CN105553550B - 一种应用于混沌介质中的光无线通信装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于混沌介质中的光无线通信装置及其方法，包括锁模激光器、激光扩束镜、光阑、分光棱镜、液晶空间光调制器、望远镜、高速光电二极管、数字采集模块和计算机，所述锁模激光器输出端的中心轴线上依次放置激光扩束镜、光阑、分光棱镜和液晶空间光调制器，所有光学中心吻合；液晶空间光调制器与望远镜的光轴相交；高速光电二极管放置在望远镜的后焦面上；高速光电二极管的信号输出端通过同轴电缆与数字采集模块的模拟输入端连接,该数字采集模块的输出端与计算机网络端口连接，上传数据采集结果。本发明能够有效抑制混沌介质对光无线通信的影响，实现低误码率的通信。
Description
技术领域
本发明属于无线光通信技术，特别是一种应用于混沌介质中的光无线通信装置及其方法。
背景技术
光无线通信，包括自由空间光通信(free space optical-communication,FSO)和可见光通信(visible light communication，VLC)，具有频谱宽，传输速率高，无需频谱认证，抗电磁干扰，保密性强，易于部署等优点，在军事和商业领域都得到了广泛的应用和关注。目前，光无线通信主要是点对点的传输方式，即发射端由单一端口的光电转换模块发射经过编码的光脉冲，接收端桶探测器通过望远系统获得该脉冲，并通过后端计算模块解码实现通信。光无线通信的传输质量主要受限于传输信道中的吸收、散射、湍流以及噪声(包括背景噪声和器件噪声)。对于混沌介质(例如：恶劣天气，海水等等)，弹道光子和蛇形光子的数量极少，在大量散射光子、大气湍流(光强闪烁、抖动)和噪声的影响下，光无线通信链接往往会中断(误码率过高)。研究人员提出了多种方式来降低这些影响，包括孔径平均(Andrews L C.Aperture-averaging factor for optical scintillations of planeand spherical waves in the atmosphere[J].JOSAA.1992,9(4):597-600.)、自适应光学(Zocchi F E.Asimple analytical model of adaptive optics for direct detectionfree-space optical communication[J].Optics communications.2005,248(4):359-374.)、纠错编码(Chatzidiamantis N D,Karagiannidis G K,Uysal M.Generalizedmaximum-likelihood sequence detection for photon-counting free space opticalsystems[J].Communications,IEEE Transactions on.2010,58(12):3381-3385.)和轨道角动量法(Alzubi J A,Alzubi O A,Chen T M.Forward Error Correction Based OnAlgebraic-Geometric Theory[M].Springer,2014.)等技术，但这些方法主要针对较弱的信道干扰来降低误码率，实现成本高昂，并不利于无线通信的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于混沌介质中的光无线通信装置及其方法，能够有效抑制混沌介质对光无线通信的影响，实现低误码率的通信。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种应用于混沌介质中的光无线通信装置及其方法，包括锁模激光器、激光扩束镜、光阑、分光棱镜、液晶空间光调制器、望远镜、高速光电二极管、数字采集模块和计算机，所述锁模激光器输出端的中心轴线上依次放置激光扩束镜、光阑、分光棱镜和液晶空间光调制器，所有光学中心吻合；液晶空间光调制器与望远镜的光轴相交；高速光电二极管放置在望远镜的后焦面上；高速光电二极管的信号输出端通过同轴电缆与数字采集模块的模拟输入端连接,该数字采集模块的输出端与计算机网络端口连接，上传数据采集结果。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)能够有效抑制混沌介质对光无线通信的影响，实现低误码率的通信。(2)利用空间二阶相关运算，降低噪声对信号解码的影响，使得接收端并不需要窄带光学滤波器。(3)功耗低、体积小，适合快速部署。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明应用于混沌介质中的光无线通信装置示意图。
图2(a)、图2(c)是用于验证本发明的实验待传输信号图。
图2(b)、图2(d)是经过混沌介质后本发明的重建信号图。
图3是本发明100次实验的误码率。
具体实施方式
结合图1，本发明应用于混沌介质中的光无线通信装置，包括锁模激光器1、激光扩束镜2、光阑3、分光棱镜4、液晶空间光调制器5、望远镜6、高速光电二极管7、数字采集模块8和计算机9，锁模激光器1、激光扩束镜2、光阑3、分光棱镜4、液晶空间光调制器5构成发射端，望远镜6、高速光电二极管7、数字采集模块8和计算机9构成接收端。在发射端上，锁模激光器1输出端的中心轴线上依次放置激光扩束镜2、光阑3、分光棱镜4和液晶空间光调制器5，所有光学中心吻合；液晶空间光调制器5与望远镜6的光轴相交；高速光电二极管7放置在望远镜的后焦面上。高速光电二极管7的信号输出端通过同轴电缆与数字采集模块8的模拟输入端连接,该数字采集模块8的输出端与计算机9网络端口连接，上传数据采集结果。锁模激光器1发射的激光光斑经激光扩束镜2扩束与光阑3的空间滤波后照亮液晶空间光调制器5的调制面，并通过分光棱镜4将空间光调制器5调制面的图案发射出去。经过望远镜6的聚焦，高速光电二极管7将聚焦在感光面的光信号转换为电信号，数字采集模块8将电信号转换为数字信号并上传到计算机9中。
本发明的激光扩束镜2与锁模激光器1输出端的距离为激光扩束镜2输入负透镜的一倍焦距。激光扩束镜3和液晶空间光调制器5之间的距离调节至使得液晶空间光调制器5上的光斑约为其调制面的1.2～1.3倍。高速光电二极管7的感光面与望远镜6的距离为望远镜6的焦距。
结合图1，本发明应用于混沌介质中的光无线通信方法，步骤如下：
第一步，信号的编码。将待传输的一维信号转换为二维信号，并通过随机散斑图案对待传输二维信号进行编码。信号的编码步骤如下：由于一般待传输信号是一维的，可以通过一定的排列机制将一维信号转化为二维信号，即待传输信号图案。液晶空间光调制器上的发射图案V是用随机散斑图案对待传输信号图案进行编码，编码方法为
V＝H·×I (1)
其中H和I分别是随机散斑图案和待传输信号图案，·×表示点乘。锁模激光器发射的激光光斑经激光扩束镜扩束与光阑的空间滤波后照亮液晶空间光调制器的调制面，并通过分光棱镜将空间光调制器调制面的发射图案V发射出去。
第二步，混沌介质对信号的扰动处理。利用散射矩阵对信号在混沌介质中的信号传输进行处理，通过单像素探测器收集通过混沌介质的光信号的能量和，平均各传输通道的交叉干扰，得到其接收端信号与发射端信号关系的表达式。
混沌介质对信号的扰动处理步骤如下：在某一时刻，或者短曝光时间内，用传输矩阵K表示混沌介质的吸收和散射，传输矩阵K是一个s×n维的圆高斯复矩阵，矩阵中元素kij,i＝1,2,...,s,j＝1,2,...,n表示为输入光场的第j个输入通道到输出光场的第i个输出通道的复传输系数。s和n分别是输出光场和输入光场的模数。利用传输矩阵K对发射端光场E进行线性变换，得到一个新的光场E′，即
E′＝KE (2)
然后计算接收端高速光电二极管感光面的光强为
其中，T1＝∑s|kij|2和T2＝∑skijkij′分别是自相关项function1和互相关项function2的系数。e0为气湍流引起的随机噪声。Ej之类的是代表E中第j个数值，Ej*代表E的共轭中第j个数值，*是共轭符号。由于光子在混沌介质中的吸收、散射是随机的，则第j个输入通道到第i个输出通道与第j′个输入通道到第i个输出通道是相互独立的，那么互相关项是不同输入通道在桶探测器表面的平均。而每个输入通道对所有输出通道影响的和是近似相同的，所以互相关项相对于自相关项是可以忽略的，而自相关系数T1可以近似为常数λ，即
即经过扰动处理，对于任意一个输入光场，在通过混沌介质后，输出光场强度和与输入光场强度和之间是线性关系。一般而言，由于吸收作用，常数0<λ<1。
第三步，传输方程的构建与解码。利用空间二阶相关运算，抑制噪声的影响，构建信号传输方程，并通过凸优化算法求解，从而实现在混沌介质中的低误码率的光无线通信。
传输方程的构建与解码分析步骤如下：对于每一幅待传输信号图案I，其维度为n，n＝M×N，M,N分别是空间光调制器的横轴和纵轴方向的像素数。通过r个随机散斑图案H对其进行编码，则对于每一幅待传输信号图案，都有r个数字采集模块的输出信号y和r个随机散斑图案与之相对应。在通过混沌介质的强干扰信道后，传输方程为
y＝λAx+e (5)
其中，x是信号图案I的一维排列。A是r个随机散斑图案对应的矩阵，称为采样矩阵。A中每一行是对应随机散斑图案的一维线性排列(与信号图案的一维线性排列机制相同)。e是随机噪声，包括通过混沌介质中大气湍流产生的噪声e0，太阳光的背景噪声以及桶探测器的暗噪声和读出噪声等等。
由于随机噪声e与采样矩阵A是相互独立的，对公式(5)进行二阶相关变换，那么得到新的传输方程为
△＝λΦx (7)
其中，△是二阶相关变换的值，矩阵Φ是A的协方差矩阵。利用凸优化算法和CVX凸优化工具包，在计算机上用Matlab7.6版本以上软件求解凸优化模型，从而恢复出清晰的目标图像。
实施例
结合图1，本发明应用于混沌介质中的光无线通信方法，步骤如下：
第一步，如图1所示，对于64×64的实验待传输信号，利用C++生成1500×4096的采样矩阵并导入到数字微反射阵列DMD的内存中，根据编码规则，对待传输信号(如图2(a)和图2(c)所示)进行编码。
第二步，对混沌介质对信号的扰动进行处理，得到其接收端信号与发射端信号关系的表达式
第三步，构建混沌介质中的传输方程y＝λAx+e，并进行空间二阶相关运算，得到信号传输方程△＝λΦx。利用凸优化算法和CVX凸优化工具包，在计算机上用Matlab7.6版本以上软件求解凸优化模型，从而解码得到待传输信号，如图2(b)和图2(d)所示所示。本发明能够实现混沌介质中的光无线通信，且误码率较低，如图3所示。
Claims (8)
1.一种应用于混沌介质中的光无线通信装置，其特征在于由锁模激光器[1]、激光扩束镜[2]、光阑[3]、分光棱镜[4]、液晶空间光调制器[5]、望远镜[6]、高速光电二极管[7]、数字采集模块[8]和计算机[9]组成，在发射端上，锁模激光器[1]输出端的中心轴线上依次放置激光扩束镜[2]、光阑[3]、分光棱镜[4]和液晶空间光调制器[5]，所有光学中心吻合；液晶空间光调制器[5]与望远镜[6]的光轴相交；高速光电二极管[7]放置在望远镜[6]的后焦面上；高速光电二极管[7]的信号输出端通过同轴电缆与数字采集模块[8]的模拟输入端连接,该数字采集模块[8]的输出端与计算机[9]网络端口连接，上传数据采集结果；
所述光无线通信的步骤如下：
第一步，信号的编码，将待传输的一维信号转换为二维信号，并通过随机散斑图案对待传输二维信号进行编码；
第二步，混沌介质对信号的扰动处理，即利用散射矩阵对信号在混沌介质中的信号传输进行处理，通过单像素探测器收集通过混沌介质的光信号的能量和，平均各传输通道的交叉干扰，得到其接收端信号与发射端信号关系的表达式；
第三步，传输方程的构建与解码，利用空间二阶相关运算，抑制噪声的影响，构建信号传输方程，并通过凸优化算法求解，从而实现在混沌介质中的低误码率的光无线通信。
2.根据权利要求1所述的应用于混沌介质中的光无线通信装置，其特征在于激光扩束镜[2]与锁模激光器[1]、输出端的距离为激光扩束镜[2]输入负透镜的一倍焦距。
3.根据权利要求1所述的应用于混沌介质中的光无线通信装置，其特征在于激光扩束镜[2]和液晶空间光调制器[5]之间的距离调节至使得液晶空间光调制器[5]上的光斑约为其调制面的1.2～1.3倍。
4.根据权利要求1所述的应用于混沌介质中的光无线通信装置，其特征在于高速光电二极管[7]的感光面与望远镜[6]的距离为望远镜[6]的焦距。
5.一种应用于混沌介质中的光无线通信方法，其特征在于步骤如下：
第一步，信号的编码，将待传输的一维信号转换为二维信号，并通过随机散斑图案对待传输二维信号进行编码；
第二步，混沌介质对信号的扰动处理，即利用散射矩阵对信号在混沌介质中的信号传输进行处理，通过单像素探测器收集通过混沌介质的光信号的能量和，平均各传输通道的交叉干扰，得到其接收端信号与发射端信号关系的表达式；
第三步，传输方程的构建与解码，利用空间二阶相关运算，抑制噪声的影响，构建信号传输方程，并通过凸优化算法求解，从而实现在混沌介质中的低误码率的光无线通信。
6.根据权利要求5所述的应用于混沌介质中的光无线通信方法，其特征在于第一步中的信号的编码方法为：液晶空间光调制器上的发射图案V是用随机散斑图案对待传输信号图案进行编码，编码方法为
V＝H·×I (1)
其中H和I分别是随机散斑图案和待传输信号图案，·×表示点乘；锁模激光器发射的激光光斑经激光扩束镜扩束与光阑的空间滤波后照亮液晶空间光调制器的调制面，并通过分光棱镜将空间光调制器调制面的发射图案V发射出去。
7.根据权利要求5所述的应用于混沌介质中的光无线通信方法，其特征在于第二步中，混沌介质对信号的扰动处理步骤如下：在某一时刻，或者短曝光时间内，用传输矩阵K表示混沌介质的吸收和散射，传输矩阵K是一个s×n维的圆高斯复矩阵，矩阵中元素kij,i＝1,2,...,s,j＝1,2,...,n表示为输入光场的第j个输入通道到输出光场的第i个输出通道的复传输系数，s和n分别是输出光场和输入光场的模数；利用传输矩阵K对发射端光场E进行线性变换，得到一个新的光场E′，即
E′＝KE (2)
然后计算接收端高速光电二极管感光面的光强为
其中，T1＝∑s|kij|2和T2＝∑skijkij′分别是自相关项function 1和互相关项function2的系数，e0为气湍流引起的随机噪声，由于互相关项是不同输入通道在桶探测器表面的平均，互相关项相对于自相关项是可忽略的，而自相关系数T1可近似为常数λ，即
<mrow>
<msup>
<mi>I</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>u</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msup>
<mo>=</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>n</mi>
</munderover>
<mo>|</mo>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<msup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>e</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
即经过扰动处理，对于任意一个输入光场，在通过混沌介质后，输出光场强度和与输入光场强度和之间是线性关系。
8.根据权利要求5所述的应用于混沌介质中的光无线通信方法，其特征在于第三步中的传输方程的构建与解码分析步骤如下：对于每一幅待传输信号图案I，其维度为n，n＝M×N，M,N分别是空间光调制器的横轴和纵轴方向的像素数，通过r个随机散斑图案H对其进行编码，则对于每一幅待传输信号图案，都有r个数字采集模块的输出信号y和r个随机散斑图案与之相对应，在通过混沌介质的强干扰信道后，传输方程为
y＝λAx+e (5)
其中，x是信号图案I的一维排列，A是r个随机散斑图案对应的矩阵，称为采样矩阵，A中每一行是对应随机散斑图案的一维线性排列；e是随机噪声；
由于随机噪声e与采样矩阵A是相互独立的，对公式(5)进行二阶相关变换，那么得到新的传输方程为
Δ＝λΦx (7)
其中，Δ是二阶相关变换的值，矩阵Φ是A的协方差矩阵，利用凸优化算法和CVX凸优化工具包，在计算机上用Matlab7.6版本以上软件求解凸优化模型，从而恢复出清晰的目标图像。
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