基于无人机的移动全双工光通信系统技术

引言

移动光通信在现代网络技术中具有重要价值，特别是在传统射频通信面临电磁干扰的场景下。本文深入探讨创新的移动光通信系统(MOCS)，利用可见光作为传输介质，实现无人机与车辆之间的全双工通信[1]。

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系统架构与组件

移动光通信系统集成了多项关键技术，实现可靠的移动光通信。系统核心采用15W白光LED作为发射器，高灵敏度雪崩光电二极管(APD)作为接收器。为在移动过程中保持稳定通信，系统配备三轴稳定云台和基于图像识别的目标跟踪技术。

图1：MOCS示意图展示了无人机对车辆通信的组件集成，包括LED发射器、APD接收器和控制系统。

系统硬件实现包含以下关键组件：

• 发射模块：白光LED发射器由MOSFET驱动，通过FPGA中央处理单元的OOK调制器控制TTL信号。LED工作在12V电压下，由LM2587外部模块供电。
• 接收模块：采用Hamamatsu S8664-50 K APD作为核心接收器件，在350V工作电压下将光信号转换为微安级光电流。信号处理涉及跨阻放大器、运算放大器和迟滞比较器。
• 目标跟踪模块：视觉相机与视觉跟踪模块(VTM)和三轴云台配合，保持通信双方的对准。
  

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性能特征

系统的LED特性在通信性能中起着关键作用。

图2：LED的光电特性展示，包括(a)电流-电压曲线，(b)EL光谱，(c)不同电压下的3 dB带宽测量。

LED展现出以下具体运行参数：

• 正向电压：0.1A注入电流下为11V
• 峰值波长：447.9nm(蓝光)和565nm(荧光粉)
• 3 dB带宽：12V偏置电压下达1.11 MHz
  

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移动通信场景

MOCS支持两种主要通信场景：

1. 空地通信：

图3：MOCN应用展示(a)无人机与车辆间的空地场景和(b)两架无人机间的空空场景。

在此配置中，空中无人机与地面车辆建立实时通信。系统能够将无人机网络摄像头采集的视频数据传输至地面车辆，并通过Wi-Fi将信息中继到车队中的其他车辆。

2. 空空通信：

系统还支持两架无人机之间的通信，在双方运动过程中保持稳定的光链路。这项功能在协同空中作业和数据中继场景中特别有价值。

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系统性能指标

通信系统性能可通过多个关键指标量化：

图4：MOCS接收光功率与PLR、延迟和抖动的关系。

通信质量指标：

• 最佳通信距离：<13.1m可实现可靠运行
• 丢包率(PLR)：最佳范围内低于5%
• 延迟：最佳范围内低于8ms
• 抖动：最佳范围内低于100ms
  

图5：MOCS链路运动过程中的吞吐量测量，展示持续数据传输能力。

系统达到1.5 Mbps吞吐量，信道利用率75%，支持流畅的视频流传输。FIFO模块使系统能在毫秒级内从拥塞中快速恢复。

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技术实现细节

MOCS的物理设计考虑了多个实际因素：

图6：设计可视化展示(a)MOCS组件的透视图和(b)在无人机和车辆平台上的实际应用。

关键设计特点：

• 外壳材料：聚碳酸酯(总重：975g)
• 透镜规格：直径38mm，高度12mm石英透镜
• 可调焦距实现光束控制
• 通信范围：准直模式下可达38.3m
  

系统的光功率分布具有特定特征：

图7：LED光斑在0.25m处的离散光功率分布，展示光束轮廓和功率水平。

功率分布特征：

• 峰值光功率：565nm处为2.59mW
• 圆形光束轮廓
• 均匀功率分布，最小化抖动效应
  

图8：全双工移动光通信演示，展示(a)空地和(b)空空通信场景的实际部署。

这种综合系统设计在各种场景下实现可靠的移动光通信，在需要无电磁干扰通信或传统射频通信受限的环境中特别有价值。系统成功集成图像识别、机械稳定和光通信于一体，为动态移动场景下保持可靠通信链路提供了有效解决方案。展示的2 Mbps全双工通信能力和实时视频传输功能表明，这项技术在传统射频通信面临限制或约束的场景中具有显着应用价值。

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技术挑战与解决方案

MOCS的开发过程中解决了多项工程挑战：

1. 光束对准：

通过精密的图像识别和跟踪系统解决了视线通信维持的难题。视觉跟踪模块实现98ms的平均图像处理时间，云台响应时间为50ms，确保了快速的目标获取和跟踪。系统采用带通滤波器（中心波长560nm，半带宽10nm，透过率75%）配合专用遮光罩设计，有效降低了环境光干扰。

2. 运动补偿：

系统的偏航轴旋转速度达到2.618弧度/秒，使通信双方在相对运动过程中保持稳定连接。三轴云台的全面转动范围（偏航360度，向上俯仰60度，向下俯仰90度）保证了各种操作场景下的覆盖。

3. 稳定性保障：

• 热管理：采用金属散热结构，确保长时间工作稳定性
• 减震系统：在无人机与云台连接处安装减震模块，消除强风和无人机运动带来的大幅振动
• 姿态控制：通过惯性测量单元检测微小振动，电子速度控制器驱动电机进行抖动补偿
  

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应用与展望

MOCS技术在多个领域显示出实际应用价值：

• 应急救援：系统提供稳定通信和实时视频传输能力，在传统通信基础设施受损的灾难场景中发挥重要作用。实验证明，即使在复杂环境下，系统仍能保持2 Mbps的全双工通信能力。
• 电磁敏感区域：在射频通信受限或存在问题的场所，MOCS提供了可靠的替代通信方案。系统通过可见光通信避免了电磁干扰问题。
• 网络扩展：通过Wi-Fi功能与光通信的融合，创建了混合网络架构，将连接范围扩展至600米半径内的地面单位。这种组合提供了灵活的网络接入方案。
  

本文提出的移动光通信系统通过集成图像识别、机械稳定和光通信技术，实现了稳定的移动场景通信链路。系统展示的2 Mbps全双工通信和实时视频传输能力，为传统射频通信受限情况下的通信需求提供了新的技术方案。

参考文献

[1] Y. Liang, X. Mo, J. Zhou, Z. Qi, L. Wang, P. Liu, H. Zhu, and Y. Wang, "Drone-based mobile full-duplex optical communication," Opt. Express, vol. 32, no. 22, pp. 38013-38022, Oct. 2024.