CN103326780B - 基于压缩感知接收机的自由空间光通信apt系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，包括APT系统和压缩感知接收机；其中，APT系统包括光学部分与伺服控制部分，APT系统的光学部分包括主镜、二次镜、精跟踪执行机构、分束器、脉冲幅度调制、第一会聚收光单元、光斑检测装置、发射器以及扩束准直透镜；APT系统的伺服控制部分包括粗跟踪控制器、粗跟踪执行机构、万向转台以及精跟踪回路控制器；压缩感知接收机包括发射器、成像透镜、空间光调制器模块、会聚收光模块、点探测器、加法器以及算法模块。

Description

基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT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接收机的自由空间光通信APT系统。

背景技术

中科院和清华大学的联合小组早在2010年实现了16公里的自由空间量子隐态传输，紧接着，2011年10月，中科大潘建伟小组在青海湖实现等效于大气层厚度的上百公里的自由空间量子隐态传输和纠缠分发，引发了物理及量子通信领域的极大热潮，可预见的是，这项技术势必将广泛应用于空间量子通信。而在自由空间光通信中，由于通信距离远、光束窄，同时存在系统误差和外界干扰（如大气散射、平台振动等），且自由空间光通信实现的是点对点的通信，若两个通信端都在运动中，这就必须通过捕获、瞄准、跟踪（Acquisition、Pointing、Tracking，APT）系统来维持通信链路。此外该通信链路还会受到多种扰动和系统误差的影响，这对控制系统的控制带宽提出了更高的要求。因而空间光通信APT技术集光、机、电于一体，是自由空间光通信的保障通信链路的畅通的关键技术之一。

欧洲空间局SILEX于2001年11月成功实现了同步轨道卫星的ARTEMIS与法国地面观测卫星SPOT4之间的星间激光通信，并为其设计出了独特的复合轴闭环回路，在高轨卫星ARTEMIS没有进入同步轨道的情况下仍然完成了同低轨卫星的激光通信。日本宇航局JAXA研制的OICETS卫星的激光通信终端LUCE也采用了复合轴APT系统，其粗传感器采用CCD，精跟踪传感器采用四象限探测器。美国NASA研制的激光通信演示系统OCD中的APT系统采用了高速单探测器二开窗结构，仅在发射光路中采用FPA系统，而省略了PAA系统。国内，北大、武大、哈工大、中科院等研究院所也开始着手自由空间光通信APT关键技术的研究，并完成了理论分析、仿真和地面实验。

将粗跟踪回路和精跟踪回路配合工作，构成复合轴控制结构，已经成为一种趋势，利用粗跟踪的低带宽、大范围跟踪和精跟踪的高带宽、高精度跟踪能力，完成APT系统的瞄准跟踪任务，可适用于运动中两点自由空间光通信。

现有技术中，国内外的空间光通信系统大都采用粗精复合轴控制结构来实现大视场、高精度、高闭环带宽的跟踪系统，但粗精控制环的解耦合问题是复合轴控制结构中的一个重要问题和弊病，它会影响整个APT系统的性能和精度。其原因在于：若为单探测器的复合轴控制结构，则粗控制回路与精控制回路均采用同一个探测器探测光束的偏移值，因而解耦问题需要通过控制算法来解决，其实现难度比较复杂；若采用双探测器的复合轴控制结构，精跟踪回路不但需要对系统的高频振动进行抑制，还需要对粗跟踪回路的跟踪残差进行有效地抑制，而粗跟踪的控制残差的大小是由其闭环带宽所决定的，研究表明，当粗精跟踪回路的频带相差较小时，由于粗跟踪回路的跟踪残差频率较高，会给精跟踪回路带来很大的跟踪误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的空间光通信的通信链路受通信距离远、光束窄影响的系统误差和外界干扰问题、探测采样上的冗余问题，从而提供一种能够维护通信链路稳定性的自由空间光通信APT系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，包括APT系统和压缩感知接收机；其中，

所述APT系统包括光学部分与伺服控制部分，所述APT系统的光学部分包括主镜1、二次镜2、精跟踪执行机构、分束器4、脉冲幅度调制5、第一会聚收光单元8-1、光斑检测装置9、发射器10以及扩束准直透镜11；所述APT系统的伺服控制部分包括粗跟踪控制器15、粗跟踪执行机构、万向转台17以及精跟踪回路控制器18；

所述压缩感知接收机包括发射器10、成像透镜6、空间光调制器模块、会聚收光模块、点探测器、加法器13以及算法模块14；

所述APT系统的光学部分与压缩感知接收机均安装在所述万向转台17上，所述APT系统的伺服控制部分与光学部分中的元件配合，形成两个伺服环嵌套：低带宽的粗跟踪回路和高带宽的精跟踪回路；其中的粗跟踪回路包括光斑检测装置9、粗跟踪控制器15、粗跟踪执行机构和万向转台17，精跟踪回路包括光斑检测装置9、精跟踪执行机构以及精跟踪回路控制器18；所述粗跟踪控制器15根据所述光斑检测装置9的检测结果，通过控制粗跟踪执行机构来控制所述万向转台17的转动；所述精跟踪回路控制器18根据所述光斑检测装置9的检测结果控制所述精跟踪执行机构的转动；

目标信标光通过所述主镜1和二次镜2传播到所述精跟踪执行机构上，然后反射至所述分束器4上，所述分束器4将目标信标光分到两个方向，一路通过第一会聚收光单元8-1进入所述光斑检测装置9，另一路进入压缩感知接收机；目标信标光进入压缩感知接收机后，首先由所述成像透镜6将经过大气湍流退化后的点扩散函数成像传播到所述空间光调制器模块上，形成空间光强分布，然后通过在所述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，经过调制后的目标信标光被分成多路，每一路的目标信标光依次经所述会聚收光模块聚光、经所述点探测器采集并转换成电信号；所述加法器13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14，所述算法模块14）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6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目标信标光的随机光强调制；

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6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；所述会聚收光模块包括第二会聚收光单元、第三会聚收光单元，所述点探测器包括第一点探测器、第二点探测器；其中，

所述第二会聚收光单元、第二会聚收光单元分别位于所述空间光调制器的两个反射方向上；所述第一点探测器在所述第二会聚收光单元之后，所述第二点探测器在所述第三会聚收光单元之后；所述第一点探测器、第二点探测器分别与所述加法器13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7-1、第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3；所述会聚收光模块包括第二会聚收光单元8-2、第三会聚收光单元8-3、第四会聚收光单元8-4）、第五会聚收光单元8-5；所述点探测器包括第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4；其中，

所述第一空间光调制器7-1位于所述成像透镜6的焦平面上，所述第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3分别位于所述第一空间光调制器7-1的两个反射方向上；第二会聚收光单元8-2、第三会聚收光单元8-3分别位于所述第二空间光调制器7-2的两个反射方向上，所述第四会聚收光单元8-4、第五会聚收光单元8-5分别位于所述第三空间光调制器7-3的两个反射方向上；第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4分别在第二会聚收光单元8-2、第三会聚收光单元8-3、第四会聚收光单元8-4、第五会聚收光单元8-5之后；所述第一点探测器12-1、第三点探测器12-3分别连接到所述加法器13输入端的负极，所述第二点探测器12-2、第四点探测器12-4分别连接到所述加法器13输入端的正极。

上述技术方案中，所述第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3和第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4之间同步，即保持所述第一空间光调制器7-1固定一帧不动，所述第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3每翻转一次，所述第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4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13的输入。

上述技术方案中，所述第一空间光调制器7-1对光强进行等分调制，所述第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3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7-1加载行调制，在所述第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3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7-1加载列调制，在所述第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3上加载行调制。

上述技术方案中，所述光斑检测装置9包括两个探测器，分别用于粗跟踪与精跟踪；用于粗跟踪的探测器采用电耦合器件或四象限探测器件或位置敏感器件实现；用于精跟踪的探测器采用电耦合器件实现。

上述技术方案中，所述粗跟踪执行机构采用无刷直流电机实现。

上述技术方案中，所述精跟踪执行机构采用快速倾斜镜3或液晶阵列偏转器或布拉格声光效应的声光偏转器件实现。

上述技术方案中，所述粗跟踪控制器15采用PID控制器实现；所述精跟踪控制器18采用模糊自适应PID控制器实现。

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”两种状态下分别向微镜初始位置的中垂线的两侧倾斜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14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。

本发明还公开了一种基于所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统所实现的方法，包括：

步骤1）、在通信开始阶段，APT系统首先进入捕获阶段，通过数据计算获得目标的当前位置和姿态，确定所述万向转台17的初始指向，然后按照选定的扫描策略扫描目标不确定区域，当目标信标光进入粗跟踪的扫描视场，停止扫描；

步骤2）、进入对准阶段，所述粗跟踪回路根据所述光斑检测装置9得到的光斑与CCD中心的偏差调整所述万向转台17，使得信标进入精跟踪的扫描视场；

步骤3）、所述精跟踪回路探测到信标光后，APT进入跟踪阶段，粗跟踪回路和精跟踪回路进入闭环跟踪阶段；

步骤4）、目标信标光通信传播和调制；

目标信标光传播到所述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5）、压缩采样；

经过调制的目标信标光被分成多路，每一路中的目标信标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13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，所述点探测器对目标信标光测量M次，M次的测量结果作为测量值y；

步骤6）、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14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：

本发明在压缩感知接收机的基础上，添加了APT系统，以PID控制器控制无刷直流电机，使得万向转台360°旋转，实现粗跟踪回路，以模糊控制器控制由机械驱动的快速倾斜镜，实现精跟踪回路，同时引入平台振动、大气衰减、大气湍流、光斑漂移等模型，保障了通信链路的稳定性，可适用于运动中两点自由空间光通信。在通信过程中，引入压缩感知理论，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，节约了探测维度和成本，减少噪声，空间光调制技术与压缩感知理论相结合，实现压缩采样的高分辨成像，大大提高通信效率，且光学结构更具多样性。本发明所提出的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统必将引领自由空间光通信研究领域的未来发展趋势，可以广泛应用在天线、卫星通信、深空通信、水下通信、地对空通信、对地观测、遥感、量子通信、QKD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基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统的光学部分示意图；

图2是本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统的对准阶段的示意图；

图3是本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统的跟踪阶段的示意图；

图4是本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统的复合轴控制结构框图；

图5是本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统的状态图。

图面说明

1    主镜              2      二次镜              3快速倾斜镜

4    分束器            5      脉冲幅度调制        6成像透镜

7-1  第一空间光调制器  7-2    第二空间光调制器

7-3  第三空间光调制器  8-1    第一会聚收光单元

8-2  第二会聚收光单元  8-3    第三会聚收光单元

8-4  第四会聚收光单元  8-5    第五会聚收光单元

9    光斑检测装置      10     发射器

11   扩束准直透镜      12-1   第一点探测器

12-2 第二点探测器      12-3    第三点探测器

12-4 第四点探测器      13      加法器

14   算法模块          15      粗跟踪控制器

16   无刷直流电机      17      万向转台

18   精跟踪回路控制器

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

在对本发明的系统与方法做详细说明之前，首先对本发明中所涉及的概念进行说明。

1、振动模型

本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统中，平台的振动可以分为平动和转动两个部分，其中平动部分类似于摄动，在超远距离的尺度下，平动造成的APT系统指向偏移可以忽略，对APT系统指向产生较大影响的是平台转动。平台的振动来源可以分成两个部分：外部扰动源和内部扰动源。完整的振动模型由连续振动功率谱和三个谐波振动功率分量组成。该模型可简化为：

$S\left(f\right)=\frac{160{\mathrm{\μrad}}^2/\mathrm{Hz}}{1+{(f/f_0)}^2}$

其中，f表示频率，f₀表示参考频率（频率常数），S（f）表示在频率f处的连续振动功率函数，μrad²/Hz是单位，即每Hz微弧度方。

2、大气衰减模型

自由空间光通信的光束穿越的介质可以是深空、大气层、水层等介质层，当透过介质是大气时，由于大气的吸收和散射作用，强度会不断衰减，到一定程度后接收机无法识别。此外，在大气湍流的影响下，激光通过大气信道后，会出现光斑扩散，漂移以及破碎等现象，会极大的影响探测器对目标光轴方向的计算。而且大气中存在各种气体和微粒，如灰尘、烟雾等，使部分光辐射能量被吸收而转变成其他形式的能量（如热能）；部分光辐射能量则被散射而偏离原来的传播方向（即辐射方向重新分配）。吸收和散射的总效果使传输的光辐射强度受到衰减，衰减量与辐射的波长，光程长度以及大气物理特性等有关。由于大气衰减的作用，加上光束的扩散，使得接受终端观测面上的光强下降。

根据大气衰减的比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律，构建大气衰减模型：

$T=\frac{p_r}{p_i}\exp (-\mathrm{\βL})$

T：传输距离L的大气透过率(%)；

pr：接收处的光功率；

pi：发射处的光功率；

β：为大气衰减系数(1/km)，描述了吸收和散射两种独立物理过程对传输光功率的影响。

大气的衰减效应，如云层遮挡等，所引起的接收端误判可以等效为发送端信标光的束散角变小或者是接收端的视场（Field of View，FOV）变小，当大气衰减效果使得接收端光强低于响应阈值时，等效为FOV为零。

3、大气湍流模型

大气不同部分的物理性质不同，又由于温度和风的原因，大气总是在不停地流动，从而形成温度、压强、密度、流速、大小等不同的气流涡旋。这些气流涡旋总是处在不停的运动变化之中，他们互相交联、叠加，形成随机的湍流运动，这就是大气湍流。这种大气局部温度、压力的随机变化引起折射率的随机变化，变化的空间尺度在数毫米到数十米，时间频谱可高达数百赫兹。光在湍流大气中传输时，波阵面产生随机畸变，传播方向发生随机偏转，产生光束漂移；另一方面，在观察平面上产生强度起伏和扩散，即所谓的闪烁和光束扩展。

上面的两种大气效应对APT系统的工作都有较大的影响，前者降低了目标的识别率，后者则会增大输出结果的误差。通过建立激光在大气中的传播模型或者误差模型，可以分析APT系统对于大气扰动的抑制能力。

研究上通常将大气湍流视为局部均匀各向同性湍流，使用结构函数D_n(r)描述折射率随机场，折射率结构函数定义如下：

D_n(r)＝＜(n(r₁)-n(r₂))²＞

其中r＝r₁-r₂。根据Kolmogorov理论，

$D_n\left(r\right)=\left\{\begin{array}{c}{C}_n^2{r}^{2/3},l_0<<r<<L_0\\ C_n^2{l}_0^{2/3},r<<l_0\end{array}\right.$

其中l₀为湍流内尺度，表示湍流涡旋的最小特征尺度；L₀为湍流外尺度，表示与流动整体特征尺度相当的巨大涡旋的特征尺度；称为大气折射率结构常数。

4、光斑漂移的概率模型

在弱湍流条件下光斑的漂移方差：

$<r_c^2>=7.25C_n^2{L}^3{W}_0^{-1/3}$

其中r_c为漂移半径，L为激光传播距离，W₀为光束初始半径；

取光斑漂移半径服从高斯分布，建立光斑漂移的概率模型：

$p\left(r\right)=\exp (-\frac{r^2}{2<r_c^2>})$

为了得到光斑在接收终端传感器平面上的光强分布，可以使用多层相位屏的方法对激光的传播进行数值模拟。该方法将光场的传播效应分为两个过程，一个是与折射率无关的真空传播过程，另一个是与折射率起伏有关的相位调制过程，这两个过程同时发生，在折射率起伏引起的相位变化足够小的情况下，可以认为这两个过程相互独立。但该方法在每一个仿真周期中都需要计算，其计算量正比于随空间尺度变化的相位屏数量，等步长仿真时反比于仿真步长，该过程将极大地降低仿真速度。

在考虑仿真效率的基础上，本文忽略光斑的形状，采取单独仿真光斑中心，即将光斑的扩散、闪烁、破碎等效应等效为光斑的漂移。此时的光斑也可以认为是一点，从上面的分析可以建立其光斑漂移分布函数和漂移的功率谱密度函数，在此基础上可以对激光束的大气湍流效应进行等效模拟。

5、PID控制器

PID控制器是一种线性控制器，它根据输入信号r(t)与控制对象输出信号u(t)计算得到控制偏差：e(t)＝r(t)-u(t)。

其控制规律如下：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}e\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}+K_d\left(\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)$

传递函数可表示为:

$C\left(s\right)=K_p+K_i\frac{1}{s}+K_{d}s$

其中u(t)为控制对象输出，t为系统时间，τ为取值范围从0到t的积分变量，e(t)为偏差信号，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。

PID控制器各校正环节的作用如下：

（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生作用，以减小偏差。比例环节只改变系统的增益而不影响相位，增大K_p可以提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度。

（2）积分环节：主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。

（3）微分环节：反映信号的变化趋势和变化速率，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的响应速度，减小调节时间。微分环节对纯滞后环节不能起到改善控制品质的作用，且具有放大高频噪声信号的缺点。

6、模糊自适应PID控制器

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制。模糊理论是描述设计人员工作经验和定量表示控制过程中各种信号量及评价指标的有效途径。运用模糊数学的理论和方法，将控制规则的输入和输出用模糊集表示，把相关的模糊控制规则作为知识存入计算机知识库中，在控制回路中，计算机根据系统的实际响应情况（输入、反馈、状态历史等），运用模糊推理，实现对PID参数K_p、K_i、K_d的自动调整，这就是模糊自适应PID控制。模糊自适应PID控制器以误差e和误差变化量de/dt作为输入，可以在任意时刻根据e和de/dt的值自动在线调整数字PID的参数K_p、K_i、K_d，其调整过程主要是通过模糊推理得到参数的修正量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d。模糊推理的过程就是体现PID三个参数与e和de/dt之间的模糊关系的PID参数自整定过程。在系统运行中通过不断检测e和de/dt，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修正，以满足不同e和de/dt时对控制器结构的不同要求，从而在不同的输入信号和摄动的被控对象情况下得到良好的动、静态性能。

7、光斑中心的计算方法

计算光斑中心的算法主要有峰值法、形心法、质心法，还包括基于边界提取的Hough算法和圆拟合的算法。Hough算法计算复杂，不适合在需要高图像帧频的APT系统上使用。圆拟合算法不适应在光斑扩散和破碎之后中心检测。根据激光强度的高斯分布可以知道光斑中心点处的强度最大，峰值法人为设定CCD图像中亮度最大的像素点为光斑的中心；峰值法无需复杂的计算，因此具有灵敏度高，计算速度快的优点，但其对噪声的过于敏感，可能会产生较大的误差。形心法，利用光斑的形状中心表示光斑的中心。在信标光部分进入视场的情况下，采用质心法将会比形心法得到的结果更接近实际的光斑中心。对于光斑不规则发散的情况，质心法也将有较好的抑制效果。

8、压缩感知

压缩感知（Compressive Sensing，简称CS）原理，能以随机采样的方式、少量的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）完美恢复原始信号。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，再由反演出x。

9、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：

$x(m,n)=\frac{{\left|h(m,n)\right|}^2}{\&Integral;\&Integral;{\left|h(m,n)\right|}^2\mathrm{dmdn}}=\frac{{\left|F\right\{P(\frac{m}{{\mathrm{\&lambda;d}}_i},\frac{n}{{\mathrm{\&lambda;d}}_i})\left\}\right|}^2}{\&Integral;\&Integral;{\left|F\right\{P(\frac{m}{{\mathrm{\&lambda;d}}_i},\frac{n}{{\mathrm{\&lambda;d}}_i})\left\}\right|}^2\mathrm{dmdn}}$

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：

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

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由D/r_o，r_o＝2.098ρ_o，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。

在上述说明的基础上，下面对本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统进行介绍。

在图1中给出了本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统在一个实施例中的光学原理示意图，在图4中给出了本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统在一个实施例中的电路控制原理示意图。如图1和4所示，本发明的系统包括APT系统和压缩感知接收机；其中，所述APT系统包括光学部分与伺服控制部分，所述APT系统的光学部分包括主镜1、二次镜2、快速倾斜镜（FastSteering Mirror,FSM）3、分束器4、脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation,PAM）5、第一会聚收光单元8-1、光斑检测装置9、发射器10以及扩束准直透镜11；所述APT系统的伺服控制部分包括粗跟踪控制器15、无刷直流电机16、万向转台17以及精跟踪回路控制器18；所述压缩感知接收机包括发射器10、成像透镜6、第一空间光调制器7-1、第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3、第二会聚收光单元8-2、第三会聚收光单元8-3、第四会聚收光单元8-4、第五会聚收光单元8-5、第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4、加法器13以及算法模块14。所述APT系统的光学部分与压缩感知接收机均安装在所述万向转台17上，所述APT系统的伺服控制部分与光学部分中的元件配合，形成两个伺服环嵌套：低带宽的粗跟踪回路和高带宽的精跟踪回路；其中的粗跟踪回路包括光斑检测装置9、粗跟踪控制器15、无刷直流电机16和万向转台17，精跟踪回路包括光斑检测装置9、快速倾斜镜3以及精跟踪回路控制器18；所述粗跟踪控制器15根据所述光斑检测装置9的检测结果，通过控制无刷直流电机16来控制所述万向转台17的转动；所述精跟踪回路控制器18根据所述光斑检测装置9的检测结果控制所述快速倾斜镜3的转动。

在通信前，APT系统首先工作，通过对目标预测位置的扫描，捕获目标信标光并瞄准目标，进入跟踪阶段来维持信道的稳定，当跟瞄精度满足系统精度要求后，建立起稳定的光通信链路，启动压缩感知接收机，完成自由空间光通信。该通信过程具体为：目标信标光通过望远镜的主镜1和二次镜2传播到FSM3上，然后反射至分束器4上，分束器4将目标信标光分到两个方向，一路通过第一会聚收光单元8-1进入光斑检测装置9，另一路进入压缩感知接收机；目标信标光进入压缩感知接收机后，首先由成像透镜6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7-1上（这里将焦平面上的点扩散函数的光强分布视作物体），第一空间光调制器7-1对该光强进行等分调制，然后平均分配到对应微镜翻转+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7-2和第三空间光调制器7-3，在这两个空间光调制器上加载相同由±1组成的Hadamard二值随机测量矩阵A，+1对应反射到第二点探测器12-2、第四点探测器12-4的方向，-1对应反射到第一点探测器12-1、第三点探测器12-3的方向，进而由第二空间光调制器7-2和第三空间光调制器7-3分别进行光强调制，将光反射到4个方向，分别由第二会聚收光单元8-2、第三会聚收光单元8-3、第四会聚收光单元8-4、第五会聚收光单元8-5进行收集，再由第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4探测采集，并将采集到的光信号转换成有效电信号，相应记作I₁、I₂、I₃、I₄，利用加法器13求两组探测差值之和，即I₂+I₄-I₁-I₃作为测量值y中第i个元素；在一次通信过程中，加载到各个空间光调制器上的二值随机测量矩阵翻转M次，各路会聚光单元、点探测器分别测量M次，由加法器13得到多次的两组探测差值之和，将这些结果输入到算法模块14；最后由算法模块14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。

下面对本发明系统中的各个部件做进一步的说明。

从之前的描述可以看到，所述光斑检测装置9不仅在粗跟踪回路中起到传感器的作用，而且在精跟踪回路中也起到了传感器的作用。在本实施例中，所述光斑检测装置9包括两个探测器，分别用于粗跟踪与精跟踪。用于粗跟踪的探测器可采用电耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）或四象限探测器件(Four-QuadrantDetector，FQD)或位置敏感器件（Position Sensitive Detector，PSD）等部件实现，在本实施例中，采用了CCD；用于精跟踪的探测器采用CCD实现。

从之前的描述可以看到，在APT系统与压缩感知机中都包含有发射器10，该发射器10可以是两个独立的发射器，也可以共用一个发射器。所述发射器10在所述APT系统与压缩感知接收机中起到不同的作用。发射器10在APT系统中充当的角色是发射信标光，用于跟踪目标，维持通信链路；发射器10在压缩感知接收机中用于发射信号光，传输有效信息。在激光传播时间不可忽略的情况下（如通信双方相隔极其遥远时），所述发射器10还包括有一个独立的超前瞄准镜，利用该超前瞄准镜来修正光传播时间内目标运动导致的光轴偏离。

所述万向转台17活动范围大，其方位轴可以360°旋转，具有较大的转动惯量，受到外界的扰动影响较小，工作带宽较低。

所述无刷直流电机16作为粗跟踪回路的执行机构，包括定子、转子和霍尔传感器，该电机通过霍尔传感器对转子位置的检测决定定子绕组功率晶体管的通、断次序，产生旋转磁场并与转子磁极作用带动电机转动来控制所述万向转台17的转动，具有线性度好、转矩大、维护方便、运行可靠、无换向火花等优点。

所述粗跟踪控制器15采用PID控制器实现。

所述精跟踪控制器18采用模糊自适应PID控制器。

所述快速倾斜镜3作为精跟踪回路中的执行机构，所述精跟踪回路中的执行机构除了本实施例中所采用的快速倾斜镜3外，在其他实施例中也可采用其他类型的部件，如电子驱动的液晶阵列偏转器（Liquid Crystal Deflector,LCD），或布拉格声光效应的声光偏转器件（Acousto-Optie Deflector,AOD）。

所述第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4可采用大感光面积的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实现。

所述第一空间光调制器7-1、第二空间光调制器7-2和第三空间光调制器7-3采用数字微镜器件DMD实现。本实施例中所采用的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7-1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。在其他实施例中，还可以将Hadamard矩阵A分解为行调制和列调制，然后在第一空间光调制器7-1上加行调制，在第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3上加载相同的列调制，反之亦然，此时第一空间光调制器7-1、第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3中的微镜阵列需同时翻转。

所述算法模块14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7-2、第三空间光调制器7-3和第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4之间需同步，即保持第一空间光调制器7-1固定一帧不动，第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3中的微镜阵列每翻转一次，第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4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，转为电信号作为加法器13的输入。

以上是对本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统的一个实施例的描述，本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统还可以有其他变形。在另一个实施例中，本发明系统中的压缩感知接收机部分包含一个空间光调制器，两个点探测器以及发射器、成像透镜、会聚收光单元、加法器、算法模块等其他单元，空间光调制器位于成像透镜的焦平面上；发射器发出的目标信标光经大气传播到唯一的空间光调制器上，形成可用点扩散函数表示的空间光强分布，通过在该空间光调制器上直接加载Hadamard矩阵以实现随机光调制，然后将所述的两个点探测器分别直接放置于其两路反射方向，以便完成探测任务，加法器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中，从而实现点对点的自由空间光通信。

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7-2、第三空间光调制器7-3之后继续加两个或者2ⁿ个空间光调制器进行级联，在Hadamard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。

以上是对本发明的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统的结构描述，下面对该系统的基本工作过程加以说明。

本发明中系统的工作过程包括两个阶段，一是APT系统的工作过程，二是压缩感知接收机的工作过程。下面分别予以说明。

APT工作过程分为捕获、对准和跟踪三个步骤：

步骤1）、在通信开始阶段，APT首先进入捕获阶段，通过数据计算获得目标的当前位置和姿态，确定万向转台17的初始指向，然后按照选定的扫描策略扫描目标不确定区域（Field of Uncertainty，FOU），当目标信标光进入粗跟踪的CCD视场，停止扫描。

在本步骤中，所述扫描策略包括光栅矩形扫描、螺旋扫描、矩形螺旋扫描和玫瑰型扫描。

步骤2）、进入对准阶段，粗跟踪回路根据光斑检测装置9得到的光斑与CCD中心的偏差调整万向转台17，使得信标进入精跟踪的CCD视场。

步骤3）、精跟踪回路探测到信标光后，APT进入跟踪阶段，粗回路和精回路进入闭环跟踪阶段。

作为一种优选实现方式，在步骤1）和步骤2）之间还包括有调整光斑位置的步骤。参考图2，当捕获完成，扫描信标光进入接收端视场，则接收端也进入了对准阶段，同时沿着信标光路发射一束扩展信标光，在可逆光路，该扩展信标光进入发射端视场，发射端检测到后停止扫描，进入对准阶段。此时信标光在接收平面上形成的光斑可能还处在探测器视场的边缘，未进入跟踪窗口，很容易在光束的抖动时脱离探测器视场，造成重复捕获，因此需要将光斑移动到中心区域，以便进入跟踪阶段。

参考图3，在所述步骤2）中，粗跟踪过程的信号处理过程大致如下：信标光进入系统后在CCD面上形成的光斑中心同CCD中心的偏差用来计算光轴的偏差值，然后将其作为误差输入粗回路控制器15，控制器15产生的控制信号经过放大后驱动无刷直流电机16以控制万向转台17指向。

以上是对APT系统的基本工作过程的描述。事实上，该系统的工作过程较为复杂，其中的扫描、捕获、跟踪过程是一个典型的监控逻辑问题。使用有限状态机对APT系统建模，图5为APT系统状态图，在该图中对APT系统所能具有的状态以及状态间的转移事件做了详尽的说明。

APT系统工作过程中包含三个状态：

1）状态A为扫描状态；

2）状态B为对准状态；

3）状态C为跟踪状态。

状态A，B，C之间的转移事件为：

1）a表示经过扫描等待时间T，即完成一个点的扫描；

2）b表示光斑进入视场FOV，即捕获到目标；

3）c表示光斑跳出视场FOV，即在光斑抖动的情况下丢失目标；

4）d表示光斑进入精跟踪视场；

5）e表示光斑跳出精跟踪市场，但任处在视场FOV中，目标未丢失；

6）f表示光斑跳出视场FOV，丢失目标。

APT系统进入跟踪阶段后，即可由压缩感知接收机开始压缩感知的工作过程。下面以图1所示实施例为例，对该工作过程做如下描述。

步骤4）、目标信标光通信传播和调制的步骤；

目标信标光传播到第一空间光调制器7-1上，第一空间光调制器7-1对光强进行等分调制，第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3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7-1上加载行调制（此时，第一空间光调制器7-1上不再做等分调制），在第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3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7-1、第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3中的微镜阵列需同时翻转。

步骤5）、压缩采样的步骤；

所述第一点探测器12-1、第二点探测器12-2、第三点探测器12-3、第四点探测器12-4在第二空间光调制器7-2、第三空间光调制器7-3每次翻转的时间间隔内同时采样，加法器13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7-2、第三空间光调制器7-3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，对目标信标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13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6）、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14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。

以上是对本发明的系统及其工作过程的描述。在本发明中，差分的测量方式是考虑到Hadamard矩阵是由±1组成的，在仿真中，这种二值随机测量矩阵可以在一定程度上提高成像质量，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，其实是没有负作用效果的，即调制非0即1，即反射或不反射，无论是+12°还是-12°翻转所对应的反射方向，在点探测器12-1、12-2或者12-3、12-4看来都是对该路信号的累加过程，点探测器12-1收集+12°翻转所对应的反射方向过来的光，点探测器12-2收集-12°翻转所对应的反射方向过来的光，但微妙的是，站在点探测器12-1、12-2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12-1、12-2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。

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 (16)

1.一种基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，包括APT系统和压缩感知接收机；其中，

所述APT系统包括光学部分与伺服控制部分，所述APT系统的光学部分包括主镜(1)、二次镜(2)、精跟踪执行机构、分束器(4)、脉冲幅度调制(5)、第一会聚收光单元(8-1)、光斑检测装置(9)、发射器(10)以及扩束准直透镜(11)；所述APT系统的伺服控制部分包括粗跟踪控制器(15)、粗跟踪执行机构、万向转台(17)以及精跟踪回路控制器(18)；

所述压缩感知接收机包括发射器(10)、成像透镜(6)、空间光调制器模块、会聚收光模块、点探测器、加法器(13)以及算法模块(14)；

所述APT系统的光学部分与压缩感知接收机均安装在所述万向转台(17)上，所述APT系统的伺服控制部分与光学部分中的元件配合，形成两个伺服环嵌套：低带宽的粗跟踪回路和高带宽的精跟踪回路；其中的粗跟踪回路包括光斑检测装置(9)、粗跟踪控制器(15)、粗跟踪执行机构和万向转台(17)，精跟踪回路包括光斑检测装置(9)、精跟踪执行机构以及精跟踪回路控制器(18)；所述光斑检测装置(9)包括两个探测器，分别用于粗跟踪与精跟踪；所述粗跟踪控制器(15)根据所述光斑检测装置(9)的检测结果，通过控制粗跟踪执行机构来控制所述万向转台(17)的转动；所述精跟踪回路控制器(18)根据所述光斑检测装置(9)的检测结果控制所述精跟踪执行机构的转动；

目标信标光通过所述主镜(1)和二次镜(2)传播到所述精跟踪执行机构上，然后反射至所述分束器(4)上，所述分束器(4)将目标信标光分到两个方向，一路通过第一会聚收光单元(8-1)进入所述光斑检测装置(9)，另一路进入压缩感知接收机；目标信标光进入压缩感知接收机后，首先由所述成像透镜(6)将经过大气湍流退化后的点扩散函数成像传播到所述空间光调制器模块上，形成空间光强分布，然后通过在所述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，经过调制后的目标信标光被分成多路，每一路的目标信标光依次经所述会聚收光模块聚光、经所述点探测器采集并转换成电信号；所述加法器(13)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(14)，所述算法模块(14)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。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，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(6)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目标信标光的随机光强调制；

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(6)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。

3.根据权利要求2所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，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；所述会聚收光模块包括第二会聚收光单元、第三会聚收光单元，所述点探测器包括第一点探测器、第二点探测器；其中，

所述第二会聚收光单元、第二会聚收光单元分别位于所述空间光调制器的两个反射方向上；所述第一点探测器在所述第二会聚收光单元之后，所述第二点探测器在所述第三会聚收光单元之后；所述第一点探测器、第二点探测器分别与所述加法器(13)输入端的正负极相连。

4.根据权利要求2所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，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(7-1)、第二空间光调制器(7-2)、第三空间光调制器(7-3)；所述会聚收光模块包括第二会聚收光单元(8-2)、第三会聚收光单元(8-3)、第四会聚收光单元(8-4)、第五会聚收光单元(8-5)；所述点探测器包括第一点探测器(12-1)、第二点探测器(12-2)、第三点探测器(12-3)、第四点探测器(12-4)；其中，

所述第一空间光调制器(7-1)位于所述成像透镜(6)的焦平面上，所述第二空间光调制器(7-2)、第三空间光调制器(7-3)分别位于所述第一空间光调制器(7-1)的两个反射方向上；第二会聚收光单元(8-2)、第三会聚收光单元(8-3)分别位于所述第二空间光调制器(7-2)的两个反射方向上，所述第四会聚收光单元(8-4)、第五会聚收光单元(8-5)分别位于所述第三空间光调制器(7-3)的两个反射方向上；第一点探测器(12-1)、第二点探测器(12-2)、第三点探测器(12-3)、第四点探测器(12-4)分别在第二会聚收光单元(8-2)、第三会聚收光单元(8-3)、第四会聚收光单元(8-4)、第五会聚收光单元(8-5)之后；所述第一点探测器(12-1)、第三点探测器(12-3)分别连接到所述加法器(13)输入端的负极，所述第二点探测器(12-2)、第四点探测器(12-4)分别连接到所述加法器(13)输入端的正极。

5.根据权利要求4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，所述第二空间光调制器(7-2)、第三空间光调制器(7-3)和第一点探测器(12-1)、第二点探测器(12-2)、第三点探测器(12-3)、第四点探测器(12-4)之间同步，即保持所述第一空间光调制器(7-1)固定一帧不动，所述第二空间光调制器(7-2)、第三空间光调制器(7-3)每翻转一次，所述第一点探测器(12-1)、第二点探测器(12-2)、第三点探测器(12-3)、第四点探测器(12-4)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(13)的输入。

6.根据权利要求4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，所述第一空间光调制器(7-1)对光强进行等分调制，所述第二空间光调制器(7-2)、第三空间光调制器(7-3)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(7-1)加载行调制，在所述第二空间光调制器(7-2)、第三空间光调制器(7-3)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(7-1)加载列调制，在所述第二空间光调制器(7-2)、第三空间光调制器(7-3)上加载行调制。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，用于粗跟踪的探测器采用电耦合器件或四象限探测器件或位置敏感器件实现；用于精跟踪的探测器采用电耦合器件实现。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，所述粗跟踪执行机构采用无刷直流电机实现。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，所述精跟踪执行机构采用快速倾斜镜(3)或液晶阵列偏转器或布拉格声光效应的声光偏转器件实现。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，所述粗跟踪控制器(15)采用PID控制器实现；所述精跟踪控制器(18)采用模糊自适应PID控制器实现。

11.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT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。

12.根据权利要求11所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT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”两种状态下分别向微镜初始位置的中垂线的两侧倾斜12°，对应空间光调制器的两个反射方向。

13.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT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。

14.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统，其特征在于，所述算法模块(14)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。

15.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT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。

16.基于权利要求1-15之一所述的基于压缩感知接收机的自由空间光通信APT系统所实现的方法，包括：

步骤1)、在通信开始阶段，APT系统首先进入捕获阶段，通过数据计算获得目标的当前位置和姿态，确定所述万向转台(17)的初始指向，然后按照选定的扫描策略扫描目标不确定区域，当目标信标光进入粗跟踪的扫描视场，停止扫描；

步骤2)、进入对准阶段，所述粗跟踪回路根据所述光斑检测装置(9)得到的光斑与CCD中心的偏差调整所述万向转台(17)，使得信标进入精跟踪的扫描视场；

步骤3)、所述精跟踪回路探测到信标光后，APT进入跟踪阶段，粗跟踪回路和精跟踪回路进入闭环跟踪阶段；

步骤4)、目标信标光通信传播和调制；

目标信标光传播到所述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5)、压缩采样；

经过调制的目标信标光被分成多路，每一路中的目标信标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(13)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，所述点探测器对目标信标光测量M次，M次的测量结果作为测量值y；

步骤6)、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(14)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。