CN102970075A - 一种基于大气参数优化空间激光通信系统阈值的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大气参数优化空间激光通信系统判决阈值的实验装置，包括有发射终端、接收端，发射终端的调制信号源输出编码信号控制半导体激光器发射高斯激光光束，高斯激光光束通过光纤输入固定在光具座上的扩束镜，经准直扩束后进入大气湍流，高斯激光光束在大气湍流中传输一段距离后被接收端的卡塞格林望远镜接收，聚焦后进入光电探测器的耦合光纤，光电探测器输出的电压信号被传输到计算机，计算机按所编制计算程序处理采集的数据后，输出空间激光通信系统在当前条件下的最佳固定阈值U _ST 和误码率BER。本发明装置对光学元件无特殊要求，且结构简单，操作方便，优化效果好；同时本发明提供了判决阈值的计算方法，优化效果好且实现简单。

Description

一种基于大气参数优化空间激光通信系统阈值的实验装置

技术领域

本发明涉及空间激光通信技术领域，尤其涉及一种通过测量对数光强起伏方差和接收信号均值等与大气特征相关的参数来估计开关键控(OOK)强度调制/直接检测(IM/DD)空间激光通信系统在当前大气信道中最佳判决阈值的实验装置。

背景技术

空间激光通信具有成本低、架设灵活、通信容量大、无需频率申请和抗电磁干扰等优点，已经成为无线通信领域研究的热点，开关键控(OOK)强度调制/直接检测(IM/DD)是目前最常用的一种工作方式。在采用此工作方式的典型系统中，系统的误码率主要取决于信噪比和判决阈值，而判决阈值通常采用一个固定值。在不受大气湍流影响时，对应着最小误码率的最佳判决阈值通常使用以下经典公式计算得到：

$U_{\mathrm{OT}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_1{\mathrm{\σ}}_0}{{\mathrm{\σ}}_1^2-{\mathrm{\σ}}_0^2}\sqrt{{(U_1-U_0)}^2+2({\mathrm{\σ}}_1^2-{\mathrm{\σ}}_0^2)\ln ({\mathrm{\σ}}_1/{\mathrm{\σ}}_0)}+\frac{U_0{\mathrm{\σ}}_1^2-U_1{\mathrm{\σ}}_0^2}{{\mathrm{\σ}}_1^2-{\mathrm{\σ}}_0^2},---\left(1\right)$

式中U₀、σ₀ ²分别为发送“0”码时电压信号的均值和方差，U₁、σ₁ ²分别为发送“1”码时电压信号的均值和方差。当激光在大气中传输时，由于光强起伏、光束漂移等湍流效应的影响，U₁和σ₁ ²等参数会产生随机波动。虽然由于大气扰动频率远低于数据传输率，在每个比特时间内公式(1)依然有效，但是此时的误码率和最佳阈值U_OT已经成为快速变化的随机量。如果仍然使用无湍流条件下的固定阈值，系统误码性能必然会受到影响。

空间激光通信技术中关于发射系统、接收系统、光束捕获对准跟踪分系统、编解码方式等方面的研究已经相当成熟，而关于湍流条件下的IM/DD空间激光通信系统判决阈值的研究仍处于理论仿真和实验室阶段，其中比较先进的方法是文献[H. R. Burris, C. I. Moore,L. A. Swingen, et al, Proc. SPIE, 5892: 58920W-1-58920W-20 (2005)]中使用的自适应阈值，即实时跟踪U₀、σ₀ ²、U₁和σ₁ ²的变化，并将阈值调整为由公式(1)计算出的瞬时最佳阈值。这种方法理论上可以校正大气扰动的影响，获得最低的系统误码率，但是要实现此方法还有一定难度。一般认为大气湍流的扰动频率不大于1000Hz，如果要根据大气扰动实时调整判决阈值，那么必须在1毫秒以内完成对各项参数的精确跟踪并计算出阈值，这对整个通信系统的反应速度提出了很高的要求。

目前用于测试大气对空间激光通信性能影响的实验装置只能定性验证大气效应对通信性能的影响（佟首峰，赵馨，陈纯毅，大气湍流对空间激光通信影响测试装置，专利申请号200810050575.9），或者是评估指定阈值下的系统误码率（李菲，吴毅，侯再红，一种基于大气参数评估空间激光通信系统误码率的实验装置，专利申请号201210006600.X），无法给出在大气湍流条件下的空间激光通信最佳判决阈值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于大气参数优化空间激光通信系统判决阈值的实验装置，以解决现有技术中测试大气对通信性能影响的实验装置不能准确地估计空间激光通信最佳判决阈值的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于大气参数优化空间激光通信判决阈值的实验装置，其特征在于：包括发射终端和接收终端，所述发射终端由调制信号源、半导体激光器、光具座、扩束镜、第一俯仰转台和第一航向转台构成，所述调制信号源通过同轴信号线与半导体激光器的调制信号接口连接，所述半导体激光器通过光纤与扩束镜连接，所述扩束镜被固定在光具座上，所述调制信号源、半导体激光器和光具座均被固定安装在第一俯仰转台上，所述第一俯仰转台固定安装在第一航向转台上；所述接收终端由卡塞格林望远镜、光电探测器、计算机、第二俯仰转台和第二航向转台构成，所述卡塞格林望远镜与光电探测器之间通过光纤连接，光纤的一端安装在卡塞格林望远镜的焦点处，光纤的另一端安装在光电探测器的光敏面处，所述卡塞格林望远镜和光电探测器均固定安装在第二俯仰转台上，所述第二俯仰转台固定安装在第二航向转台上，所述光电探测器的输出端与计算机的高速采集卡输入接口通过同轴信号线连接；所述发射终端与接收终端之间相隔一段距离，所述发射终端由扩束镜发出激光光束，激光光束在大气中传输一段距离后由接收终端的卡塞格林望远镜接收。

一种基于大气参数优化空间激光通信系统判决阈值的计算方法，基于文献[李菲，吴毅，侯再红，光学学报，32(6): 0606002-1 – 0606002-6(2012)]中提出的误码率公式：

$\mathrm{BER}=\frac{1}{2}[\frac{1}{2}{\&Integral;}_0^{\&infin;}{p}_I\left(S\right)\mathrm{erfc}\left(\frac{U_1\left(S\right)-U_T}{\sqrt{2{\mathrm{\&sigma;}}_1^2\left(S\right)}}\right)\mathrm{dS}+\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{U_T-<U_0>}{\sqrt{2{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}}\right)],---\left(2\right)$

U₁(S)=S(<U₁>-<U₀>)+<U₀>，(3)

${\mathrm{\&sigma;}}_1^2\left(S\right)=2\mathrm{eBMN}{R}_f(<U_1>-<U_0>)S+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2,---\left(4\right)$

$p_I\left(S\right)=\frac{1}{S\sqrt{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2}}\exp [-{(\ln S+\frac{1}{2}{\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2)}^2/2{\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2],---\left(5\right)$

式中，< >表示统计平均，erfc( )为互补误差函数，U_T为判决阈值电压，e为电子电荷，M为探测器倍增因子，N为探测器噪声系数，B为探测器工作带宽，R_f为前置放大倍数，S为归一化光强。

公式(2)的计算得到的是，在一段时间内使用一个固定判决阈值所得到的平均误码率。如果每隔一段时间将判决阈值优化为最佳值，可以使这段时间内的平均误码率达到最低，在一定程度上削弱大气湍流的影响。相比自适应阈值，使用最佳固定阈值得到的平均误码率会有所上升，但是上升幅度保持在1个数量级左右，仍然处于可以接受的范围。对于参数已确定的空间激光通信系统，公式(4)中由系统参数组成的因子2eBMNR_f可以视为常数，对应背景光强和系统固有噪声的参数U₀和σ₀ ²在一段较长时间内也可以视为常数，因此最佳固定阈值U_ST主要与<U₁>和σ² _lns等缓慢变化的统计量有关。相比U₁和σ₁ ²等快速变化的随机量，<U₁>和σ² _lns在短时间内可以认为是稳定的，因此使用最佳固定阈值对通信系统反应速度的要求会大大降低。

直接从公式(2)推导出U_ST的解析表达式的难度较大，但是通过数据拟合得到近似表达式就相对简单。首先使用数值仿真的方法，将U_T、<U₁>和σ² _lns作为变量代入公式(2)进行计算，得到在不同条件下所能得到的误码率；再进行逐点扫描得到以<U₁>和σ² _lns为变量的U_ST(σ² _lns, <U₁>)曲面。根据曲面的各项特征，可以推断出U_ST(σ² _lns, <U₁>)函数符合以下形式：

$U_{\mathrm{ST}}({\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2,<U_S>)=A<U_S>+B<U_S>{(1+e^{\frac{C-{\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2}{D}})}^{-1}{(1+e^{\frac{E-<U_S>}{F}})}^{-1},---\left(6\right)$

式中A、B、C、D、E和F为待定系数，信号电压均值<U_S>=<U₁>-<U₀>；最后以公式(6)中的模型为基础，对U_ST(σ² _lns, <U₁>)曲面进行多元非线性拟合就可以得到U_ST(σ² _lns, <U₁>)函数的具体形式，拟合数据的统计分析结果也验证了拟合函数的高可信度；只要得到<U₁>和σ² _lns的实测值，就可以根据此函数计算出该时间段内的最佳固定阈值；通过事先标定得到探测器工作带宽B、探测器倍增因子M、探测器噪声系数N、探测器前置放大倍数R_f等系统固有参数，通过数据处理得到实测参数<U₀>、<U₁>、σ₀ ²和σ² _lns，代入事先标定好的U_ST(σ² _lns, <U₁>)函数后得到最佳判决阈值。

本发明的有益效果为：

本发明提出的基于大气参数优化空间激光通信系统判决阈值的计算方法，由于判决阈值会根据大气参数进行周期性更新，相对于现有的固定阈值方法，系统性能受大气湍流的影响大大降低；由于最佳阈值是根据缓慢变化的统计量计算得到，与现有自适应阈值方法相比，降低了对系统反应速度的要求，具有更高实用性；由于计算过程中涉及的参数都使用实测值，计算结果比较准确可信。

本发明提供的一种基于大气参数优化空间激光通信系统判决阈值的实验装置，其光学元件无特殊要求，且结构简单，操作方便，优化效果好。

附图说明

图1为本发明中发射终端的结构框图。

图2为本发明中接收终端的结构框图。

图3为本发明的实施例1的示意图。

图4为本发明的实施例2的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实验装置中的发射终端由调制信号源1、半导体激光器2、光具座3、扩束镜4、第一俯仰转台5和第一航向转台6构成，调制信号源1通过同轴信号线与半导体激光器2的调制信号接口连接，半导体激光器2通过光纤与扩束镜4连接，扩束镜4被固定在光具座3上，调制信号源1、半导体激光器2和光具座3均被固定安装在第一俯仰转台5上，第一俯仰转台5固定安装在第一航向转台6上。

如图2所示，本发明实验装置中的接收终端由卡塞格林望远镜7、光电探测器8、计算机9、第二俯仰转台10和第二航向转台11构成，卡塞格林望远镜7与光电探测器8之间通过光纤连接，光纤的一端安装在卡塞格林望远镜7的焦点处，光纤的另一端安装在光电探测器8的光敏面处，卡塞格林望远镜7和光电探测器8均固定安装在第二俯仰转台10上，第二俯仰转台10固定安装在第二航向转台11上，光电探测器8的输出端与计算机9的高速采集卡输入接口通过同轴信号线连接。

发射终端与接收终端之间相隔一段距离，发射终端由扩束镜4发出激光光束，激光光束在大气中传输一段距离后由接收终端的卡塞格林望远镜7接收。

本发明实验装置的工作流程：调制信号源1输出编码信号控制半导体激光器2发射高斯激光光束，高斯激光光束通过光纤输入固定在光具座3上的扩束镜4，经准直扩束后进入大气湍流，大气湍流使高斯激光光束的光强产生起伏；高斯激光光束在大气湍流中传输一段距离后被卡塞格林望远镜7接收，聚焦后进入光电探测器8的耦合光纤，光电探测器8输出的电压信号被传输到计算机9，计算机9按所编制计算程序处理采集的数据后，输出空间激光通信系统在当前条件下的最佳固定阈值U_ST和误码率BER。

本发明的实验装置在使用过程中结合计算方法的具体操作步骤如下：

①、第一次使用本发明的实验装置前需要在无湍流的室内进行定标。首先通过调制信号源控制半导体激光器发射连续激光，使用计算机中的计算程序采集光电探测器输出的电压，然后关闭半导体激光器后采集探测器输出电压。计算程序会根据采集的数据得到<U₀>、<U₁>、σ₀ ²和σ₁ ²，计算出系统固有参数2eBMNR_f并保存。

②、安装本发明的实验装置后，进行系统初始化。开启调制信号源和半导体激光器，设置调制信号源输出持续10秒的全“0”信号，使用计算程序采集探测器输出的电压信号，计算程序根据信号的均值<U₀>和方差σ₀ ²计算出U_ST函数的具体形式；再输出持续10秒的全“1”信号，计算程序采集探测器输出电压，经统计处理得到其均值<U₁>和对数值的均值σ² _lns，代入U_ST函数后得到最佳阈值的初始值。

③、发射终端的调制信号源按照载入的数据文件输出调制信号，接收终端的计算机将采集到的电压信号按照初始判决阈值解调信号；计算程序在解调过程中，以10秒为一个周期，对解调出的“0”码和“1”码对应的信号电压分别做统计处理得到<U₁>、σ² _lns、<U₀>和σ₀ ²，经计算后输出更新最佳阈值和平均误码率。

④、为了消除环境变化对U_ST(σ² _lns, <U₁>)的影响，每隔一小时执行一次步骤2，对系统重新初始化。

实施例1

图3为本发明的一个实施例；本实施例中实验装置所用的调制信号源输出信号为TTL信号；半导体激光器输出功率100 mW，输出波长为532nm；扩束镜的透过率为0.8；卡塞格林望远镜的接收口径为100 mm，透过率为0.8；光电探测器为APD硅光电二极管AD500-8，响应度为50 A/W，工作带宽为0.1GHz，噪声系数为2.5，倍增因子为100，前置放大倍数为100；计算机内采集卡的采样频率为100 MHz。

本实施例中实验装置在第一次使用前先进行标定。在室内近距离安装好发射终端和接收终端，调整发射天线使激光能够照射到接收天线上，同时控制激光功率以防止探测器饱和；控制半导体激光器发射10秒连续激光后关闭激光器，计算程序根据计算机采集的电压信号完成定标。

按照图3结构安装好实验装置，通过调整发射终端和接收终端的姿态使输出信号的强度最大。调制信号源输出10秒全“0”码信号后再输出10秒全“1”码信号，控制半导体激光器发射高斯激光光束，高斯激光光束经扩束镜后变换为发散角为0.5 mrad的准直高斯激光光束，随后该高斯激光光束在大气湍流中传输1 km后被卡塞格林望远镜接收，聚焦后进入光电探测器，光电探测器输出的电压信号被传输到计算机，计算程序处理采集的数据后完成最佳阈值初始化。此后实验系统按照需要进行空间激光通信，计算程序每1小时进行一次初始化，每10秒自动更新一次最佳阈值和平均误码率。

计算机中安装的计算程序采用MATLAB 7.0编写。该计算程序可以是直接用命令行组成的M文件，或者是GUIDE方式和命令行M文件方式创建的一个GUI程序，所述计算程序处理数据的基本步骤如下：

在标定过程中，处理“1”码对应的电压信号得到均值<U₁>和方差σ₁ ²，处理“0”码对应的电压信号得到均值<U₀>和方差σ₀ ²，代入公式(4)计算得到系统固有参数2eBMNR_f。

在系统初始化过程中，处理“0”码对应的电压信号得到均值<U₀>和方差σ₀ ²，代入公式(2)计算得到以<U₁>、σ² _lns和U_T为变量的误码率，其中<U₁>的变化范围设为[0.01, 0.1]，步长为0.001；σ² _lns的变化范围设为[0.01, 0.3]，步长为0.01；U_T的变化范围设为[0, <U₁>]，步长为0.01 <U₁>。使用逐点扫描的方法寻找对应最小误码率的最佳阈值，得到以<U₁>和σ² _lns为变量的最佳阈值U_ST(σ² _lns, <U₁>)曲面，以公式(6)为基础，对该曲面进行多元非线性拟合得到U_ST(σ² _lns, <U₁>)的具体函数形式。处理“1”码对应的电压信号得到其均值<U₁>和对数值的均值σ² _lns，代入U_ST函数后得到最佳阈值的初始值。

在通信过程中，根据最佳阈值对采集到的电压信号进行判断，分别对“0”码和“1”码的电压信号统计得到<U₀>、σ₀ ²、<U₁>和σ² _lns，代入U_ST函数后计算得到当前最佳阈值。计算程序每10秒自动更新一次最佳阈值和平均误码率，每1小时进行一次初始化。

实施例2

如图4所示，本实施例中省略了实验装置的发射终端和接收终端除计算机以外的部分，将装有计算程序的计算机作为一个功能模块接入待测空间激光通信系统的接收终端。按照图4的结构将接收终端的输出电压接入计算机，同时将计算机输出的计算结果接入接收终端以更新其判决阈值。其它操作步骤和计算过程与实施例1相同，同样可以估算出该通信系统在当前大气条件下的最佳阈值和误码率。

Claims (2)

1.一种基于大气参数优化空间激光通信判决阈值的实验装置，其特征在于：包括发射终端和接收终端，所述发射终端由调制信号源、半导体激光器、光具座、扩束镜、第一俯仰转台和第一航向转台构成，所述调制信号源通过同轴信号线与半导体激光器的调制信号接口连接，所述半导体激光器通过光纤与扩束镜连接，所述扩束镜被固定在光具座上，所述调制信号源、半导体激光器和光具座均被固定安装在第一俯仰转台上，所述第一俯仰转台固定安装在第一航向转台上；所述接收终端由卡塞格林望远镜、光电探测器、计算机、第二俯仰转台和第二航向转台构成，所述卡塞格林望远镜与光电探测器之间通过光纤连接，光纤的一端安装在卡塞格林望远镜的焦点处，光纤的另一端安装在光电探测器的光敏面处，所述卡塞格林望远镜和光电探测器均固定安装在第二俯仰转台上，所述第二俯仰转台固定安装在第二航向转台上，所述光电探测器的输出端与计算机的高速采集卡输入接口通过同轴信号线连接；所述发射终端与接收终端之间相隔一段距离，所述发射终端由扩束镜发出激光光束，激光光束在大气中传输一段距离后由接收终端的卡塞格林望远镜接收。

2.一种基于权利要求1所述的实验装置的大气参数优化空间激光通信系统判决阈值的计算方法，其特征在于：已知的误码率BER的公式为：

$\mathrm{BER}=\frac{1}{2}[\frac{1}{2}{\&Integral;}_0^{\&infin;}{p}_I\left(S\right)\mathrm{erfc}\left(\frac{U_1\left(S\right)-U_T}{\sqrt{2{\mathrm{\&sigma;}}_1^2\left(S\right)}}\right)\mathrm{dS}+\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{U_T-<U_0>}{\sqrt{2{\mathrm{\&sigma;}}_0^2}}\right)],---\left(2\right)$

式中，< >表示统计平均，erfc( )为互补误差函数，U_T为判决阈值电压；

计算方法的具体步骤如下：

①、将基于大气参数优化空间激光通信判决阈值的实验装置在无湍流的室内进行定标，首先通过调制信号源控制半导体激光器发射连续激光，使用计算机中的计算程序采集光电探测器输出的电压，然后关闭半导体激光器后采集光电探测器输出电压；计算程序会根据采集的数据得到在湍流影响下发送0码时电压信号的均值<U₀>和方差σ₀ ²，发送1码时电压信号的均值<U₁>和方差σ₁ ²，以及对数光强起伏方差σ² _lns，再通过公式：

U₁(S)=S(<U₁>-<U₀>)+<U₀>，(3)

${\mathrm{\&sigma;}}_1^2\left(S\right)=2\mathrm{eBMN}{R}_f(<U_1>-<U_0>)S+{\mathrm{\&sigma;}}_0^2,---\left(4\right)$

$p_I\left(S\right)=\frac{1}{S\sqrt{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2}}\exp [-{(\ln S+\frac{1}{2}{\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2)}^2/2{\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2],---\left(5\right)$

计算出系统固有参数2eBMNR_f并保存，式中，e为电子电荷，M为光电探测器倍增因子，N为光电探测器噪声系数，B为光电探测器工作带宽，R_f为前置放大倍数，S为归一化光强，σ² _lns为对数光强起伏方差；

②、使用数值仿真的方法，将U_T、<U₁>和σ² _lns作为变量代入公式(2)进行计算，得到在不同条件下所能得到的误码率；再进行逐点扫描得到以<U₁>和σ² _lns为变量的U_ST(σ² _lns, <U₁>)曲面，根据曲面的各项特征，推断出U_ST(σ² _lns, <U₁>)函数符合以下形式：

$U_{\mathrm{ST}}({\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2,<U_S>)=A<U_S>+B<U_S>{(1+e^{\frac{C-{\mathrm{\&sigma;}}_{\ln S}^2}{D}})}^{-1}{(1+e^{\frac{E-<U_S>}{F}})}^{-1},---\left(6\right)$

式中A、B、C、D、E和F为待定系数，信号电压均值<U_S>=<U₁>-<U₀>；最后以公式(6)中的模型为基础，对U_ST(σ² _lns, <U₁>)曲面进行多元非线性拟合，得到U_ST(σ² _lns, <U₁>)函数的具体形式；

③、通过事先标定得到光电探测器工作带宽B、光电探测器倍增因子M、光电探测器噪声系数N、光电探测器前置放大倍数R_f等系统固有参数，通过数据处理得到实测参数<U₀>、<U₁>、σ₀ ²和σ² _lns，代入事先标定好的U_ST(σ² _lns, <U₁>)函数后得到最佳判决阈值。

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