diào)制光通信系統(tǒng)的全雙工通信，就必須配置兩套同樣的逆向調(diào)制光通信系統(tǒng)，這同樣導(dǎo)致了設(shè)備更復(fù)雜、可靠性降低，還增加了通信設(shè)備的體積和重量。
[0011]為了解決這個問題，研究人員提出了一些解決方案，比如:
[0012]長春理工大學(xué)的研究人員提出了一種基于雙波長激光發(fā)射的全雙工逆向調(diào)制自由空間光通信系統(tǒng)，采用兩個激光器發(fā)送不同波長激光，分別用做雙向通信的兩個工作波長。這種方法的缺點(diǎn)是在詢問端采用兩個激光器，增加了成本，也增加了光學(xué)設(shè)計(jì)的難度。
[0013]美國加利福尼亞的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過使用調(diào)制的手段實(shí)現(xiàn)MRR鏈路的全雙工通信，具體方法是:詢問端發(fā)送OOK調(diào)制的光束給MRR端，當(dāng)MRR端檢測到的信號是“I”時才發(fā)送信號給詢問端，而當(dāng)檢測到“O”時不向詢問端發(fā)送信息，從而實(shí)現(xiàn)雙向通信。但是，利用調(diào)制的方式來實(shí)現(xiàn)全雙工通信很難實(shí)現(xiàn)高速率的要求，這不僅提高了光接收模塊的復(fù)雜性，更限制了鏈路的傳輸速率。
[0014]清華大學(xué)的研究人員提出了詢問端發(fā)送脈沖位置調(diào)制光信號到MRR端，MRR端用OOK調(diào)制返回光束的方法，但是此方法的數(shù)據(jù)傳輸速率較低，詢問端用脈沖位置調(diào)制的方法調(diào)制激光器的頻率為20Hz。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于提供一種單光源全雙工逆向調(diào)制無線光通信裝置及方法。
[0016]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為:一種單光源全雙工逆向調(diào)制無線光通信裝置，包括詢問端和逆向調(diào)制端；
[0017]詢問端包括激光發(fā)送機(jī)、光學(xué)發(fā)送天線、第一光學(xué)接收天線、第一光檢測及放大模塊和包絡(luò)檢測模塊；
[0018]逆向調(diào)制端包括半反半透鏡、第二光學(xué)接收天線、第二光檢測及放大模塊、反射鏡和激光振鏡；
[0019]激光發(fā)送機(jī)將輸入的下行數(shù)據(jù)信號加載到光束上，通過光學(xué)發(fā)送天線發(fā)送到大氣信道中，逆向調(diào)制端將接收到的光束通過半反半透鏡，一部分反射至第二光學(xué)接收天線，第二光檢測及放大模塊對接收到的光束進(jìn)行光電檢測和放大處理，恢復(fù)出下行數(shù)據(jù)信號；
[0020]另一部分經(jīng)半反半透鏡后的透射光到達(dá)反射鏡后被反射到激光振鏡上，激光振鏡反射光信號，激光振鏡隨著上行數(shù)據(jù)信號為“I”或者“O”產(chǎn)生振動；第一光學(xué)接收天線匯聚逆向調(diào)制端反射回來的光束，第一光檢測及放大模塊對接收到的光束進(jìn)行光電檢測和放大處理，經(jīng)包絡(luò)檢測模塊解調(diào)后，得到上行數(shù)據(jù)信號。
[0021]一種單光源全雙工逆向調(diào)制無線光通信方法，包括以下步驟:
[0022]步驟1、激光發(fā)送機(jī)將輸入的下行數(shù)據(jù)信號加載到光束上，通過第一光學(xué)發(fā)送天線發(fā)送到大氣信道中；
[0023]步驟2、逆向調(diào)制端接收到的光束通過半反半透鏡，一部分反射至第二光學(xué)接收天線，第二光檢測及放大模塊對接收到的光束進(jìn)行光電檢測和放大處理，恢復(fù)出下行數(shù)據(jù)信號；另一部分經(jīng)半反半透鏡后的透射光到達(dá)反射鏡后被反射到激光振鏡上，激光振鏡根據(jù)上行數(shù)據(jù)信號快速振動并再次反射激光光束，激光振鏡的振動導(dǎo)致返回詢問端的回射光束的方向隨著上行數(shù)據(jù)信號的變化發(fā)生偏移；
[0024]步驟3、第一光學(xué)接收天線匯聚逆向調(diào)制端反射回來的光束，第一光檢測及放大模塊對接收到的光束進(jìn)行光電檢測和放大處理，經(jīng)包絡(luò)檢測模塊解調(diào)后，得到上行數(shù)據(jù)信號。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著效果為:
[0026](I)本發(fā)明中激光振鏡的振動導(dǎo)致反射光束角度的偏移，帶來較大的調(diào)制深度，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的光信息傳輸；
[0027](2)本發(fā)明只需要一個光源就能實(shí)現(xiàn)全雙工的無線光通信，這使得逆向調(diào)制端不需要配置光源，從而降低了逆向調(diào)制端設(shè)備的功耗及復(fù)雜度，同時還減小了通信設(shè)備的體積和重量，可應(yīng)用于無人機(jī)等平臺。
【附圖說明】
[0028]圖1為現(xiàn)有的逆向調(diào)制無線光通信系統(tǒng)。
[0029]圖2為本發(fā)明的單光源逆向調(diào)制光通信系統(tǒng)的原理示意圖。
[0030]圖3為本發(fā)明的激光振鏡振動導(dǎo)致反射光的方向偏移不意圖。
[0031]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中高速下行數(shù)據(jù)信號示意圖。
[0032]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中低速上行數(shù)據(jù)信號示意圖。
[0033]圖6