CN106452581B - 基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统。此系统由光收发机端和逆向调制器端构成。光收发机端包含光发射模块、第一光探测器模块。逆向调制器端包含第二光探测器模块、逆向调制器模块。其中，逆向调制器模块由伪相位共轭反射器、空间光调制器和信号输入单元构成，可以调制和逆向反射光信号，并且在一定条件下可以消除任意强度的大气湍流的影响。逆向调制器模块也可以集成猫眼镜头或其他类似功能的光学系统，从而扩大集成后的逆向调制器模块的视场角。本发明系统的逆向调制器端功耗低、结构紧凑，适合工作在资源有限的场合。因此，本发明有着非常多的重要应用，如微卫星/无人机通信、目标识别、环境监测等。

Description

基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种激光通信技术，具体涉及基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统。
背景技术
自由空间光通信常被定义为一种利用激光光束将信息从一点传送到另一点的通信技术。它结合了无线电通信和光纤通信的优点，既具有信道容量大、抗干扰能力强、防窃听能力强以及无需频谱许可证等优点，又无需铺设通信线缆且安装维护便捷。因此，自由空间光通信不失为一种解决“最后一公里”问题的有效途径，也可作为无线电通信和光纤通信的一种补充技术，并可用于光纤备份、灾后通信恢复、临时的和移动的高速数据链路等。事实上，自由空间光通信也可以作为构建天地一体化网络通信链路的关键技术，但是空间网络是一个动态网络，通信节点之间往往距离较远，且存在高速相对运动，因此要建立双向通信链路是比较困难的。传统的对称双工自由空间光通信系统通过在通信两端配置高精度捕跟系统来建立双向通信链路。捕跟系统在一定程度上会增加通信终端尺寸、重量和功耗，降低了终端的有效载荷。针对这一问题，研究人员提出了一种基于逆向调制器的非对称自由空间光通信系统，可以使链路一端无需部署捕跟系统和激光器，从而减小该终端尺寸、重量和功耗。逆向调制器由逆向反射器和空间光调制器组成，逆向反射器的逆向反射特性使逆向调制器端更容易被光收发机端快速捕获对准。然而，在实际系统中，光收发机端接收到来自逆向调制器端的回波光信号要经历往返双程传输，使得该回波信号强度衰减与链路长度的四次方成正比，并且受到两倍大气湍流的影响。因此，现有的使用单个逆向调制器的逆向调制自由空间光通信系统一般仅能实现数公里通信距离，显然无法满足相距十数公里乃至数万公里空间信息节点的组网要求。
发明内容
为了解决上述因大气湍流而带来的逆向调制自由空间光通信距离受限的问题，本发明提出一种改进措施，就是采用伪相位共轭反射器作为逆向反射器，可以有效降低大气湍流引起的光束闪烁及漂移，增加有效反射光强，从而增加逆向调制自由空间光通信的通信距离和传输质量。
本发明所采用的技术方案如下：
基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统，包括光收发机端和逆向调制器端，其中，所述光收发机端包含光发射模块、第一光探测器模块；所述逆向调制器端包含第二光探测器模块、逆向调制器模块。
进一步，所述光发射模块包括第一信号输入单元、第一光学天线和激光器，第一信号输入单元驱动和调制激光器，并通过第一光学天线向逆向调制器端发射光信号；所述第一光探测器模块由共用的第一光学天线、第一光电二极管和第一信号处理单元组成，第一光学天线接收来自逆向调制器端的光信号，并会聚在所述第一光电二极管感光区域内，第一光电二极管则将光信号转换为电信号，并经过第一信号处理单元将电信号所携带的数据恢复出来。
进一步，所述第二光探测器模块由第二光学天线、第二光电二极管和第二信号处理单元组成，第二光学天线接收来自光收发机端的光信号，并会聚在所述第二光电二极管感光区域内，第二光电二极管则将光信号转换为电信号，并经过第二信号处理单元将电信号所携带的数据恢复出来；所述逆向调制器模块由伪相位共轭反射器、空间光调制器和第二信号输入单元组成，对来自光收发机端的光信号进行调制并将其逆向反射回去。
更进一步，所述伪相位共轭反射器通常是一种微逆向反射器阵列，在一定条件下可以产生伪相位共轭回波，在光收发机端可以接收到不受大气湍流扰动影响的回波信号；所述逆向调制器模块的有效视场角可以通过使用前置猫眼镜头或其它类似功能的光学系统来进行扩大；所述逆向调制器模块可以采用薄片式伪相位共轭反射器和薄片式像素化空间光调制器组合制作。
本发明有益效果是：
本发明提出在逆向调制自由空间光通信系统中使用伪相位共轭反射器来构建逆向调制器，当满足形成伪相位共轭回波条件时，可以完全抑制大气湍流对激光束的扰动，得到无闪烁无漂移的回波信号，也就是可以实现不受大气湍流影响的逆向调制自由空间光通信。同时，基于伪相位共轭反射器的逆向调制器可以制成薄片形式，进一步提高逆向调制器端的紧凑性。综上，基于伪相位共轭反射器的逆向调制器端适用于资源匮乏、载荷有限、跟瞄困难及强湍流条件的工作环境中，从而推动基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统在星-地/星-星间通信、无人机通信、海上舰船通信、环境传感网络等领域的广泛应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细地描述。
图1为一种基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统的结构示意图。
图2为两种典型的伪相位共轭反射器的二维结构示意图。
图中：第一信号输入单元11、激光器12、第一光学天线13、半透半反镜131、准直镜132、第一光电二极管14、第一信号处理单元15、湍流介质21、发射光波22、反射回波23、逆向调制器31、微角反射器阵列311、像素化空间光调制器312、第二信号输入单元32、第二光学天线33、第二光电二极管34、第二信号处理单元35、微角反射器单元3111、微猫眼透镜阵列312、微猫眼透镜单元3121、反射镜3122。
具体实施方式
本发明所提出的基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统包括光收发机端和逆向调制器端。其中，光收发机端包含光发射模块、第一光探测器模块；所述逆向调制器端包含第二光探测器模块、逆向调制器模块。
图1给出了一种采用微角反射器阵列作为伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统结构框架。光发射模块包括第一信号输入单元11、激光器12及第一光学天线13。其中，第一光学天线13包含半透半反镜131和准直镜132。第一信号输入单元11的电信号驱动和调制激光器12发出光信号，并通过第一光学天线13向逆向调制器端发射光信号。第一光探测器模块包括共用的第一光学天线13、第一光电二极管14和第一信号处理单元15。第一光学天线13接收来自逆向调制器端的光信号，并会聚在所述第一光电二极管14的感光区域内，第一光电二极管14则将光信号转换为电信号，并经过第一信号处理单元15将电信号所携带的数据恢复出来。逆向调制器模块主要由逆向调制器31和第二信号输入单元32构成，其中逆向调制器31包括微角反射器阵列311和像素化空间光调制器312，将对来自光收发机端的光信号进行调制并将其逆向反射回去。第二光探测器模块包括第二光学天线33、第二光电二极管34和第二信号处理单元35。第二光学天线33接收来自光收发机端的光信号，并会聚在所述第二光电二极管34的感光区域内，第二光电二极管34则将光信号转换为电信号，并经过第二信号处理单元35将电信号所携带的数据恢复出来。
图1也给出了伪相位共轭回波的形成过程。光收发机端发出的发射光波22在经过湍流介质21前的相位是无畸变的，但经过湍流介质21后的相位是有畸变的。光波经微角反射器阵列311逆向反射后，反射回波23的相位面被微角反射器阵列311的微角反射器单元3111分割成同等大小和数量的子相位面，子相位面与相同位置的反射光波22相位面是中心旋转对称的，这些子相位面再次通过湍流介质21，可以得到阶梯状的反射回波23相位面。此阶梯状相位面与发射光波22的无畸变相位面有相同光强分布特性，可以得到无闪烁无漂移的回波信号，从而得到“湍流免疫”的逆向调制自由空间光通信系统。
图2给出了两种典型的伪相位共轭反射器的二维结构。图2（a）是微角反射器阵列311，是由微角反射器单元3111构成的一种伪相位共轭反射器。图2（b）是微猫眼透镜阵列312，由微猫眼透镜单元3121和反射镜3122构成的一种伪相位共轭反射器。微角反射器阵列311和微猫眼透镜阵列312的共同点是在微阵列单元范围内，可以得到与入射光波相位近似共轭的反射回波。需要指出，伪相位共轭反射器还有其他结构，也应视为本发明的保护范围。
本领域技术人员可显见，本发明上述概述并不意味着阐述了本发明的每一个示例性的实施例或每一种实施方式，容易对本发明进行各种修改和形式替换而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改、替换及其等同形式。

Claims (5)

1.基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统，包括光收发机端和逆向调制器端，其特征在于：所述光收发机端包含光发射模块、第一光探测器模块；所述逆向调制器端包含第二光探测器模块、逆向调制器模块；所述光发射模块包括第一信号输入单元、第一光学天线和激光器，第一信号输入单元驱动和调制激光器，并通过第一光学天线向逆向调制器端发射光信号；所述第一光探测器模块由共用的第一光学天线、第一光电二极管和第一信号处理单元组成，第一光学天线接收来自逆向调制器端的光信号，并会聚在所述第一光电二极管感光区域内，第一光电二极管则将光信号转换为电信号，并经过第一信号处理单元将电信号所携带的数据恢复出来；第二光探测器模块包括第二光学天线、 第二光电二极管和第二信号处理单元；第二光学天线接收来自光收发机端的光信号，并会聚在所述第二光电二极管的感光区域内，第二光电二极管则将光信号转换为电信号，并经过第二信号处理单元将电信号所携带的数据恢复出来。
2.根据权利要求 1 所述的基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统，其特征在于：所述逆向调制器模块由伪相位共轭反射器、空间光调制器和第二信号输入单元组成，对来自光收发机端的光信号进行调制并将其逆向反射回去。
3.根据权利要求2 所述的基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统，其特征在于：所述伪相位共轭反射器是一种微逆向反射器阵列可以产生伪相位共轭回波，在光收发机端可以接收到不受大气湍流扰动影响的回波信号。
4.根据权利要求 3 所述的基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统，其特征在于：所述逆向调制器模块的有效视场角可以通过使用前置猫眼镜头来扩大。
5.根据权利要求 3 所述的基于伪相位共轭反射器的逆向调制自由空间光通信系统，其特征在于：所述逆向调制器模块可以采用薄片式伪相位共轭反射器和薄片式像素化空间光调制器来制作。
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