利用調製光束進行位置探測的裝置及其探測方法
2024-01-28 22:09:15 1
專利名稱：利用調製光束進行位置探測的裝置及其探測方法
技術領域：
本發明涉及一種對物體進行位置探測的裝置，特別是一種利用調製光束進行位置探測的裝置以及該裝置採用的探測方法。
背景技術：
自由空間光通信技術(FSO)是一種通過雷射束的單向或雙向傳遞來實現點對點通信的無線通信方式，具有光纖通信的速率並且不需在頻譜這樣的稀有資源方面有很大的初始投資，因此獲得了人們的青睞，使其成為光纖通信和電波無線通信的重要補充。其應用領域涉及到骨幹網、接入網、區域網，還特別適合應急通信、快速業務開通、軍事保密通信、特殊場合通信等，其優勢是帶寬可擴展，建設速度快，並且十分經濟。
空間光束的捕獲、跟蹤、對準(ATPacquisition tracking pointing)裝置是自由空間光通信的關鍵設備之一，它通過雙端通信中的發射端發射出信標光，由接收端根據信標光的位置捕獲該發射端，並實現跟蹤。在自由空間光通信過程中ATP裝置工作的精度決定了通信的穩定性和可靠性。該裝置具有兩個主要功能位置誤差信號提取和伺服電機系統控制。其中的位置誤差信號的提取部分是ATP裝置中非常關鍵的一環，其精度和靈敏度直接影響到後續的跟蹤是否有效。一般的ATP裝置都由粗跟蹤分系統和精跟蹤分系統兩部分組成，兩者結合主要解決視野和精度的矛盾。實際使用中，為了簡化系統以降低成本，普遍採用槍瞄鏡和位敏探測器(PSD)結合的方式，槍瞄鏡完成大致方向上的粗對準，而用位敏探測器獲取發射端的位置信息以完成精對準。
現行的自由空間光通信系統中，ATP裝置中的位敏探測器在位置探測應用中都是採用直接探測的方式，為了提高性能，普遍採用在光學鏡頭部分添加濾波片以濾除一部分背景光的方法，然而由於位敏探測器的暗電流一般都很大，室溫下10×10mm的位敏探測器的暗電流有200nA，再加上背景光的影響，最終使得系統的靈敏度只有-20dBm左右，極大地限制了位置探測的有效距離。通常的補償辦法是提高發射端信標光源雷射器的發射功率，而這受到雷射器性能和成本的限制。此外，在信號處理方面，也有採用對發射端信號進行調製來提高探測的靈敏度的方法，然而這要求接收端和發射端工作在共同的時鐘下，在空間光通信系統中這是不現實的。
發明內容
1、發明目的本發明的目的是提供一種利用調製光束進行位置探測的裝置，該裝置具有比現有技術更高的系統位置探測精度和靈敏度，此外，還提供了該裝置的探測方法。
2、技術方案本發明利用調製光束進行位置探測的裝置，包括天線、發射單元、接收單元以及控制單元，其中發射單元主要包括信標光源、擴束準直設備，由信標光源產生的信標光經過擴束準直後，由天線發射出；接收單元主要包括位敏探測器以及信號處理電路，天線接收到信標光後傳送到位敏探測器上將光信號轉換為電流信號，再輸入信號處理電路進行處理，並將處理後得到的位置偏差信息傳送給控制單元；控制單元主要包括伺服控制器和伺服機構，伺服控制器接收到來自信號處理電路的位置偏差信息，再控制伺服機構完成對光束的對準。信號處理電路包括多級放大的I/V轉換器、相位可調式雙極性方波發生器、二象限模擬乘法器、低通濾波器、模/數轉換器以及信號處理單片機。位敏探測器的四個管腳中每一個管腳分別依次串接一個多級放大的I/V轉換器、一個二象限模擬乘法器、一個低通濾波器和一個模/數轉換器，最後四路並行的連接信號處理單片機，由單片機再連接控制單元。同時其中一路的模/數轉換器與一個共用的相位可調式雙極性方波發生器的反饋端連接，該方波發生器輸出端分別連接各路乘法器的一個輸入端。
方波發生器可以由單片機和電源變換器組成。
此外，二象限模擬乘法器、低通濾波器、模/數轉換器和相位可調式雙極性方波發生器構成的迴路可以由一個單片機或數位訊號處理晶片(DSP)代替。
本發明所採用的探測方法，包括首先由發射端發射出信標光，接收端的位敏探測器接收到該信標光後，傳遞給信號處理電路進行處理，處理後的信號再輸入伺服控制器，通過伺服控制器輸出控制信號以控制伺服機構完成對光束的對準。發射端的信標光採用確定頻率的方波進行調製，接收端的信號處理是按以下步驟進行1)接收端的位敏探測器接收到從發射端發出的經調製的信標光後，首先將光信號轉化為電流信號，從其一個管腳輸出該電流信號至多級放大的I/V轉換器，把電流信號轉換為合適範圍的電壓值Vi；2)使用相位可調式雙極性方波發生器產生一個雙極性方波Vp，幅度為+1、-1，頻率與發射端方波調製的頻率一致；
3)將Vi，Vp接入一個二象限模擬乘法器中進行運算，並將運算的結果輸入一個低通濾波器或積分器中，從而濾除由位敏探測器暗電流和背景噪聲產生的分量，得到完全由信標光所產生的響應電壓值Vo；4)把位敏探測器四個管腳中每個管腳都採用步驟1)-3)的方法進行處理，得到四個完全由信標光所產生的響應量，再經過數字採樣以後並行輸入信號處理單片機，由單片機進行位置信息計算並輸出給伺服控制器；5)取其中一路輸出Vo至方波發生器用以反饋控制Vp的相位，使得Vi，Vp的相位差為零。
方波發生器可以由單片機實現，其方法是將採樣得到的數位訊號先送給單片機，由單片機產生相位可控的方波，再用電源變換得到相位可控的雙極性方波。
上述步驟2)-5)還可以用單片機或數位訊號處理晶片(DSP)來實現，其方法是單片機或數位訊號處理晶片通過時分的方式控制對四個管腳進行採樣，每個管腳的信號在一個周期內採樣2n次，用信號強度最大的一路進行相位搜索，搜索的方式是首先將前n次採樣值累加，再減去後n次採樣值，並把總的和S0記錄下來。然後延時一個採樣周期，再進行前n次累加後n次相減的運算得到S1，如果S1大於S0，則再延時一個周期求出S1；如果S1小於S0則應該提前一個採樣周期，逐個移動直到求出最大值。此後四個管腳的信號都按照此相位關係進行運算，實現了有信標光時候的n次採樣值之和減去無信標光時的n次採樣值之和，再除以n就得到了完全由信標光引起的相應量的電壓值，最後單片機把四個值進行運算就得到了信標光的位置信息。
本發明是採用微弱信號的處理方法濾除掉位敏探測器中的背景噪聲和暗電流，以提高系統位置探測的精度和靈敏度。
工作中，位敏探測器接收到的幹擾多為自然光或人工照明，其特點是其亮度和方位變化是緩慢的，在位敏探測器上造成的響應為直流和低頻分量。如果對信標光進行周期性方波調製，位敏探測器接收到信號後，檢測到的其任意一個管腳的光電流信號波形大致如圖1所示。由圖1可知，無信標光時候的電流由背景光和暗電流引起；有信標光時候的電流由背景光、暗電流和信標光共同引起。當把有信標光時候的響應量和無信標光時候的響應量做差，就消除了基本上不隨時間變化的背景噪聲和暗電流的影響，得到了完全由信標光引起的電流。
3、有益效果本發明對ATP系統中的信號處理電路進行從新設計，通過一個乘法器將位敏傳感器輸出的信號與方波發生器輸出的雙極性方波相乘，這樣無信標光時候的低電平量E0與-1相乘變成負的，有信標光的高電平量E與+1相乘不變，再通過濾波器相加平均就實現了兩者的作差處理。由信號的相關運算的特性可知，輸入信號中，只有與雙極性方波相關的分量才能有輸出，也就是只有輸入信號中均值為零的雙極性方波分量才能通過，其它的分量將不能通過，尤其是其中的直流分量也得到極大的衰減。這樣就基本消除了背景噪聲和暗電流對輸入信標光的影響，使得計算出來的位置信息更為準確，從而提高了系統位置探測精度和靈敏度。
四
圖1是接收調製信標光的PSD一管腳的信號波形。
圖2是具有獨立信標光的ATP系統框圖。
圖3是信號處理電路框圖。
圖4是採用單片機替換迴路的信號處理電路框圖。
圖5是信標光信號與雙極性方波在不同相位差Ψ的相關運算波形示意圖，其中aΨ＝π時，bΨ＝π/6時，cΨ＝0時，d相關後的輸出與失調角的關係。
五具體實施例方式
如圖2所示，是具有獨立信標光的ATP系統框圖，該系統包括共用天線、發射單元、接收單元以及控制單元，其中發射單元包括信標光源、信號光源、擴束準直裝置以及合波片，由信標光源產生的信標光和由信號光源產生的信號光各自經過擴束準直後，兩路光信號由合波片合併為一路，再由共用天線發射；接收單元包括分波片、信號光處理裝置、位敏探測器以及信號處理電路，共用天線接收到的空間物體發射出的光束並傳遞給分波片，由分波片分離出信號光和信標光，其中信號光傳送給信號光探測裝置，信標光則傳送給位敏探測器並轉換為電信號，之後輸入信號處理電路進行處理，再將處理後的電信號傳送給控制單元；控制單元主要包括伺服控制器和伺服機構，伺服控制器接收來自信號處理電路的信號，並控制伺服機構完成對空間光束的對準，其中的信號處理電路參見圖3，其包括多級放大的I/V轉換器、相位可調式雙極性方波發生器、二象限模擬乘法器、低通濾波器以及信號處理單片機。位敏探測器的四個管腳中每一個管腳分別依次串接一個多級放大的I/V轉換器、一個二象限模擬乘法器、一個低通濾波器和一個模/數轉換器，最後四路並行的連接信號處理單片機，由信號處理單片機再連接控制單元。同時其中一路的模/數轉換器與一個共用的相位可調式雙極性方波發生器的反饋端連接，該方波發生器輸出端分別連接各路乘法器的一個輸入端。
作為本發明的一種改進，二象限模擬乘法器、低通濾波器、模/數轉換器和相位可調式雙極性方波發生器構成的迴路可以由一個單片機代替，單片機通過一定的算法可以實現該迴路的功能。採用單片機的信號處理電路參見圖4。
本發明的工作方法是先對發射端的信標光進行確定頻率的方波調製，再通過發射裝置將調製後的信標光發射出，接收端的位敏探測器接收到該信標光後，首先將其轉化為電流信號，並從四個管腳輸出，其每個管腳的輸出都送入一個多級放大的I/V轉換單元把電流信號轉換為合適範圍的電壓值Vi，其由三部分組成
Vi＝Vi0+Si(t)+ni(t)其中Si(t)是以信標光方波調製同頻同相的雙極性方波，其函數表達式為Si(t)=2(E-E0)n=11nsinn2sinn1t]]>Vi0和ni(t)分別為直流分量和低頻交流噪聲；同時，使用方波發生器產生一個雙極性方波Vp，幅度為+1、-1，頻率與發射端的方波調製的頻率一致，其函數表達式為Vp(t)=2n=11nsinn2sinn1(t-)]]>接著，將Vi，Vp接入一個兩象限的模擬乘法器中進行運算得到，相乘的結果再輸入一個低通濾波器或者一個積分器取出直流和低頻分量得到Vo。兩者組合構成一個相關器。由信號的相關運算的特性可知，Vi信號中，只有與Vp相關的分量才能有輸出，也就是Vi中均值為零的雙極性方波分量，其它的分量將不能通過，尤其是其中的直流分量也得到極大的衰減；並且濾波器輸出的值Vo的大小跟Vi，Vp的相位差Ψ有餘弦關係。Vo的函數表達式為Vo=ViVp=limN22NT-NTNTVi(t)Vp(t-)dt=E-E02cos1=E-E02cos]]>因此，就可以用輸出Vo反饋控制Vp的相位，當相位差為零的時候，輸出達到最大值。此最大值Vomax與輸入的信號中有信標光時和無信標光時的平均值之差E-E0有對應關係。參見圖4。
將位敏探測器四個管腳經過相同方法的處理，得到四個完全由信標光所產生的響應量，數字採樣以後並行輸入單片機，由單片機進行位置信息計算並輸出給伺服控制器，最終通過伺服機構實現對光束的對準。
在實際的信號處理電路中，反饋環路既要去搜索輸出的最大值同時又要保證輸出的為最大值，這兩者是有一定矛盾的，輸出往往不能達到穩定的。為提高性能解決這個矛盾，把輸入信號Vi按嚴格比例分出一部分用於相位的大範圍搜索，然後把搜索到的有最大值的相位定時送給有穩定輸出的那一路的本地雙極性方波發生器，形成一個雙環結構。這樣一路負責相位大範圍跟蹤，另一路給出最大值的穩定輸出。
方波發生器中單片機的工作方式如下先把波形文件存入存儲器中，正半周期全為1，負半周期全為0。單片機順序讀取存儲器中的波形文件並從埠輸出得到方波。如要移相則根據所要移的量在波形文件中相應的跳轉一定的步距，最終得到所需要相位的波形。
權利要求
1.一種利用調製光束進行位置探測的裝置，包括天線、發射單元、接收單元以及控制單元，其中發射單元包括信標光源、擴束準直設備，由信標光源產生的信標光經過擴束準直後，由天線發射出；接收單元包括位敏探測器以及信號處理電路，天線接收到信標光後傳送到位敏探測器上將光信號轉換為電流信號，再輸入信號處理電路進行處理，並將處理後得到的位置偏差信息傳送給控制單元；控制單元包括伺服控制器和伺服機構，伺服控制器接收到自信號處理電路的位置偏差信息，再控制伺服機構完成對光束的對準，其特徵是信號處理電路包括多級放大的I/V轉換器、相位可調式雙極性方波發生器、二象限模擬乘法器、低通濾波器、模/數轉換器以及信號處理單片機。位敏探測器的四個管腳中每個管腳分別依次串接一個多級放大的I/V轉換器、一個二象限模擬乘法器、一個低通濾波器和一個模/數轉換器，最後四路並行的連接信號處理單片機，由單片機再連接控制單元，其中一路的模/數轉換器還與一個共用的相位可調式雙極性方波發生器的反饋端連接，該方波發生器輸出端分別連接各路乘法器的一個輸入端。
2.根據權利要求1所述一種利用調製光束進行位置探測的裝置，其特徵是二象限模擬乘法器、低通濾波器、模/數轉換器和相位可調式雙極性方波發生器構成的迴路可以由一個單片機或數位訊號處理晶片代替。
3.根據權利要求1所述一種利用調製光束進行位置探測的裝置，其特徵是所述信號處理電路中的方波發生器由單片機和電源變換器組成。
4.一種權利要求1所述利用調製光束進行位置探測的裝置的探測方法，包括首先由發射端發射出信標光，接收端的位敏探測器接收到該信標光後，傳遞給信號處理電路進行處理，處理後的信號再輸入伺服控制器，通過伺服控制器輸出控制信號以控制伺服機構完成對光束的對準，其特徵是發射端的信標光採用確定頻率的方波進行調製，接收端的信號處理是按以下步驟進行1)接收端的位敏探測器接收到從發射端發出的經調製的信標光後，首先將光信號轉化為電流信號，從其一個管腳中輸出該電流信號至一個多級放大的I/V轉換器，把電流信號轉換為合適範圍的電壓值Vi；2)同時，使用相位可調式雙極性方波發生器產生一個雙極性方波Vp，幅度為+1、-1，頻率與發射端方波調製的頻率一致；3)將Vi，Vp接入一個二象限模擬乘法器中進行運算，並將運算的結果輸入一個低通濾波器或積分器中，從而濾除由位敏探測器暗電流和背景噪聲產生的分量，得到完全由信標光所產生的響應電壓值Vo；4)把位敏探測器四個管腳中每個管腳都按照步驟1)-3)的方式進行處理，得到四個完全由信標光所產生的響應量，對其進行數字採樣以後並行輸入一個信號處理單片機，由單片機進行位置信息計算並輸出給伺服控制器；5)取其中一路輸出Vo至方波發生器用以反饋控制Vp的相位，使得Vi，Vp的相位差為零。
5.根據權利要求4所述一種利用調製光束進行位置探測的裝置的工作方法，其特徵是其中的步驟2)-5)也可以用單片機或數位訊號處理晶片來實現，其方法是單片機或數位訊號處理晶片通過時分的方式控制對四個管腳進行採樣，每個管腳的信號在一個周期內採樣2n次，用信號強度最大的一路進行相位搜索，搜索的方式是首先將前n次採樣值累加，再減去後n次採樣值，並把總的和S0記錄下來，然後延時一個採樣周期，再進行前n次累加後n次相減的運算得到S1；如果S1大於S0，則再延時一個周期求出S1；如果S1小於S0則應該提前一個採樣周期，逐個移動直到求出最大值；此後四個管腳的信號都按照此相位關係進行運算，實現了有信標光時候的n次採樣值之和減去無信標光時的n次採樣值之和，再除以n就得到了完全由信標光引起的相應量的電壓值，最後單片機把四個值進行運算就得到了信標光的位置信息。
6.根據權利要求4所述一種利用調製光束進行位置探測的裝置的工作方法，其特徵是所述方波發生器由單片機實現，採樣得到的數位訊號先送給單片機，由單片機產生相位可控的方波，再用電源變換得到相位可控的雙極性方波。
7.根據權利要求6所述一種利用調製光束進行位置探測的裝置的工作方法，其特徵是所述單片機的工作方式是先把波形文件存入存儲器中，正半周期全為1，負半周期全為0，單片機工作時順序讀取存儲器中的波形文件，並從埠輸出得到方波，如要移相則根據所要移的量相應的跳轉一定的步距。
全文摘要
本發明公開了一種利用調製光束進行位置探測的裝置，其信號處理電路是位敏探測器各管腳分別串接I/V轉換器、乘法器、低通濾波器和模/數轉換器，再四路並行連接單片機，其中一路模/數轉換器與方波發生器反饋端連接，方波發生器輸出端連接各路乘法器的輸入端。其探測方法是發射端的信標光採用確定頻率方波調製發射，接收端的位敏探測器接收並輸出至I/V轉換器，和方波發生器產生的方波一起輸入乘法器中運算，結果經過低通濾波和模/數轉換再四路並行輸入單片機算出位置信息；一路模/數輸出送至方波發生器用以反饋控制。由於乘法器和濾波器對輸入信號的方波調製和差分處理，消除了背景噪聲和暗電流，使輸出信號誤差減小，提高了系統探測精度。
文檔編號H04B10/10GK1677901SQ200510039039
公開日2005年10月5日 申請日期2005年4月25日 優先權日2005年4月25日
發明者許國良, 張旭蘋, 王光輝, 黃金源, 刑建斌 申請人:南京大學