[发明专利]用于校准自由空间光通信系统中的望远镜的方法和装置

说明书

技术领域

本发明一般涉及数据通信系统，尤其涉及自由空间光数据通信网络。

背景技术

用物理线路或电缆连接两个或多个地点的传统通信系统通常受限于相对低速、低容量的应用中，为克服这些缺陷，最近开发的系统使用光纤。然而光纤仍要求使用物理光缆连接。为解决这个问题，已开发出利用自由空间发射一个或多个调制有数据的光束的系统。使用这种光束的系统相比传统的基于有线的系统大大提高了数据速率和容量率，高达每秒10G字节，同时避免了在传统的通信系统中，铺设光缆以物理连接系统中的各个地点所耗费的基础设施成本。自由空间光通信系统不使用光缆，而是部分由至少一个发射望远镜和至少一个接收望远镜构成，用于在两个或多个通信地点之间分别发送和接收信息。每个望远镜的光学系统至少包括一个主反射镜(primary mirror)和一个次反射镜(secondary mirror)或透镜。发射望远镜使用其光学系统发送光束到接收望远镜。接收望远镜使用其光学系统聚焦输入光束到望远镜的焦平面上。通常，每个望远镜连接一个通信网络或其它信息源/目的地。在操作中，发射望远镜通过电缆或无线传输接收来自其相应网络的信息，接着发送调制有这个信息的光束到一个或多个目的接收望远镜。每个接收望远镜接着通过电缆或无线传输中继数据到其相应网络中的预定目的地。

前面提到的自由空间通信系统因此显然具有减小安装和维护网络的物理硬线(hard-wired)部分相关的成本，同时增大传输容量的优点。然而，自由空间光通信可能受多种因素的制约。例如，由于发射和接收望远镜相距遥远，首先校准望远镜以确保发射光束入射到接收望远镜的焦平面上就很难实现。另外，即使首先校准好了望远镜，在发射期间光束的任何位移，或发射或接收望远镜或它们的相应物理安装平台的任何移动都将导致发射和接收望远镜校不准。如果发射和接收望远镜未校准，发射光束不入射到接收望远镜的焦平面上，或只是部分入射，导致通信连接损耗或降级。

自由空间光通信的另一问题来自于大气条件的变化。具体地说，由于类似雾或雪等大气条件能干扰在这种系统中发射的光束，因此，发射望远镜必须使产生的光束功率足以维持在这种可变条件下的通信连接。然而在不出现这种削弱信号的条件下，接收光束的功率将使接收望远镜的电子设备过载。虽然可减小激光或激光放大器的功率来调整，但这意味着设备的增益系数无法使其高效工作。

技术内容

与初始校准以及由于在通信工作期间所产生的未校准而引起的通信连接潜在损失相关的上述问题，利用本发明可以基本消除。

根据本发明，在发射和接收望远镜初始校准期间，发射光束的截面积的增加超过了接收望远镜所处或应该处于的点上聚焦(平行)光束的通常截面积。因而在接收端，发射光束的截面被物理地增大，从而增加了接收光束将被入射到接收望远镜焦平面上的可能性。通过改变发射光束的发散可以实现发射光束的截面积中的这种增加。通过在接收远镜监视可测量的信号参数，诸如所接收信号的功率，并且通过发射望远镜提供某种类型的反馈，发射光束的发散可以被改变，直到光束入射到发射望远镜焦平面上的光纤中。在第一实施例中，一旦通过测量接收信号功率的可检测电平，在接收望远镜中检测到发射光束，并且通过物理地移动整个发射望远镜，直到最大的发射功率入射到接收望远镜中，发射光纤和/或接收光纤就可以彼此之间校准。或者，根据第二实施例，不是移动整个望远镜装置来实现校准，某些望远镜反射镜设计，诸如通过非标准锥形常数所限定的设计，允许仅移动位于发射望远镜焦平面上的光纤，以便发射光束入射到接收望远镜中。这些非标准锥形常数反射镜是与本发明同时申请的、同时待审的、发明名称为“用于自由空间光学通信系统的望远镜”的主题，该申请的序列号为No.09/679,159，并且作为参考包含于此。

进一步根据本发明，在发射光束发散之后，接收望远镜被物理地移动，以便发射光束的最大功率入射到接收光纤中。或者，不是移动整个接收望远镜，而是接收望远镜的光纤在接收焦平面内或其附近移动，以使入射到接收光纤的发射光束功率实现最大。而且，通过使用特定的反射镜，诸如由非标准锥形常数所限定的反射镜，可以实现接收光纤在焦平面内的移动。