傳感器陣列跟蹤與檢測系統的製作方法
2023-10-28 22:30:17 4
專利名稱：傳感器陣列跟蹤與檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光束跟蹤與檢測，尤其涉及跟蹤與檢測自由空間光通信系統中所用的光束。
自由空間光通信系統可以用來向把新的用戶硬聯接到現有的通信基礎設施比較困難或花費比較大的地區提供電信服務。為了正確工作，這種系統中的光發送器和接收器必須被對準。此前所用的跟蹤光束的設備一直使用象限檢測器，這種裝置不夠精確，並且很難與高速光檢測器相集成。
因此本發明的一個目標是提供一種改進的方式，用以跟蹤和檢測通信系統中的光束。
本發明的這項和其它目的是根據本發明的原理來實現的，即提供一個系統，使用一個二維的活動像素陣列傳感器使一個自由空間光接收器與一個光通信信號源保持對準。。
在使用一個光束分離器分離光束之前，用一個望遠鏡瞄準來自信號源，例如一個調製二極體雷射器的入射光束。光束的一部分(數據光束)指向一個高速光檢測器，在系統的運行過程中該光束將與它保持對準。光束的另一部分(跟蹤光束)經由一個目標模式光學元件指引。該目標模式光學元件在該有源像素傳感器陣列中形成一個目標模式。傳感器陣列上目標模式的位置用來確定系統中未對準的數量。
目標模式光學元件可以從受到照射時產生一個交叉形狀模式的一個全息光學元件形成。可選擇的該目標模式光學元件可以基於一個圓柱形透鏡。如果需要，可以使用變焦距透鏡來提高光束被傳感器陣列接收時的強度，以便幫助系統克服傳感陣列中諸像素的噪聲閾值。
通過傳感器陣列的調整使系統處於對準狀態時，數據主要由高速光檢測器接收。然而，通過處理傳感器陣列接收的數據同樣也可以得到數據。在高速光檢測器無法正常工作但仍然希望向該系統進行發送時，可以使用這種功能。
本發明的進一步特性，它的本質的和各種優點將通過所附附圖和接下來的對優選實施方法的詳細描述得以更加清楚的體現。
圖1是依據本發明的系統框圖。
圖2是依據本發明的一個示例系統一部分的透視圖。
圖3是依據本發明的另一個示例系統的一部分的透視圖。
圖4是表示本發明附加特徵的框圖。
圖5是使用本發明的步驟的流程圖。
圖6-8是本發明進行跟蹤時傳感器陣列的簡視圖。
依據本發明的一個示例的光束跟蹤與檢測系統10如圖1所示。已調製光束12由雷射二極體或其它合適的光源14產生。光束12在自由空間(空氣)16中傳播大約十米至幾千米之後，略微發散成擴展光束18。在望遠鏡20入口處光束18的直徑大約有幾英寸。
望遠鏡20接收光束18並提供一個相應的準直光束22，其直徑大約為半英寸。光束22被光束分離器24分成跟蹤光束22a和數據光束22b。光束22b通過透鏡28會聚到高速光檢測器26的作用區域。正如這裡所定義的，術語「高速」是指速度大於1kHz，最好為幾百MHz數據。在光檢測器26的輸出30處加以提供。系統10可以用來承載任何希望類型的數據，這些數據可以用來提供普通老式電話業務(POTS)，視頻，綜合業務數字網(ISDN)業務等。
系統10具有跟蹤能力以確保系統10中的該光學元件與光源14正確對準。當數據由光檢測器26接收時，目標模式光學元件32接收光束22a並產生一個相應的光束22c。光束22c在傳感器陣列34上形成一個目標模式。當系統10正確對準時，該目標模式落於傳感器陣列32的中心。當系統10未對準時，該目標模式則偏離中心。控制電路36通過分析偏離中心的目標模式的位置來判定該未對準的程度。
系統元件20，24，26，28，32和34最好置於一個共用的外殼或構件40中，以便構件40與光源14對準時這些元件的相對位置保持固定。構件40的定位由定位器42來控制，定位器42從控制電路36中接收位置反饋控制信號。
如果需要，通過組合來自傳感器陣列34的被照的像素的信號可以檢測在光束22c上編碼的相對較低的數據率信息。控制電路36分析來自傳感器陣列34的像素信息並於輸出44產生相應的數據。這種方法所支持的數據率一般大約為傳感器陣列34幀速率的一半。由於這種數據檢測方式獨立於高速光檢測器30所進行的數據檢測，輸出44所產生的數據在高速光檢測器30失效時，可用來提供備份數據。此外，任何其它所需類型的數據都可以通過傳感器陣列34進行檢測並在數據輸出44處提供。如果不要求進行高速數據通信，傳感器陣列34可以用作系統的唯一數據傳感器。
目標模式光學元件32可以使用固定位置的光學元件，例如一個圓柱形透鏡或全息光學元件。可選擇的可控定位器(圖1中未顯示)可用來控制目標模式光學元件32中光學元件的位置。如果可控定位器被用於目標模式光學元件32中，合適的控制信號可以經由信號路徑46提供給目標模式光學元件32。
傳感器陣列34最好是一個有源像素傳感器，例如在瑞典的「VVL技術」中可獲取的那樣。在有源像素傳感器中，可以使用片上緩衝電路從該陣列中讀出成行的像素數據。對於行中一個給定列的像素值能夠通過訪問緩衝器中那一列相對應的寄存器來加以確定。傳感器34中所用像素的數量由系統10的光學特徵決定。作為一個示例，傳感器陣列34可有1000行和1000列的像素。傳感器陣列34較為典型的是由矽構成的。一個合適的兼容光源14(圖1)是一個輸出波長大約為0.8um的砷化鎵雷射二極體。
儘管圖1所示為獨立的元件，但如果需要的話，目標模式光學元件和望遠鏡光學元件可以組成一個完整的組件。同樣，光束分離器24和透鏡28的光學功能可以作為一個整體形成望遠鏡或其它合適構件的一部分加以提供。此外，所示獨立於結構40的控制電路36也可以選擇全部或部分地置入結構40之中。
圖2所示為本發明的一種實現方案，其中圖1的目標模式光學元件32由全息光學元件48形成。當全息光學元件48被跟蹤光束54照射時，就在傳感器陣列52上產生一個交叉形狀的目標模式50。交叉形狀的目標模式50使得控制電路36(圖1)為判定系統對準狀況而對目標模式50進行的分析得以簡化。水平對準信息可以通過識別給定行中哪一個像素具有最高強度來得到，因為這一像素位於垂直部分50a和該行之間的交叉點上。垂直定位信息可以通過識別哪一行包含有幾乎全部的高強度像素來得到，因為那一行與水平部分50b相對準。
如果需要，光學元件可以採用的其它排列來形成圖1中的目標模式光學元件32，以產生其它適當的目標模式。圖3所示為本發明的一種實現方案，其中圖1中的目標模式光學元件32由圓柱形透鏡56形成，該透鏡被光束58照射。當進行垂直定位時，圓柱形透鏡56在傳感器陣列62上產生一個垂直定位目標模式60。讀出與目標模式60相交的任何行中的內容會立即以該行與目標模式60之間的相交點處像素列號形式產生水平對準信息。垂直對準信息可以通過分析傳感器陣列62中每一行來得到。如果目標模式60與傳感器陣列62的頂部幾行相交，但不與底部幾行相交(或相反)，則系統沒有在垂直方向上正確對準。
儘管圓柱形透鏡56可以在系統的初始對準過程中在垂直方向上被提供，圓柱形透鏡56最好沿光路的縱軸旋轉90度進入水平位置64以便進行接下來的光束跟蹤操作。在水平位置64中，圓柱形透鏡56產生水平定向目標模式66。這種定向在精確定位操作中更為可取，因為相對來講它可以更為直接地識別那一行是全部由高強度的像素組成的，還因為對單一行上所有像素的分組可以提高傳感器62(該傳感器以行的方式輸出數據)產生高信噪比的能力。
如果需要，圓柱形透鏡56可以固定於水平位置64，用以進行初始對準和接下來的的跟蹤操作。使用一個固定水平配置進行初始對準要為傳感器陣列62中所有行讀出像素信息，以便識別包含水平目標模式66(用以提供垂直對準信息)的行，還要為行(提供水平排列信息)中的像素進行強度分布的分析。微調操作採用與接下來的對準步驟相同的技術。
如果圓柱形透鏡是可旋轉的，一個透鏡定位器68可用來控制圓柱形透鏡70的方向以及在傳感器陣列72上所形成的目標模式，如圖4所示。透鏡定位器68由控制電路74所產生的控制命令來控制。
圖4所示的本發明另一個可能的特徵是使用可變焦距透鏡76，它基本上位於處於光束分離器(圖4中未顯示)和傳感器陣列72之間的光束78中。在初始對準中，可變焦距透鏡76的焦距非常大或為無窮大，這就使得光束78可以穿過該透鏡而不產生任何改變，這樣目標模式就在其垂直方向與水平方向呈現最大橫向擴展。在接下來的和更精確的對準步驟中，可變焦距透鏡76呈現一個較短的有效焦距，它使光束78緊密地會聚於傳感器陣列72之上。使光束78較為緊密地會聚提高了傳感器陣列72上的光束強度(單位面積上的能量)，以便幫助克服傳感器陣列72中像素的噪音閾值。可變焦距透鏡76可以是一個變焦透鏡，一個或多個離散透鏡，它們由一個合適的定位器有選擇地在光路中進行定位，或者是一個電子可調焦距透鏡，例如可以從賓夕法尼亞州Exton LSA公司獲取到該種透鏡。
使用本發明系統的對準過程涉及圖5中所示的步驟。為使說明清楚，圖5的步驟在圖6*8中與示例的交叉形狀目標模式和傳感器陣列的排列一起進行說明。
一般來講，系統一開始並未被很好地對準。如圖6所示，在初始對準信息的獲取和對準調整步驟80過程中，目標模式82與傳感器陣列84隻是部分地重疊。尤其是，水平目標模式部分82a落在傳感器84的邊緣之外。垂直目標模式部分82b的上半部分也落於傳感器84的邊緣之外。然而，垂直目標模式部分82b的下半部分可以被傳感84上面的行檢測到。(儘管為避免使圖過於複雜沒有在圖中單獨加以顯示，但是在本發明的每一個傳感陣列中都可以有大量如像素86這樣的像素行和列。)交叉形狀的目標模式82中的光強一般來講在高斯分布中沿徑向逐漸遞減。在圖6中的例子中，目標模式82能檢測到的最高標號的行為第342行。這一行是通過順序地讀出傳感器陣列84中每一行的像素數據來識別的。系統中垂直未對準的數量是基於這一信息加以判定的。在水平維上，未對準是通過分析來自最高的342行中的一個或多個行的像素數據來識別哪一列包含垂直目標模式部分82b與這些行相交所產生的像素(或小的像素組)來加以判定的。在圖6的例子中，列510包含這一像素信息。在垂直和水平維的未對準範圍被判定之後，系統(也就是圖1中的構件40)就與使用定位器42(圖1)的光源14(圖1)相對準。如果在步驟80中沒有檢測到信號，則系統會轉為使用格點式或螺旋式搜索模式直接搜索來自光源14的該信號。
在圖5的步驟88中，進行粗略的對準信息獲取和對準調整。為確保傳感器陣列84的正常運行，以統一間隔的時鐘間隔(uniformly spaced clockinvervals)每幀標準地訪問各個行一次(或者是讀出數據或者是刷新像素)。然而，幀訪問不一定從陣列的第一行開始(就象在初始獲取和調整步驟80中一樣)。如圖7所示，對傳感器陣列84中行數據的訪問過程可以在陣列的中間一行開始，例如行400，這是因為(鑑於已知的系統的浮移特性)水平目標模式82a將定位於傳感器陣列84的中間200行之中。這種設計可以迅速識別出水平目標模式82a的位置。周期或幀的剩餘部分可以用來處理垂直對準信息和調整系統的對準。較為典型的是，傳感器84的幀速率大約為100Hz，所以每一周期的時間為0.01秒。在圖7的示例中，垂直方向未對準的校正是根據對行481的水平目標部分82a的檢測來進行的，水平方向未對準的校正是根據對列586的垂直目標部分82b的檢測來進行的。如果在步驟88中沒有找出目標模式，那麼將重複步驟80。
在圖5中的步驟90中，將進行細微的對準信息的獲取和對準調整操作。如圖8所示，在傳感器陣列84中數據行的訪問過程從行475開始，因為水平目標模式82a將定位於傳感器陣列84的中心的50行。這種設計可以迅速識別出水平目標模式82a的位置。周期的剩餘部分可以用來處理垂直對準信息和調整系統的對準情況。在圖8的示例中，垂直方向未對準的校正是根據對行498的水平目標部分82a的檢測來進行的，水平方向未對準是根據對列497的垂直目標部分82b的檢測來進行的。如果在步驟90中沒有找到目標模式，那麼將重複步驟80和步驟88。
步驟90中的微調最好在系統10的操作過程中不停地重複(圖1)。這就使得系統10中的光學器件和傳感器能與光源12保持很好的對準(圖1)。隨著系統10的對準，光束22b被透鏡28正確地會聚到高速光檢測器26的有效部分上，同時在輸出30提供數據。
前面僅僅闡述了本發明基本原理的示例，在不脫離本發明的範圍和精神的情況下，本技術領域的專業人士可以做出許多改進。
權利要求
1.一個用於從一個入射的自由空間光通信光束中跟蹤和接收數據的系統，該光束被對準並分為跟蹤光束和數據光束，其中通過一個定位器將至少系統的一部分相對於入射光束加以定位以保持與入射光束相對準，該系統包括一個用來從數據光束中接收數據的光檢測器；一個具有大量行和列像素的二維傳感器陣列；一個目標模式光學元件，用來接收跟蹤光束並在傳感器陣列上生成相應的目標模式；以及控制電路，用來從傳感器陣列接收像素信息並為定位器產生相應的垂直和水平對準信息，這樣該定位器與所述的入射光束保持對準。
2.權利要求1中所定義的系統，其中所述的目標模式光學元件包括一個全息光學元件；
3.權利要求1中所定義的系統，其中所述的目標模式光學元件包括一個全息光學元件，該元件在傳感器陣列上產生一個交叉形狀目標模式；
4.權利要求3中所定義的系統，其中所述的垂直對準信息在所述的交叉形狀目標模式位於所述傳感器陣列中所述的像素行內的垂直位置基礎上產生。
5.權利要求3中所定義的系統，其中所述的水平對準信息在所述的交叉形狀目標模式位於所述傳感器陣列中一給定行中的像素之中的水平位置基礎上產生。
6.權利要求1中所定義的系統，其中的目標模式光學元件是一個圓柱形透鏡。
7.權利要求6中所定義的系統，還包括一個透鏡定位器，該定位器用來把圓柱形透鏡沿跟蹤光束的縱軸旋轉90度。
8.權利要求1中所定義的系統，在跟蹤光束中還包括一個可變焦距透鏡，用來有選擇地提高傳感器陣列中跟蹤光束的強度。
9.權利要求1中所定義的系統，其中的傳感器陣列是一個有源像素傳感器陣列。
10.權利要求9中所定義的系統，還包括用於在有源像素傳感器陣列的中心行上初始化一個讀出周期的裝置，這樣對準信息的獲取就比讀出周期在所述的工作像素傳感陣列的第一行附近被初始化要快，並且系統在獲取對準信息之後，在周期的剩餘部分就可以被對準。
11.權利要求1中所定義的系統，還包括對所述系統進行初始化對準信息獲取和對準調整的裝置。
12.權利要求1中所定義的系統，還包括對所述系統進行粗對準信息獲取和對準調整的裝置。
13.權利要求1中所定義的系統，還包括在所述光檢測器接收所述數據時，連續對所述系統進行細微的對準信息獲取和對準調整的裝置。
14.權利要求1中所定義的系統，其中所述的光檢測器包括一個高速光檢測器。
15.權利要求1中所定義的系統，其中所述的控制電路包括分析來自所述傳感器陣列的信息，從而從所述跟蹤光束中析取通信數據的裝置。
16.一種用來跟蹤入射的自由空間光通信光束並從中接收數據的方法，所用系統瞄準入射光束，將其分為一個跟蹤光束和一個數據光束，其中通過一個定位器將系統的至少一部分相對於入射光束加以定位以保持與入射光束相對準，該方法包括以下步驟用光檢測器從數據光束中接收數據；用目標模式光學元件接收跟蹤光束並在一個具有大量行和列像素的二維傳感器陣列上產生一個相應的目標模式；以及用控制電路從傳感器陣列接收像素信息，為定位器生成相對應的垂直和水平對準信息，這樣定位器就與入射光束保持對準。
17.權利要求16所定義的方法，其中接收跟蹤光束的步驟包括用全息光學元件接收跟蹤光束的步驟。
18.權利要求16所定義的方法，其中接收跟蹤光束的步驟包括用在傳感器陣列上產生一個交叉形狀的目標模式的全息光學元件接收跟蹤光束的步驟。
19.權利要求18所定義的方法，還包括基於所述的交叉形狀目標模式在所述傳感器陣列中所述像素行內的垂直位置產生垂直對準信息的步驟。
20.權利要求18所定義的方法，還包括基於所述交叉形狀目標模式在所述傳感器陣列的一給定行的像素內的水平位置產生水平對準信息的步驟。
21.權利要求16所定義的方法，其中的接收跟蹤光線的步驟包括用一個圓柱形透鏡接收跟蹤光束的步驟。
22.權利要求21所定義的方法，還包括沿跟蹤光束的縱軸把圓柱形透鏡旋轉90度的步驟。
23.權利要求16所定義的方法，還包括在跟蹤光束中使用一個可變焦距透鏡可選擇地提高傳感器陣列上跟蹤光束強度的步驟。
24.權利要求16所定義的方法，其中用目標模式光學元件接收跟蹤光束並在一個二維傳感陣列上產生一個相應目標模式的步驟包括用目標模式光學元件接收跟蹤光束並在一個活動的像素傳感器陣列上產生相應目標模式的步驟。
25.權利要求24所定義的方法，還包括在有源像素傳感器的一個中央行初始化一個讀出周期的步驟，這樣對準信息的獲取就比讀出周期在所述的有源像素傳感器陣列的第一行附近初始化要快，並且系統在獲取對準信息之後，在周期的剩餘部分就可以被對準。
26.權利要求16所定義的方法，還包括對所述系統進行初始化對準信息獲取和對準調整的步驟。
27.權利要求16所定義的方法，還包括對所述系統進行粗對準信息獲取和對準調整的步驟。
28.權利要求16所定義的方法，還包括當所述光檢測器接收所述數據時，對所述系統連續的細微的對準信息獲取和對準調整的步驟。
29.權利要求16所定義的方法，其中用光檢測器從數據光束中接收數據的步驟包括用一個高速光檢測器從數據光束接收數據的步驟。
30.權利要求16所定義的方法，還包括從所述傳感器陣列分析信息，以從所述跟蹤光束析取通信數據的步驟。
全文摘要
提供了一種跟蹤自由空間光通信光束的系統。入射光束被一個光束分離器分離。入射光束的一部分被會聚到一個高速光檢測器上。入射光束的另一部分則穿過一個目標模式光學元件。在一個二維有源像素傳感器上形成一個結果目標模式。系統的對準可根據傳感器陣列上目標模式的位置進行調整。
文檔編號G01S3/782GK1199963SQ98107779
公開日1998年11月25日 申請日期1998年4月28日 優先權日1997年4月30日
發明者唐納德·約翰·鮑恩, 格雷戈裡·M·杜蘭特, 克里斯多福·L·拉特利奇 申請人:美國電報電話公司