CN103401609A - 基于压缩感知与稀疏孔径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与稀疏孔径的自由空间光通信系统，包括稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束变换单元、束斑合成透镜、空间光调制器映射透镜、第七反射镜、空间光调制器模块、会聚收光单元、点探测器、加法器和计算模块；各条光路上入射的光信号投射到束斑合成透镜上，通过空间光调制器映射透镜、第七反射镜将稀疏孔径直接成像映射到空间光调制器模块，空间光调制器模块对稀疏孔径成像光场做随机调制，随机调制后的光收集、采集，采集到的光信号转换成有效电信号；加法器对各路电信号进行计算，将结果输入到计算模块；上述过程重复多次后，计算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

基于压缩感知与稀疏孔径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与稀疏孔径的自由空间光通信系统及方法。

背景技术

自由空间光通信以大气作为传输媒介来进行光信号的传送，它结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，与激光通信相比，自由空间光通信使用的激光频率高，方向性强，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，自由空间光通信造价低，施工简便、迅速。美国是世界上发展空间光通信最早的国家，主要研究部门有美国宇航局（NASA）和美国空军（AirForce）等。NASA早在上世纪70年代初进行二氧化碳激光器和Nd YAG激光器空间通信系统的研究，主要用于高码率的低轨卫星间光链路和低码率的深空光中继。欧洲空间局也进行了星间激光通信系统，与1989年开始实施半导体激光通信链路实验SILEX，建立和测试星际激光通信系统。

现有技术中的自由空间光通信系统也存在着以下缺点：

1）传输距离有限。自由空间光通信是一种视距技术，传输距离与信号质量的矛盾突出。

2）传输质量受大气的影响严重。

3）对准困难。

4）人眼的安全问题限制了激光的发射功率。

5）采样冗余。

6）孔径受到激光束斑大小的限制。

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中采样冗余、孔径大小受限等缺陷，从而提供一种基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统，包括稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束变换单元、束斑合成透镜13、空间光调制器映射透镜14、第七反射镜15、空间光调制器模块、会聚收光单元、点探测器、加法器19和计算模块20；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束变换单元包括至少三个反射镜组；

所述一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路，各条光路上入射的光信号分别投射到所述束斑合成透镜13上，该透镜用于实现稀疏孔径直接成像，然后通过所述空间光调制器映射透镜14、第七反射镜15将所述稀疏孔径直接成像映射到所述空间光调制器模块，所述空间光调制器模块根据随机光学调制矩阵对稀疏孔径成像光场做随机调制，随机调制后的光经由会聚收光单元收集，再由点探测器采集，并将采集到的光信号转换成有效电信号；所述加法器19对所得到的各路电信号进行计算，将计算结果输入到所述计算模块20；上述过程重复多次后，所述计算模块20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空间光调制器映射透镜14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空间光调制器映射透镜14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，所述的空间光调制器模块只包含一个空间光调制器，所述的会聚收光单元、点探测器各有两个，所述的两个会聚收光单元分别位于该唯一的空间光调制器的两路反射方向上；所述两个点探测器分别位于所述两个会聚收光单元之后，所述两个点探测器分别与所述加法器19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16-1、第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3；所述会聚收光单元包括第一会聚收光单元17-1、第二会聚收光单元17-2、第三会聚收光单元17-3、第四会聚收光单元17-4；所述点探测器包括第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4；

所述第一空间光调制器16-1对接收到的光做等分调制，平均分配到两个反射方向；所述第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3分别位于所述第一空间光调制器16-1的两个反射方向上；所述第一会聚收光单元17-1、第二会聚收光单元17-2位于所述第二空间光调制器16-2的两个反射方向上，所述第三会聚收光单元17-3、第四会聚收光单元17-4位于所述第三空间光调制器16-3的两个反射方向上；所述第一会聚收光单元17-1、第二会聚收光单元17-2、第三会聚收光单元17-3、第四会聚收光单元17-4所采集的光分别由第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4探测采集；所述第一点探测器18-1、第三点探测器18-3分别连接到所述加法器19接入端的正极，所述第二点探测器18-2、第四点探测器18-4分别连接到所述加法器19接入端的负极。

上述技术方案中，所述稀疏孔径单元包括第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3；所述自由空间准直单元包括第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜6；所述光束变换单元包括由第一反射镜7、第二反射镜8组成的第一反射镜组，由第三反射镜9、第四反射镜10组成的第二反射镜组，由第五反射镜11、第六反射镜12组成的第三反射镜组；

所述第一子望远镜透镜1、第一准直透镜4、第一反射镜组形成第一光路，所述第二子望远镜透镜2、第二准直透镜5、第二反射镜组形成第二光路，所述第三子望远镜透镜3、第三准直透镜6、第三反射镜组形成第三光路。

上述技术方案中，所述稀疏孔径单元中的各个子望远镜透镜的空间组合方式包括：小孔径望远镜阵列或Golay-6或Golay-9或环形或环面或三壁。

上述技术方案中，所述空间准直单元中的各个准直透镜的空间组合方式包括：准直透镜阵列组或反射式准直镜。

上述技术方案中，所述第一空间光调制器16-1对光强进行等分调制，所述第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3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16-1加载行调制，在所述第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3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16-1加载列调制，在所述第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器3-3上加载行调制。

上述技术方案中，所述第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3和第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4之间同步。

上述技术方案中，所述点探测器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。

上述技术方案中，所述计算模块20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。

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

步骤1）、稀疏孔径光学传播的步骤；

稀疏孔径入射的成像光信号通过系列光学变换后，传输到空间光调制器模块；

步骤2）、自由空间光通信调制的步骤；

空间光调制器模块对接收到的光做随机调制；

步骤3）、压缩采样的步骤；

所述点探测器在空间光调制器模块中的空间光调制器每次翻转的时间间隔内同时采样，加法器19将一个反射方向的测量值相加，将将另一个反射方向的测量值相加，然后对两方向上的总和作差，作为最终的测量值y；

步骤4）、信号重建的步骤；

所述二值随机测量矩阵A、测量值y与一起作为计算模块20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。同时在自由空间光通信系统中引入压缩感知与稀疏孔径，也能克服现有自由空间光通信技术中的采样冗余、孔径大小受限等缺陷。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为本发明的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统在一个实施例中的示意图。

图面说明

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的基于压缩感知的自由空间光通信系统采用了压缩感知（CompressiveSensing，简称CS）原理，能以随机采样的方式、通过更少的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）完美地恢复原始信号。压缩感知的基本过程包括：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

反演出x。

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：

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

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。

点扩散函数可以同时在空域和时域上采样：

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

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表示为：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。

为了进一步提高自由空间光通信的接收范围，本发明结合稀疏孔径技术实现较大通信接收区域，进一步提高自由空间光通信技术。所采用的稀疏孔径接收通信系统一般由多个形状相同的子孔径构成，稀疏孔径成像系统的光瞳函数可以根据列阵定理求得。列阵定理表明：如果一个衍射屏上开有N个形状完全相同的孔径，这些孔径的取向完全相同，等效于每一个孔径可由任何其他孔径通过平移得到。因此，对于一个直径为D的圆孔，其点扩散函数为：

${\mathrm{PSF}}_{\mathrm{sub}}\left(\mathrm{\ρ}\right)={\left(\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4\mathrm{\λf}}\right)}^2{\left(\frac{{2J}_1\left(\frac{\mathrm{\π\ρD}}{\mathrm{\λf}}\right)}{\frac{\mathrm{\π\ρD}}{\mathrm{\λf}}}\right)}^2$

式中(x_i,y_i)是第i个子孔径圆心的坐标。D为圆孔直径，λ是系统采用波长，f为系统焦距，N为子孔径的个数，J₁为1阶贝塞尔函数，ρ是频率平面内任意矢量的半径。

理想的点扩散函数是脉冲响应函数，等效于反傅里叶变换，这与压缩感知理论中的稀疏表示完全契合，压缩感知算法通常采用反傅里叶变换对未知信号进行先验知识的稀疏表示，因而利用压缩感知算法进行重建，能很好地规避点扩散函数对通信质量的影响。

对于单个子孔径，光学调制传递函数为：

${\mathrm{MTF}}_{\mathrm{sub}}\left(\mathrm{\ρ}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{2}{\mathrm{\π}}[\arccos \left({\mathrm{\ρ}}_n\right)-{\mathrm{\ρ}}_n{(1-{\mathrm{\ρ}}_n^2)}^{1/2}],0\≤{\mathrm{\ρ}}_n\≤1\\ 0,{\mathrm{\ρ}}_n>1\end{array}\right.$

式中ρ_n＝ρ/ρ_c，ρ是频率平面内任意矢量的半径；ρ_c＝D/λf是截止频率。

稀疏孔径系统由多个子孔径的排列组成，整个入瞳的透过率可以由单孔径的透过率和一个δ函数的二维阵列的卷积得到，可以推导出稀疏孔径成像系统的点扩散函数和光学调制传递函数分别为：

${\mathrm{PSF}}_N(x,y)={\mathrm{PSF}}_{\mathrm{sub}}{\left|\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp ((-2\mathrm{\πi}/\mathrm{\λf})\·({\mathrm{xx}}_i+{\mathrm{yy}}_i))\right|}^2$

${\mathrm{MTF}}_N(f_x,f_y)=\frac{{\mathrm{MTF}}_{\mathrm{sub}}}{N}*\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\δ}(f_x-\frac{x_i-x_j}{\mathrm{\λf}},f_y-\frac{y_i-y_j}{\mathrm{\λf}})$

式中(x_i-x_j),(y_i-y_j),表示子孔径之间的相对位置，PSF_sub和MTF_sub分别是单个子孔径的点扩散函数和调制传递函数，f为系统焦距，N为子孔径的个数，λ是系统采用波长。

因此，子孔径在入瞳平面上排列形式对系统MTF有着重要的影响，通过调整子孔径的排列方式就可以改变系统MTF的分布。在后文中对此会有进一步的说明。

图1为本发明的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统在一个实施例中的示意图，该系统包括：稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束变换单元、束斑合成透镜13、空间光调制器映射透镜14、第七反射镜15、第一空间光调制器16-1、第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3、第一会聚收光单元17-1、第二会聚收光单元17-2、第三会聚收光单元17-3、第四会聚收光单元17-4、第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4、加法器19和计算模块20；其中，所述稀疏孔径单元包括第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3；所述自由空间准直单元包括第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜6；所述光束变换单元包括由第一反射镜7、第二反射镜8组成的第一反射镜组，由第三反射镜9、第四反射镜10组成的第二反射镜组，由第五反射镜11、第六反射镜12组成的第三反射镜组；

所述第一子望远镜透镜1、第一准直透镜4、第一反射镜组形成第一光路，所述第二子望远镜透镜2、第二准直透镜5、第二反射镜组形成第二光路，所述第三子望远镜透镜3、第三准直透镜6、第三反射镜组形成第三光路；自由空间光入射后分别经由所述第一光路、第二光路、第三光路传输，入射的通信光信号分别投射到束斑合成透镜13上，该透镜将稀疏孔径单元中的各个子望远镜透镜的入射光合并到一个透镜系统中，实现稀疏孔径直接成像，然后通过空间光调制器映射透镜14将稀疏孔径入射通信光经由第七反射镜15映射到位于所述空间光调制器映射透镜14的焦平面上的第一空间光调制器16-1，实现点扩散函数在第一空间光调制器16-1上的成像，所述第一空间光调制器16-1对点扩散函数的光强做等分调制，平均分配到两个反射方向，在这两个反射方向上分别设置有所述第二空间光调制器16-2和第三空间光调制器16-3，在所述第二空间光调制器16-2和第三空间光调制器16-3上加载相同的二值随机测量矩阵A，分别进行光强调制，将光反射到4个方向，分别由第一会聚收光单元17-1、第二会聚收光单元17-2、第三会聚收光单元17-3、第四会聚收光单元17-4进行收集，各个会聚收光单元所收集的光进而由第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4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19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；加载在所述第二空间光调制器16-2和第三空间光调制器16-3上的二值随机测量矩阵翻转M次，所述第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4探测分别测量M次，计算模块20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。

以上是对本发明的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统的结构描述，下面对该系统中的各个单元做进一步的说明。

之前提到，通过调整子孔径的排列方式可以改变系统MTF的分布。在本实施例中，所述稀疏孔径单元采用由第一子望远镜透镜1、第二子望远镜透镜2和第三子望远镜透镜3组成小孔径望远镜阵列的结构方式。在其他实施例中，所述稀疏孔径单元的空间组合方式还可以是Golay-6结构、Golay-9等结构和环形、环面、三壁形式等稀疏孔径结构方式。

在本实施例中，所述空间准直单元采用由第一准直透镜4、第二准直透镜5和第三准直透镜6组成准直透镜阵列组的结构方式，在其他实施例中，也可采用反射式准直镜方式，通过这种方式可以减小系统体积。

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。

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16-1的等分调制可以是列等分调制或者行等分调制或者其它能实现等分光强的调制方式。

所述第一空间光调制器16-1做等分调制时的两个反射方向为第一空间光调制器16-1中的微镜翻转+12°和-12°时的反射方向。

加载在所述第二空间光调制器16-2和第三空间光调制器16-3上的二值随机测量矩阵是由±1组成的Hadamard矩阵，+1对应反射到第一点探测器18-1、第三点探测器18-3的方向，-1对应反射到第二点探测器18-2、第四点探测器18-4的方向。

所述点探测器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。

所述第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3和第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4之间需同步，即保持第一空间光调制器16-1固定一帧不动，第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3中的微镜阵列每翻转一次，第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4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19的输入。

所述会聚收光单元包括会聚收光透镜、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。

所述计算模块20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。

以上是本发明的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统的一个实施例的描述，在其他实施例中，本发明的系统还可以有相应的变形。例如，在另一个实施例中，在图1所示基于压缩感知的自由空间光通信系统的基础上，不包含第一空间光调制器16-1、第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3、第一会聚收光单元17-1、第二会聚收光单元17-2、第三会聚收光单元17-3、第四会聚收光单元17-4、第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4，代之以一个空间光调制器、两个会聚收光单元、两个点探测器，所述唯一的空间光调制器位于所述空间光调制器映射透镜14的焦平面上，该通信系统在工作过程中，在所述唯一的空间光调制器上加载Hadamard矩阵以实现随机光调制，两个点探测器直接放置于其两路反射方向，以便完成探测任务，加法器19对两路探测信号作差，然后将所得到的结果输入到计算模块20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16-2、第三空间光调制器16-3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、计算模块进行相应的计算，从而实现点对点的自由空间光通信。

在另一个实施例中，本发明的基于压缩感知的自由空间光通信系统中的所述稀疏孔径单元中的子望远镜透镜的数目可以大于3个，此时，自由空间准直单元中的准直透镜以及光束变换单元中的反射镜组的数目也需要做相应调整。

下面以前文所公开的图1所示的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统为基础，对本发明的基于压缩感知与稀疏孔径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与稀疏孔径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）、稀疏孔径光学传播的步骤；

稀疏孔径入射的成像光信号通过系列光学变换后，传输到第一空间光调制器上；

步骤2）、自由空间光通信调制的步骤；

第一空间光调制器16-1对光强进行等分调制，第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3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16-1上加载行调制（此时，第一空间光调制器16-1上不再做等分调制），在第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3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16-1、第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3中的微镜阵列需同时翻转。

步骤3）、压缩采样的步骤；

所述第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4在第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3每次翻转的时间间隔内同时采样，加法器19将对应微镜阵列+12°翻转方向的测量值相加，将对应微镜阵列-12°翻转方向的测量值相加，然后对两方向上的总和作差，作为最终的测量值y；

步骤4）、信号重建的步骤；

所述二值随机测量矩阵A、测量值y与一起作为计算模块20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。

上述方法中，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，在第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4看来都是对该路信号的累加过程，第一点探测器18-1、第三点探测器18-3收集+12°翻转所对应的反射方向过来的光，第二点探测器18-2、第四点探测器18-4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18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4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，因而对第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4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 (12)

1.一种基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统，其特征在于，包括稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束变换单元、束斑合成透镜（13）、空间光调制器映射透镜（14）、第七反射镜（15）、空间光调制器模块、会聚收光单元、点探测器、加法器（19）和计算模块（20）；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束变换单元包括至少三个反射镜组；

所述一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路，各条光路上入射的光信号分别投射到所述束斑合成透镜（13）上，该透镜用于实现稀疏孔径直接成像，然后通过所述空间光调制器映射透镜（14）、第七反射镜（15）将所述稀疏孔径直接成像映射到所述空间光调制器模块，所述空间光调制器模块根据随机光学调制矩阵对稀疏孔径成像光场做随机调制，随机调制后的光经由会聚收光单元收集，再由点探测器采集，并将采集到的光信号转换成有效电信号；所述加法器（19）对所得到的各路电信号进行计算，将计算结果输入到所述计算模块（20）；上述过程重复多次后，所述计算模块（20）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与稀疏孔径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空间光调制器映射透镜（14）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空间光调制器映射透镜（14）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与稀疏孔径的自由空间光通信系统，其特征在于，在所述的非级联式结构中，所述的空间光调制器模块只包含一个空间光调制器，所述的会聚收光单元、点探测器各有两个，所述的两个会聚收光单元分别位于该唯一的空间光调制器的两路反射方向上；所述两个点探测器分别位于所述两个会聚收光单元之后，所述两个点探测器分别与所述加法器（19）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与稀疏孔径的自由空间光通信系统，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（16-1）、第二空间光调制器（16-2）、第三空间光调制器（16-3）；所述会聚收光单元包括第一会聚收光单元（17-1）、第二会聚收光单元（17-2）、第三会聚收光单元（17-3）、第四会聚收光单元（17-4）；所述点探测器包括第一点探测器（18-1）、第二点探测器（18-2）、第三点探测器（18-3）、第四点探测器（18-4）；

所述第一空间光调制器（16-1）对接收到的光做等分调制，平均分配到两个反射方向；所述第二空间光调制器（16-2）、第三空间光调制器（16-3）分别位于所述第一空间光调制器（16-1）的两个反射方向上；所述第一会聚收光单元（17-1）、第二会聚收光单元（17-2）位于所述第二空间光调制器（16-2）的两个反射方向上，所述第三会聚收光单元（17-3）、第四会聚收光单元（17-4）位于所述第三空间光调制器（16-3）的两个反射方向上；所述第一会聚收光单元（17-1）、第二会聚收光单元（17-2）、第三会聚收光单元（17-3）、第四会聚收光单元（17-4）所采集的光分别由第一点探测器（18-1）、第二点探测器（18-2）、第三点探测器（18-3）、第四点探测器（18-4）探测采集；所述第一点探测器（18-1）、第三点探测器（18-3）分别连接到所述加法器（19）接入端的正极，所述第二点探测器（18-2）、第四点探测器（18-4）分别连接到所述加法器（19）接入端的负极。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统，其特征在于，所述稀疏孔径单元包括第一子望远镜透镜（1）、第二子望远镜透镜（2）和第三子望远镜透镜（3）；所述自由空间准直单元包括第一准直透镜（4）、第二准直透镜（5）和第三准直透镜（6）；所述光束变换单元包括由第一反射镜（7）、第二反射镜（8）组成的第一反射镜组，由第三反射镜（9）、第四反射镜（10）组成的第二反射镜组，由第五反射镜（11）、第六反射镜（12）组成的第三反射镜组；

所述第一子望远镜透镜（1）、第一准直透镜（4）、第一反射镜组形成第一光路，所述第二子望远镜透镜（2）、第二准直透镜（5）、第二反射镜组形成第二光路，所述第三子望远镜透镜（3）、第三准直透镜（6）、第三反射镜组形成第三光路。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统，其特征在于，所述稀疏孔径单元中的各个子望远镜透镜的空间组合方式包括：小孔径望远镜阵列或Golay-6或Golay-9或环形或环面或三壁。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统，其特征在于，所述空间准直单元中的各个准直透镜的空间组合方式包括：准直透镜阵列组或反射式准直镜。

8.根据权利要求4所述的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统，其特征在于，所述第一空间光调制器（16-1）对光强进行等分调制，所述第二空间光调制器（16-2）、第三空间光调制器（16-3）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（16-1）加载行调制，在所述第二空间光调制器（16-2）、第三空间光调制器（16-3）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（16-1）加载列调制，在所述第二空间光调制器（16-2）、第三空间光调制器（3-3）上加载行调制。

9.根据权利要求4所述的基于压缩感知与稀疏孔径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（16-2）、第三空间光调制器（16-3）和第一点探测器（18-1）、第二点探测器（18-2）、第三点探测器（18-3）、第四点探测器（18-4）之间同步。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统，其特征在于，所述点探测器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。

11.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统，其特征在于，所述计算模块（20）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。

12.基于权利要求1-11所述的基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统所实现的方法，包括：

步骤1）、稀疏孔径光学传播的步骤；

稀疏孔径入射的成像光信号通过系列光学变换后，传输到空间光调制器模块；

步骤2）、自由空间光通信调制的步骤；

空间光调制器模块对接收到的光做随机调制；

步骤3）、压缩采样的步骤；

所述点探测器在空间光调制器模块中的空间光调制器每次翻转的时间间隔内同时采样，加法器（19）将一个反射方向的测量值相加，将将另一个反射方向的测量值相加，然后对两方向上的总和作差，作为最终的测量值y；

步骤4）、信号重建的步骤；

所述二值随机测量矩阵A、测量值y与一起作为计算模块（20）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。

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