長距離無線激光傳輸設備的信號捕獲與自動跟蹤

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

?

中文核心期刊

長距離無線激光傳輸設備的信號捕獲與自動跟蹤

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

摘要：針對長距離無線激光傳輸設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備的信號捕獲與自動跟蹤相結合的技術，并介紹了該技術的具體設計方案。關鍵詞：長距離；無線激光傳輸設備；信號捕獲；自動跟蹤

0　引言

長距離無線激光傳輸設備是針對長距離、高速率無線光通信設備的市場需求而開發出的產品，適用于地面長距離通信。由于設備的設計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天線的望遠觀察光路和可見信標光來捕獲信號存在一定的難度，因此設備需要通過輔助開通設備完成自動掃描、捕獲對準以簡化開通難度。隨著設備的通信距離加長，要求無線激光發射設備的發散角壓縮得很小，通信鏈路更容易受到大氣的影響，導致設備在接收端的光斑抖動引起接收光功率的不穩定也隨之增加，因此必須在短距離跟蹤技術的基礎上針對長距離的情況進行技術優化。

1　信號捕獲系統設計

1.1輔助對準設備

當設備的開通距離超出我們的視距范圍時，首先要了解到架設地點的位置信息，使設備能大致對準對端，于是設計了輔助對準設備。輔助對準設備采用基于GPS的輔助定位系統將兩點的經緯度以及海拔信息收集并相互傳送對方，然后通過計算兩點角度差，通過執行機構相互指向對方。輔助對準設備如圖1所示，是由差分天線、差分處理計算單元、軟件和槍瞄望遠系統組成。

輔助對準設備可安裝在無線激光傳輸設備上，使用前需將輔助設備的槍瞄望遠系統與無線激光傳輸設備的光路進行同軸校準。輔助對準設備啟動后，軟件會通過差分天線和差分處理計算單元自動獲取本端GPS坐標數據。操作人員將本端設備的GPS坐標數據告知對端人員，并手動輸入對端設備的GPS坐標，點擊“偏角計算”，軟件會根據兩端設備的經緯度和海拔高度等GPS坐標數據計算兩端設備位置的偏角數據。此時我們調節無線激光傳輸設備的姿態，將兩端設備的姿態數據調節到與計算得到的偏角數據一致的狀態，實現粗對準。經過實際調試測試，輔助對準設備可以使系統對準精度達到0.2°，滿足自動掃描捕獲的精度要求。

圖1　輔助對準設備

1.2自動掃描捕獲

設備在輔助開通設備的基礎上采用的自動掃描捕獲技術實現信號捕獲。自動掃描捕獲技術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行矩形螺旋式的掃描，這種掃描方式的優點是能夠在設定的掃描范圍內從高到低地概率掃描且容易實現，也更容易設計掃描區域增量和重疊，掃描范圍也可以覆蓋設定掃描區域的所有部分。

圖2　自動掃描軌跡圖

自動掃描捕獲的范圍是掃描捕獲技術的一個比較重要的參數，如果掃描范圍過大會增加掃描捕獲的時間，如果掃描范圍過小又會降低掃描捕獲的實用性。經實際測試，設備掃描范圍確定為±2°，捕獲概率可以達到93%，當未捕獲成功時，需要人工介入，稍微調整設備的姿態，重新進行自動掃描捕獲。如果要提高捕獲概率，需要擴大掃描范圍，這將大大增加單次掃描時間。通過掃描捕獲的方式來使探測器獲取跟蹤信號，當跟蹤探測器捕獲到光信號就立即進入自動跟蹤階段。

2　自動跟蹤系統設計

由于設備的通信距離較長，無線激光發射設備的發散角較小，使得光束在通信鏈路受到大氣的影響較大，導致設備在接收端的光斑抖動引起接收光功率的不穩定也隨著增加，這對自動跟蹤系統的設計提出了較高的要求。

四象限探測跟蹤法實現系統快速、大范圍的捕獲和粗對準，在系統建立連接時或出現大范圍偏移時啟動，保證系統能快速捕獲并進入到粗對準狀態。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從而影響穩定性；而光功率檢測跟蹤法則彌補了四象限探測跟蹤法的缺點，雖然跟蹤范圍和速度較慢，但可以實現系統的精確對準和穩定跟蹤。本文將兩種跟蹤方法結合起來，可以揚長避短，充分發揮出兩者的優勢。

2.1四象限探測跟蹤系統

四象限探測跟蹤系統由信標光、探測器和伺服機構組成。由于無線激光傳輸設備傳輸的距離較遠，考慮到霧衰、背景雜光等影響，直接選擇1550nm波長的信號光作為信標光使用［1］，選擇1550nm響應的QD探測器的探測信號作為自動跟蹤系統分析處理對象［2］，驅動伺服轉臺。四象限探測跟蹤系統框圖如圖3所示。

圖3　四象限探測跟蹤系統框圖

QD探測器有a、b、c、d四個象限，每一象限有著相同的光電特性，每一象限產生的光電流正比于照在它上面的光功率。當QD的四個象限所接收到的光功率大小一致時，說明光斑照在QD的正中央。當無線激光傳輸設備相互對準時，通過無線激光傳輸設備接收到的信標光光斑是落在QD探測器上的。因此，我們只要計算出當前信標光光斑離QD探測器中央位置的偏差值，QD信號處理單元再將此偏差值轉換為伺服轉臺水平和俯仰的轉動角度，以此驅動伺服轉臺調整兩端設備的姿態，完成粗對準。

2.2光功率檢測跟蹤系統

光功率檢測跟蹤系統實際上是對人工調節對準方法的一種模擬，主要是通過兩端設備的接收光功率值來進行判斷。光功率檢測跟蹤系統框圖如圖4所示。

圖4　光功率檢測跟蹤系統框圖

經過四象限探測粗跟蹤后，無線激光傳輸設備已經能夠接收到對端的光信號，該光信號中包含了對端設備接收的光功率信號信息，通過分光片將光信號分為兩部分：一部分光作為信標光，進入光功率探測處理單元，根據該部分光的強度，可以相對地判斷出接收光功率的值，并將該功率信息調制到信號光中，通過信號光激光器發送給對端接收；另一部分較強的光作為信號光，進入光業務處理單元，而該部分光中調制有對端設備的接收光功率信息，將其解調出來，進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探測到的本端光功率值和接收到的對端光功率值，控制伺服轉臺，實現精跟蹤。

2.3自動跟蹤系統的實現

在自動跟蹤系統中，兩種跟蹤方法的切換是整個系統的關鍵點，直接影響到設備的穩定性。具體的實現方法是根據光功率強度的變化給兩種跟蹤方法分別設置不同的閾值：從QD探測器接收到光功率信號至無線激光傳輸設備的探測器檢測到某一數值的光功率的時間段使用四象限探測跟蹤法；光功率值達到精跟蹤閾值后使用光功率檢測跟蹤法。自動跟蹤系統框圖如圖5所示。

在實際的測試過程中，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，會出現頻繁調節，在系統中增加鎖定四象限探測跟蹤的功能可以緩解大氣湍流對自動跟蹤系統的影響：依照光功率檢測跟蹤系統所監測的光功率取若干時間的功率平均值，可以判別是否光學天線方位出現偏移，以確定是否啟動四象限探測跟蹤。

圖5　自動跟蹤系統實現框圖

經實際測試，加鎖定控制功能后可大幅度減少跟蹤次數，提高了自動跟蹤系統的準確度和整個無線激光傳輸設備穩定性。實際測試記錄如表1所示。

表1　跟蹤啟動次數記錄表（時間：15min，距離：10km）

3　結束語

無線激光通信具有容量大、安裝開通方便快捷等特點，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。本文針對長距離無線激光通信系統提出了一種信號捕獲和自動跟蹤的方法，通過實際測試證明，該技術可以使得無線激光通信設備在視距范圍以外的距離也能夠快速準確地開通和穩定使用，對于下一步的星地、星間無線激光通信的相關研究提供了一定理論和數據支持。

參考文獻：

［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捕獲方法［J］.光通信技術，2004，28（10）：39-41.

［2］姜會林.空間激光通信技術與系統［M］.北京：國防工業出版社，2010.

中圖分類號：TN929.12

文獻標識碼：A

文章編號：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