轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置及方法与流程

本发明属于无人机无线激光通信，具体涉及一种强干扰条件下轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置及方法。

背景技术：

1、由于激光具有不受电磁干扰影响的优点，在复杂电磁环境下微波等射频信号无法使用时，采用激光通信的方案实现对无人机的遥控和数据回传至关重要。实现激光通信方案的前提是建立激光链路，并且当建立的激光链路因物体遮挡、强气流或执行任务需要等原因导致断开时，需要快速重新建链。在电磁压制环境下，由于无法使用基于射频信号支持的gps//ins等设备实现初始指向功能辅助建链，需采用全光建链方法建立激光链路。

2、传统全光建链方案中采用地面端与无人机端同时装载激光告警器或者同时装载角反射镜方法，辅助实现全光捕获初始指向。但考虑到轻小型无人机带载能力及功耗资源有限，在无人机端装载激光告警器或角反射镜会消耗宝贵带载资源及功耗资源，极大影响无人机的飞行作业使时间。

3、现有研究中，有学者将角反射镜与激光探测器相结合，在角反射镜后方安装激光探测器，当对方终端发射两种波长的激光时，第一种波长激光被反射回对方终端，第二种波长激光则透过角反射镜面进入探测器，并根据光束在探测器上的位置信号调整终端方向，由此实现快速全光捕获。若将该方案用于实现轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获，存在三个问题，其一是需要用产生两种波长的激光器，导致系统的复杂度升高；其二是装载角反射镜及激光探测器的一端由于视场角较小，需采用终端旋转或者跳步凝视的方式接收到光信号，成倍增加了捕获时间；其三是尽管角反射镜与对方终端可以实现全光建链，但激光通信镜头并未与对方终端建立链接，仍需要进一步执行瞄准、捕获、跟踪过程建立双方激光通信镜头的光链路。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置及方法，将激光告警器与角反射镜集成到具有更大功率和重量容忍度的地面端，以实现强干扰环境下轻小型无人机激光通信快速全光建链功能。

2、按照本发明提供的技术方案，轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置，包括设置于地面的a终端与装载于轻小型无人机上的b终端；

3、所述a终端包括激光接收单元及激光发射单元；还间隔设置有激光告警器和角反射镜，并采用阵列式排列成半球形式；所述激光告警器和角反射镜的视场角相同；

4、所述b终端包括与a终端适配的激光接收单元及激光发射单元；

5、所述a终端与b终端可以实现建链功能。

6、作为本发明的进一步改进，所述激光告警器和反射镜单元排列的半球形式分为平行的第一区域、第二区域和第三区域，以及半球顶端的第四区域；

7、所述第一区域分别设置六个激光告警器和角反射镜，其中相邻的激光告警器或角反射镜与第一区域的中心的连线均间隔30°；

8、所述第二区域分别设置有五个激光告警器和角反射镜，其中相邻的激光告警器或角反射镜与第二区域的中心的连线均间隔36°；

9、所述第三区域分别设置有三个激光告警器和角反射镜，其中相邻的激光告警器或角反射镜与第一区域的中心的连线均间隔60°；

10、所述第四区域设置有一个激光告警器。

11、作为本发明的进一步改进，所述半球的圆心与第一区域的激光告警器或角反射镜的连线与水平面呈角度0°，所述半球的圆心与第二区域的激光告警器或角反射镜的连线与水平面呈角度α，所述半球的圆心与第三区域的激光告警器或角反射镜的连线与水平面呈角度2α，所述半球的圆心与第四区域的激光告警器的连线与水平面呈角度3α，所述角度α为30°。

12、作为本发明的进一步改进，所述激光告警器或角反射镜的视场角均为60°，且视场角的端点指向半球的圆心。

13、作为本发明的进一步改进，所述激光告警器采用pd激光告警器或光纤激光告警器。

14、轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获方法，基于轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置实现，所述方法包括以下步骤：

15、步骤1)：t1时刻，在初始建链或者断链重连场景下，a终端及b终端均做好建链准备；

16、步骤2)：t2时刻，b终端发射激光，并根据不确定区域执行扫描过程；a终端激光告警器及激光接收单元等待接收激光信号；

17、步骤3)：t3时刻，通过激光告警器和角反射镜完成a终端与b终端的初步对准；

18、步骤4)：t4时刻，初步对准后，打开a终端上的激光发射单元，利用a终端上的激光告警器以及a与b终端上各自的激光接收单元和激光发射单元完成精确对准；

19、步骤5)：t5时刻，当a终端能够稳定接收b终端发射的激光信号，同时b终端能够稳定接收自a终端的激光信号，即为建链成功，完成全光捕获过程。

20、作为本发明的进一步改进，所述步骤3)中，对于a终端，a终端接收到b终端发射的激光后，执行以下两个动作：

21、①解析激光告警器上接收到的激光信号，确定b终端所在的不确定区域范围，将a终端的激光发射单元指向b终端不确定区域的中心；

22、②同时，将照射到角反射镜的激光反向反射回b终端。

23、作为本发明的进一步改进，所述步骤4)中，a终端激光告警器及激光接收单元持续接收信号；若激光接收单元接收到信号，打开激光发射单元；若激光接收单元未收到激光信号，但激光告警器能收到信号，则解析激光告警器上接收到的信号，判断激光信号方向，并调整激光接收单元指向来袭激光方向，直到激光接受单元接收到激光信号打开激光发射单元。

24、作为本发明的进一步改进，所述步骤4)中，判断b终端的激光接收单元是否再次收到a终端发射的激光，若收到，则完成对准；否则继续等待接收。

25、本发明的有益效果在于：

26、1、与传统方法相比，激光告警器和角反射镜全部设置在地面终端可在不增加无人机端带载重量和功耗的情况下实现全光链路的快速建立。

27、2、激光告警器和角反射镜的阵列半球式排布，形成无死角接收，保证激光告警器和角反射镜同时能收到对方终端的激光，实现快速建链，同时结构简单，实用性强。

28、3、地面终端与无人机终端的全光捕获步骤同时段进行，能够准确捕获信息以做出镜头调整，实现快速建链。

技术特征：

1.轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置，其特征在于，包括设置于地面的a终端与装载于轻小型无人机上的b终端；

2.如权利要求1所述的轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置，其特征在于，所述激光告警器和反射镜单元排列的半球形式分为平行的第一区域、第二区域和第三区域，以及半球顶端的第四区域；

3.如权利要求2所述的轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置，其特征在于，所述半球的圆心与第一区域的激光告警器或角反射镜的连线与水平面呈角度0°，所述半球的圆心与第二区域的激光告警器或角反射镜的连线与水平面呈角度α，所述半球的圆心与第三区域的激光告警器或角反射镜的连线与水平面呈角度2α，所述半球的圆心与第四区域的激光告警器的连线与水平面呈角度3α，所述角度α为30°。

4.如权利要求1所述的轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置，其特征在于，所述激光告警器或角反射镜的视场角均为60°，且视场角的端点指向半球的圆心。

5.如权利要求1所述的轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置，其特征在于，所述激光告警器采用pd激光告警器或光纤激光告警器。

6.轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获方法，基于轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获方法，其特征在于，所述步骤3)中，对于a终端，a终端激光告警器接收到b终端发射的激光后，执行以下两个动作：

8.如权利要求6所述的轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获方法，其特征在于，所述步骤3)中，对于b终端，b终端收到由a终端上的角反射镜反射的激光信号，并解析出a终端所在的不确定区域，此时将b终端的激光发射单元指向不确定区域的中心，并保持激光发射。

9.如权利要求6所述的轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获方法，其特征在于，所述步骤4)中，a终端激光告警器及激光接收单元持续接收信号；若激光接收单元接收到信号，打开激光发射单元；若激光接收单元未收到激光信号，但激光告警器能收到激光信号，则解析激光告警器上接收到的信号，判断激光信号方向，并调整激光接收单元指向来袭激光方向，直到激光接收单元接收到激光信号后打开激光发射单元。

10.如权利要求6所述的轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获方法，其特征在于，所述步骤4)中，判断b终端的激光接收单元是否再次收到a终端发射的激光，若收到，则完成对准；否则继续等待接收。

技术总结本发明属于无人机无线激光通信技术领域，具体涉及一种轻小型无人机空地激光通信快速全光捕获装置及方法。所述装置设置于地面的A终端与装载于轻小型无人机上的B终端；A终端包括激光接收单元及激光发射单元；还间隔设置有激光告警器和角反射镜，并采用阵列式排列成半球形式；激光告警器和角反射镜的视场角相同；B终端包括与A终端适配的激光接收单元及激光发射单元；A终端与B终端可以实现建链功能。本方法基于上述装置实现，与传统方法相比，本发明不增加无人机端带载重量和功耗的情况下实现全光链路的快速建立；阵列半球式排布，形成无死角接收；地面终端与空端的全光捕获步骤同时进行，能够准确捕获信息及调整，实现快速建链。技术研发人员：顾清,李悦受保护的技术使用者：比羿激光科技（湖州）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29