專利名稱：自由空間光通信系統(tǒng)中的激光瞄準(zhǔn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用激光的跟蹤和瞄準(zhǔn)裝置。尤其涉及在自由空間激光通信(Free SpaceOptical，F(xiàn)SO)或無線光通信(Wireless Optical Communication，WOC)兩端的激光收發(fā)系統(tǒng)相互對準(zhǔn)和跟蹤裝置。
背景技術(shù)：
目前，已有多種的方法用于自由空間光通信或無線光通信兩端的收發(fā)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)和位置校準(zhǔn)的，如射擊用的阻擊望遠(yuǎn)鏡，但它的視場角和瞄準(zhǔn)距離有限，不能自動操作，需要用人工。采用四象限光電器件跟蹤，中心點(diǎn)存在盲區(qū)，誤差較大。用線陣CCD攝像機(jī)，需要龐大復(fù)雜的光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)。通過面陣CCD攝像機(jī)對角反射器在CCD攝像機(jī)視場角內(nèi)的成像位置計算出合作目標(biāo)為質(zhì)和空間方位，而CCD攝像機(jī)象素數(shù)目又限制測量的分辨率。計算機(jī)信息處理量較大，測量速度慢，不能滿足的自由空間光通信系統(tǒng)通信鏈兩端迅速對準(zhǔn)和調(diào)整，保證通信質(zhì)量的要求。體積和重量較大，使用不方便。
目前，國內(nèi)尚無用位置敏感器組成的激光瞄準(zhǔn)器應(yīng)用于自由空間光通信系統(tǒng)組成的通信鏈兩端的報道、文章和專利。國外，最新的報道是有的位置，位置敏感器大部分用航天飛行器的交會對接技術(shù)文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述缺點(diǎn)，提供一種滿足自由空間光通信系統(tǒng)通信鏈兩端的收發(fā)系統(tǒng)快速精密瞄準(zhǔn)和跟蹤的激光裝置。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是從一對自由空間光通信系統(tǒng)所構(gòu)成的通信鏈的一端的調(diào)制信標(biāo)光源發(fā)出的激光束照射到另一端的另一個自由空間光通信系統(tǒng)，通過由窄帶濾光片和成像透鏡組成的該系統(tǒng)接收光學(xué)天線聚焦在位置敏感器的光敏面上，產(chǎn)生包含自由空間光通信系統(tǒng)的兩端的相對位置和空間姿態(tài)角信息的光斑，位置敏感器將光斑的能量轉(zhuǎn)換為電信號，輸入到電子信號處理器進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)接口電路輸入到計算機(jī)，計算出兩端的精確位置和空間姿態(tài)角。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、數(shù)據(jù)處理方便，是一種精度高、測量速度快的全自動化近程測距、測角裝置。
2、有均勻電阻的大面積的矩形或正方形位置敏感器四個邊的四個電極，每個電極所流出的電流包含光點(diǎn)所在位置的精確信息。計算量小，計算速度快。
3、光點(diǎn)位置幾乎不受位置分辨率的限制，測量精度高。不存在四象限器件的中心盲點(diǎn)限制。
4、可以測量物體位置變化率，可區(qū)分不同合作目標(biāo)，能對幾個合作目標(biāo)的同時測量。
5、提高了濾除背景光和散射光的能力，抗干擾能力強(qiáng)。
6、結(jié)構(gòu)簡單、體積和重量較小。
7、通過誤差校正可精確修正溫度引起的數(shù)據(jù)漂移，溫度穩(wěn)定好，不受環(huán)境溫度影響。
8、應(yīng)用范圍廣，也可涉及航天飛行器的交會對接，機(jī)器人視覺系統(tǒng)，工業(yè)生產(chǎn)的在線監(jiān)測，風(fēng)洞的實驗測量和CCD攝像機(jī)監(jiān)控目標(biāo)位置等一切需要精確測量位置的場所。


圖1是激光瞄準(zhǔn)器整體的框2是調(diào)制信標(biāo)光源的電路原理圖及調(diào)制的時序波形圖3是接收光學(xué)天線和位置敏感器組合的示意4是位置敏感器信號后處理的信號轉(zhuǎn)換電路5是接口電路的口地址譯碼電路6是數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖具體實施例下面結(jié)合附圖本發(fā)明的實施例，作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
由圖1至圖5可知，一種自由空間光通信系統(tǒng)中的激光瞄準(zhǔn)器由調(diào)制信標(biāo)光源1、接收光學(xué)天線2、位置敏感器3、信號處理器4、接口電路5和計算機(jī)6組成，其特征在于從一對自由空間光通信系統(tǒng)所構(gòu)成的通信鏈的一端的調(diào)制信標(biāo)光源1發(fā)出的激光束照射到另一端的另一個自由空間光通信系統(tǒng)的接收系統(tǒng)，通過由窄帶濾光片和成像透鏡組成的該系統(tǒng)接收光學(xué)天線2聚焦在位置敏感器3的光敏面上，產(chǎn)生包含自由空間光通信系統(tǒng)的兩端的相對位置和空間姿態(tài)方位角信息的光斑，位置敏感器3將光斑的能量轉(zhuǎn)換為電信號，輸入到電子信號處理器4進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)接口電路5輸入到計算機(jī)6，計算出兩端的精確位置和空間姿態(tài)角。
調(diào)制信標(biāo)光源1是三個彼此成正三角形排列的激光器，按時序發(fā)出方波形的激光脈沖照射到位置敏感器3前的接收光學(xué)天線2上。
調(diào)制信標(biāo)光源1的驅(qū)動電路采用定時方波發(fā)生器作為激光器的驅(qū)動源，產(chǎn)生三個微秒級間隔順序的發(fā)光控制的驅(qū)動信號。
由窄帶濾光片和成像透鏡組成接收光學(xué)天線2將激光束聚焦成的激光光斑，光斑中心在位置敏感器3光敏面上，光敏面響應(yīng)光斑中心的光強(qiáng)，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，從位置敏感器3的四個管腳輸出包含位置信息、空間姿態(tài)角和光強(qiáng)度信息的電流信號。
信號處理器4對位置敏感器3輸出的電流經(jīng)過求和電路，輸入到差分放大電路，再經(jīng)反向器轉(zhuǎn)換為-2.5V～+2.5V電壓信號。
接口電路5在0～5v輸入電壓范圍內(nèi)，將電子信號處理部分4輸出的電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字信號給計算機(jī)6處理。
圖1是自由空間光通信系統(tǒng)激光瞄準(zhǔn)器的原理方框圖，圖中的調(diào)制信標(biāo)光源1采用激光二極管(Laser Diode-LD)或發(fā)光二極管(Light Emitted Diode-LED)放置在角度盤上的三個成等邊三角形排列，按傳輸距離決定激光二極管的發(fā)射功率。對光源的每一個光信號進(jìn)行時序編碼，在任何一個時刻，只有一個光源打開。測量和照明的順序同步，為了消除背景光的影響，在收發(fā)天線2的干涉濾光片濾除背景光，成像透鏡聚焦在位置敏感器3的光敏面上，產(chǎn)生光斑，光斑的位置包含了自由空間光通信系統(tǒng)的兩端的相對位置和空間姿態(tài)方位角信息，光斑的能量轉(zhuǎn)換為電信號，輸入到信號處理器4進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)接口電路5輸入到計算機(jī)6，計算出兩端的精確位置和空間姿態(tài)角。
圖2是調(diào)制信標(biāo)光源的電路原理圖。調(diào)制信標(biāo)光源1是三個彼此成正三角形排列的激光器，按時序發(fā)出的方波形激光脈沖照射到位置敏感器3前的光學(xué)收發(fā)天線2上。采用定時方波發(fā)生器作為激光器的驅(qū)動源，產(chǎn)生三個微秒級間隔順序的發(fā)光控制信號給三個激光器。方波發(fā)生器7采用555或其他類型定時器，經(jīng)輸出端3產(chǎn)生一個方波，輸入到觸發(fā)三個74LS175或其他類型的D觸發(fā)器8的CP端，輸出信號輸入到74LS11與門9，經(jīng)過“與”和“非”的運(yùn)算后，在74LS06反向驅(qū)動器10的1、2、3端可以產(chǎn)生三種所時序的方波波形去控制光源順序發(fā)光。光源發(fā)光時序間隔為1微秒。
圖3是接收光學(xué)天線2和位置敏感器3的組合。照射的激光束經(jīng)過窄帶濾光片11和成像透鏡12組成光學(xué)天線聚焦成的激光光斑，其中心在位置敏感器光敏面3上，光敏面所響應(yīng)的是光斑中心的光強(qiáng)，實現(xiàn)信標(biāo)光信號的光電轉(zhuǎn)換，從位置敏感器的四個管腳輸出包含位置信息、空間姿態(tài)方位角和光強(qiáng)度信息的電流信號。如果背景光比較強(qiáng)，可用與光源波長相匹配的干涉濾光片來降低背景光在位置敏感器上的強(qiáng)度，提高位置敏感瞄準(zhǔn)器的信噪比。防止位置敏感器達(dá)到飽和。位置敏感器接收到光信號，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后，從四個管腳輸出電流信號。再經(jīng)過轉(zhuǎn)換器14轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。這四個信號，其中兩個為x方向，另兩個為y方向。每個信號不僅包含了位置和姿態(tài)角的信息，而且包含著所接收到的光點(diǎn)的光強(qiáng)信息。
圖4是位置敏感器輸出電流信號的信號轉(zhuǎn)換電路圖。電子信號處理部分4的轉(zhuǎn)換器14對位置敏感器3輸出的電流經(jīng)過一系列的線性放大器15進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，求和后，輸入到差分放大電路，再經(jīng)反向轉(zhuǎn)換為-2.5V～+2.5V電壓信號。首先將位置敏感器上輸出的四個光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號(I/U轉(zhuǎn)換)，然后對這些相應(yīng)的電壓信號進(jìn)行求和及差分放大。由于受模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換)的限制，必須將轉(zhuǎn)換器14的轉(zhuǎn)換電壓限制在0～5v之間。因此，四個電壓U1，U2，U3，U4，應(yīng)被限制在了-2.5v～+2.5v之間。這就需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電路中對每個電壓進(jìn)行了加+2.5v電壓，并衰減了一半，然后反向的處理。
圖5是是模數(shù)轉(zhuǎn)換接口的口地址譯碼電路圖。A/D轉(zhuǎn)換口地址的譯碼電路由譯碼器IC1(74LS00)和IC2(74LS30)及3～8線譯碼器IC3(74LS138)所組成。該譯碼電路受PC機(jī)IOW和IOP信號控制。只有在進(jìn)行I/O讀寫操作時，該譯碼電路才起作用。
圖6是模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路圖。在0～5v輸入電壓范圍內(nèi)，將電子信號處理部分4輸出的電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字信號給計算機(jī)6。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D電路)采用帶有8通道的ADC0809集成電路IC6，輸入電壓范圍為0～5v，采用查詢工作方式。該電路用IC7(74LS90)將PC機(jī)擴(kuò)充槽的時鐘信號CLK分頻變成適合ADC0809工作的頻率。采樣保持由IC4(74L123)完成。其觸發(fā)腳經(jīng)過非門IC5(74LS04)接到ADC0809的START腳。當(dāng)計算機(jī)的CPU啟動ADC0809時，START發(fā)生正電壓跳變，同時觸發(fā)74L123進(jìn)入保持狀態(tài)。ADC0809的EOC經(jīng)非門IC8(74LS04)與計算機(jī)的CPU的INT1連接，保證系統(tǒng)以查詢方式工作。ADC0809的START和OE腳經(jīng)或，非門IC9與計算機(jī)的CPU的P2，7、WR、RD聯(lián)結(jié)。使本電路用了三個口地址，口地址分配如下278H用于啟動ADC0809開始轉(zhuǎn)換。
279H用于檢查A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束否。
27AH用于向ADC0809發(fā)送允許輸出信號OE，以便將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)取走。
用口地址278H作為ADC0809啟動信號送入地址。啟動信號由數(shù)據(jù)D7位產(chǎn)生，而通道信號由D0、D1和D2產(chǎn)生。當(dāng)選中278H口地址，并且D7位是1時，則經(jīng)由與非門U產(chǎn)生一負(fù)跳變，用此信號觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，產(chǎn)生寬度約1微秒左右的啟動脈沖，用于啟動A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)此過程可用如下指令序列，如對0通道啟動采樣，用D7位產(chǎn)生1～0的變化，以形成一個啟動A/D轉(zhuǎn)換的脈沖。而D2、D1和D0保持不變。
采用查詢方式，對口地址279H不斷進(jìn)行讀出操作，以確定轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，當(dāng)D7位為1時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，可用口地址27AH將轉(zhuǎn)換結(jié)果取走，可采用如下指令序列對其他三個位置敏感器的輸出信號，也是由相同的口地址譯碼電路。經(jīng)三個通道接入到ADC0809的A、B和C。
這樣就可以通過計算機(jī)三個激光發(fā)射器傳到位置敏感器的輸出信號，用三光點(diǎn)法的計算相關(guān)的位置敏感器輸出信號的差(包含著位置信息與強(qiáng)度信息)與和(只包含著強(qiáng)度信息)的商，就可以獲得位置信息。即可以直接將目標(biāo)的相對位置和姿態(tài)在計算機(jī)顯示器上輸出。
權(quán)利要求
1.一種自由空間光通信系統(tǒng)中的激光瞄準(zhǔn)器由調(diào)制信標(biāo)光源(1)、接收光學(xué)天線(2)、位置敏感器(3)、信號處理器(4)、接口電路(5)和計算機(jī)(6)組成，其特征在于從一對自由空間光通信系統(tǒng)所構(gòu)成的通信鏈的一端的調(diào)制信標(biāo)光源(1)發(fā)出的激光束照射到另一端的另一個自由空間光通信系統(tǒng)，通過由窄帶濾光片和成像透鏡組成的該系統(tǒng)接收光學(xué)天線(2)聚焦在位置敏感器(3)的光敏面上，產(chǎn)生包含自由空間光通信系統(tǒng)的兩端的相對位置和空間姿態(tài)方位角信息的光斑，位置敏感器(3)將光斑的能量轉(zhuǎn)換為電信號，輸入到信號處理器(4)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)接口電路(5)輸入到計算機(jī)(6)，計算出兩端的精確位置和空間姿態(tài)角。
2.按照權(quán)利要求1所述的自由空間光通信系統(tǒng)中的激光瞄準(zhǔn)器，其特征是調(diào)制信標(biāo)光源(1)是三個彼此成正三角形排列的激光器，按時序發(fā)出方波形的激光脈沖照射到位置敏感器(3)前的接收光學(xué)天線(2)上。
3.按照權(quán)利要求1所述的自由空間光通信系統(tǒng)中的激光瞄準(zhǔn)器，其特征是調(diào)制信標(biāo)光源(1)的驅(qū)動電路采用定時方波發(fā)生器作為激光器的驅(qū)動源，產(chǎn)生三個微秒級間隔順序的發(fā)光控制的驅(qū)動信號。
4.按照權(quán)利要求1和2所述的自由空間光通信系統(tǒng)中的激光瞄準(zhǔn)器，其特征是由窄帶濾光片和成像透鏡組成接收光學(xué)天線(2)將激光束聚焦成的激光光斑，光斑中心在位置敏感器(3)光敏面上，光敏面響應(yīng)光斑中心的光強(qiáng)，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，從位置敏感器(3)的四個管腳輸出包含位置信息、空間姿態(tài)角和光強(qiáng)度信息的電流信號。
5.按照權(quán)利要求1所述的自由空間光通信系統(tǒng)中的激光瞄準(zhǔn)器，其特征是信號處理器(4)對位置敏感器(3)輸出的電流經(jīng)過求和電路，輸入到差分放大電路，再經(jīng)反向器轉(zhuǎn)換為-2.5V～+2.5V電壓信號。
6.按照權(quán)利要求1所述的自由空間光通信系統(tǒng)中的激光瞄準(zhǔn)器，其特征是接口電路(5)在0～5v輸入電壓范圍內(nèi)，將信號處理器(4)輸出的電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字信號給計算機(jī)(6)處理。
全文摘要
一種自由空間光通信系統(tǒng)中的激光瞄準(zhǔn)器由調(diào)制信標(biāo)光源、接收光學(xué)天線、位置敏感器、信號處理器、接口電路和計算機(jī)組成，從一對自由空間光通信系統(tǒng)所構(gòu)成的通信鏈的一端的調(diào)制信標(biāo)光源發(fā)出的激光束照射到另一端的另一個自由空間光通信系統(tǒng)，通過由窄帶濾光片和成像透鏡組成的該系統(tǒng)接收光學(xué)天線聚焦在位置敏感器的光敏面上，產(chǎn)生包含自由空間光通信系統(tǒng)的兩端的相對位置和空間姿態(tài)角信息的光斑，位置敏感器將光斑的能量轉(zhuǎn)換為電信號，輸入到電子信號處理器進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)接口電路輸入到計算機(jī)，計算出兩端的精確位置和空間姿態(tài)角。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、體積重量小，精度高、速度快?？捎糜诤教祜w行器交會對接，機(jī)器人視覺，在線監(jiān)測和監(jiān)控目標(biāo)等場所。
文檔編號G01S7/48GK1624493SQ20031010773
公開日2005年6月8日 申請日期2003年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者戴永江, 唐英千, 戴超 申請人:戴永江, 唐英千, 戴超