CN103326779B - 一种基于压缩感知的自由空间光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压缩感知的自由空间光通信系统，包括成像透镜、空间光调制器模块、会聚收光单元、点探测器、加法器以及算法模块；其中，自由空间光经大气传播到空间光调制器模块上，形成空间光强分布，然后通过在空间光调制器模块上加载二值随机测量矩阵以实现随机光强调制，经过调制后的自由空间光被分成多路，每一路的自由空间光依次经所述会聚收光单元聚光、经点探测器采集并转换成电信号；加法器对所得到的各路电信号进行计算，将计算结果输入到算法模块，算法模块利用压缩感知理论重建经扰动退化后的点扩散函数，实现点对点的自由空间光通信。

Description

一种基于压缩感知的自由空间光通信系统及方法

技术领域

本发明涉及自由空间光通信领域，特别涉及一种基于压缩感知的自由空间光通信系统及方法。

背景技术

自由空间光通信是指通过调制光载体的光强以便在大气中传播信息，从而实现点对点的通信。自由空间光是长距离射频的优选方案，由于光束平行度较好，在通信中具有极大的优势，接收方为了探测到瞬时的光场信号，仅需在收集透镜的焦平面处放置光电传感器即可，这个光电传感器能将光强信号正比例地转化为电信号。在该焦平面处光场的光强分布可以用点扩散函数来表示，理想情况下，假设一个光电传感器能将接收面上的所有光全部收集。由于是自由空间光传输，必将受到大气湍流的影响，如果接收场上两点之间的距离大于大气相干长度，则这两点的相位趋于不相干，这将导致焦平面上的光强分布有随机的涨落，即收集到的光强将分布有更多的散斑。这个点扩散函数的维度越大，它在焦平面的位置就会越容易产生随机的偏移，也就意味着小感光面积的光电探测器无法收集到所有的光，必然会有信号丢失。

针对这一问题，现有技术中的一种通常做法是采用大感光面积的探测器，但这样做的结果是会引入大量背景噪声，降低接收的性能。还有一种方式是增加探测维度，将点探测器换成面阵探测器来缓解由大气湍流引起的点扩散函数的退化。目前已经有科学家提出通过主动光补偿系统来收集光束的相位信息，判定哪些含有重要的信号能量，哪些没有，以此来减少噪声。但这种方法都需要提高探测维度，需要高速的光电探测器和前置放大器，这带来了昂贵的成本开销，且造成了大量的信号冗余。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的自由空间光通信系统成本高，具有大量的信号冗余等缺陷，从而提供一种采样少、成像质量高、成本低、信噪比高、误码率低且简易可靠的自由空间光通信系统与方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于压缩感知的自由空间光通信系统，包括成像透镜2、空间光调制器模块、会聚收光单元、点探测器、加法器6以及算法模块7；其中，

自由空间光1经大气传播到空间光调制器模块上，形成空间光强分布，然后通过在空间光调制器模块上加载二值随机测量矩阵以实现随机光强调制，经过调制后的自由空间光1被分成多路，每一路的自由空间光1依次经所述会聚收光单元聚光、经所述点探测器采集并转换成电信号；所述加法器6对所得到的各路电信号进行计算，将计算结果输入到所述算法模块7，所述算法模块7利用压缩感知理论重建经扰动退化后的点扩散函数，实现点对点的自由空间光通信。

上述技术方案中，所述空间光调制器模块包括级联式结构与非级联式结构；其中，

所述非级联式结构中只包含一个空间光调制器，该唯一的空间光调制器位于所述成像透镜2的焦平面上，在这一唯一的空间光调制器上加载二值随机测量矩阵以实现对自由空间光1的随机光强调制；

所述级联式结构中包含2ⁿ-1个空间光调制器，其中的n表示级联的层数，n≥2；每一层上包含有2^n-1个空间光调制器；其中，第一层的空间光调制器位于所述成像透镜2的焦平面上，第n层中的相应两个空间光调制器位于第n-1层中与其首尾相接的一个空间光调制器的两个反射方向上。

上述技术方案中，在所述的非级联式结构中，所述空间光调制器模块包括一空间光调制器3；所述会聚收光单元包括第一会聚收光单元4-1、第二会聚收光单元4-2，所述点探测器包括第一点探测器5-1、第二点探测器5-2；其中，

所述第一会聚收光单元4-1、第二会聚收光单元4-2分别位于所述空间光调制器3的两个反射方向上；所述第一点探测器5-1在所述第一会聚收光单元4-1之后，所述第二点探测器5-2在所述第二会聚收光单元4-2之后；所述第一点探测器5-1、第二点探测器5-2分别与所述加法器6输入端的正负极相连。

上述技术方案中，在一所述的级联式结构中，所述空间光调制器模块包括第一空间光调制器3-1、第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3；所述会聚收光单元包括第一会聚收光单元4-1、第二会聚收光单元4-2、第三会聚收光单元4-3、第四会聚收光单元4-4；所述点探测器包括第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4；其中，

所述第一空间光调制器3-1位于所述成像透镜2的焦平面上，所述第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3分别位于所述第一空间光调制器3-1的两个反射方向上；所述第一会聚收光单元4-1、第二会聚收光单元4-2分别位于所述第二空间光调制器3-2的两个反射方向上，所述第三会聚收光单元4-3、第四会聚收光单元4-4分别位于所述第三空间光调制器3-3的两个反射方向上；所述第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4分别在第一会聚收光单元4-1、第二会聚收光单元4-2、第三会聚收光单元4-3、第四会聚收光单元4-4之后；所述第一点探测器5-1、第三点探测器5-3分别连接到所述加法器6输入端的负极，所述第二点探测器5-2、第四点探测器5-4分别连接到所述加法器6输入端的正极。

上述技术方案中，所述第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3和第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4之间同步，即保持所述第一空间光调制器3-1固定一帧不动，所述第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3每翻转一次，所述第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4在该翻转时间间隔内累计探测到达的所有光强，翻转完成后，各个点探测器的探测结果转为电信号作为所述加法器6的输入。

上述技术方案中，所述第一空间光调制器3-1对光强进行等分调制，所述第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3通过加载二值随机测量矩阵对其反射光进行光强调制；或

将所述二值随机测量矩阵分解为行调制和列调制，在所述第一空间光调制器3-1加载行调制，在所述第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3上加载列调制；或

将所述二值随机测量矩阵分解为行调制和列调制，在所述第一空间光调制器3-1加载列调制，在所述第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3上加载行调制。

上述技术方案中，所述空间光调制器模块中的空间光调制器采用数字微镜器件或毛玻璃或液晶光阀中的任意一种。

上述技术方案中，所述空间光调制器采用数字微镜器件实现，所述数字微镜器件在“开”、“关”两种状态下分别向水平线的两侧倾斜12°，对应空间光调制器的两个反射方向。

上述技术方案中，所述会聚收光单元依次包括会聚收光透镜、滤光片和衰减片。

上述技术方案中，所述点探测器采用光电转换点探测器或桶探测器或雪崩二极管或光电倍增管中的任意一种实现。

上述技术方案中，所述算法模块7采用下列任意一种算法实现压缩感知：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法。

上述技术方案中，所述二值随机测量矩阵采用由±1组成的Hadamard矩阵。

本发明还提供了一种基于所述的基于压缩感知的自由空间光通信系统所实现的方法，包括：

步骤1）、自由空间光通信传播和调制；

自由空间光透过大气传播到空间光调制器模块上，形成空间光强分布，然后通过在空间光调制器模块上加载二值随机测量矩阵以实现对反射光的随机光强调制；

步骤2）、压缩采样；

经过调制的自由空间光被分成多路，每一路中的自由空间光经会聚收光单元聚光后，再由各个所述点探测器在空间光调制器模块每次翻转的时间间隔内同时采样，并将采样结果转换成电信号，经所述加法器6计算后作为一次差分测量结果；

空间光调制器模块在所述二值随机测量矩阵的控制下翻转M次，所述点探测器对自由空间光测量M次，M次的测量结果作为测量值y；

步骤3）、信号重建；

所述二值随机测量矩阵与测量值y一起作为所述算法模块7的输入，选取合适的稀疏基使得点扩散函数x能由最少量的系数表示，引入大气湍流因素，通过压缩感知算法进行信号重建，最终实现自由空间光通信。

本发明的优点在于：

本发明采用了数学研究的最新成果—压缩感知（Compressive Sensing，简称CS）理论，结合现代成熟的点探测技术条件，无需线阵或阵列探测器，也无需扫描，仅以一个单光子点探测器完成焦平面上点扩散函数的采样工作，节约了探测维度，较线阵或阵列探测器大大节约成本，此外还能避免由面阵探测器带来的本底噪声和电学噪声，用数字微镜器件取代原有的面阵探测器的位置，充分利用空间光调制技术带来的便利，使得系统在光学设计上更具有多样性和可预测性。凭借着这些显著的优势，基于压缩感知的自由空间光通信系统并将替代原有的自由空间光通信中的探测装置的作用，将成为开展自由空间光通信研究工作的一大利器，同时该项技术也可以广泛应用在天线、卫星通信、量子保密通信等高新科技领域。

附图说明

图1是在一个实施例中本发明的自由空间光通信系统的结构示意图；

图2是在另一个实施例中本发明的自由空间光通信系统的结构示意图。

图面说明

1 自由空间光 2 成像透镜 3-1 第一空间光调制器

3-2 第二空间光调制器 3-3 第三空间光调制器

4-1 第一会聚收光单元 4-2 第二会聚收光单元

4-3 第三会聚收光单元 4-4 第四会聚收光单元

5-1 第一点探测器 5-2 第二点探测器

5-3 第三点探测器 5-4 第四点探测器

6 加法器 7 算法模块

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

在对本发明的系统和方法做详细说明之前，首先对本发明中的相关概念加以描述。

压缩感知（Compressive Sensing，简称CS）：压缩感知是由Donoho、Tao和Candès等人提出的一个全新数学理论，它将采样和压缩同时进行，很好地利用了自然信号可以在某个稀疏基下表示的先验知识，可以实现远低于奈奎斯特/香农采样极限的亚采样，并能近乎完美地重建信号信息，且具有更高的鲁棒性。所述压缩感知的实现步骤包括：首先利用先验知识，选取合适的稀疏基Ψ，使得点扩散函数x经Ψ变换后得到x’是最为稀疏的；在已知测量值y、二值随机测量矩阵A和稀疏基Ψ的条件下，建立起数学模型y＝AΨx′+e；通过压缩感知算法进行凸优化，得到x’后，再由 $x={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{x^{\′}}_i{\mathrm{\ψ}}_i$ 反演出x。

压缩感知理论最广泛的应用是单像素照相机技术，它能规避面阵探测器，仅仅使用一个点探测器便可完成所有的探测任务。鉴于压缩感知的上述特性，若能将压缩感知技术应用在自由空间光通信上，必将减少探测维度，避免由面阵探测器带来的基底噪声和电路噪声。

点扩散函数：成像系统一般分为相干光成像系统和非相干光成像系统，在非相干光衍射受限成像系统中，成像公式和光强呈线性关系，脉冲响应函数是振幅响应函数的平方形式，归一化的脉冲响应函数便称为点扩散函数x，公式表示如下：

$x(m,n)=\frac{{\left|h(m,n)\right|}^2}{\∫\∫{\left|h(m,n)\right|}^2\mathrm{dmdn}}=\frac{{\left|F\right\{P(\frac{m}{{\mathrm{\λd}}_i},\frac{n}{{\mathrm{\λd}}_i})\left\}\right|}^2}{\∫\∫{\left|F\right\{P(\frac{m}{{\mathrm{\λd}}_i},\frac{n}{{\mathrm{\λd}}_i})\left\}\right|}^2\mathrm{dmdn}}$

其中λ为中心波长，m、n为空间坐标值，F为傅里叶变换，P(r,c)是关于空间域坐标(r,c)的系统瞳孔函数。

可以同时在空域和时域上采样：

$x({\mathrm{\λd}}_i\frac{p}{D},\mathrm{\λ}{d}_i\frac{q}{D})\∝{\left|F^{-1}\right\{P(-D\frac{k_1}{N_1},-D\frac{k_2}{N_2})\left\}\right|}^2$

其中F^-1为反傅里叶变换，D为孔径大小，p、q为坐标值，k_i＝0,1,...,N_i-1，其中i＝1,2。对系统瞳孔函数的采样也即是对点扩散函数PSF的采样。

理想的点扩散函数是脉冲响应函数，但由于有大气湍流的影响，往往系统瞳孔函数会在孔径附近随机波动，这是遵循Kolmogorov频谱规则的，大气湍流的强度可以用D/r_o，r_o＝2.098ρ_o表示，其中ρ_o为大气相位相干长度，设Kolmogorov相位屏为Θ(m,n)，则系统瞳孔函数可调整为P(m,n)＝exp(jΘ(m,n))。此时的点扩散函数便为退化点扩散函数。通过压缩感知算法重建出系统瞳孔函数，即等效实现了对退化点扩散函数的采样，进而实现了自由空间光通信。

基于上述理论，本发明提出了基于压缩感知的自由空间光通信系统与方法，下面分别加以描述。

参考图1，在一个实施例中，本发明的自由空间光通信系统包括：成像透镜2、第一空间光调制器3-1、第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3、第一会聚收光单元4-1、第二会聚收光单元4-2、第三会聚收光单元4-3、第四会聚收光单元4-4、第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4、加法器6和算法模块7；其中，所述空间光调制器3-1放置于成像透镜2的焦平面上。自由空间光1经由大气传输，而后利用成像透镜2将经过大气湍流退化后的点扩散函数成像在第一空间光调制器3-1上（此处将焦平面上的点扩散函数的光强分布视作物体），所述第一空间光调制器3-1对该光强进行等分调制，平均分配到第一空间光调制器中的对应微镜翻转+12°和-12°时的反射方向，在这两个方向上分别设置有第二空间光调制器3-2和第三空间光调制器3-3；在第二空间光调制器3-2和第三空间光调制器3-3上加载相同的二值随机测量矩阵A，分别进行光强调制，从而将光反射到4个方向，分别由第一会聚收光单元4-1、第二会聚收光单元4-2、第三会聚收光单元4-3、第四会聚收光单元4-4进行收集，进而分别由第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4探测采集，这些点探测器将采集到的光信号转换成有效电信号，相应记作I₁、I₂、I₃、I₄，然后利用加法器6求两组探测差值之和，即I₂+I₄-I₁-I₃，并将其作为测量值y中第i个元素；即在第一次测量时，所得到的两组探测差值之和为测量值y中的第1个元素，在第二次测量时，所得到的两组探测差值之和为测量值y中的第2个元素，以此类推，第二空间光调制器3-2和第三空间光调制器3-3每翻转一次，4个点探测器5-1、5-2、5-3、5-4同时测量一次，翻转到第i次，则该次的测量值为y中第i个元素，共计测量M次；加法器6所得到的M次的两组探测差值之和依次输入到算法模块7；最后由算法模块7利用压缩感知理论重建经扰动退化后的点扩散函数x，从而实现点对点的自由空间光通信。

下面对系统中的各个模块做进一步的说明。

所述空间光调制器能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，是实时光学信息处理、自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。其种类有很多种，主要有数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，简称DMD）、毛玻璃、液晶光阀等。在本实施例中，所述第一空间光调制器3-1、第二空间光调制器3-2和第三空间光调制器3-3均采用数字微镜器件DMD实现。所述DMD是包含有成千上万个安装在铰链上的微镜的阵列（主流的DMD由1024×768的阵列构成，最大可至2048×1152），每一镜片的尺寸为14μm×14μm（或16μm×16μm）并可以通断一个像素的光，这些微镜皆悬浮着，通过对每一个镜片下的存储单元都以二进制平面信号进行电子化寻址，便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜10～12°左右（本实施例中取+12°和-12°），把这两种状态记为1和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。

所述第一空间光调制器3-1的等分调制方式可以是列等分调制，或者是行等分调制，或者其它能实现等分光强的调制方式。

所述第一会聚收光单元4-1、第二会聚收光单元4-2、第三会聚收光单元4-3、第四会聚收光单元4-4具有相同的结构，在本实施例中，每一会聚收光单元依次包括会聚收光透镜、滤光片和衰减片。所述滤光片用于滤除待自由空间光中的杂散光，当待自由空间光的光强过强时，需采用多组衰减片组合进行光衰减，以防点探测器饱和。

所述第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4均可采用大感光面积的光电转换点探测器、桶探测器、雪崩二极管或光电倍增管中的任意一种实现。此外，在一个实施例中，各个点探测器也可采用不同类型的部件。如第一点探测器5-1采用光电转换点探测器，而第二点探测器5-2采用桶探测器，第三点探测器5-3采用光电倍增管，而第四点探测器5-4采用雪崩二极管，只是在得到测量结果后需要对测量值做归一化。

所述二值随机测量矩阵是由±1组成的Hadamard矩阵，+1对应反射到第二点探测器5-2、第四点探测器5-4的方向，-1对应反射到第一点探测器5-1、第三点探测器5-3的方向。在其他实施例中，也可以是-1对应反射到第二点探测器5-2、第四点探测器5-4的方向，+1对应反射到第一点探测器5-1、第三点探测器5-3的方向。

所述算法模块7采用下列任意一种算法实现压缩感知：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法等，稀疏基可采用离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、梯度基、gabor变换基等。

所述第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3和第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4之间需同步，即保持第一空间光调制器3-1固定一帧不动，第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3中的微镜阵列每翻转一次，第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4在该翻转时间间隔内累计探测到达的所有光强，翻转完成后，各个点探测器的探测结果转为电信号作为加法器6的输入。

以上是对本发明的基于压缩感知的自由空间光通信系统的一个实施例的描述，本发明的基于压缩感知的自由空间光通信系统还可以有其他变形。在另一个实施例中，如图2所示，本发明的基于压缩感知的自由空间光通信系统包括：成像透镜2、空间光调制器3、第一会聚收光单元4-1、第二会聚收光单元4-2、第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、加法器6以及算法单元7；其中，所述空间光调制器3放置于成像透镜2的焦平面上；自由空间光1经大气传播到第一空间光调制器3上，形成可用点扩散函数表示的空间光强分布，通过在空间光调制器3上直接加载Hadamard矩阵以实现随机光调制，将第一点探测器5-1、第二点探测器5-2直接放置于其两路反射方向，以便完成探测任务，加法器6对两路探测信号作差，然后将所得到的结果输入到算法模块7中。此类通信系统中，空间光调制器只有一个，不存在级联的现象，因此也被空间光调制器非级联的通信系统。这种通信系统更加节约成本，但在收集上会存在一定的损耗。

在又一个实施例中，本发明的基于压缩感知的自由空间光通信系统在图1所示实施例的基础上，在第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3之后继续加两个或者2ⁿ个空间光调制器进行级联，在二值随机测量矩阵的控制下，这些空间光调制器所得到的调制光分别通过各自的会聚收光单元以及点探测器实现接收、探测，最终由加法器、算法模块进行相应的计算，从而实现点对点的自由空间光通信。

下面以前文所公开的图1所示的基于压缩感知的自由空间光通信系统为基础，对本发明的基于压缩感知的自由空间光通信方法进行描述，本发明方法做适应性修改后同样适用于本发明的基于压缩感知的自由空间光通信系统的其他实现方式。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤1）、自由空间光通信传播和调制的步骤；

自由空间光透过大气传播到第一空间光调制器3-1上，第一空间光调制器3-1对光强进行等分调制，第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3通过加载Hadamard矩阵A对其反射光进行光强调制；

在其他实施例中，可将Hadamard矩阵A分解为行调制和列调制，在第一空间光调制器3-1上加载行调制（此时，第一空间光调制器3-1上不再做等分调制），在第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3上加载相同的列调制，反之亦然。若采用此类调制方法，第一空间光调制器3-1、第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3中的微镜阵列需同时翻转。

步骤2）、压缩采样的步骤；

所述第一点探测器5-1、第二点探测器5-2、第三点探测器5-3、第四点探测器5-4在第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3每次翻转的时间间隔内同时采样，加法器6对空间光调制器中对应微镜阵列+12°翻转方向的测量值相加，对应微镜阵列-12°翻转方向的测量值相加，然后对两方向上的总和作差，得到一次差分测量结果；第二空间光调制器3-2、第三空间光调制器3-3在Hadamard矩阵A的控制下翻转M次，各个点探测器对自由空间光测量M次，由该M次测量结果得到最终的测量值y。

在本步骤中，对自由空间光的测量采用差分测量方式，之所以采用此类测量方式，是因为：在实际中，光强没有负效果的调制，即每个空间光调制器在加载由±1组成的Hadamard矩阵时，必须将矩阵中为-1的值自动变更为0后再进行光强调制，站在点探测器角度即空间光调制器反射光或不反射光，而采用差分测量方式事实上是将同一层中的分别对应所述加法器6输入端的正极和负极的相应两个空间光调制器上的矩阵视作互补的矩阵，将空间光调制器1和0的调制通过差分采样结果的方式便可转变为1和-1的光强调制，使得原本非负的光强调制变为正负的光强调制，从而得到真正对应由±1组成的Hadamard矩阵的测量值，极大地扩大了信号的波动幅度，大大提高系统最终的成像质量。

步骤3）、信号重建的步骤；

所述二值随机测量矩阵A与测量值y一起作为算法模块7的输入，选取合适的稀疏基使得点扩散函数x能由最少量的系数表示，引入大气湍流因素，通过压缩感知算法进行信号重建，最终实现自由空间光通信。

作为一种优选实现方式，在实施例中，还包括提高仪器信噪比的操作，有助于提高成像质量。信噪比为信号与仪器噪声的方差之比，其中仪器噪声包含环境噪声、光学噪声、电学噪声（含暗计数）等。若仪器噪声的波动淹没了信号的波动，则压缩感知算法失效；若仪器噪声的波动小于或远小于信号的波动，则可以几乎完美重建图像。提高仪器信噪比的方式有多种，如对仪器进行密闭封装，提高点探测器的相应参数和仪器稳定性。

上述差分的测量方式是考虑到Hadamard矩阵是由±1组成的，而实际应用中，数字微镜器件DMD只能实现±12°的反射自由空间光，其实并没有负作用效果的.以图2所示的空间光调制器非级联的通信系统为例，无论是+12°还是-12°翻转所对应的反射方向，在第一点探测器5-1、第二点探测器5-2看来都是对该路信号的累加过程，第一点探测器5-1收集+12°翻转所对应的反射方向过来的光，第二点探测器5-2收集-12°翻转所对应的反射方向过来的光，但微妙的是，站在第一点探测器5-1、第二点探测器5-2的角度，这是一个互补测量的过程，这两个方向上的二值随机测量矩阵可视作是互补矩阵，因而对这两个点探测器所获得的测量值作差，便可以得到真正意义上对应Hadamard矩阵的测量值，极大地扩大了信号的波动幅度，从而大大提高系统最终的成像质量。对于以图1所示的空间光调制器级联的通信系统而言，其工作原理与效果也同样如此。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于压缩感知的自由空间光通信系统，其特征在于，包括成像透镜(2)、空间光调制器模块、会聚收光单元、点探测器、加法器(6)以及算法模块(7)；其中，

自由空间光(1)经大气传播到空间光调制器模块上，形成空间光强分布，然后通过在空间光调制器模块上加载二值随机测量矩阵以实现随机光强调制，经过调制后的自由空间光(1)被分成多路，每一路的自由空间光(1)依次经所述会聚收光单元聚光、经所述点探测器采集并转换成电信号；所述加法器(6)对所得到的各路电信号进行计算，将计算结果输入到所述算法模块(7)，所述算法模块(7)利用压缩感知理论重建经扰动退化后的点扩散函数，实现点对点的自由空间光通信；其中，

所述空间光调制器模块包括级联式结构，所述级联式结构中包含2ⁿ-1个空间光调制器，其中的n表示级联的层数，n≥2；每一层上包含有2^n-1个空间光调制器；其中，第一层的空间光调制器位于所述成像透镜(2)的焦平面上，第n层中的相应两个空间光调制器位于第n-1层中与其首尾相接的一个空间光调制器的两个反射方向上；在所述的级联式结构中，所述空间光调制器模块包括第一空间光调制器(3-1)、第二空间光调制器(3-2)、第三空间光调制器(3-3)；所述会聚收光单元包括第一会聚收光单元(4-1)、第二会聚收光单元(4-2)、第三会聚收光单元(4-3)、第四会聚收光单元(4-4)；所述点探测器包括第一点探测器(5-1)、第二点探测器(5-2)、第三点探测器(5-3)、第四点探测器(5-4)；其中，

所述第一空间光调制器(3-1)位于所述成像透镜(2)的焦平面上，所述第二空间光调制器(3-2)、第三空间光调制器(3-3)分别位于所述第一空间光调制器(3-1)的两个反射方向上；所述第一会聚收光单元(4-1)、第二会聚收光单元(4-2)分别位于所述第二空间光调制器(3-2)的两个反射方向上，所述第三会聚收光单元(4-3)、第四会聚收光单元(4-4)分别位于所述第三空间光调制器(3-3)的两个反射方向上；所述第一点探测器(5-1)、第二点探测器(5-2)、第三点探测器(5-3)、第四点探测器(5-4)分别在第一会聚收光单元(4-1)、第二会聚收光单元(4-2)、第三会聚收光单元(4-3)、第四会聚收光单元(4-4)之后；所述第一点探测器(5-1)、第三点探测器(5-3)分别连接到所述加法器(6)输入端的负极，所述第二点探测器(5-2)、第四点探测器(5-4)分别连接到所述加法器(6)输入端的正极；

将所述二值随机测量矩阵分解为行调制和列调制，在所述第一空间光调制器(3-1)加载行调制，在所述第二空间光调制器(3-2)、第三空间光调制器(3-3)上加载列调制；或

将所述二值随机测量矩阵分解为行调制和列调制，在所述第一空间光调制器(3-1)加载列调制，在所述第二空间光调制器(3-2)、第三空间光调制器(3-3)上加载行调制。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的自由空间光通信系统，其特征在于，所述第二空间光调制器(3-2)、第三空间光调制器(3-3)和第一点探测器(5-1)、第二点探测器(5-2)、第三点探测器(5-3)、第四点探测器(5-4)之间同步，即保持所述第一空间光调制器(3-1)固定一帧不动，所述第二空间光调制器(3-2)、第三空间光调制器(3-3)每翻转一次，所述第一点探测器(5-1)、第二点探测器(5-2)、第三点探测器(5-3)、第四点探测器(5-4)在该翻转时间间隔内累计探测到达的所有光强，翻转完成后，各个点探测器的探测结果转为电信号作为所述加法器(6)的输入。

3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的自由空间光通信系统，其特征在于，所述空间光调制器模块中的空间光调制器采用数字微镜器件或毛玻璃或液晶光阀中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的基于压缩感知的自由空间光通信系统，其特征在于，所述空间光调制器采用数字微镜器件实现，所述数字微镜器件在“开”、“关”两种状态下分别向水平线的两侧倾斜12°，对应空间光调制器的两个反射方向。

5.根据权利要求1所述的基于压缩感知的自由空间光通信系统，其特征在于，所述会聚收光单元依次包括会聚收光透镜、滤光片和衰减片。

6.根据权利要求1所述的基于压缩感知的自由空间光通信系统，其特征在于，所述点探测器采用光电转换点探测器或桶探测器或雪崩二极管或光电倍增管中的任意一种实现。

7.根据权利要求1所述的基于压缩感知的自由空间光通信系统，其特征在于，所述算法模块(7)采用下列任意一种算法实现压缩感知：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法。

8.根据权利要求1所述的基于压缩感知的自由空间光通信系统，其特征在于，所述二值随机测量矩阵采用由±1组成的Hadamard矩阵。

9.基于权利要求1-8之一所述的基于压缩感知的自由空间光通信系统所实现的方法，包括：

步骤1)、自由空间光通信传播和调制；

自由空间光透过大气传播到空间光调制器模块上，形成空间光强分布，然后通过在空间光调制器模块上加载二值随机测量矩阵以实现对反射光的随机光强调制；

步骤2)、压缩采样；

经过调制的自由空间光被分成多路，每一路中的自由空间光经会聚收光单元聚光后，再由各个所述点探测器在空间光调制器模块每次翻转的时间间隔内同时采样，并将采样结果转换成电信号，经所述加法器(6)计算后作为一次差分测量结果；

空间光调制器模块在所述二值随机测量矩阵的控制下翻转M次，所述点探测器对自由空间光测量M次，M次的测量结果作为测量值y；

步骤3)、信号重建；

所述二值随机测量矩阵与测量值y一起作为所述算法模块(7)的输入，选取合适的稀疏基使得点扩散函数x能由最少量的系数表示，引入大气湍流因素，通过压缩感知算法进行信号重建，最终实现自由空间光通信。