传感器阵列跟踪与检测系统

本发明涉及光束跟踪与检测，尤其涉及跟踪与检测自由空间光通信系统 中所用的光束。

自由空间光通信系统可以用来向把新的用户硬联接到现有的通信基础 设施比较困难或花费比较大的地区提供电信服务。为了正确工作，这种系 统中的光发送器和接收器必须被对准。此前所用的跟踪光束的设备一直使 用象限检测器，这种装置不够精确，并且很难与高速光检测器相集成。

因此本发明的一个目标是提供一种改进的方式，用以跟踪和检测通信系 统中的光束。

本发明的这项和其它目的是根据本发明的原理来实现的，即提供一个系 统，使用一个二维的活动像素阵列传感器使一个自由空间光接收器与一个 光通信信号源保持对准。。

在使用一个光束分离器分离光束之前，用一个望远镜瞄准来自信号源， 例如一个调制二极管激光器的入射光束。光束的一部分(数据光束)指向 一个高速光检测器，在系统的运行过程中该光束将与它保持对准。光束的 另一部分(跟踪光束)经由一个目标模式光学元件指引。该目标模式光学 元件在该有源像素传感器阵列中形成一个目标模式。传感器阵列上目标模 式的位置用来确定系统中未对准的数量。

目标模式光学元件可以从受到照射时产生一个交叉形状模式的一个全 息光学元件形成。可选择的该目标模式光学元件可以基于一个圆柱形透 镜。如果需要，可以使用变焦距透镜来提高光束被传感器阵列接收时的强 度，以便帮助系统克服传感阵列中诸像素的噪声阈值。

通过传感器阵列的调整使系统处于对准状态时，数据主要由高速光检测 器接收。然而，通过处理传感器阵列接收的数据同样也可以得到数据。在 高速光检测器无法正常工作但仍然希望向该系统进行发送时，可以使用这 种功能。

本发明的进一步特性，它的本质的和各种优点将通过所附附图和接下来 的对优选实施方法的详细描述得以更加清楚的体现。

图1是依据本发明的系统框图。

图2是依据本发明的一个示例系统一部分的透视图。

图3是依据本发明的另一个示例系统的一部分的透视图。

图4是表示本发明附加特征的框图。

图5是使用本发明的步骤的流程图。

图6-8是本发明进行跟踪时传感器阵列的简视图。

依据本发明的一个示例的光束跟踪与检测系统10如图1所示。已调制 光束12由激光二极管或其它合适的光源14产生。光束12在自由空间(空 气)16中传播大约十米至几千米之后，略微发散成扩展光束18。在望远 镜20入口处光束18的直径大约有几英寸。

望远镜20接收光束18并提供一个相应的准直光束22，其直径大约为 半英寸。光束22被光束分离器24分成跟踪光束22a和数据光束22b。光 束22b通过透镜28会聚到高速光检测器26的作用区域。正如这里所定义 的，术语“高速”是指速度大于1kHz，最好为几百MHz数据。在光检测器 26的输出30处加以提供。系统10可以用来承载任何希望类型的数据，这 些数据可以用来提供普通老式电话业务(POTS)，视频，综合业务数字网 (ISDN)业务等。

系统10具有跟踪能力以确保系统10中的该光学元件与光源14正确对 准。当数据由光检测器26接收时，目标模式光学元件32接收光束22a并 产生一个相应的光束22c。光束22c在传感器阵列34上形成一个目标模式。 当系统10正确对准时，该目标模式落于传感器阵列32的中心。当系统10 未对准时，该目标模式则偏离中心。控制电路36通过分析偏离中心的目标 模式的位置来判定该未对准的程度。

系统元件20，24，26，28，32和34最好置于一个共用的外壳或构 件40中，以便构件40与光源14对准时这些元件的相对位置保持固定。构 件40的定位由定位器42来控制，定位器42从控制电路36中接收位置反 馈控制信号。

如果需要，通过组合来自传感器阵列34的被照的像素的信号可以检测 在光束22c上编码的相对较低的数据率信息。控制电路36分析来自传感器 阵列34的像素信息并于输出44产生相应的数据。这种方法所支持的数据 率一般大约为传感器阵列34帧速率的一半。由于这种数据检测方式独立于 高速光检测器30所进行的数据检测，输出44所产生的数据在高速光检测 器30失效时，可用来提供备份数据。此外，任何其它所需类型的数据都可 以通过传感器阵列34进行检测并在数据输出44处提供。如果不要求进行 高速数据通信，传感器阵列34可以用作系统的唯一数据传感器。

目标模式光学元件32可以使用固定位置的光学元件，例如一个圆柱形 透镜或全息光学元件。可选择的可控定位器(图1中未显示)可用来控制 目标模式光学元件32中光学元件的位置。如果可控定位器被用于目标模式 光学元件32中，合适的控制信号可以经由信号路径46提供给目标模式光 学元件32。

传感器阵列34最好是一个有源像素传感器，例如在瑞典的“VVL技术” 中可获取的那样。在有源像素传感器中，可以使用片上缓冲电路从该阵列 中读出成行的像素数据。对于行中一个给定列的像素值能够通过访问缓冲 器中那一列相对应的寄存器来加以确定。传感器34中所用像素的数量由系 统10的光学特征决定。作为一个示例，传感器阵列34可有1000行和1000 列的像素。传感器阵列34较为典型的是由硅构成的。一个合适的兼容光源 14(图1)是一个输出波长大约为0.8um的砷化镓激光二极管。

尽管图1所示为独立的元件，但如果需要的话，目标模式光学元件和望 远镜光学元件可以组成一个完整的组件。同样，光束分离器24和透镜28 的光学功能可以作为一个整体形成望远镜或其它合适构件的一部分加以提 供。此外，所示独立于结构40的控制电路36也可以选择全部或部分地置 入结构40之中。

图2所示为本发明的一种实现方案，其中图1的目标模式光学元件32 由全息光学元件48形成。当全息光学元件48被跟踪光束54照射时，就在 传感器阵列52上产生一个交叉形状的目标模式50。交叉形状的目标模式 50使得控制电路36(图1)为判定系统对准状况而对目标模式50进行的 分析得以简化。水平对准信息可以通过识别给定行中哪一个像素具有最高 强度来得到，因为这一像素位于垂直部分50a和该行之间的交叉点上。垂 直定位信息可以通过识别哪一行包含有几乎全部的高强度像素来得到，因 为那一行与水平部分50b相对准。

如果需要，光学元件可以采用的其它排列来形成图1中的目标模式光学 元件32，以产生其它适当的目标模式。图3所示为本发明的一种实现方案， 其中图1中的目标模式光学元件32由圆柱形透镜56形成，该透镜被光束 58照射。当进行垂直定位时，圆柱形透镜56在传感器阵列62上产生一个 垂直定位目标模式60。读出与目标模式60相交的任何行中的内容会立即 以该行与目标模式60之间的相交点处像素列号形式产生水平对准信息。垂 直对准信息可以通过分析传感器阵列62中每一行来得到。如果目标模式60 与传感器阵列62的顶部几行相交，但不与底部几行相交(或相反)，则系 统没有在垂直方向上正确对准。

尽管圆柱形透镜56可以在系统的初始对准过程中在垂直方向上被提 供，圆柱形透镜56最好沿光路的纵轴旋转90度进入水平位置64以便进行 接下来的光束跟踪操作。在水平位置64中，圆柱形透镜56产生水平定向 目标模式66。这种定向在精确定位操作中更为可取，因为相对来讲它可以 更为直接地识别那一行是全部由高强度的像素组成的，还因为对单一行上 所有像素的分组可以提高传感器62(该传感器以行的方式输出数据)产生 高信噪比的能力。

如果需要，圆柱形透镜56可以固定于水平位置64，用以进行初始对准 和接下来的的跟踪操作。使用一个固定水平配置进行初始对准要为传感器 阵列62中所有行读出像素信息，以便识别包含水平目标模式66(用以提 供垂直对准信息)的行，还要为行(提供水平排列信息)中的像素进行强 度分布的分析。微调操作采用与接下来的对准步骤相同的技术。

如果圆柱形透镜是可旋转的，一个透镜定位器68可用来控制圆柱形透 镜70的方向以及在传感器阵列72上所形成的目标模式，如图4所示。透 镜定位器68由控制电路74所产生的控制命令来控制。

图4所示的本发明另一个可能的特征是使用可变焦距透镜76，它基本 上位于处于光束分离器(图4中未显示)和传感器阵列72之间的光束78 中。在初始对准中，可变焦距透镜76的焦距非常大或为无穷大，这就使得 光束78可以穿过该透镜而不产生任何改变，这样目标模式就在其垂直方向 与水平方向呈现最大横向扩展。在接下来的和更精确的对准步骤中，可变 焦距透镜76呈现一个较短的有效焦距，它使光束78紧密地会聚于传感器 阵列72之上。使光束78较为紧密地会聚提高了传感器阵列72上的光束强 度(单位面积上的能量)，以便帮助克服传感器阵列72中像素的噪音阈值。 可变焦距透镜76可以是一个变焦透镜，一个或多个离散透镜，它们由一个 合适的定位器有选择地在光路中进行定位，或者是一个电子可调焦距透 镜，例如可以从宾西法尼亚州Exton LSA公司获取到该种透镜。

使用本发明系统的对准过程涉及图5中所示的步骤。为使说明清楚，图 5的步骤在图6*8中与示例的交叉形状目标模式和传感器阵列的排列一起进 行说明。

一般来讲，系统一开始并未被很好地对准。如图6所示，在初始对准信 息的获取和对准调整步骤80过程中，目标模式82与传感器阵列84只是部 分地重叠。尤其是，水平目标模式部分82a落在传感器84的边缘之外。垂 直目标模式部分82b的上半部分也落于传感器84的边缘之外。然而，垂直 目标模式部分82b的下半部分可以被传感84上面的行检测到。(尽管为避 免使图过于复杂没有在图中单独加以显示，但是在本发明的每一个传感阵 列中都可以有大量如像素86这样的像素行和列。)

交叉形状的目标模式82中的光强一般来讲在高斯分布中沿径向逐渐递 减。在图6中的例子中，目标模式82能检测到的最高标号的行为第342行。 这一行是通过顺序地读出传感器阵列84中每一行的像素数据来识别的。系 统中垂直未对准的数量是基于这一信息加以判定的。在水平维上，未对准 是通过分析来自最高的342行中的一个或多个行的像素数据来识别哪一列 包含垂直目标模式部分82b与这些行相交所产生的像素(或小的像素组) 来加以判定的。在图6的例子中，列510包含这一像素信息。在垂直和水 平维的未对准范围被判定之后，系统(也就是图1中的构件40)就与使用 定位器42(图1)的光源14(图1)相对准。如果在步骤80中没有检测 到信号，则系统会转为使用格点式或螺旋式搜索模式直接搜索来自光源14 的该信号。

在图5的步骤88中，进行粗略的对准信息获取和对准调整。为确保传 感器阵列84的正常运行，以统一间隔的时钟间隔(uniformly spaced clock invervals)每帧标准地访问各个行一次(或者是读出数据或者是刷新像 素)。然而，帧访问不一定从阵列的第一行开始(就象在初始获取和调整 步骤80中一样)。如图7所示，对传感器阵列84中行数据的访问过程可 以在阵列的中间一行开始，例如行400，这是因为(鉴于已知的系统的浮 移特性)水平目标模式82a将定位于传感器阵列84的中间200行之中。这 种设计可以迅速识别出水平目标模式82a的位置。周期或帧的剩余部分可 以用来处理垂直对准信息和调整系统的对准。较为典型的是，传感器84的 帧速率大约为100Hz，所以每一周期的时间为0.01秒。在图7的示例中， 垂直方向未对准的校正是根据对行481的水平目标部分82a的检测来进行 的，水平方向未对准的校正是根据对列586的垂直目标部分82b的检测来 进行的。如果在步骤88中没有找出目标模式，那么将重复步骤80。

在图5中的步骤90中，将进行细微的对准信息的获取和对准调整操作。 如图8所示，在传感器阵列84中数据行的访问过程从行475开始，因为水 平目标模式82a将定位于传感器阵列84的中心的50行。这种设计可以迅 速识别出水平目标模式82a的位置。周期的剩余部分可以用来处理垂直对 准信息和调整系统的对准情况。在图8的示例中，垂直方向未对准的校正 是根据对行498的水平目标部分82a的检测来进行的，水平方向未对准是 根据对列497的垂直目标部分82b的检测来进行的。如果在步骤90中没有 找到目标模式，那么将重复步骤80和步骤88。

步骤90中的微调最好在系统10的操作过程中不停地重复(图1)。这 就使得系统10中的光学器件和传感器能与光源12保持很好的对准(图1)。 随着系统10的对准，光束22b被透镜28正确地会聚到高速光检测器26的 有效部分上，同时在输出30提供数据。

前面仅仅阐述了本发明基本原理的示例，在不脱离本发明的范围和精神 的情况下，本技术领域的专业人士可以做出许多改进。