CN105610527B - 大气多次散射信道激光通信脉冲传输的实验室模拟方法 - Google Patents

大气多次散射信道激光通信脉冲传输的实验室模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大气多次散射信道激光通信脉冲传输的实验室模拟方法。本方法使用蒙特卡洛光线追踪技术计算多次散射大气信道的时间冲激响应函数，使用基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法计算接收光功率的时域起伏数据。在此基础上用计算机根据信道的时间冲激响应函数生成受码间串扰影响的数据信号。通过电光调制器把受码间串扰影响的数据信号以及大气湍流导致的接收光功率起伏影响加到光信号上。本方法能同时模拟码间串扰和接收光功率起伏效应，可为光通信端机的室内性能测试提供大气环境模拟支持。

Description

大气多次散射信道激光通信脉冲传输的实验室模拟方法
技术领域
本发明属于大气光通信技术领域，涉及一种大气多次散射信道激光通信脉冲传输的实验室模拟方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，人们对数据通信的要求越来越高。自由空间光通信相对于传统的射频无线通信具有安全性高、收发天线尺寸小、无频带管制等优点，近年来受到人们的广泛关注。对于工作在地面附近的自由空间光通信系统来说，通信光信号实际上是在大气信道中传输，因此也称为大气光通信系统。大气中的气溶胶、霾、雾等悬浮微粒会对激光信号传输产生严重的多次散射作用，大气湍流则会使激光信号出现明显的随机起伏。气溶胶、霾、雾等大气悬浮微粒对激光信号传输产生的多次散射作用导致所谓的多径效应。对于开关键控(OOK)调制信号来说，调制后的信号可看作由一系列脉冲组成，“1”码对应的脉冲的幅值为1，“0”码对应的脉冲的幅值为0；信号在信道中的传输，可以看作是这一系列脉冲的传输；矩形脉冲是在实际系统中常用的脉冲形状。多径效应会引起到达接收机的激光通信脉冲发生时间展宽，从而使接收光信号出现码间串扰。与简单的功率衰落不同，当存在严重的码间串扰时，即使增加发射功率，也难以降低通信系统的误码率。为了克服码间串扰的影响，通常都需要在接收机中加入信道均衡功能。在研制大气光通信接收机的信道均衡模块时，往往需要先在室内测试均衡模块的性能，在达到预定的指标后，再到野外大气环境中进行测试。为了能在室内测试特定大气环境条件下的大气光通信接收机的信道均衡性能，需要在室内模拟出给定大气环境条件下的多径效应导致的激光脉冲时间展宽和湍流导致的接收光功率随机起伏效应，并把模拟效果加到光通信接收机的接收信号中。相对于气溶胶、霾、雾等大气悬浮微粒的多次散射作用产生的激光脉冲时间展宽，大气湍流导致的激光脉冲时间展宽要小得多。因此在模拟激光脉冲经包含气溶胶、霾、雾等大气悬浮微粒的大气信道中的传输效应时，大气湍流导致的激光脉冲时间展宽可以忽略。对于特定的多次散射大气信道，可以使用蒙特卡洛光线追踪(MCRT)技术来模拟计算信道的时间冲激响应。例如，发表在2006年SPIE会议论文集第6105卷的61050P-1～61050P-12页的文章就使用蒙特卡洛光线追踪技术来计算得到含云的多次散射大气信道的时间冲激响应。如果给定信道的湍流特性参数，则利用基于随机相位屏的数值模拟方法，就可以模拟计算出接收光功率的时间起伏特性。本发明提供一种在室内模拟激光脉冲经多次散射大气信道传输时所受的影响的方法，为光通信接收机的室内性能测试提供大气环境模拟支持。
发明内容
本方法所需的设备如图1所示，包括激光器101、电光调制器A102、电光调制器B103、光学发射模块104、驱动控制电路模块A105、控制计算机A106、驱动控制电路模块B107、控制计算机B108、光通信接收机301。从激光器101发出的激光信号入射到电光调制器A102的光信号输入端。控制计算机A106的输出信号经驱动控制电路模块A105进行数/模转换后传送到电光调制器A102的电信号输入端。电光调制器A102的输出光信号入射到电光调制器B103的光信号输入端。控制计算机B108的输出信号经驱动控制电路模块B107进行数/模转换后传送到电光调制器B103的电信号输入端。电光调制器B103的输出光信号经光学发射模块104发射到空间信道201中，并传输到光通信接收机301的接收孔径中。电光调制器A102和电光调制器B103选用强度电光调制器。
本方法的技术方案是：根据要在室内模拟的多次散射大气信道的散射特性参数、传输距离和接收机几何参数，利用蒙特卡洛光线追踪技术计算得到要在室内模拟的多次散射大气信道的时间冲激响应函数h(t)的离散数值解A001，如图2所示；离散数值解A001为一个数据序列A002，数据序列A002中的每个数表示时间冲激响应函数的一个采样值，参见图2中的实心圆点，数据序列A002的第一个元素对应的采样时刻为0，数据序列A002中的任意两个相邻的元素表示的采样值对应的时间间隔为Δt。根据要在室内模拟的多次散射大气信道的湍流特性参数、发射光束参数、传输距离、垂直路径风速和接收机几何参数，利用基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法模拟激光在大气湍流中的传输；每隔时间Δτ就从发射端开始，模拟一次激光经包含湍流的大气信道传输后到达接收端的光束横截面光强分布A003，并在接收机孔径内对光束横截面的光强进行积分求和，得到接收机实际收到的信号光功率A004，再计算信号光功率A004与发射端的激光发射功率A005的比值A006；通过连续模拟很多次激光经包含湍流的大气信道的传输过程，可以得到比值A006的一个时间序列A007；时间序列A007对应的时间长度为Δτ与时间序列A007的元素个数的乘积；在进行数值模拟时要求Δτ小于Greenwood时间常数。通过实验测量得到电光调制器A102的透光率T随驱动控制信号v的变化关系曲线CUR1，通过实验测量得到电光调制器B103的透光率T随驱动控制信号v的变化关系曲线CUR2，如图3所示。
在控制计算机A106的内存中创建一个包含M×N1+N2-1个元素的一维数组ASIG，M表示要模拟传输的码元个数，N1表示每个码元对应的采样点数，N2表示数据序列A002的元素个数；把数组ASIG的第1个至第N2-1个元素设置为0；生成一个长度为M的随机0/1序列A008，序列A008的每个元素随机地取值为0或者1；对从1到M的所有整数i，即1≤i≤M，作如下操作：如果序列A008的第i个元素为0，则把数组ASIG的第N2+(i-1)×N1个至第N2-1+i×N1个元素的值设置为0，否则把数组ASIG的第N2+(i-1)×N1个至第N2-1+i×N1个元素的值设置为1；在控制计算机A106的内存中创建一个包含M×N1个元素的一维数组OSIG；对从N2到M×N1+N2-1的所有整数j，即N2≤j≤M×N1+N2-1，作如下操作：H[k]表示数据序列A002的第k个元素的值，ASIG[j-k+1]表示数组ASIG的第j-k+1个元素的值，把E赋值给数组OSIG的第j-N2+1个元素。
把数组OSIG的值最大的元素的值赋给AMAX；对于数组OSIG的每个元素B001，执行如下操作：令元素B001等于元素B001除以AMAX得到的值。把序列A007的值最大的元素的值赋给BMAX；对于序列A007的每个元素B002，执行如下操作：令元素B002等于元素B002除以BMAX得到的值。
在进行实验室模拟时，首先使激光器101、电光调制器A102、电光调制器B103、光学发射模块104、驱动控制电路模块A105、控制计算机A106、驱动控制电路模块B107、控制计算机B108、光通信接收机301正常工作；然后同时在控制计算机A106和控制计算机B108上执行控制信号输出操作。
在控制计算机A106上执行的控制信号输出操作如下：
令m＝1，控制计算机A106每隔时间Δt就做如下工作：
Step001：把数组OSIG的第m个元素的值赋给变量Q1；令Q1＝Q1×T1max，T1max是电光调制器A102的最大透光率；如果变量Q1的值小于电光调制器A102的最小透光率，则把变量Q1赋值为电光调制器A102的最小透光率；根据变化关系曲线CUR1，计算透光率T等于变量Q1时对应的驱动控制信号v的值CS1；
Step002：将值CS1输出给驱动控制电路模块A105生成相应的控制电信号，以控制电光调制器A102的透光率；
Step003：m＝m+1；如果m＞M×N1，则令m＝1。
在控制计算机B108上执行的控制信号输出操作如下：
令s＝1，NUM等于序列A007的元素个数，控制计算机B108每隔时间Δτ就做如下工作：
Step101：把序列A007的第s个元素的值赋给变量Q2；令Q2＝Q2×KA；令Q2＝Q2×T2max，T2max是电光调制器B103的最大透光率；如果变量Q2的值小于电光调制器B103的最小透光率，则把变量Q2赋值为电光调制器B103的最小透光率；根据变化关系曲线CUR2，计算透光率T等于变量Q2时对应的驱动控制信号v的值CS2；KA为一个小于或者等于1的正数，表示光信号经信道传输后的功率衰减的比例控制系数，可以根据要测试的光通信发射机参数、信道参数、光通信接收机301的参数、激光器101的发射功率，基于现有信道传输衰减理论计算得到；
Step102：将值CS2输出给驱动控制电路模块A107生成相应的控制电信号，以控制电光调制器B103的透光率；
Step103：s＝s+1；如果s＞NUM，则令s＝1。
Δt、N1、N2的取值需要满足奈奎斯特采样定理的要求。
有益效果
本发明提供了一种大气多次散射信道激光通信脉冲传输的实验室模拟方法。在本发明中，利用蒙特卡洛光线追踪技术来计算得到多次散射大气信道的时间冲激响应函数，利用基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法来计算得到接收光功率的时域起伏数据。使用多次散射大气信道的时间冲激响应函数来生成受码间串扰影响的数据信号，并通过电光调制器把数据信号加到光信号上。根据接收光功率的时域起伏数据，利用电光调制器，把大气湍流导致的接收光功率起伏加载到光信号上。本方法能根据需要测试的信道条件，灵活地设置各种参数，并生成相应的控制数据，以完成在实验室内对多次散射大气信道中的通信激光脉冲传输所受影响的模拟，为在实验室内开展光通信接收机的性能测试提供大气环境模拟支持。本方法能同时模拟出码间串扰和接收信号光功率起伏效应。
附图说明
图1为硬件组成结构示意图。图2为信道时间冲激响应函数曲线。图3为电光调制器的透光率随驱动控制信号的变化关系曲线。
具体实施方式
为了使本方法的特征和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例对本方法作进一步的描述。
本方法所需的设备如图1所示，包括激光器101、电光调制器A102、电光调制器B103、光学发射模块104、驱动控制电路模块A105、控制计算机A106、驱动控制电路模块B107、控制计算机B108、光通信接收机301。从激光器101发出的激光信号入射到电光调制器A102的光信号输入端。控制计算机A106的输出信号经驱动控制电路模块A105进行数/模转换后传送到电光调制器A102的电信号输入端。电光调制器A102的输出光信号入射到电光调制器B103的光信号输入端。控制计算机B108的输出信号经驱动控制电路模块B107进行数/模转换后传送到电光调制器B103的电信号输入端。电光调制器B103的输出光信号经光学发射模块104发射到空间信道201中，并传输到光通信接收机301的接收孔径中。
本方法的技术方案是：根据要在室内模拟的多次散射大气信道的散射特性参数、传输距离和接收机几何参数，利用蒙特卡洛光线追踪技术计算得到要在室内模拟的多次散射大气信道的时间冲激响应函数h(t)的离散数值解A001，如图2所示；离散数值解A001为一个数据序列A002，数据序列A002中的每个数表示时间冲激响应函数的一个采样值，参见图2中的实心圆点，数据序列A002的第一个元素对应的采样时刻为0，数据序列A002中的任意两个相邻的元素表示的采样值对应的时间间隔为Δt。根据要在室内模拟的多次散射大气信道的湍流特性参数、发射光束参数、传输距离、垂直路径风速和接收机几何参数，利用基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法模拟激光在大气湍流中的传输；每隔时间Δτ就从发射端开始，模拟一次激光经包含湍流的大气信道传输后到达接收端的光束横截面光强分布A003，并在接收机孔径内对光束横截面的光强进行积分求和，得到接收机实际收到的信号光功率A004，再计算信号光功率A004与发射端的激光发射功率A005的比值A006；通过连续模拟很多次激光经包含湍流的大气信道的传输过程，可以得到比值A006的一个时间序列A007；时间序列A007对应的时间长度为Δτ与时间序列A007的元素个数的乘积；在进行数值模拟时要求Δτ小于Greenwood时间常数。通过实验测量得到电光调制器A102的透光率T随驱动控制信号v的变化关系曲线CUR1，通过实验测量得到电光调制器B103的透光率T随驱动控制信号v的变化关系曲线CUR2，如图3所示。
在控制计算机A106的内存中创建一个包含M×N1+N2-1个元素的一维数组ASIG，M表示要模拟传输的码元个数，N1表示每个码元对应的采样点数，N2表示数据序列A002的元素个数；把数组ASIG的第1个至第N2-1个元素设置为0；生成一个长度为M的随机0/1序列A008，序列A008的每个元素随机地取值为0或者1；对从1到M的所有整数i，即1≤i≤M，作如下操作：如果序列A008的第i个元素为0，则把数组ASIG的第N2+(i-1)×N1个至第N2-1+i×N1个元素的值设置为0，否则把数组ASIG的第N2+(i-1)×N1个至第N2-1+i×N1个元素的值设置为1；在控制计算机A106的内存中创建一个包含M×N1个元素的一维数组OSIG；对从N2到M×N1+N2-1的所有整数j，即N2≤j≤M×N1+N2-1，作如下操作：H[k]表示数据序列A002的第k个元素的值，ASIG[j-k+1]表示数组ASIG的第j-k+1个元素的值，把E赋值给数组OSIG的第j-N2+1个元素。
把数组OSIG的值最大的元素的值赋给AMAX；对于数组OSIG的每个元素B001，执行如下操作：令元素B001等于元素B001除以AMAX得到的值。把序列A007的值最大的元素的值赋给BMAX；对于序列A007的每个元素B002，执行如下操作：令元素B002等于元素B002除以BMAX得到的值。
在进行实验室模拟时，首先使激光器101、电光调制器A102、电光调制器B103、光学发射模块104、驱动控制电路模块A105、控制计算机A106、驱动控制电路模块B107、控制计算机B108、光通信接收机301正常工作；然后同时在控制计算机A106和控制计算机B108上执行控制信号输出操作。
在控制计算机A106上执行的控制信号输出操作如下：
令m＝1，控制计算机A106每隔时间Δt就做如下工作：
Step001：把数组OSIG的第m个元素的值赋给变量Q1；令Q1＝Q1×T1max，T1max是电光调制器A102的最大透光率；如果变量Q1的值小于电光调制器A102的最小透光率，则把变量Q1赋值为电光调制器A102的最小透光率；根据变化关系曲线CUR1，计算透光率T等于变量Q1时对应的驱动控制信号v的值CS1；
Step002：将值CS1输出给驱动控制电路模块A105生成相应的控制电信号，以控制电光调制器A102的透光率；
Step003：m＝m+1；如果m＞M×N1，则令m＝1。
在控制计算机B108上执行的控制信号输出操作如下：
令s＝1，NUM等于序列A007的元素个数，控制计算机B108每隔时间Δτ就做如下工作：
Step101：把序列A007的第s个元素的值赋给变量Q2；令Q2＝Q2×KA；令Q2＝Q2×T2max，T2max是电光调制器B103的最大透光率；如果变量Q2的值小于电光调制器B103的最小透光率，则把变量Q2赋值为电光调制器B103的最小透光率；根据变化关系曲线CUR2，计算透光率T等于变量Q2时对应的驱动控制信号v的值CS2；
Step102：将值CS2输出给驱动控制电路模块A107生成相应的控制电信号，以控制电光调制器B103的透光率；
Step103：s＝s+1；如果s＞NUM，则令s＝1。
KA为一个小于或者等于1的正数，表示光信号经信道传输后的功率衰减的比例控制系数，可以根据要测试的光通信发射机参数、信道参数、光通信接收机301的参数、激光器101的发射功率，基于现有信道传输衰减理论计算得到。在本实施例中，激光器101选用半导体连续激光器；电光调制器A102和电光调制器B103选用强度电光调制器，消光比大于80；Δτ＝1/16×Greenwood时间常数；模拟出的单个通信脉冲的时间宽度为Δt×N1；Δt、N1、N2的取值需要满足奈奎斯特采样定理的要求；要使在t＝Δt×(N2-1)处的h(t)的值小于Hmax/100，其中Hmax表示h(t)的最大值；参数H为需要通过数值模拟得到的接收光信号的时域起伏数据对应的时间长度。在实际中，某些电光调制器的最大透光率小于1，最小透光率大于0，本实施例的步骤Step001对变量Q1进行了修正，以便能正确地计算出驱动控制信号的幅值，本实施例的步骤Step101对变量Q2进行了修正，以便能正确地计算出驱动控制信号的幅值。

Claims (1)

1.大气多次散射信道激光通信脉冲传输的实验室模拟方法，其特征在于，所需的设备和实现步骤如下：
包括激光器101、电光调制器A102、电光调制器B103、光学发射模块104、驱动控制电路模块A105、控制计算机A106、驱动控制电路模块B107、控制计算机B108、光通信接收机301；从激光器101发出的激光信号入射到电光调制器A102的光信号输入端；控制计算机A106的输出信号经驱动控制电路模块A105进行数/模转换后传送到电光调制器A102的电信号输入端；电光调制器A102的输出光信号入射到电光调制器B103的光信号输入端；控制计算机B108的输出信号经驱动控制电路模块B107进行数/模转换后传送到电光调制器B103的电信号输入端；电光调制器B103的输出光信号经光学发射模块104发射到空间信道201中，并传输到光通信接收机301的接收孔径中；电光调制器A102和电光调制器B103选用强度电光调制器；
根据要在室内模拟的多次散射大气信道的散射特性参数、传输距离和接收机几何参数，利用蒙特卡洛光线追踪技术计算得到要在室内模拟的多次散射大气信道的时间冲激响应函数h(t)的离散数值解A001；离散数值解A001为一个数据序列A002，数据序列A002中的每个数表示时间冲激响应函数的一个采样值，数据序列A002的第一个元素对应的采样时刻为0，数据序列A002中的任意两个相邻的元素表示的采样值对应的时间间隔为Δt；根据要在室内模拟的多次散射大气信道的湍流特性参数、发射光束参数、传输距离、垂直路径风速和接收机几何参数，利用基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法模拟激光在大气湍流中的传输；每隔时间Δτ就从发射端开始，模拟一次激光经包含湍流的大气信道传输后到达接收端的光束横截面光强分布A003，并在接收机孔径内对光束横截面的光强进行积分求和，得到接收机实际收到的信号光功率A004，再计算信号光功率A004与发射端的激光发射功率A005的比值A006；通过连续模拟很多次激光经包含湍流的大气信道的传输过程，可以得到比值A006的一个时间序列A007；时间序列A007对应的时间长度为Δτ与时间序列A007的元素个数的乘积；在进行数值模拟时要求Δτ小于Greenwood时间常数；通过实验测量得到电光调制器A102的透光率T随驱动控制信号v的变化关系曲线CUR1，通过实验测量得到电光调制器B103的透光率T随驱动控制信号v的变化关系曲线CUR2；
在控制计算机A106的内存中创建一个包含M×N1+N2-1个元素的一维数组ASIG，M表示要模拟传输的码元个数，N1表示每个码元对应的采样点数，N2表示数据序列A002的元素个数；把数组ASIG的第1个至第N2-1个元素设置为0；生成一个长度为M的随机0/1序列A008，序列A008的每个元素随机地取值为0或者1；对从1到M的所有整数i，即1≤i≤M，作如下操作：如果序列A008的第i个元素为0，则把数组ASIG的第N2+(i-1)×N1个至第N2-1+i×N1个元素的值设置为0，否则把数组ASIG的第N2+(i-1)×N1个至第N2-1+i×N1个元素的值设置为1；在控制计算机A106的内存中创建一个包含M×N1个元素的一维数组OSIG；对从N2到M×N1+N2-1的所有整数j，即N2≤j≤M×N1+N2-1，作如下操作：H[k]表示数据序列A002的第k个元素的值，ASIG[j-k+1]表示数组ASIG的第j-k+1个元素的值，把E赋值给数组OSIG的第j-N2+1个元素；
把数组OSIG的值最大的元素的值赋给AMAX；对于数组OSIG的每个元素B001，执行如下操作：令元素B001等于元素B001除以AMAX得到的值；把序列A007的值最大的元素的值赋给BMAX；对于序列A007的每个元素B002，执行如下操作：令元素B002等于元素B002除以BMAX得到的值；
在进行实验室模拟时，首先使激光器101、电光调制器A102、电光调制器B103、光学发射模块104、驱动控制电路模块A105、控制计算机A106、驱动控制电路模块B107、控制计算机B108、光通信接收机301正常工作；然后同时在控制计算机A106和控制计算机B108上执行控制信号输出操作；
在控制计算机A106上执行的控制信号输出操作如下：
令m＝1，控制计算机A106每隔时间Δt就做如下工作：
Step001：把数组OSIG的第m个元素的值赋给变量Q1；令Q1＝Q1×T1max，T1max是电光调制器A102的最大透光率；如果变量Q1的值小于电光调制器A102的最小透光率，则把变量Q1赋值为电光调制器A102的最小透光率；根据变化关系曲线CUR1，计算透光率T等于变量Q1时对应的驱动控制信号v的值CS1；
Step002：将值CS1输出给驱动控制电路模块A105生成相应的控制电信号，以控制电光调制器A102的透光率；
Step003：m＝m+1；如果m＞M×N1，则令m＝1；
在控制计算机B108上执行的控制信号输出操作如下：
令s＝1，NUM等于序列A007的元素个数，控制计算机B108每隔时间Δτ就做如下工作：
Step101：把序列A007的第s个元素的值赋给变量Q2；令Q2＝Q2×KA；令Q2＝Q2×T2max，T2max是电光调制器B103的最大透光率；如果变量Q2的值小于电光调制器B103的最小透光率，则把变量Q2赋值为电光调制器B103的最小透光率；根据变化关系曲线CUR2，计算透光率T等于变量Q2时对应的驱动控制信号v的值CS2；KA为一个小于或者等于1的正数，表示光信号经信道传输后的功率衰减的比例控制系数，可以根据要测试的光通信发射机参数、信道参数、光通信接收机301的参数、激光器101的发射功率，基于现有信道传输衰减理论计算得到；
Step102：将值CS2输出给驱动控制电路模块A107生成相应的控制电信号，以控制电光调制器B103的透光率；
Step103：s＝s+1；如果s＞NUM，则令s＝1；
Δt、N1、N2的取值需要满足奈奎斯特采样定理的要求。
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