光通信终端、高空平台以及光通信方法

摘要

一种光通信终端被配置为操作在全双工通信的两个不同的互补模式中。在一个模式中，该终端沿共同的自由空间光路透射具有第一波长的光并接收具有第二波长的光。在另一模式中，所述终端透射具有第二波长的光并接收具有第一波长的光。该终端包括引导去往和来自取决于波长创建不同光路的二向色元件的光的控制镜面，并且还包括针对两个波长的空间上分离的发射器和检测器。第一互补发射器/检测器对用于一个模式并且第二对用于另一模式。光学组件被布置成使得调整控制镜面的取向使终端与通过利用第一或第二互补对的给定自由空间光链路的通信对准。

权利要求

1.一种光通信终端，包括：

分束器，被配置为透射第一波长的光并且反射第二波长的光；

第一光源，被配置为从第一发射位置发射所述第一波长的光，以及第二光源，被配置为从第二发射位置发射所述第二波长的光；

第一检测器，被配置为在第一检测位置检测所述第一波长的光，以及第二检测器，被配置为在第二检测位置检测所述第二波长的光；

控制镜面；并且

其中，所述控制镜面和所述分束器被布置成使得当所述控制镜面具有第一取向时，(i)从所述第一发射位置发射的第一波长的光被引导以朝向远程终端传输，并且(ii)从所述远程终端接收的第二波长的光被朝向所述第二检测位置引导，并且其中，所述控制镜面和所述分束器进一步被布置成使得当所述控制镜面具有第二取向时，(i)从所述第二发射位置发射的第二波长的光被引导以朝向所述远程终端传输，并且(ii)从所述远程终端接收的第一波长的光被朝向所述第一检测位置引导。

2.根据权利要求1所述的光通信终端，进一步包括：

控制器，被配置为(i)做出在全双工通信的第一模式与全双工通信的第二模式之间切换的确定，并且(ii)响应于做出所述确定，使得所述控制镜面的取向在所述第一取向和所述第二取向之间改变，其中，在全双工通信的第一模式下，从第一发射位置发射的第一波长的光被引导以朝向远程终端传输，并且从远程终端接收的第二波长的光被朝向第二检测位置引导，其中，在全双工通信的第二模式下，从第二发射位置发射的第二波长的光被引导以朝向远程终端传输，并且从远程终端接收的第一波长的光被朝向第一检测位置引导。

3.根据权利要求2所述的光通信终端，其中，所述控制器进一步被配置为：当所述控制镜面具有第一取向时，通过如下各项在全双工通信的第一模式中操作所述光通信终端：(i )使得所述第一光源从所述第一发射位置发射基于输出数据调制的第一波长的光，以及(ii)基于所述第二检测器在所述第二检测位置检测的第二波长的光提取输入数据；以及当所述控制镜面具有第二取向时，通过如下各项在全双工通信的第二模式中操作所述光通信终端：(i )使得所述第二光源从所述第二发射位置发射基于输出数据调制的第二波长的光，以及(ii)基于所述第一检测器在所述第一检测位置检测的第一波长的光提取输入数据。

4.根据权利要求1所述的光通信终端，

其中，所述远程终端位于所述光通信终端的视场内的特定方向上，并且其中，所述控制镜面被配置为具有一定范围的取向以便引导光以传输到跨越所述视场的各个方向并且引导将从跨越所述视场的各个方向接收到的光，并且其中，对于所述各个方向中的给定一个方向，所述控制镜面被配置为具有两个取向中的一个取向，所述两个取向中的一个取向引导从所述第一发射位置发射的第一波长的光以在所述各个方向中的给定一个方向上传输并且还引导从所述各个方向中的给定一个方向接收的第二波长的光朝向所述第二检测位置，并且所述两个取向中的另一个取向引导从所述第二发射位置发射的第二波长的光以在所述各个方向中的给定一个方向上传输并且还引导从所述各个方向中的给定一个方向接收的第一波长的光朝向所述第一检测位置。

5.根据权利要求1所述的光通信终端，进一步包括：

取向反馈传感器，包括被定位为被由所述控制镜面反射的至少一些光照明的光敏阵列；以及控制器，被配置为：(i)获得对照明所述光敏阵列的光的测量，并且(ii)使得所述控制镜面的取向基于获得的测量改变。

6.根据权利要求5所述的光通信终端，其中，所述控制器进一步被配置为：(i)确定照明的光在所述光敏阵列上的质心位置，并且(ii)改变所述控制镜面的取向以便将所述质心位置与第一目标位置或第二目标位置中的一个对准，其中，所述第一目标位置和第二目标位置分别与所述控制镜面的第一取向和第二取向对应。

7.根据权利要求5所述的光通信终端，进一步包括：

对准激光源，被配置为发射第三波长的激光，所述第三波长的激光被朝向所述控制镜面引导以朝向所述远程终端传输；以及至少一个额外的分束器，被配置为将接收的第三波长的光与第一和第二波长的光分离，其中所述额外的分束器被布置成使得从所述远程终端接收的第三波长的光被朝向所述取向反馈传感器的光敏阵列引导。

8.根据权利要求1所述的光通信终端，

其中，由所述第一波长的光交替地穿过的第一对光路包括限定在所述控制镜面和所述第一检测位置之间的接收路径和限定在所述控制镜面和所述第一发射位置之间的传输路径，其中，由具有所述第二波长的光交替地穿过的第二对光路包括限定在所述控制镜面和所述第二检测位置之间的接收路径和限定在所述控制镜面和所述第二发射位置之间的传输路径，并且其中所述第一对光路之间的角距等于所述第二对光路之间的角距。

9.根据权利要求1所述的光通信终端，进一步包括：

框架，所述分束器、所述控制镜面、第一和第二发射位置以及第一和第二检测位置安装到所述框架。

10.根据权利要求1所述的光通信终端，其中所述第一光源和第二光源包括：第一激光源，被配置为发射数据调制的第一波长的激光；以及

第二激光源，被配置为发射数据调制的第二波长的激光。

11.根据权利要求1所述的光通信终端，其中所述第一检测器和第二检测器包括：第一雪崩光电二极管，被配置为检测数据调制的第一波长的激光；以及第二雪崩光电二极管，被配置为检测数据调制的第二波长的激光。

12.根据权利要求1所述的光通信终端，进一步包括：

多个光纤，所述多个光纤光学地将所述第一光源和第二光源链接到第一和第二发射位置中的相应一个并且光学地将所述第一检测器和第二检测器链接到第一和第二检测位置中的相应一个。

13.根据权利要求1所述的光通信终端，进一步包括：

第一波长选择滤光器，被配置为透射具有所述第一波长的光而不透射具有所述第二波长的光，其中，所述第一波长选择滤光器位于所述分束器与所述第一发射位置及所述第一检测位置两者之间；以及第二波长选择滤光器，被配置为透射具有所述第二波长的光而不透射具有所述第一波长的光，其中，所述第二波长选择滤光器位于所述分束器与所述第二发射位置及所述第二检测位置两者之间。

14.根据权利要求1所述的光通信终端，其中，所述光通信终端被配置为安装到高空平台的有效载荷。

15.一种高空平台，包括：

气囊；

被配置为从所述气囊悬挂的有效载荷；以及

安装到所述有效载荷的光通信终端，所述光通信终端包括：(i)分束器，被配置为透射第一波长的光并且反射第二波长的光；(ii)第一光源，被配置为从第一发射位置发射所述第一波长的光，以及第二光源，被配置为从第二发射位置发射所述第二波长的光；(iii)第一检测器，被配置为在第一检测位置检测所述第一波长的光，以及第二检测器，被配置为在第二检测位置检测所述第二波长的光；以及(iv)控制镜面，其中，所述控制镜面和所述分束器被布置成使得当所述控制镜面具有第一取向时，(i)从所述第一发射位置发射的第一波长的光被引导以朝向远程终端传输，并且(ii)从所述远程终端接收的第二波长的光被朝向所述第二检测位置引导，并且其中，所述控制镜面和所述分束器进一步被布置成使得当所述控制镜面具有第二取向时，(i)从所述第二发射位置发射的第二波长的光被引导以朝向所述远程终端传输，并且(ii)从所述远程终端接收的第一波长的光被朝向所述第一检测位置引导。

16.根据权利要求15所述的高空平台，进一步包括：

控制器，被配置为(i)做出在全双工通信的第一模式与全双工通信的第二模式之间切换的确定，并且(ii)响应于做出所述确定，使得所述控制镜面的取向在所述第一取向和所述第二取向之间改变，其中，在全双工通信的第一模式下，从第一发射位置发射的第一波长的光被引导以朝向远程终端传输，并且从远程终端接收的第二波长的光被朝向第二检测位置引导，其中，在全双工通信的第二模式下，从第二发射位置发射的第二波长的光被引导以朝向远程终端传输，并且从远程终端接收的第一波长的光被朝向第一检测位置引导。

17.根据权利要求16所述的高空平台，其中，所述控制器进一步被配置为：当所述控制镜面具有所述第一取向时，通过以下各项在全双工通信的第一模式中操作所述光通信终端：(i )使得所述第一光源从所述第一发射位置发射基于输出数据调制的第一波长的光，以及(ii)基于所述第二检测器在所述第二检测位置检测的第二波长的光提取输入数据；以及当所述控制镜面具有第二取向时，通过以下各项在全双工通信的第二模式中操作所述光通信终端：(i )使得所述第二光源从所述第二发射位置发射基于输出数据调制的第二波长的光，以及(ii)基于所述第一检测器在所述第一检测位置检测的第一波长的光提取输入数据。

18.一种光通信方法，包括：

对控制镜面进行取向以便：(i)引导从第一发射位置发射的第一波长的光以使其朝向远程终端传输，以及(ii)引导从所述远程终端接收的第二波长的入射光朝向第二检测位置；

通过以下各项在第一模式中进行全双工通信：(i)从所述第一发射位置发射基于输出数据调制的第一波长的光，以及(ii)基于在第二检测位置检测的第二波长的光提取输入数据；

做出进行切换以在第二模式中进行全双工通信的确定；

响应于做出所述确定，对所述控制镜面进行取向以便：(i)引导从第二发射位置发射的第二波长的光以使其朝向给定方向传输，以及(ii)引导从所述给定方向接收的第一波长的入射光朝向第一检测位置；以及通过以下各项在所述第二模式中进行全双工通信：(i)从所述第二发射位置发射基于输出数据调制的第二波长的光，以及(ii)基于在所述第一检测位置检测的第一波长的光提取输入数据。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

测量由所述控制镜面反射以便照明光敏阵列的至少一些光；以及

基于所述测量使得所述控制镜面的取向改变。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，基于所述测量使得所述控制镜面的取向改变包括：确定照明光在所述光敏阵列上的质心位置；

改变所述控制镜面的取向以便将所述质心位置与第一目标位置或第二目标位置中的一个对准，其中，所述第一目标位置和第二目标位置与所述控制镜面的相应取向对应，在所述控制镜面的相应取向中所述控制镜面被对准以分别在第一和第二模式中进行全双工通信。

说明书

光通信终端、高空平台以及光通信方法

技术领域

[0001] 本公开通常涉及光通信，更具体地，涉及光通信终端、高空平台以及光通信方法。

背景技术

[0002] 除非本文另外指明，否则本部分中描述的材料并不是本申请中的权利要求的现有技术，并且并不因为被包括在本部分中就被承认为是现有技术。

[0003] 诸如个人计算机、膝上型计算机、平板计算机、蜂窝电话和无数类型的具备联网能力的设备之类的计算设备在现代生活的许多方面中正越来越普遍。这样，对于经由因特网、蜂窝数据网络和其它这样网络的数据连通性的需求正在增长。然而，在世界的许多地区中，数据连通性仍是不可得的，或者如果可得，则是不可靠的和/或成本高昂的。

[0004] 自由空间光通信链路可以在发送和接收调制的激光的相应的通信终端之间形成。例如，第一终端可生成根据输出数据调制的激光并将激光传输到第二终端，在第二终端检测并解调激光以恢复数据。类似地，第二终端可生成根据数据调制的激光并将激光传输到第一终端，在第一终端检测并解调激光。

[0005] 为了支持在其中可利用单个终端同时发送和接收数据的全双工通信，各配置可利用第一波长传输数据并且利用第二波长接收数据。通信终端然后可在来自终端的主孔径的光路中包括二向色分束器。二向色分束器在共享单个主孔径的同时可允许一个波长透射并反射另一波长，从而分离在两个不同的波长下发送和/或接收的光。例如，第一终端可被配置为在波长1下传输并且在波长2下接收。二向色分束器可使波长1通过并且反射波长2。被配置为在波长1下发射的激光源可被定位为朝向主孔径发射通过二向色分束器的光。被配置为在波长2下检测的光检测器可被定位为接收在经由主孔径接收之后被二向色分束器反射的光。类似地，第二终端可被配置为在波长2下传输并且在波长1下接收。可以相对于二向色分束器布置合适的激光源和光检测器以将光引导到第二终端的单个主孔径/引导来自第二终端的单个主孔径的光。因此，通过在两个不同的波长下发送和接收调制的激光束，第一和第二通信终端就可以同时地在两个方向上传达数据。

[0006] 为了确保空间上分离的终端之间的对准，每个终端一般包含一个或多个可调整的光束控制镜面，所述光束控制镜面引导去往和来自相应的传输/接收孔径的激光到每个终端中的各个激光源和光检测器。调整(一个或多个)光束控制镜面的取向然后可调整将各个(一个或多个)激光源和(一个或多个)光检测器耦合到主孔径的(一个或多个)光路中的各个焦点的位置。还可利用反馈系统来检测到来的激光(例如，来自另一终端)的到达角度，并且利用所确定的角度作为反馈来引导传输的激光(例如，到其它终端)。主孔径以及各个(一个或多个)激光源和/或(一个或多个)光检测器之间的光路在需要时可额外地包括各种不同的滤光器、反光镜(mirror)、透镜、孔径和其它光传输组件。

发明内容

[0007] 示例实施例涉及在空中通信网络中的气球的网络。气球可由支撑有效载荷和气囊形成，所述有效载荷具有电源、数据存储装置和用于将信息无线地传达到气球网络的其它成员和/或位于地面上的无线站的一个或多个收发器。气球可经由自由空间光链路相互通信并且可包括可被配置为操作在全双工通信的两个不同的互补模式中的光通信终端。在一个模式中，所述终端沿共同的自由空间光路传输具有第一波长的光并接收具有第二波长的光。在另一模式中，所述终端传输具有第二波长的光并接收具有第一波长的光。因此，在两个不同的气球上操作在互补模式中的两个这样的终端允许这两个气球同时地在两个方向上传达数据。为了在任意的气球之间形成这样的光链路以创建网状网络，终端可被配置为通过调整控制镜面的取向从而将自由空间光路与终端中模式特定的光发射器和检测器对准来在两个模式之间动态地切换。

[0008] 例如，终端可包括引导去往和来自创建取决于波长的差异化路径的二向色元件的光的控制镜面，并且还包括对于两个波长的空间上分离的发射器和检测器。第一互补的发射器/检测器对用于一个模式中，并且第二对用于另一模式。光组件被布置成使得调整控制镜面的取向使终端与利用第一或第二互补对的给定自由空间光路上的通信对准。

[0009] 本公开的一些实施例提供了一种光通信终端。该光通信终端可包括分束器、一个或多个光源、一个或多个检测器及控制镜面。分束器可被配置为透射第一波长的光并反射第二波长的光。一个或多个光源可被配置为从第一发射位置发射第一波长的光并且从第二发射位置发射第二波长的光。所述一个或多个检测器可被配置为在第一检测位置检测第一波长的光，并在第二检测位置检测第二波长的光。控制镜面和分束器可被布置成使得当所述控制镜面具有第一取向时，(i)从第一发射位置发射的第一波长的光被引导以使其朝向远程终端传输，并且(ii)从远程终端接收的第二波长的光被朝向第二检测位置引导。控制镜面和二向色分束器可进一步被布置成使得当所述控制镜面具有第二取向时，(i)从第二发射位置发射的第二波长的光被引导以使其朝向远程终端传输，并且(ii)从远程终端接收的第一波长的光被朝向第一检测位置引导。

[0010] 本公开的一些实施例提供了一种高空平台。该高空平台可包括气囊、被配置为从气囊悬挂的有效载荷；以及安装到有效载荷的光通信终端。光通信终端可包括：(i)分束器，被配置为传输第一波长的光并反射第二波长的光；(ii)一个或多个光源，被配置为从第一发射位置发射第一波长的光并且从第二发射位置发射第二波长的光；(iii)一个或多个检测器，被配置为在第一检测位置检测第一波长的光，并在第二检测位置检测第二波长的光；以及(iv)控制镜面。控制镜面和分束器可被布置成使得当所述控制镜面具有第一取向时，(i)从第一发射位置发射的第一波长的光被引导以朝向远程终端传输，并且(ii)从远程终端接收的第二波长的光被朝向第二检测位置引导。控制镜面和分束器可进一步被布置成使得当所述控制镜面具有第二取向时，(i)从第二发射位置发射的第二波长的光被引导以朝向远程终端传输，并且(ii)从远程终端接收的第一波长的光被朝向第一检测位置引导。

[0011] 本公开的一些实施例提供了一种方法。该方法可包括对控制镜面进行取向以便：(i)引导从第一发射位置发射的第一波长的光以使其朝向远程终端传输，以及(ii)引导从远程终端接收的第二波长的入射光朝向第二检测位置。该方法可包括通过以下各项在第一模式中进行全双工通信：(i)从第一发射位置发射基于输出数据调制的第一波长的光，以及(ii)基于在第二检测位置检测的第二波长的光提取输入数据。所述方法可包括做出确定以切换到进行在第二模式中的全双工通信。该方法可包括响应于做出所述确定，对所述控制镜面进行取向以便：(i)引导从第二发射位置发射的第二波长的光以使其朝向给定方向传输，以及(ii)引导从所述给定方向接收的第一波长的入射光朝向第一检测位置。该方法可包括通过以下各项在第二模式中进行全双工通信：(i)从第二发射位置发射基于输出数据调制的第二波长的光，以及(ii)基于在第一检测位置检测的第一波长的光提取输入数据。

[0012] 本公开的一些实施外高桥提供了一种装置，用于对控制镜面进行取向以便：(i)引导从第一发射位置发射的第一波长的光以使其朝向远程终端传输，以及(ii)引导从远程终端接收的第二波长的入射光朝向第二检测位置。本公开的一些实施例提供了用于通过以下各项在第一模式中进行全双工通信的装置：(i)从第一发射位置发射基于输出数据调制的第一波长的光，以及(ii)基于在第二检测位置检测的第二波长的光提取输入数据。本公开的一些实施例提供了一种用于做出对切换到在第二模式中进行全双工通信的确定的装置。本公开的一些实施例提供了一种装置，用于响应于做出所述确定，对所述控制镜面进行取向以便：(i)引导从第二发射位置发射的第二波长的光以使其朝向给定方向传输，以及(ii)引导从所述给定方向接收的第一波长的入射光朝向第一检测位置。本公开的一些实施例提供了通过以下各项在第二模式中进行全双工通信的装置：(i)从第二发射位置发射基于输出数据调制的第二波长的光，以及(ii)基于在第一检测位置检测的第一波长的光提取输入数据。

[0013] 通过酌情参考附图阅读以下详细描述，本领域普通技术人员将清楚这些以及其它方面、优点和替换方案。

附图说明

[0014] 图1是图示示例气球网络的简化框图。

[0015] 图2是图示示例气球网络控制系统的框图。

[0016] 图3是图示示例高空气球的简化框图。

[0017] 图4A是经由自由空间光链路相互通信的气球的网络的图。

[0018] 图4B是光通信终端的简化框图。

[0019] 图4C是被对准以操作在全双工通信的第一模式中的光通信终端的简化框图。

[0020] 图4D是被对准以操作在全双工通信的第二模式中的光通信终端的简化框图。

[0021] 图5是布置为交替地操作在两个不同模式中的示例光通信终端的图。

[0022] 图6是另一示例光通信终端的图。

[0023] 图7是另一示例光通信终端的图。

[0024] 图8是用于操作光通信终端的示例过程的流程图。

[0025] 图9图示了根据示例实施例的计算机可读介质。

具体实施方式

[0026] 本文描述了示例方法和系统。本文描述的任何示例实施例或特征不一定要被解释为比其它实施例或特征更优选或有利。本文描述的示例实施例不欲进行限定。将容易理解，公开的系统和方法的某些方面可按许多种不同的配置来布置和组合，所有这些在本文都已被设想到。

[0027] 1.综述

[0028] 示例实施例涉及具有促进与陆基台站的和气球之间的无线通信的通信设备的气球的空中通信网络。气球可由支撑有效载荷的气囊形成，所述有效载荷具有电源、数据存储装置和用于将信息无线地传达到气球网络的其它成员和/或位于地面上的无线站的一个或多个收发器。

[0029] 有动力装置的气球的网络可位于大气中并配备有电信设备，并且被配置为在其间相互通信并与地面上的终端通信，其或许也与卫星通信。气球每一个都可用作在能够在其间相互通信、与陆基的用户设备和与地面上的数据网络(例如，互联网)通信的空中互连的网络中的终端，以便给用户设备提供经由空中网络对这样的数据网络的接入。

[0030] 气球可通过自由空间光通信链路彼此通信。每个气球可配备有激光传输器和检测器，以及能够将从一个气球发射的激光引导到另一个气球上的检测器的可控制的孔径和光具组(optical train)。为了将数据从一个气球发送到另一个气球，可调制来自一个气球的激光以编码数据，被调制的光可通过大气传输并且引导到网络中的另一个气球，该另一个气球然后可接收激光并且恢复编码的数据。

[0031] 为了在网络中的气球之间形成网状网络，网络中的每个给定气球可在多个其它气球之间发送和接收信号。另外，每个通信链路可允许双向通信(例如，气球一可将信号发送到气球二并且气球二也可将信号发送到气球一)。为了高效地利用可用的资源，每个通信链路可通过第一气球将光束传输到第二气球且同时从第二气球接收可区别的光束(例如，利用一个波长承载在一个方向上的通信并且利用另一波长来承载在另一个方向上的通信)来支持全双工通信。为了高效地在这样的全双工模式中通信，一个气球可处于“模式A”，在模式A中在波长1，λ1下发送数据并且在波长2，λ2下接收数据；并且另一个气球可处于“模式B”，在模式B中在λ2下发送数据并且在λ1下接收数据。然而，由于各个连接是在不同的气球之间随着时间推移而形成的，所以给定的气球可能需要切换模式以便促进与另一个气球的全双工通信。即，初始处于模式A(或者两个都处于模式B)的两个气球之间的全双工通信链路是不可能的，除非其中一个气球从模式A切换到模式B(或从模式B切换到模式A)。

[0032] 本文的公开提供了用于光通信终端的布置，在其中模式A和模式B之间的切换通过改变控制镜面的对准来完成。示例通信终端包括：被配置为从第一发射位置发射具有第一波长的激光的第一激光源，被配置为从第二发射位置发射具有第二波长的激光的第二激光源，被配置为检测入射在第一检测位置上的具有第一波长的激光的第一检测器，以及被配置为检测入射在第二检测位置上的具有第二波长的激光的第二检测器。

[0033] 控制镜面引导去到和来自主孔径和二向色分束器的激光。二向色分束器基本上透射具有第一波长的激光并基本上反射具有第二波长的激光，从而分离具有两个不同波长的光的光路。控制镜面可从第一大致取向调整到第二大致取向，在第一大致取向中光终端被配置为操作在模式A中，在第二大致取向中光终端被配置为操作在模式B中。具体地，在第一大致取向中，从第一发射位置发射的具有第一波长的激光被引导到主孔径并且经由主孔径接收的具有第二波长的激光被引导到第二检测位置。并且，在第二大致取向中，从第二发射位置发射的具有第二波长的激光被引导到主孔径并且经由主孔径接收的具有第一波长的激光被引导到第一检测位置。

[0034] 可利用取向反馈传感器来估计控制镜面的取向，并且然后可基于估计的取向进行调整。取向反馈传感器可包括分束器，该分束器将控制镜面反射的一些光(从主孔径)转向到光敏元件的阵列，光敏元件的阵列可用来测量照明该阵列的光的强度。可利用控制器来识别照明所述阵列的光的质心(centroid)位置，并且调整控制镜面来使得所述质心位置朝与第一或第二取向(取决于操作模式)对应的目标位置移动。第一和第二大致取向以及光敏阵列上对应的目标位置可部分地在例如校准例程期间进行确定。由于控制镜面被用于引导从主孔径接收的光以及从(一个或多个)激光源传输的光，因此从终端传输的激光可以朝向接收光的源(例如，另一终端的主孔径)对准。

[0035] 在另一示例中，对准激光可为具有第三波长的激光，第三波长不同于用于承载通信的波长。在这种情况下，对准激光可利用二向色分束器被朝向光敏阵列引导，所述二向色分束器反射对准激光而透射数据承载激光波长。另外，这样的二向色分束器可反射两个数据承载激光波长而透射对准激光波长。

[0036] 为了操作在模式A(传输λ1，接收λ2)中，终端可激活发射被调制的λ1下的激光的激光源和检测λ2下的激光的光检测器，并且将控制镜面取向在第一取向中。并且，为了操作在模式B(传输λ2，接收λ1)中，终端可激活发射被调制的λ2下的激光的激光源和检测λ1下的激光的光检测器，并且将控制镜面取向在第二取向中。可通过调整控制镜面的取向并激活/去激活适当的激光器和检测器来执行模式之间的切换。

[0037] 这些具体的方法和系统中的每一个在本文都设想到了，并且在下面描述若干示例实施例。

[0038] 2.示例系统

[0039] 图1是根据示例实施例图示出气球网络100的简化框图。如图所示，气球网络100包括气球102A至102F，这些气球被配置为经由自由空间光链路104与彼此通信(例如，通过发送和接收编码有数据的光辐射)。此外，尽管被称为“光”，但是在光链路104上的通信可利用在包括可见光谱之外的辐射(诸如红外辐射、紫外辐射等)的波长范围的辐射来进行。气球102A至102F可以额外地或可替换地被配置为经由射频(RF)链路114与彼此通信(例如，通过发送和接收编码有数据的射频辐射)。气球102A至102F可以共同充当用于封包数据通信的网状网络。另外，至少一些气球(例如102A和102B)可被配置用于经由相应的RF链路108与陆基台站106RF通信。另外，一些气球，诸如气球102F，可被配置为经由光链路110与适当配备的陆基台站112通信。

[0040] 在示例实施例中，气球102A至102F是部署在平流层中的高空气球。在中等纬度，平流层包括地表之上大约10公里(km)到50km之间的高度。在南北极，平流层开始于大约8km的高度。在示例实施例中，高空气球可大体上被配置为在具有相对较低的风速(例如，在8到32千米每小时(kph)之间)的平流层内的高度范围中操作。

[0041] 更具体而言，在高空气球网络中，气球102A至102F可大体上被配置为在18km到25km之间的高度操作(虽然其它高度也是可能的)。此高度范围可能由于若干个原因而是有利的。具体地，平流层的这一高度区域一般具有相对合意的大气条件，其具有低的风速(例如，8到32kph之间的风)和相对较小的湍流。另外，虽然在高度为18km到25km之间的风可随着纬度并根据季节而变化，但可以以相当的精确度对这些变化建模，进而允许预测和补偿这些变化。额外地，18km以上的高度通常超过了为商业空中交通指定的最大高度。

[0042] 为了向另一气球发送数据，给定的气球102A至102F可被配置为经由光链路104发送光信号。在示例实施例中，给定的气球102A至102F可使用一个或多个高功率发光二极管(light-emitting diode，LED)来发送光信号。可替换地，气球102A至102F中的一些或全部可包括激光系统，用于通过光链路104的自由空间光通信。其它类型的自由空间光通信是可能的。另外，为了经由光链路104从另一气球接收光信号，给定的气球102A至102F可包括一个或多个光学检测器，诸如雪崩光电二极管。

[0043] 在又一方面中，气球102A至102F可利用各种不同的RF空中接口协议中的一种或多种来经由相应的RF链路108与陆基台站106和112通信。例如，气球102A至102F中的一些或全部可被配置为利用IEEE 802.11(包括IEEE 802.11的任何修订版)中描述的协议、诸如GSM、CDMA、UMTS、EV-DO、WiMAX和/或LTE之类的各种蜂窝协议和/或为气球-地面RF通信开发的一个或多个专有协议等等来与陆基台站106和112通信。

[0044] 在又一方面中，可存在如下场景：RF链路108不为气球到地面的通信提供期望的链路容量。例如，为了提供从陆基网关的回程链路以及在其它场景中，可希望有增大的容量。因此，示例网络还可包括一个或多个下行链路气球，这些下行链路气球可提供高容量空-地链路以将气球网络100连接到陆基网络元件。

[0045] 例如，在气球网络100中，气球102F被配置为下行链路气球。与示例网络中的其它气球一样，下行链路气球102F可操作以用于经由光链路104与其它气球的光通信。然而，下行链路气球102F也可被配置用于经由光链路110与陆基台站112的自由空间光通信。光链路110因此可用作气球网络100与陆基台站112之间的高容量链路(与RF链路108相比)。

[0046] 注意，在一些实现方式中，下行链路气球102F可额外地操作用于与陆基台站106的RF通信。在其它情况下，下行链路气球102F可以只将光链路用于气球到地面的通信。另外，虽然图1中所示的布置只包括一个下行链路气球102F，但示例气球网络也可包括多个下行链路气球。另一方面，气球网络也可实现为没有任何下行链路气球。

[0047] 在其它实现方式中，取代自由空间光通信系统或者除了自由空间光通信系统以外，下行链路气球可配备有专门的高带宽RF通信系统以用于气球到地面的通信。高带宽RF通信系统可采取超宽带系统的形式，该超宽带系统可提供具有与光链路104之一基本相同的容量的RF链路。其它形式也是可能的。

[0048] 陆基台站，诸如陆基台站106和/或112，可采取各种形式。一般地，陆基台站可包括诸如收发器、发送器和/或接收器之类的组件，用于经由RF链路和/或光链路与位于气球网络100中的气球上的相应收发器进行无线通信。另外，陆基台站可使用各种空中接口协议来通过RF链路108与气球102A至102F通信。这样，陆基台站106和112可被配置为接入点，经由该接入点，各种设备可连接到气球网络100。在不脱离本公开的范围的情况下，陆基台站106和112可具有其它配置和/或起到其它作用。

[0049] 在又一方面中，气球102A至102F中的一些或全部可额外地或可替换地被配置为与天基卫星建立通信链路。在一些实施例中，气球可经由光链路与卫星通信。然而，其它类型的卫星通信是可能的。

[0050] 另外，一些陆基台站，诸如陆基台站106和112，可被配置为气球网络100与一个或多个其它网络之间的网关。这样的陆基台站106和112从而可用作气球网络与因特网、蜂窝服务提供商的网络和/或其它类型的网络之间的接口以用于传达信息。关于这个配置以及陆基台站106和112的其它配置的变化也是可能的。

[0051] 2a)网状网络功能

[0052] 如所指明的，气球102A至102F可共同充当网状网络。更具体而言，因为气球102A至102F可利用自由空间光链路与彼此通信，所以这些气球可共同充当自由空间光学网状网络。

[0053] 在网状网络配置中，每个气球102A至102F可充当网状网络的节点，该节点可操作来接收送往它的数据并将数据路由到其它气球。这样，通过确定源气球与目的地气球之间的光链路的适当序列，可将数据从源气球路由到目的地气球。这些光链路对于源气球和目的地气球之间的连接可被统称为“光路(lightpath)”。另外，每个光链路可被称为光路上的“跳(hop)”。沿特定光路的每个中间气球(即，跳)可充当中继站以首先经由接收的光信号检测到来的通信，然后通过发射对应光信号以使其被特定光路上的下一气球接收来中继通信。额外地或可替换地，特定的中间气球可诸如通过反射入射的光信号以朝向下一气球传播来仅朝向下一气球引导入射信号。

[0054] 为了作为网状网络操作，气球102A至102F可采用各种路由技术和自我修复算法。在一些实施例中，气球网络100可采用自适应或动态路由，其中源气球和目的地气球之间的光路在需要连接时被确定并建立，并且在以后某时被解除。另外，当使用自适应路由时，可依据气球网络100的当前状态、过去状态和/或预测状态来动态地确定光路。

[0055] 此外，随着气球102A至102F相对于彼此和/或相对于地面移动，网络拓扑可改变。因此，示例气球网络100可应用网状协议来随着网络的拓扑变化而更新网络的状态。例如，为了解决气球102A至102F的移动性，气球网络100可采用和/或适应性地修改移动自组网络(mobile ad hoc network，MANET)中采用的各种技术。其它示例也是可能的。

[0056] 在一些实现方式中，气球网络100可被配置为透明网状网络。更具体而言，在透明网状网络配置中，气球可包括用于完全光学化的物理交换的组件，其中在光信号的路由中没有任何电气组件。从而，在具有光学交换的透明配置中，信号可行经完全光学化的多跳光路。

[0057] 在其它实现方式中，气球网络100可实现不透明的自由空间光学网状网络。在不透明配置中，一些或全部气球102A至102F可实现光-电-光(optical-electrical-optical，OEO)交换。例如，一些或全部气球可包括用于光信号的OEO转换的光学交叉连接(optical cross-connect，OXC)。其它不透明配置也是可能的。额外地，包括既具有透明片段也具有不透明片段的路由路径的网络配置是可能的。

[0058] 在又一方面中，气球网络100中的气球可实现波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)，这可用于增大链路容量。当以透明交换实现WDM时，可能有必要向给定光路上的所有光链路指派相同的波长。透明气球网络中的光路因此称为受到“波长连续性约束”，因为特定光路中的每一跳会被要求使用相同波长。

[0059] 另一方面，不透明配置可避免这种波长连续性约束。具体地，不透明气球网络中的气球可包括可操作用于沿着给定光路的波长转换的OEO交换系统。结果，气球可在沿着特定光路的一跳或多跳处转换光信号的波长。

[0060] 此外，一些示例网状网络可利用光链路和RF链路两者。例如，通过网状网络的通信通路可涉及光链路上的一跳或多跳以及RF链路上的一跳或多跳。可例如在网络中相对接近的气球之间使用RF链路。

[0061] 2b)对气球网络中气球的控制

[0062] 在一些实施例中，网状联网和/或其它控制功能可以是集中式的。例如，图2是根据示例实施例图示出气球网络控制系统的框图。具体地，图2示出了分布式控制系统，其包括中央控制系统200和数个区域控制系统202A至202C。这种控制系统可被配置为为气球网络204协调某些功能，并且因此可被配置为为气球206A至206I控制和/或协调某些功能。

[0063] 在图示的实施例中，中央控制系统200可被配置为经由数个区域控制系统202A至202C与气球206A至206I通信。这些区域控制系统202A至202C可被配置为从其所覆盖的各个地理区域中的气球接收通信和/或聚集数据，以及将这些通信和/或数据中继到中央控制系统200。另外，区域控制系统202A至202C可被配置为将通信从中央控制系统200路由到其各自的地理区域中的气球。例如，如图2中所示，区域控制系统202A可在气球206A至206C与中央控制系统200之间中继通信和/或数据，区域控制系统202B可在气球206D至206F与中央控制系统200之间中继通信和/或数据，并且区域控制系统202C可在气球206G至206I与中央控制系统200之间中继通信和/或数据。

[0064] 为了促进中央控制系统200与气球206A至206I之间的通信，某些气球可被配置为可操作来与区域控制系统202A至202C通信的下行链路气球。因此，每个区域控制系统202A至202C可被配置为与其所覆盖的各个地理区域中的一个或多个下行链路气球通信。例如，在图示的实施例中，气球206A、206F和206I被配置为下行链路气球。这样，区域控制系统202A至202C可分别经由光链路208、210和212与气球206A、206F和206I分别通信。

[0065] 在图示的配置中，气球206A至206I中只有一些被配置为下行链路气球。被配置为下行链路气球的气球206A、206F和206I可将通信从中央控制系统200中继到气球网络中的其它气球，诸如气球206B至206E、206G和206H。然而，应当理解，在一些实现方式中，有可能所有气球都可充当下行链路气球。此外，虽然图2示出了多个气球被配置为下行链路气球，但也有可能气球网络只包括一个下行链路气球。此外，气球网络可额外地或可替换地包括卫星链路气球，卫星链路气球经由与卫星网络的连接与中央控制系统和/或数据传送网络通信，其可涉及例如通过自由空间光链路与在气球网络上方进行轨道运动的通信网络中的卫星的通信。

[0066] 区域控制系统202A至202C可以是被配置为与下行链路气球通信的特定类型的陆基台站(例如，诸如图1的陆基台站112)。从而，虽然在图2中未示出，但可结合其它类型的陆基台站(例如，接入点、网关等等)实现控制系统。

[0067] 在集中式控制布置中，诸如图2中所示的那种，中央控制系统200(并且区域控制系统202A至202C也可能)可为气球网络204协调某些网状联网功能。例如，气球206A至206I可向中央控制系统200发送某些状态信息，中央控制系统200可利用这些状态信息来确定气球网络204的状态。来自给定气球的状态信息可包括位置数据、光链路信息(例如，气球与之建立光链路的其它气球的身份、链路的带宽、链路上的波长使用和/或可用性，等等)、气球收集的风数据、和/或其它类型的信息。因此，中央控制系统200可聚集来自气球206A至206I中的一些或全部的状态信息以便确定网络204的整体状态。

[0068] 至少部分基于网络204的整体状态，控制系统200然后可用于协调和/或促进某些网状联网功能，例如诸如为连接确定光路。中央控制系统200可基于来自气球206A至206I中的一些或全部的聚集状态信息来确定气球的当前拓扑(或空间分布)。拓扑可指示气球网络中可用的当前光链路和/或这样的链路上的波长可用性。该拓扑然后可被发送到气球中的一些或全部，从而各个气球被使能来按照需要为通过气球网络204的通信选择适当的光路(以及可能选择备用光路)。

[0069] 在又一方面中，中央控制系统200(并且区域控制系统202A至202C也可能)还可为气球网络204协调某些定位功能以实现期望的气球的空间分布。例如，中央控制系统200可以把从气球206A至206I接收的状态信息输入到能量函数，该能量函数可有效地将网络的当前拓扑与期望的拓扑进行比较，并且提供为每个气球指示移动的方向的向量(如果有移动的话)，以使得气球可朝着期望的拓扑移动。另外，中央控制系统200可以使用高度风数据来确定可被发起来实现朝着期望拓扑的移动的各个高度调整。中央控制系统200也可提供和/或支持其它台站保持功能。

[0070] 图2示出了提供集中式控制的分布式布置，其中区域控制系统202A至202C协调中央控制系统200与气球网络204之间的通信。这种布置对于为覆盖大地理区域的气球网络提供集中式控制可以是有用的。在一些实施例中，分布式布置甚至可支持在地球上每个地方提供覆盖的全球气球网络。当然，分布式控制布置在其它场景中也可以是有用的。

[0071] 另外，应当理解，其它控制系统布置也是可能的。例如，一些实现方式可涉及具有额外的层(例如，区域控制系统内的子区域系统，等等)的集中式控制系统。可替换地，控制功能可由单个集中式控制系统提供，该系统可与一个或多个下行链路气球直接通信。

[0072] 在一些实施例中，取决于实现方式，对气球网络的控制和协调可由陆基控制系统和气球网络在不同程度上共享。实际上，在一些实施例中，可以没有陆基控制系统。在这种实施例中，所有网络控制和协调功能可由气球网络自身实现(例如，通过位于网络204中的一个或多个气球的有效载荷上的处理系统)。例如，某些气球可被配置为提供与中央控制系统200和/或区域控制系统202A至202C相同或相似的功能。其它示例也是可能的。

[0073] 此外，对气球网络的控制和/或协调可以是分散式的。例如，每个气球可将状态信息中继到一些或全部附近气球，并且从一些或全部附近气球接收状态信息。另外，每个气球可以把其从附近气球接收的状态信息中继到一些或全部附近气球。当所有气球都这样做时，每个气球可能够单独确定网络的状态。可替换地，某些气球可被指定为为网络的给定部分聚集状态信息。这些气球然后可彼此协调来确定网络的整体状态。

[0074] 另外，在一些方面中，对气球网络的控制可以是部分或完全局部化的，从而使得其不依赖于网络的整体状态。例如，个体气球可实现只考虑附近气球的气球定位功能。具体地，每个气球可基于其自身状态和附近气球的状态来确定如何移动(和/或是否移动)。气球可利用优化例程(例如，能量函数)来为每个气球确定相应的绝对和/或相对目标位置。各个气球然后可例如相对于附近气球朝其相应的目标位置移动，而不必将网络的期望拓扑作为整体进行考虑。然而，当每个气球实现这种位置确定例程时，气球网络整体上可维持期望的空间分布(拓扑)和/或朝着期望的空间分布(拓扑)移动。

[0075] 2c)示例气球配置

[0076] 在示例气球网络中可包含各种类型的气球系统。如上所指明的，示例实施例可利用高空气球，这些高空气球在18km到25km之间的高度范围中操作。图3根据示例实施例图示了高空气球300。如图所示，气球300包括气囊302、套罩(skirt)304和有效载荷306，其在框图中示出。

[0077] 气囊302和套罩304可采取可以是当前公知或尚待开发的各种形式。例如，气囊302和/或套罩304可由包括金属化聚酯薄膜(Mylar)或双向拉伸聚酯薄膜(BoPet)的金属或聚合材料构成。额外地或可替换地，气囊302和/或套罩304中的一些或全部可由诸如氯丁二烯之类的高灵活性乳胶材料或橡胶材料构成。其它材料也是可能的。气囊302可被填充以适合于允许气球300到达地球的大气中的期望高度的气体。因此，气囊302可被填充以与主要是分子氮和分子氧的大气混合物相比相对低密度的气体，以允许气球300漂浮在地球的大气中并到达期望的高度。可利用具有合适特性的各种不同的气态材料，诸如氦和/或氢。气态材料(包括混合物)的其它示例也是可能的。

[0078] 气球300的有效载荷306可包括计算机系统312，计算机系统312具有处理器313和自带数据存储装置，诸如存储器314。存储器314可采取非暂态计算机可读介质的形式或者包括非暂态计算机可读介质。非暂态计算机可读介质上可存储有指令，这些指令可被处理器313访问并执行以便执行本文描述的气球功能。从而，处理器313与存储器314中存储的指令和/或其它组件相结合可充当气球300的控制器。

[0079] 气球300的有效载荷306还可包括各种其它类型的设备和系统来提供数种不同的功能。例如，有效载荷306可包括光通信系统316，该光通信系统316可经由超亮LED系统和/或激光系统发送光信号，并且可经由光通信接收器(例如，光电二极管接收器系统)接收光信号。另外，有效载荷306可包括RF通信系统318，该RF通信系统318可经由天线系统发送和/或接收RF通信。

[0080] 有效载荷306还可包括电源326来向气球300的各种组件供应电力。电源326可包括可再充电电池或其它能量存储设备。气球300可包括太阳能电力生成系统327。太阳能电力生成系统327可包括太阳能电池板并且可用于生成对电源326充电和/或被电源326配送的电力。在其它实施例中，电源326可额外地或可替换地表示用于发电和/或供电的其它装置。

[0081] 有效载荷306可额外地包括定位系统324。定位系统324可包括例如全球定位系统(GPS)、惯性导航系统和/或星体跟踪系统。定位系统324可以额外地或可替换地包括各种运动传感器(例如，加速度计、磁力计、陀螺仪和/或罗盘)。

[0082] 定位系统324可额外地或可替换地包括一个或多个视频和/或静止相机，和/或用于捕捉环境数据的各种传感器，所述环境数据指示气球300的地理空间位置，计算机系统312可利用该信息来确定气球300的位置。

[0083] 有效载荷306内的组件和系统中的一些或全部可在无线电探空仪(radiosonde)或其它探测器中实现，该无线电探空仪或其它探测器可操作来测量环境参数，诸如压力、高度、地理位置(纬度和经度)、温度、相对湿度和/或风速和/或风向以及其它信息。

[0084] 如所指明的，气球300可包括超亮LED系统，用于与其它气球的自由空间光通信。这样，光通信系统316可被配置为通过调制来自LED和/或激光器的光来生成指示输出数据的光信号。光信号然后可被作为高方向性、准直的光束在自由空间中朝向相应的终端(在另一气球上)传输，其中数据可从该光信号中提取。类似地，光通信系统316也可从另一终端接收到来的光信号的光束。光通信系统316然后可检测对接收的光信号的调制并且从其提取输入数据。光通信系统316可实现为具有机械系统和/或硬件、固件和/或软件。一般地，实现光通信系统的方式可依据具体应用而有所不同。光通信系统316和其它关联组件在下文更详细描述。

[0085] 在又一方面中，气球300可被配置用于高度控制。例如，气球300可包括可变浮力系统，该系统可被配置为通过调整气球300中的气体的体积和/或密度来改变气球300的高度。可变浮力系统可采取各种形式，并且一般可以是任何可改变气囊302中的气体的体积和/或密度的系统。

[0086] 在示例实施例中，可变浮力系统可包括位于气囊302内部的囊袋(bladder)310。囊袋310可以是被配置为保持液体和/或气体的弹性腔。可替换地，囊袋310不需要在气囊302内部。例如，囊袋310可以是被加压到超过囊袋310外部的压力的刚性容器，该刚性容器保持有液态和/气态材料。因此可通过改变囊袋310中的气体的密度和/或体积来调整气球300的浮力。为了改变囊袋310中的密度，气球300可被配置有用于加热和/或冷却囊袋310中的气体的系统和/或机构。另外，为了改变体积，气球300可包括用于向囊袋310添加气体和/或从囊袋310去除气体的泵或其它特征。额外地或可替换地，为了改变囊袋310的体积，气球300可包括可控制来允许气体从囊袋310逸出的放气阀或其它特征。在本公开的范围内可实现多个囊袋310。例如，多个囊袋可用于提高气球稳定性。

[0087] 在示例实施例中，气囊302可被填充以氦气、氢气或密度小于典型大气气体的其它气态材料(即，“比空气轻的”气体)。气囊302从而可具有基于其排量的关联的向上浮力。在这种实施例中，囊袋310中的空气可被认为是可具有关联的向下压载力的压载舱。在另一示例实施例中，通过向囊袋310中泵入空气(例如利用空气压缩机)以及从囊袋310中泵出空气，可以改变囊袋310中的空气的量。通过调整囊袋310中的空气的量，可以控制压载力。在一些实施例中，压载力可以部分用于抵消浮力和/或提供高度稳定性。

[0088] 在其它实施例中，气囊302可以基本上是刚性的并且包括围闭(enclosed)体积。在基本上维持该围闭体积的同时，可将空气从气囊302中排出。换言之，在该围闭体积内可以产生并维持至少部分真空。从而，气囊302和围闭体积可以变得比空气轻并提供浮力。在其它实施例中，可以可控地将空气或另外的材料引入到围闭体积的部分真空中以尝试调整整体浮力和/或提供高度控制。

[0089] 在另一实施例中，气囊302的一部分与可具有第二颜色(例如，白色)和/或第二材料的气囊302的其余部分不同，其可以是第一颜色(例如，黑色)和/或由第一材料形成。例如，第一颜色和/或第一材料可被配置为比第二颜色和/或第二材料吸收相对更大量的太阳能量。从而，旋转气球以使得第一材料面对太阳可起到加热气囊302以及气囊302内部的气体的作用。这样，气囊302的浮力可增大。通过旋转气球以使得第二材料面对太阳，气囊302内部的气体的温度可减小。因此，浮力可减小。这样，通过利用太阳能量改变气囊302内部的气体的温度/体积，可以调整气球的浮力。在这种实施例中，有可能囊袋310可以不是气球300的必要元件。从而，在各种设想到的实施例中，可以至少部分通过调整气球相对于太阳的旋转以选择性地加热/冷却气囊302内部的气体进而调整这些气体的密度来实现对气球
300的高度控制。

[0090] 另外，气球300可包括导航系统(未示出)。导航系统可实现定位功能以维持在期望的气球的空间分布(气球网络拓扑)内的位置和/或依据期望的气球的空间分布(气球网络拓扑)移动到一位置。具体地，导航系统可使用高度风数据来确定使得风在期望的方向上和/或向期望的位置运载气球的高度调整。高度控制系统然后可对气球气囊302的密度进行调整以便引起所确定的高度调整进而使得气球300横向移动到期望的方向和/或期望的位置。额外地或可替换地，期望的高度调整可由陆基控制系统或基于卫星的控制系统来计算并被传达给气球300。在其它实施例中，气球网络中的特定气球可被配置为为其它气球计算高度调整并向这些其它气球发送调整命令。

[0091] 本文描述了若干示例实现方式。将会理解，存在实现本文公开的设备、系统和方法的许多方式。因此，下面的示例不打算限制本公开的范围。

[0092] 3.全双工光通信

[0093] 图4A是经由自由空间光链路相互通信的气球的网络400的图。网络400包括具有多个光通信终端403a、404b的第一气球402；具有多个光通信终端407b、408b的第二气球406；和具有多个光通信终端411a、412a的第三气球410。为了在网络400的气球之中形成网状网络，网络中每个给定的气球402、406、410可在彼此之间发送和接收光信号。因此，第一气球
402和第二气球406可通过沿光路414在相应的终端403a和406b之间交换数据调制的光信号来进行通信。光路414是自由空间光通路，沿该光路光信号在两个气球402、406传播，并且具体来说，在终端403a、407b之间传播。类似地，第一气球402和第三气球410可通过沿光路416在相应的终端404b和412a之间交换数据调制的光信号来进行通信。并且，第二气球406和第三气球410可通过沿光路418在相应的终端408b和411a之间交换数据调制的光信号来进行通信。

[0094] 网络400中光通信链路的每个都允许利用波分(wavelength division)来区分传输的信号和接收的信号以进行双向通信。例如通过光路414，气球402可利用具有第一波长λ1的光将数据发送到气球406，并且气球406也可利用具有第二波长λ2的光将数据发送到气球402。这样，数据可通过相同的光路414同时在两个方向上传输，并且两个终端403a、407b可利用波长选择光学器件(例如，二向色分束器、滤光器等)来分离在λ1和λ2下的光，并检测接收的信号的调制。两个终端403a、407b也可包括波长特定的光源，例如被配置为发射在来自传输的信号λ1或λ2中的任一者下的数据调制的光的激光二极管和/或激光器。因此，光通信终端403a被配置为发射指示输出数据的在波长λ1下的光并且同时地检测指示输入数据的在波长λ2下的光。以互补的方式，光通信终端407b被配置为发射指示输出数据的在波长λ
2下的光并且同时地检测指示输入数据的在波长λ1下的光。那么，组合起来，光通信终端
403a、407b形成允许通过光路414的在气球402、406之间的双向(全双工)数据通信的互补对。

[0095] 为了促进两个任意气球之间的全双工通信，因此一般需要两个气球具有终端的互补对(即，一个终端在λ1下传输并且在λ2下接收，而另一个在λ2下传输并且在λ1下接收)。能够全双工通信的这样的光通信终端的两个互补模式为了本文描述的便利可称为“模式A”和“模式B”。在模式A中，给定的终端在λ1下传输并且在λ2下接收。在模式B中，给定的终端在λ2下传输并且在λ1下接收。因此，终端403a是模式A终端，而终端407b是模式B终端。

[0096] 类似地，通过光路416的在气球402和410之间的通信链路的末端是终端404b和终端412a，终端404b在λ2下传输并且接收在λ1下的光(并且因此是模式B终端)，终端412a在λ1下传输并且接收在λ2下的光(并且因此是模式A终端)。另外，通过光路418的在气球406和410之间的通信链路的末端是终端408b和终端411a，终端408b在λ2下传输并且接收在λ1下的光(并且因此是模式B终端)，终端411a在λ1下传输并且接收在λ2下的光(并且因此是模式A终端)。光通信终端的互补对中的每一个因此允许气球402、406、410中的每一个在相互之间进行全双工通信。

[0097] 图4B是光通信终端420的简化框图。光通信终端420可为单独的终端403a、404b、407b、408b、411a、412a中的任一个。光通信终端420包括控制镜面430，控制镜面430被布置为沿光路431将去往和来自固定光学组件422的数据调制的激光428朝向另一终端(例如，在网络400中的另一气球上)引导。固定光学组件422和控制镜面430可安装到框架或其它结构性特征以便使各个光学组件422和控制镜面的相对位置固定。

[0098] 控制镜面430可以为具有可调整取向的反射表面，其被配置为引导从跨越终端420的视场(标记为FOV的区域)的各个方向到来的光(并引导向跨越所述视场的各个方向的外出的光)。控制镜面可以可旋转地安装并且包括使得反射表面关于旋转轴枢转的可调整机械组件(例如，步进电机等)。固定光学组件422包括用于发射数据调制的光的一个或多个激光源424和用于检测接收的光的一个或多个激光检测器426。来自(一个或多个)检测器426的信号然后可以用于根据接收的光的调制来提取到来的数据。调制解调器可用于将输出数据映射到数据调制的激光并且还可用于将数据调制的接收的光映射到输入数据。

[0099] 固定光学组件422将从(一个或多个)激光源424发射的光朝向控制镜面430引导以便沿方向431(例如，朝向另一终端的光路)传输数据调制的激光。光学组件422还被配置为接收沿相同光轴到来的光并将到来的光引导到(一个或多个)激光检测器426。由于固定光学组件422为到来的和外出的数据调制的光428两者都提供共享的光通路，因此控制镜面430可用于引导将在方向431上传输的发射的光并且还用于将从方向431到来的光引导到(一个或多个)检测器426。如方向箭头432所示，移动控制镜面430的取向改变反射的光的方向，从而使得光通信终端420能够与视场FOV内另一方向上的终端进行通信。在实践中，控制镜面430可被配置为绕多个轴枢转/旋转以便提供沿方位角和仰角两者延伸的视场。例如，光通信终端420可安装到气球的有效载荷以使得传入/传出固定光学组件422的数据调制的激光428被垂直引导(例如，大致垂直于地球的表面)，并且控制镜面430被取向在大致45度以在相似高度的气球之间反射光。从光终端420的视角来看，调整控制镜面的倾斜角则可提供不同的仰角，并且绕平行于数据调制的激光428的轴旋转控制镜面430可提供不同的方位角。

[0100] 除了(一个或多个)光源424和(一个或多个)光检测器426之外，光通信终端420可还包括经对准以提供光学通路的多种光学元件(例如，透镜、滤光器、反射器、光纤、孔径等)以及利用一个或多个硬件、软件和/或固件实现的模块实现的控制器。控制器可被配置为将数据编码到传输的激光中，从接收的激光解码数据，调整控制镜面的取向以将传输/接收的光与特定的光路对准等等。还可以包括指示控制镜面430的取向的反馈传感器，例如光栅尺(linear encoder)和/或经由对光敏阵列的照明检测接收的光的角度的到达角度传感器。

[0101] 随着时间的推移，网络400的配置可以由于多种原因被重新布置。随着气球相对于彼此位置的改变，可形成新的光通信链路以适应新的配置。另外，当气球从网络退役或对于视线光学连接来说移动得太远之时，和/或当气球被添加到网络或进入视线光学连接可能的区域之时，网络400中气球的总数可随着时间的推移改变。如在上面指明的，在两个任意气球之间形成全双工光通信链路需要两个气球配备有互补终端(例如，一个具有模式A终端并且另一个具有模式B终端)。为了促进在气球的任意对之间形成这样的光学链路，光通信终端可被配置为在全双工通信的两个互补模式之间改变(例如，从模式A到模式B并且反之亦然)。

[0102] 如图4C和4D中所示，光终端420可被配置为通过调整控制镜面430的取向来在两个模式之间改变。光终端420可包括空间上分离的发射器和检测器，所述发射器和检测器被布置为取决于操作模式通过控制镜面来选择性地与给定光路对准。例如，光终端可包括第一发射器/检测器对，在控制镜面具有第一取向时，第一发射器/检测器对传输/接收去往/来自共同方向的光。光终端还可包括第二发射器/检测器对，在控制镜面具有第二取向时，第二发射器/检测器对传输/接收去往/来自相同方向的光。因为第一发射器/检测器对可在λ1下传输并且在λ2下接收，所以光终端420可被配置为在控制镜面430具有第一取向时操作在模式A中；并且因为第二发射器/检测器对可在λ2下传输并且在λ1下接收，所以光终端420可被配置为在控制镜面430具有第二取向时操作在模式B中。因此，终端420可包括λ1激光源442和λ2检测器444，当操作在模式A中时它们被使用，并且终端420还可包括λ2激光源450和λ1检测器452，当操作在模式B中时，它们被使用。

[0103] 图4C是被对准以操作在全双工通信的第一模式(例如，模式A)中的光通信终端420的简化框图。在模式A中，光通信终端420在λ1下传输并且在λ2下接收，并且控制镜面430在方向431上(朝向另一终端)引导去往/来自固定光学组件的数据调制的光428。光学组件包括二向色分束器440，二向色分束器440基本上反射λ1光并且基本上透射λ2光。二向色分束器440从而提供通过光终端420的波长相关的光学通路，并且从而将透射的λ1光446与接收的λ2光448分离。二向色分束器440从而允许在光终端内从与检测到接收的λ2光448的位置相比空间上不同的位置发射λ1光446，但是λ1光和λ2光(428)仍然沿二向色分束器440和控制镜面430之间的共同光路(但是在相反的方向上)传播。在图4C中，控制镜面430具有第一取向，这将来自λ1激光源442的数据调制的激光446朝向方向431引导。同时地，控制镜面430将从方向431到来的λ2光448朝向λ2检测器444引导。当在第一取向中时，光终端420被配置为操作在模式A中并且与位于方向431上的远程终端进行全双工通信。

[0104] 图4D是被对准以操作在全双工通信的第二模式中的光通信终端420的简化框图。在模式B中，光通信终端420在λ2下传输并且在λ1下接收，并且控制镜面430在方向431上(朝向其它终端)引导去往/来自固定光学组件的数据调制的光429。在图4D中，控制镜面430具有第二取向，这将来自λ2激光源452的数据调制的激光456朝向方向431引导。同时地，控制镜面430将从方向431到来的λ1光454朝向λ1检测器450引导。当在第二取向中时，光终端420被配置为操作在模式B中并且与位于方向431上的远程终端进行全双工通信。

[0105] 为了允许控制镜面430将外出的和到来的光与模式特定的发射器/检测器对对准并且然后仅通过改变控制镜面430的对准来改变模式，光终端内的光学通路相互角度偏移一个共同的量。即，在终端420内，在λ1激光器442和控制镜面430之间外出的λ1光所穿过的光学通路(在模式A中)与在λ1检测器450和控制镜面430之间到来的λ1光所穿过的光学通路(在模式B中)在角度上分开。角距取决于操作模式经由对控制镜面430的操控允许外出的/到来的光交替地瞄准λ1激光器442或λ1检测器450。类似地，在λ2激光器452和控制镜面430之间外出的λ2光所穿过的光学通路(在模式B中)与在λ2检测器444和控制镜面430之间到来的λ2光所穿过的光学通路(在模式A中)在角度上分开。在两个λ1光学通路之间的角距可与在两个λ2光学通路之间的角距相同。

[0106] 通过布置激光源442、452，检测器444、450以及二向色分束器440来实现所描述的共同的角距，终端420可仅通过移动控制镜面430并激活对应的光源和检测器就可以在操作模式之间改变。结果，终端420可仅通过移动控制镜面就可动态地被重新配置以切换全双工通信的模式，而终端420中的其余光学组件可保持固定，并且可保持对准。所述布置从而允许终端420除了调谐或调整控制镜面430之外无需调谐或调整光终端中的任何组件就可以切换操作模式。

[0107] 在实践中，控制镜面430的“第一取向”和“第二取向”可为对于给定方向431的基本上固定的角取向。但是为了在任意方向上(在终端420的视场内)与远程终端通信，终端420可被配置为将镜面取向通过一角度范围以便相应地引导外出的和到来的光。一般地，对于给定方向的光自由空间传播(即，给定光路)，存在控制镜面430的两个不同的可能取向：一个取向将传输/接收的光与λ1发射器和λ2检测器对准(用于模式A通信)，而另一个取向将传输/接收的光与λ2发射器和λ1检测器对准(用于模式B通信)。光终端因此可包括控制系统，该控制系统可基于全双工通信的模式和光路的方向选择和保持控制镜面430的取向。

[0108] 在一些情况下，网络400中单独的光通信终端的操作模式可以通过中央控制系统(例如，与图2联系进行描述的控制系统200)来指定。在其它情况下，可基于网络400中各个气球之中的初始通信在点对点(ad hoc)的基础上确立操作模式，从而形成组成网状网络的链路。

[0109] 4.示例全双工光通信终端

[0110] 图5是布置为交替地操作在两个不同模式中的示例光通信终端500的图。光通信终端500在一些方面可类似于上述的光通信终端420，并且可被配置为安装到高空平台(例如，上述的网络中的气球)的有效载荷。终端500包括控制镜面502、二向色分束器518，二向色分束器518反射λ1并透射λ2并且从而基于波长分开光。图5中的图图示了通过光终端500的两个不同的光路，这两个光路与模式A和模式B中的交替操作对应。短划线示出了传输的λ1光以及接收的λ2光的光路，该光路在模式A中的操作期间被穿过。点线示出了传输的λ2光以及接收的λ1光的光路，该光路在模式B中的操作期间被穿过。不同的光路与光束控制镜面502的不同取向对应，并且在角度上分开足够小的量，以使得它们共享光学组件，例如聚焦/准直光学器件、滤光器、分束器等等。然而，不同的光路也在角度上分开足够大的量，以使得它们引导去往/来自光终端500内空间上分开的位置的光，从而使能不同操作模式。

[0111] 4a)波长差异化光路

[0112] 光终端500的特征大体上参考到来的光来描述，但是要理解光也可在相反的(外出的)方向上传播。来自另一远程终端的准直光束沿自由空间光学通路传播到终端500并且被控制镜面502反射，控制镜面502将到来的光引导到中继光学器件506。中继光学器件可包括在控制镜面502和终端500内的其余光学器件组件之间中继准直光束的一个或多个透镜、反射器、孔径等等。如果需要，中继光学器件506可将光束缩放到另一大小，并且朝向分束器508输出准直光束。分束器508使到来的光中的一些朝取向反馈传感器514转向，以用于控制控制镜面502的对准，这将在下面进一步描述。分束器508可例如使到来的光中的约2％到
5％转向，而其余的光被传输到二向色分束器518。

[0113] 二向色分束器518可为具有波长相关透射/反射分布的光学元件。在一些情况下，可通过施加到另一光学元件(例如透镜)的波长相关的涂层来实现二向色分束器518。二向色分束器518可基本上反射具有波长λ1的光而基本上透射具有波长λ2的光。二向色分束器518因此导致到来的光取决于波长穿过不同的光路。具有波长λ1的光可进入基本上横向于中继光学器件506的光轴的支路，而具有波长λ2的光可继续到平行于中继光学器件的光轴的支路。

[0114] 沿λ1支路，光通过滤光器520，滤光器520帮助阻挡具有其它波长的光。滤光器520可透射包括λ1的一个范围的波长。滤光器520还可基本上阻挡λ2光，这帮助减轻来自光终端500的另一支路上的光的串扰。被滤光的λ1光然后通过聚焦光学器件522聚焦以照明检测位置524。聚焦光学器件522可包括具有适合焦距的透镜以在终端操作在模式B中时将λ1光的准直光束聚焦到检测位置524上，如点线所示。检测位置524可例如经由光纤连接光学地耦合到λ1检测器542(例如，雪崩光电二极管等)。在一些示例中，检测位置524可以通过使连接到λ1检测器542的光缆终止的套圈(ferrule)中的孔径来实现。

[0115] 在光传播的相反方向上，来自λ1激光器544的光可以光纤耦合到发射位置526。如短划线示出的，在模式A中，从发射位置526发射的λ1光朝向聚焦光学器件522传播，聚焦光学器件522对发射的光准直并且引导光回来通过滤光器以到达二向色分束器518，在二向色分束器518中，λ1光朝向控制镜面反射(经由中继光学器件506)以通过自由空间光路传输。发射位置526可以通过使连接到λ1激光器544的光缆终止的套圈中的孔径来实现。在一些情况下，检测位置524和发射位置526可以通过双芯光纤套圈来实现，并且各个光信号然后可以经由光纤中的相应芯来传送到λ1检测器542和λ1激光器544。

[0116] 再次参考到来的光，沿λ2支路(来自通过二向色分束器518透射的λ2光)，光通过滤光器528，这帮助阻挡具有其它波长的光。滤光器528可透射包括λ2的一个范围的波长。滤光器528还可基本上阻挡λ1光，这帮助减轻来自光终端500的另一支路上的光的串扰。经滤光的λ2光然后通过聚焦光学器件530聚焦以照明检测位置534。聚焦光学器件530可包括具有适合焦距的透镜以在终端500操作在模式A中时将λ2光的准直光束聚焦到检测位置534上，如点线所示。检测位置534可例如经由光纤连接光学地耦合到λ2检测器548(例如，雪崩光电二极管等)。在一些示例中，检测位置534可以通过使连接到λ2检测器548的光缆终止的套圈中的孔径来实现。

[0117] 在光传播的相反方向上，来自λ2激光器546的光可以光纤耦合到发射位置532。如点线示出的，在模式B中，从发射位置532发射的λ2光朝向聚焦光学器件530传播，聚焦光学器件530对发射的光准直并且将光引回通过滤光器528到达二向色分束器518，在二向色分束器518中，λ2光朝向控制镜面502反射(经由中继光学器件506)以通过自由空间光路传输。发射位置532可以通过使连接到λ2激光器546的光缆终止的套圈中的孔径来实现。在一些情况下，检测位置534和发射位置532可以通过双芯光纤套圈来实现，并且各个光信号然后可以经由光纤中的相应的芯被传送到λ2检测器548和λ2激光器546。

[0118] 4b)取向反馈

[0119] 如上面指明的，光终端500还包括取向反馈传感器514，其检测被控制镜面502反射之后由分束器508转向的到来的光的一部分。被转向的光(其可为入射在分束器508上的光的约2％到5％)通过滤光器510(其可使λ1和λ2光通过而阻挡在其它波长下的光)，然后被聚焦光学器件512聚焦在取向反馈传感器514上。取向反馈传感器514可包括光敏阵列516，例如基于照明阵列的光的图案生成电信号的光电二极管的阵列。在模式A中，从远程终端接收的λ2光照明光敏阵列516，由短划线所指示。在模式B中，从远程终端接收的λ1光照明光敏阵列516，由点线所指示。

[0120] 光敏阵列516上被照明的位置取决于入射光的到达角度。因此，利用光敏阵列516检测的照明图案可用于确定控制镜面502的取向。例如，可以确定聚焦在光敏阵列516上的光的质心位置，并且控制镜面502的取向可以基于该质心位置来确定。例如可利用从取向反馈传感器514接收指示测量的照明图案的信号的控制器550来进行这样的确定。基于来自取向反馈传感器514的信号，控制器550可向镜面定位系统504生成命令以进而调整控制镜面502的取向并且从而以期望的方式对准入射光。另外，由于终端500中的光学组件相对于彼此固定(例如，通过被安装到共同的框架结构)，因此被转向到光敏阵列516的光的不同质心位置与继续到λ1或λ2支路的光的不同对准对应。具体地，在光敏阵列516上存在两个特定的目标位置，其中入射光与终端500操作在模式A中或操作在模式B中的对准对应。

[0121] 例如，当被转向的λ1光被聚焦在其中点线在光敏阵列516上所汇聚于的标记为B的位置上时，时，未被分束器508转向的λ1光被对准以照明检测位置524，并且从发射位置532发射的λ2光被同时引导(经由控制镜面502)以使其在从其接收到λ1光的相同方向上传播(即，朝向远程终端)。因此，目标位置B可以是光敏阵列516上的与终端500在模式B中的操作关联的位置。类似地，当被转向的λ2光被聚焦在短划线在光敏阵列516上所汇聚于的标记为A的位置上时，未被分束器508转向的λ2光被对准以照明检测位置534，并且从发射位置526发射的λ1光被同时引导(经由控制镜面502)以使其在从其接收到λ2光的相同方向上传播(即，朝向远程终端)。因此，目标位置A可以是光敏阵列516上的与终端500在模式A中的操作关联的位置。目标位置A和B可为光敏阵列516上的基本上固定的位置并且可以基于校准例程来确定。在一些示例中，两个目标位置A和B可以是单个光敏阵列(例如，光敏阵列516)上的位置。但是在一些示例中，取向反馈传感器514可包括位于目标位置A和B的每个处的两个不同的光敏阵列。

[0122] 4c)控制器

[0123] 控制器550可被配置为利用对照明光敏阵列516的光的测量来调整控制镜面502的取向。控制器550可使得控制镜面502进行调整以使得照明光敏阵列的光的质心位置更靠近两个目标位置中的一个(取决于操作模式)地移动。例如，控制器550可获得对光敏阵列516上的照明图案的测量，确定将使照明图案更靠近期望的目标位置移动的对于控制镜面502取向的调整，然后相应地指示定位系统504。另外，控制器550可在持续进行的基础上进行操作以调整控制镜面502并且从而追踪由于例如远程终端的相对运动而导致的入射光的方向上的微小改变。

[0124] 在一个示例中，控制器550可包括处理单元552、数据存储装置556和一个或多个输入/输出端口554，它们可以通过系统总线或者一个或多个其它连接机制562而通信地链接在一起。数据存储装置556可包括非暂态计算机可读介质并且包括位置数据558和操作指令560。指令560例如可包括程序逻辑，所述程序逻辑在被处理单元552执行时使得控制器550执行本文所述的功能。因此，指令560可使得控制器550基于来自取向反馈传感器514的数据确定对于控制镜面502的取向的调整，并且为镜面定位系统504生成对应的指令。位置数据
558可包括存储的对光敏阵列上的与全双工通信的两个不同的模式对应的特定目标位置的指示。位置数据558因此可在例如校准例程期间确立。输入/输出端口554用于从取向反馈传感器514接收数据并且还用于将命令指令提供到镜面定位系统504。

[0125] 另外，控制器550可(或许与其它实体协调)用于从中央控制器(或其它实体)接收模式选择命令并使得终端500相应地配置其自身(例如，通过与对应的目标位置对准)。

[0126] 此外，控制器550可(或许与其它实体协调)用于操作终端以发送和接收数据。控制器550和/或调制解调器540可在处于模式A中时，接收输出数据以通过自由空间光链路进行传输，并且使得λ1激光器544发射根据该输出数据调制的光。同时地，控制器550和/或调制解调器540可基于利用λ2检测器548检测的光的调制提取输入数据。类似地，控制器550和/或调制解调器540可在处于模式B中时，接收输出数据以通过自由空间光链路进行传输，并且使得λ2激光器546发射根据该输出数据调制的光。同时地，控制器550和/或调制解调器540可基于利用λ1检测器542检测的光的调制提取输入数据。

[0127] 尽管大体上就在波长λ1和λ2下的光信号对终端500进行描述，但是要理解这两个波长可具有一定范围的不同的值。在一些情况下，可以选择不容易在大气中被吸收的波长。例如，λ1可为约1540纳米，并且λ2可为约1560纳米。当然，在另一示例中，λ1可为1560纳米，而λ2可为1540纳米，以使得两个波长中的较大的一个被转向沿终端500的λ1支路穿过。然而，也可以选择在紫外、可见光和近红外光谱中的许多其它波长。另外，对于λ1和λ2的给定值，可以选择各种滤光器510、520、528，激光器542、546，检测器544、548，以及二向色分束器
518以实现本文描述的波长特定的行为(包括选择激光作用介质、光电二极管、涂层等)。另外，取向反馈传感器514的光敏阵列516可利用适于检测接收的波长的技术来实现。作为一个示例，由包括铟镓砷化物(InGaAs)元件的光电二极管形成的传感器阵列可适于检测来自掺铒固态激光二极管的光(例如，在约1550纳米的波段中)。许多其它示例是可能的，包括利用具有包括与多种材料掺杂的钇铝石榴石(YAG)的激光作用介质的激光二极管实现的在约
1000纳米波段中的波长。

[0128] 4d)替换的取向反馈传感器

[0129] 图6是另一示例光通信终端600的图。终端600在一些方面类似于上面联系图5所描述的终端500，并且可安装到网络中的高空平台(例如，气球)的有效载荷，以在不同的气球之间提供自由空间光通信链路。然而，终端600包括对上述的取向反馈传感器的替换的布置。终端600包括粗糙位置传感器624和精细位置传感器614，每个传感器都接收由分束器508转向并且通过滤光器510的光的一部分。在图6中图示的示例配置中，第二分束器610将从分束器508到来的光的光束分开并朝向精细位置传感器614反射一些，并且朝向粗糙位置传感器624传输一些。分束器610可使光分开以使得约一半行进在每个方向上，但是也可以利用其它可能性(例如，40/60、30/70等)。在一些示例中，终端600可利用定位在沿终端600的光通路以使得每个传感器接收到由控制镜面502反射的至少一些光的多种不同位置中的精细位置传感器614和粗糙位置传感器624来实现。这样，精细位置传感器614和粗糙位置传感器624可用于提供关于控制镜面502的取向的反馈，并且因此提供终端600的操作模式。

[0130] 聚焦光学器件622将光聚焦在粗糙位置传感器624的光敏阵列626上并且聚焦光学器件612将光聚焦在精细位置传感器614的光敏阵列616上。光敏阵列616、626中的每一个都具有与用于模式A中或模式B中的操作的对准关联的目标位置。粗糙位置传感器624用于向控制镜面502提供粗糙的取向反馈而精细位置传感器614用于提供对取向的精调。可借助粗糙位置传感器624检测的入射光的角度因此可以跨越较大的范围，但是与借助精细位置传感器614可以检测的入射光的角度相比具有较粗糙的粒度。一般地，利用位置传感器614、624中的任一个可以检测的角跨度以及可以解析特定角度的程度都取决于相应的聚焦光学器件622、612以及相应的光敏阵列616、626的大小和分辨率两者。例如，两个光敏阵列616、
626可基本上相似，但是聚焦光学器件622可具有相对短的焦距，这允许光敏阵列616更靠近光学器件622定位以及照明光敏阵列626的入射光的角范围较大。相比之下，聚焦光学器件
612可具有相对长的焦距，这允许光敏阵列626较远离地定位以及允许照明光敏阵列616的入射光的角范围较小，但是在角度之间具有较高的分辨率。

[0131] 在一些示例中，粗糙位置传感器624可主要用于以足够的精确度对准控制镜面502以使得入射光照明精细位置传感器614的光敏阵列616。此外，在一些示例中，终端600还可在该终端的光通路中包括额外的精细控制镜面，该精细控制镜面接收由主粗糙控制镜面(例如，控制镜面502)反射的光。在这样的布置中，粗糙控制镜面可从粗糙位置传感器接收取向反馈。粗糙位置传感器然后可用于对粗糙控制镜面进行取向，以使得入射光被精细控制镜面反射。精细控制镜面然后可从精细位置传感器接收取向反馈，该精细位置传感器被定位为接收由精细控制镜面反射的光。

[0132] 在另一示例中，两个光敏阵列616、626可具有不同配置。例如，精细位置传感器阵列616可为四象限(quad cell)检测器，该检测器检测入射光束相对于四像素检测器或另一位置感测检测器的交叉的位置。粗糙位置传感器阵列626可为具有较大视场的光敏阵列，例如与在成像应用中采用的像素检测器类似的二维阵列的像素检测器。另外，精细位置传感器阵列616(例如，四象限检测器)可以比粗糙位置传感器阵列626以相对更高的读出速率操作，并且从而允许频率更高的反馈以调整控制镜面502的取向。

[0133] 可以将来自两个位置传感器624、614的反馈提供到控制器650，控制器650确定对控制镜面502的取向的调整，以便将测量的光的位置与模式特定的目标位置(例如，在图6中标记为A和B的位置)对准，并且相应地指示镜面定位系统504。在一些示例中，当形成初始链路时，控制器600可初始地检查是否可在精细位置传感器614上检测到到来的光的质心位置。如果不能，例如如果初始对准偏离太多而不能到达精细位置传感器614，则控制器600可开始基于来自粗糙位置传感器624的信息调整控制镜面502的取向，然后一旦检测到的质心位置接近粗糙位置目标位置则转变为利用精细位置传感器614。在一些情况下，粗糙位置传感器624和/或精细位置传感器614可包括多个不同的光敏检测器，其中一个检测器定位在相应的模式特定的目标位置，类似于上述的取向反馈传感器514。例如，精细位置传感器616可包括两个四象限检测器，一个在目标位置A而另一个在目标位置B。再另外，控制器650可被配置为同时利用来自两个位置传感器614、624的测量的组合。

[0134] 4e)对准激光器

[0135] 图7是另一示例光通信终端700的图。终端700在一些方面类似于上面联系图5所描述的终端500，并且可安装到网络中的高空平台(例如，气球)的有效载荷，以在不同的气球之间提供自由空间光通信链路。然而，终端700包括发射在不同于λ1和λ2两者的波长λ3下的光的对准激光源728。另外的二向色元件710基本上透射λ1光和λ2光，但基本上反射λ3光。二向色元件710被定位成从中继光学器件506接收到来的光，并且从而沿不同于λ1和λ2支路的λ3光路使到来的λ3光转向。被转向的λ3光通过选择性地透射λ3光的滤光器712，然后分束器720允许到来的λ3光中的一些光朝向取向反馈传感器716通过。分束器720引导来自λ3激光源728的光以经由二向色元件710、中继光学器件506和控制镜面502传输到远程终端。

[0136] 对准激光器728经由光纤光学耦合到发射位置726。光学器件724对来自发射位置726的λ3光准直并且朝向分束器720引导光。分束器720可为部分反射在λ3下的光并且部分透射在λ3下的光的光学元件。如在上面指明的，分束器720使将从终端700传输的λ3光中的至少一些转向，并且还允许一些到来的λ3光(来自远程终端)通过以到达取向反馈传感器
716。

[0137] 在进入λ3支路后，到来的λ3光通过滤光器712并且被聚焦光学器件714聚焦在取向反馈传感器716的光敏阵列718上。除了光敏阵列718被配置为检测在λ3下的光而不是在λ1和λ2下的光之外，取向反馈传感器716可类似于联系图5进行描述的取向反馈传感器514。取向反馈传感器716将指示照明光敏阵列718的测量的λ3光的信号提供给控制器750。并且，控制器750可操作镜面定位系统504来调整控制镜面502的取向从而使得照明光的质心位置变得与模式特定的目标位置(例如，在图7中标记为A和B的位置)对准。

[0138] 二向色元件710被配置为不仅使至少一些到来的λ3光朝向取向反馈传感器716转向并且也透射来自λ3激光器的至少一些外出的λ3光，而且还基本上透射在λ1和λ2下的所有光。二向色元件710因此可通过部分地涂覆有选择性地反射λ3的层的光学器件来实现，其在反射部分和透射部分之间使λ3光分开。此外，尽管图示了两个二向色元件710、720作为反射λ3(至少部分地)但透射λ1和λ2的物件，但是一些实施例可包括透射λ3但反射λ1和λ2的二向色元件，在这种情况下，λ1和λ2光路可被横向于中继光学器件506的光轴地引导。类似地，对准激光器发射位置726或取向反馈传感器716可平行于中继光学器件的光轴地定位。然而，一般地，二向色元件710、720被布置为使得λ3光穿过通过终端700的不同的光路，但仍然与被控制镜面502反射的在λ1和λ2下的传输/接收的光对准。

[0139] 使用具有与通信波长(例如，λ1和λ2)不同的波长(例如，λ3)的单独的对准激光器可允许一些益处。照明取向反馈传感器716的λ3光的功率不以如在终端500和600中对通信信号中的功率为代价而出现。在非通信波长下分开对准传感器允许被提供到取向反馈传感器716的λ3光的信噪比基本上与通信信号的信噪比无关。

[0140] 另外，光敏阵列718可被实现为提供对在与通信波长不相关的λ3下的光敏感的光电二极管。例如，即使利用在1550纳米附近的频带中的通信波长，对准激光器也可在904纳米下，并且光敏阵列718可以利用光电二极管的互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列而不是InGaAs来实现。

[0141] 一般地，本文描述的光通信终端的各个特征可以以多种不同的方式进行组合。例如，光通信终端可被实现为包括与联系图7进行描述的单独的对准激光器组合的联系图6进行描述的终端600的替换取向反馈传感器布置。

[0142] 另外，尽管没有具体地图示在图5-图7中的图中，但是光终端500、600、700中的每个也都包括各个光学组件安装到的框架、壳体或其它结构性特征。框架结构可保持每个光学组件(例如，透镜、二向色元件、反射器、发射位置、检测位置等)的间距、取向和/或位置以使得模式A和模式B的波长特定的路径保持相互对准。

[0143] 5.图示操作

[0144] 图8是根据示例实施例用于操作光通信终端的示例过程800的流程图。在图8中图示的过程800可以单独地通过本文描述的光通信终端中的任一个或者结合硬件和/或软件实现的功能模块(例如，位于气球上或在陆地站处的控制器)来实现。在框802，光通信终端被配置为通过对其控制镜面进行取向从而在给定方向上引导发射的λ1光且同时也引导来自相同方向的入射λ2光以照明λ2检测器来操作在模式A中。例如，光通信终端可包括取向反馈传感器，该取向反馈传感器被入射的λ2光(或用于对准的在另一波长下的光)的一部分照明并且向定位系统提供反馈以对镜面进行取向从而将照明取向反馈传感器的光与目标位置对准。

[0145] 在框804，光通信终端可通过传输在λ1下的数据调制的光并且接收在λ2下的数据调制的光来在模式A中进行全双工通信。例如，调制解调器可用于通过指示λ1激光器发射具有与输出数据对应的特定调制模式的光来将输出数据编码到传输的λ1光中。所述调制解调器还可通过检测接收的λ2光的调制模式并且识别与该调制模式对应的输入数据来从接收的λ2光提取(解码)数据。

[0146] 在框806，光通信终端做出从模式A改变到模式B的确定。所述确定可基于来自中央控制器或另一气球的指令来做出，所述指令指示光通信终端发起与另一气球的光链路。这样的指令可包括用于指定其它气球的大致坐标(例如，GPS坐标)和每个气球的操作模式的每个气球的信息。所述确定的做出还可基于其它因素，包括仅由光通信终端做出的确定。例如，光通信终端可接收关于其它附近终端的(一个或多个)相对位置的广播信息(或许经由无线电链路)，然后可通过搜索光信号以用于对准(并且还传输光信号以用于对准)来尝试建立与终端中的特定一个的光链路。终端然后可对自身进行对准以在一个模式中进行通信，并且如果在一定时段之后不成功，则终端可切换模式。光网状网络进而可以配置其自身以建立互补的操作模式从而以不是完全由中央控制器规划的有组织的方式提供全双工通信。

[0147] 在框808，光通信终端可对其控制镜面进行取向以便在给定方向上引导发射的λ2光且同时也引导来自相同方向的入射λ1光以照明λ1检测器。因此，光通信终端可配置其自身以响应于在框806中做出的确定来操作在模式B中。例如，在来自中央网络控制器的指令的基础上，气球的控制系统可对其光通信终端中的一个进行取向以使其指向指定位置并且开始传输光信号用于对准目的。光通信终端还可开始搜索来自其它气球的到来的光信号，并且一旦检测到信号，终端就可利用反馈来对其控制镜面进行取向以使其与模式特定的目标位置对准，以使得对终端进行对准以在指定的操作模式中进行全双工通信。类似地，其它终端利用在那接收的光信号进行取向并且对自身进行对准以操作在互补模式中。

[0148] 在框810，光通信终端可通过传输在λ2下的数据调制的光并且接收在λ1下的数据调制的光来在模式B中进行全双工通信。例如，调制解调器可用于通过指示λ2激光器发射具有与输出数据对应的特定调制模式的光来将输出数据编码到传输的λ2光中。所述调制解调器还可通过检测接收的λ1光的调制模式并且识别与该调制模式对应的输入数据来从接收的λ1光提取(解码)数据。

[0149] 在一些实施例中，公开的方法可实现为以机器可读格式编码在非暂态计算机可读存储介质上或者其它非暂态介质或制品上的计算机程序指令。图9是图示出根据本文给出的至少一些实施例布置的包括用于在计算设备上执行计算机过程的计算机程序的示例计算机程序产品的概念性部分视图的示意图。

[0150] 在一个实施例中，利用信号承载介质902来提供示例计算机程序产品900。信号承载介质902可包括一个或多个编程指令904，这些编程指令904在被一个或多个处理器执行时可提供以上关于图1-8描述的功能或功能的部分。在一些示例中，信号承载介质902可包含非暂态计算机可读介质906，诸如——但不限于——硬盘驱动器、致密盘(Compact Disc，CD)、数字视频盘(Digital Video Disk，DVD)、数字磁带、存储器，等等。在一些实现方式中，信号承载介质902可包含计算机可记录介质908，诸如——但不限于——存储器、读/写(R/W)CD、R/W DVD，等等。在一些实现方式中，信号承载介质902可包含通信介质910，诸如——但不限于——数字和/或模拟通信介质(例如，光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路，等等)。从而，例如，信号承载介质902可由无线形式的通信介质910来传达。

[0151] 一个或多个编程指令904可以例如是计算机可执行和/或逻辑实现的指令。在一些示例中，诸如图3的计算机系统312那样的计算设备可被配置为响应于由计算机可读介质906、计算机可记录介质908和/或通信介质910中的一个或多个传达到计算机系统312的编程指令904而提供各种操作、功能或动作。

[0152] 非暂态计算机可读介质也可分布在多个数据存储元件之间，这些数据存储元件的位置可以彼此远离。执行存储的指令中的一些或全部的计算设备可以是一种设备，诸如参考图3示出和描述的气球300或另外的高空平台。可替换地，执行存储的指令中的一些或全部的计算设备可以是另一计算设备，诸如位于地面站的服务器。

[0153] 以上详细描述参考附图对公开的系统、设备和方法的各种特征和功能进行了描述。虽然本文已公开了各种方面和实施例，但本领域技术人员将会清楚其它方面和实施例。本文公开的各种方面和实施例是为了例示，而并不打算进行限定，真实的范围和精神由所附权利要求指示。

[0154] 附图

[0155] 图1

[0156] 106 112：陆基台站

[0157] 图2

[0158] 202A-202C：区域控制系统

[0159] 200中央控制系统

[0160] 图3

[0161] 302 气囊

[0162] 310 囊袋

[0163] 304 套罩

[0164] 306 有效载荷

[0165] 316 光通信系统

[0166] 312 计算机系统

[0167] 314 存储器

[0168] 313 处理器

[0169] 318 RF通信系统

[0170] 324 定位系统

[0171] 326 电源

[0172] 327 太阳能电力生成系统

[0173] 图4B:

[0174] 固定光学组件

[0175] 424 (一个或多个)激光源

[0176] 426 (一个或多个)激光检测器

[0177] 428 经数据调制的激光

[0178] toward other terminal 朝向其它终端

[0179] 图4C

[0180] 442 λ1激光器

[0181] 444 λ2检测器

[0182] 430 控制镜面：模式A取向

[0183] toward other terminal 朝向其它终端

[0184] Mode A:模式A

[0185] 图4D

[0186] 452 λ2激光器

[0187] 450 λ1检测器

[0188] 430 控制镜面：模式B取向

[0189] toward other terminal 朝向其它终端

[0190] Mode B:模式B

[0191] 图5-图7：

[0192] 550、650、750 控制器

[0193] Mode A:模式A

[0194] Mode B:模式B

[0195] 552 处理器

[0196] 554 I/O端口

[0197] 556 数据存储装置

[0198] 558 位置数据

[0199] 560 指令

[0200] toward other terminal 朝向其它终端

[0201] 542 λ1检测器

[0202] 544 λ1激光器

[0203] 540 调制解调器

[0204] 548 λ2检测器

[0205] 546 λ2激光器

[0206] 图6：

[0207] 650 控制器

[0208] Mode A:模式A

[0209] Mode B:模式B

[0210] toward other terminal 朝向其它终端

[0211] 图7：

[0212] 650 控制器

[0213] Mode A:模式A

[0214] Mode B:模式B

[0215] toward other terminal 朝向其它终端

[0216] 728 λ3激光器

[0217] 图8

[0218] 开始

[0219] 802 对控制镜面进行取向以便引导发射的λ1光在给定方向上透射且同时引导来自相同方向的入射λ2光以照明λ2检测器

[0220] 804 通过透射λ1并接收λ2来在模式A中进行全双工通信

[0221] 806 做出从模式A改变到模式B的确定

[0222] 808 对控制镜面进行取向以便引导发射的λ2光在给定方向上透射且同时引导来自相同方向的入射λ1光以照明λ1检测器

[0223] 810 通过透射λ2并接收λ1来在模式B中进行全双工通信

[0224] 结束

[0225] 图9

[0226] 900 计算机程序产品

[0227] 902 信号承载介质

[0228] 904 编程指令

[0229] 906 计算机可读介质

[0230] 908 计算机可记录介质

[0231] 910 通信介质