CN107615725A - 一种光接收机和基于光接收机的光信号调节方法 - Google Patents

一种光接收机和基于光接收机的光信号调节方法 Download PDF

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CN107615725A CN201580080078.1A CN201580080078A CN107615725A CN 107615725 A CN107615725 A CN 107615725A CN 201580080078 A CN201580080078 A CN 201580080078A CN 107615725 A CN107615725 A CN 107615725A
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Abstract

本发明实施例公开一种光接收机，包括：光学天线、分光器、电荷耦合元件CCD、光电探测器、驱动器、光学相控阵列OPA、低通滤波器和处理器；其中，所述OPA包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器，所述光学天线、所述分光器和所述OPA的光栅阵列共光轴，所述分光器位于所述光学天线和所述OPA的光栅阵列之间，所述光栅阵列位于所述光学天线的焦平面的前方。相应的，本发明实施例还提供了一种光信号调节方法，具有成本低，功耗低和调节速度快的优点。

Description

一种光接收机和基于光接收机的光信号调节方法 技术领域
本发明实施例涉及自由光通信领域，尤其涉及一种光接收机和基于光接收机的光信号调节方法。
背景技术
OWC(Optical Wireless Communication，简称OWC，光无线通信)利用自由空间信道进行光信号的传输。由于具有安装灵活、抗电磁辐射、无需频段申请等优点，OWC得到广泛应用。光信号在大气信道传输时，受到大气湍流的影响，使得局部大气的折射率发生随机的变化，引起光信号的波前畸变。随着传输距离的增大，这种畸变越来越严重。在接收天线的像平面上，波前畸变的光束无法汇聚到一个点，形成直径随机变化的弥散光斑。这种效应也被称为光学闪烁。接收天线的面积有限，无法接收整个光斑，造成光信号的随机损耗。在时域上，接收天线的光信号转换后的光电流发生显著的波动，波动的频率小于10kHz，这种波动会导致光接收机的误码率大大增加。
为了解决这个问题，提出了一种自适应光学的技术，对光信号的波前进行校正，使得光束重新汇聚到一点，消除光学闪烁，补偿大气湍流引起的光信号劣化，降低光接收机的误码率。目前的光接收机的工作原理为：接收天线由可变形曲面镜与次镜构成，将光束的一部分汇聚到接收光纤中。光信号最终被光电探测器转换成电信号。通信接收机对电信号进行解调、恢复，然后送到目的网络。光束的另一部分经分光镜反射到波前传感器中。曲面变形镜的每个小镜子的转向角由电压分别控制。根据波前传感器与接收机总的反馈信息，控制单元分别对各电极施加不同的电压，以对可变形镜的面形进行适时调节，进而对光束的波前畸变进行动态校正，使得光束能被准确地汇聚到接收光纤的输入端面。
由此可见，目前的光信号自适应调节方法存在以下问题：曲面反射镜的制作工艺繁杂，成本较高；曲面反射镜利用压电效应来调节相位，具有功耗大和调节速度慢的问题；同时在相位调节的过程中需要对曲面变形镜中每个小镜子 进行调节，计算开销大。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种光接收机和基于光接收的光信号调节方法，可解决现有技术中成本高、功耗大和调节速度慢的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例第一方面提供了一种光接收机，包括：光学天线、分光器、电荷耦合元件CCD、光电探测器、驱动器、光学相控阵列OPA、低通滤波器和处理器；其中，所述OPA包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器；
所述光学天线用于对接收的光信号进行汇聚处理后生成汇聚光信号；
所述分光器用于对所述汇聚光信号进行分路处理后生成第一光信号和第二光信号；
所述CCD用于采集所述第一光信号的光斑；
所述OPA用于通过所述光栅阵列接收所述第二光信号，并将经由所述光栅阵列和所述相位调制器阵列的波导光波由所述光耦合器处理后生成合路光信号；
所述光电探测器用于对所述合路光信号进行光电转换处理后生成电信号；
所述低通滤波器用于对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号；
所述处理器用于对所述低频噪声电信号进行采样处理后得到至少一个采样值，并计算所述至少一个采样值的方差；
若所述方差大于方差阈值，根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，以及根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量；
所述处理器向所述驱动器发送相位调节指示消息，所述相位调制指示消息用于指示所述驱动器根据所述电压调节量调节所述待调节的相位调制器的承载电压。
结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器包括：
计算出所述光斑在所述CCD上的像素分布区域；
查询与所述像素分布区域关联的至少一个光栅，以及根据光栅与相位调制 器的映射关系确定所述至少一个光栅关联的所述待调节的相位调制器。
结合第一方面或第一种可能的实现方式中的任意一种，在第二种可能的实现方式中，所述光学天线、分光器和所述OPA的光栅阵列共光轴，所述分光器与所述光轴成45°角，所述光学天线的焦平面到所述分光器的中心点的距离为L1，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的连线垂直于所述光轴，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的距离为L2，其中，L1＝L2。
结合第一方面至第二种可能的实现方式中的任意一种，在第三种可能的实现方式中，所述光栅阵列位于所述光学天线的焦平面的前方，所述光栅阵列的最小直径为DOPA，所述CCD的最小直径为DCCD，则
DOPA＝2(F0-△L)*tanθ+(Dr/F0)*△L；
DCCD＝2F0*tanθ；
其中，F0为所述光学天线的焦距，△L为所述光栅阵列与所述光学天线的焦平面之间的距离，θ为所述汇聚光信号与所述光轴的之间的最大偏转角度，Dr为所述光学天线的直径。
结合第一方面至第三种可能的实现方式中的任意一种，在第四种可能的实现方式中，还包括：放大器，所述放大器连接在所述光电探测器和所述低通滤波器之间，所述跨阻放大器用于对所述光电探测器生成的所述电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号发送至所述低通滤波器。
结合第一方面至第四种可能的实现方式中的任意一种，在第五种可能的实现方式中，所述根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量包括：
根据随机并行梯度算法计算所述待调节的相位控制器的电压调节量；其中，所述待调节的相位控制器中各个相位控制器的电压调节量符合伯努利分布。
本发明实施例第二方面提供了一种基于光接收机的光信号调节方法，所述光接收机包括：光学天线、分光器、电荷耦合元件CCD、光学相控阵列OPA；其中，所述OPA包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器；
所述光学天线用于对接收的光信号进行汇聚处理后生成汇聚光信号；
所述分光器用于对所述汇聚光信号进行分路处理后生成第一光信号和第二光信号；
所述CCD用于采集所述第一光信号的光斑；
所述OPA用于通过所述光栅阵列接收所述第二光信号，并将经由所述光栅阵列和所述相位调制器阵列的波导光波由所述光耦合器处理后生成合路光信号；
所述光信号调节方法包括：
对所述合路光信号进行光电转换处理后生成电信号；
对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号；
对所述低频噪声电信号进行采样处理后得到至少一个采样值，并计算所述至少一个采样值的方差；
若所述方差大于方差阈值，根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，以及根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量；
根据所述电压调节量调节所述待调节的相位调制器的承载电压。
结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器包括：
计算出所述光斑在所述CCD上的像素分布区域；
查询与所述像素分布区域关联的至少一个光栅，以及根据光栅与相位调制器的映射关系确定所述至少一个光栅关联的所述待调节的相位调制器。
结合第二方面或第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号之前，还包括：
对所述电信号进行放大处理。
结合第二方面至第二种可能的实现方式中的任意一种，在第三种可能的实现方式中，所述根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量包括：
根据随机并行梯度算法计算所述待调节的相位控制器的电压调节量；其中，所述待调节的相位控制器中各个相位控制器的电压调节量符合伯努利分布。
本发明实施例第三方面提供了一种光接收机，包括：光学天线、分光器、电荷耦合元件CCD、光学相控阵列OPA、光电转换模块、低通滤波模块、方差计算模块、相控参数生成模块和电压调节模块，所述OPA包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器，其中，
所述光学天线用于对接收的光信号进行汇聚处理后生成汇聚光信号；
所述分光器用于对所述汇聚光信号进行分路处理后生成第一光信号和第二光信号；
所述CCD用于采集所述第一光信号的光斑；
所述OPA用于通过所述光栅阵列接收所述第二光信号，并将经由所述光栅阵列和所述相位调制器阵列的波导光波由所述光耦合器处理后生成合路光信号；
光电转换模块，用于对所述合路光信号进行光电转换处理后生成电信号；
低通滤波模块，用于对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号；
方差计算模块，用于对所述低频噪声电信号进行采样处理后得到至少一个采样值，并计算所述至少一个采样值的方差；
相控参数生成模块，用于若所述方差大于方差阈值，根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，以及根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量；
电压调节模块，用于根据所述电压调节量调节所述待调节的相位调制器的承载电压。
结合第三方面，在第一种可能的实现方式中，所述相控参数生成模块包括：
计算单元，用于计算出所述光斑在所述CCD上的像素分布区域；
查询单元，用于查询与所述像素分布区域关联的至少一个光栅，以及根据光栅与相位调制器的映射关系确定所述至少一个光栅关联的所述待调节的相位调制器。
结合第三方面或第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述光学天线、分光器和所述OPA的光栅阵列共光轴，所述分光器与所述光轴成45°角，所述光学天线的焦平面到所述分光器的中心点的距离为L1，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的连线垂直于所述光轴，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的距离为L2，其中，L1＝L2。
结合第三方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述光栅阵列位于所述光学天线的焦平面的前方，所述光栅阵列的最小直径为DOPA，所述CCD的最小直径为DCCD，则
DOPA＝2(F0-△L)*tanθ+(Dr/F0)*△L；
DCCD＝2F0*tanθ；
其中，F0为所述光学天线的焦距，△L为所述光栅阵列与所述光学天线的焦平面之间的距离，θ为所述汇聚光信号与所述光轴的之间的最大偏转角度，Dr为所述光学天线的直径。
结合第三方面至第三种可能的实现方式中的任意一种，在第四种可能的实现方式中，还包括：
放大模块，用于对所述光电转换模块生成的所述电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号发送至所述低通滤波模块。
结合第三方面至第四种可能的实现方式中的任意一种，在第五种可能的实现方式中，所述相控参数生成模块用于根据随机并行梯度算法计算所述待调节的相位控制器的电压调节量；其中，所述待调节的相位控制器中各个相位控制器的电压调节量符合伯努利分布。
实施本发明，具有如下有益效果：
采用光学天线和OPA对自由空间的光信号进行接收，基于OPA的电光相位调制效应和光学自适应算法消除大气湍流噪声的影响，相对于现有技术的基于可变性的曲面镜和压电效应的空间相位调制，具有加工简单，功耗低和调节速度高的优点。同时，只需要有光信号照射的光栅对应的相位调制器进行调节，调节范围更加精确，计算量小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光接收机的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种OPA的结构示意图；
图3是图2中光栅的结构示意图；
图4a是图1电信号的幅度变化图；
图4b是图1中电平噪声电信号的幅度变化图；
图5是本发明实施例提供的光接收机的一种光路结构示意图；
图6是本发明实施例提供的光接收机的另一光路结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种基于光接收机的光信号调节方法的流程示意图；
图8是本发明实施例提供的一种光接收机的另一结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，为本发明实施例提供的一种光接收机的结构示意图，在本发明实施例中，光学透镜为接收透镜10，接收透镜为一个凸透镜，如菲涅尔透镜。所述光接收机包括：接收透镜10、分光器11、光电探测器12、OPA13、驱动器14、低通滤波器15、处理器16和CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件，简称CCD)17，OPA(Optical Phased Array，光学相控阵列，简称OPA)13包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器，OPA13中相位光栅阵列中的光栅的数量等于相位调制器阵列中相位调制器的数量，光栅和相位调制器为一一对应关系。
参见图2，为本发明实施例提供的OPA的结构示意图，OPA包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器，光栅、相位调制器和光耦合器之间通过波导进行连接。图3中图2中的一个光栅的结构示意图，光栅由二氧化硅基片、硅光栅和硅波导组成，光信号照射在硅光栅上，硅光栅将光信号转换为波导光波，通过硅波导传输到光耦合器的输入端口。光信号垂直或倾斜照射在光栅阵列上时，光信号在光栅阵列上形成光斑，光栅阵列中的部分光栅会接收到光信号，有光信号照射的光栅将表面的光波耦合进单模的波导，分别转换为波导光波。光栅阵列中的光栅的数量为M，M≥2。在实际应用中，M的取值一般非常大，保证光信号以一定的角度倾斜照射到光学天线时，从光学天线输出的光信号不 会超出光栅阵列的边缘，这样可以尽可能捕获更多的光信号。
每个光栅均连接一个相位调制器，相位调制器的输出端口与光耦合器的输入端口连接。在没有相位调制时，经过每条光栅和相位调制器到达光耦合器的波导光波的相位改变均相等，即每条光栅-相位调制器-光耦合器的输入端口之间的光程差相等。相位调制器可以通过电光效应或电流注入效应来调制波导光波的相位，具有高速的相位调节能力。具体相位调制方法可以通过驱动器改变对应的相位调制器的承载电压来实现，在一定电压范围内相位调制器对波导光波的相位的调制过程是线性的。光耦合器可以为平面透镜耦合器，光耦合器为多端口输入单端口输入器件，如果光栅的数量太多，可以采用光耦合器级联的方式将数量众多的垂直光耦合器连接起来，光耦合器的输出端口输出合路光信号，合路光信号直接发送给光电探测器12，或者经过尾纤在发送给光电探测器12。
OPA可由微纳制造工艺在一个平板硅基片上制作出来。除了硅材料，氮化硅、铟磷等高折射率低损耗光学材料均可用于本发明实施例中的OPA的制作。
其中，下面结合图1对所述光接收机的工作过程进行说明，图1中实线箭头表示光信号，虚线箭头表示电信号。光发射机(图中未画出)将数字信息通过电光调制器调制到相干光载波上生成光信号，电光调制的过程可以是内调制或外调制，本发明不作限制，将光信号通过发送透镜发射出去，光信号在自由空间传输的过程中会受到大气湍流的影响，导致光信号的波前相位会发生畸变，光信号到达光接收机的光学天线时，发生波前相位畸变的光信号无法汇聚到一个点，同时具备相关性，在光学天线表面形成直径随机变化的弥散光斑。光学天线10用于对接收的光信号进行汇聚处理后生成汇聚光信号，光发射机发送的光信号在自由空间传输的过程中，受到大气湍流的影响会造成扩散效应，光学天线10将从自由空间传输过来的光信号进行汇聚处理，以较小光信号的直径，汇聚处理后生成汇聚光信号；分光器11用于将光学天线10生成的汇聚光信号进行分光处理，分光处理后生成第一光信号和第二光信号，第一光信号和第二光信号的光学特性完全相同，CCD17用于对第一光信号进行成像，生成第一光信号的光斑；第二光信号照射在OPA13的光栅阵列上，并将经由 光栅阵列和相位调制器阵列的至少一个波导光波在光耦合器进行叠加处理后生成合路光信号。第二光信号照射在光栅阵列上时，光栅阵列上由部分光栅可以检测到光信号，有光信号照射的光栅将检测到的光信号耦合成波导光波，波导光波经过对应的相位调制器输入到光耦合器进行耦合；没有光信号照射的光栅不会产生波导光波；此时相位调制器不会对波导光波进行相位调制操作。光电探测器12用于将对OPA13输出的合路光信号进行光电转换处理，光电转换处理后生成电信号；低通滤波器用于对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号。光信号的频率非常高(以GHz为单位)，大气湍流噪声的频率远低于光信号的频率，其频率一般小于10kHz，因此大气湍流噪声是光信号的基础上施加的一个慢包络噪声。如图4a中光电探测器输入的电信号i0的幅度变化图，在局部短时间内，电信号的幅度变化很小，如图4a中虚线框所示。低通滤波器滤除电信号i0中的高频部分得到低频噪声电信号i1(如图4b所示)，低频噪声电信号i1的幅度变化反应大气湍流噪声的大小。
处理器16用于对低通滤波器输出的低频噪声电信号进行采样处理，具体过程可以为：根据预设的采样周期获取至少一个采样值(例如采样值的数量大于10个)，对至少一个采样值计算其方差，如果计算得到的方差大于方差阈值，说明大气湍流噪声的影响不可忽略，处理器16根据CCD17采集的光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，例如，每个相位调制器设置有一个唯一标识，通过唯一标识表示待调节的相位调制器；待调节的相位调制器即第二光信号照射的部分光栅对应的相位调制器，处理器16根据预设的自适应算法为待调节的相位调制器生成一个电压调节量，电压调节量分为正电压调节量和负电压调节量，正电压调节量用于增加相位调制器上的承载电压，负电压调节量用于减少相位调制器上的承载电压。处理器16向驱动器14发送相位调制节示消息，所述相位调节指示消息用于指示所述所述驱动器根据所述电压调节量调节所述待调节的相位调制器的承载电压。
具体的，相位调节指示消息中可携带待调节的相位调制器的标识和所述待调节的相位调制器的电压调节量。优选的，相位调制器阵列中的相位调制器按照顺序进行排列，通过位图的方式来表示待调节的相位调制器，例如，相位调节指示消息中携带的待调节的相位调制器的标识表示为：Address (1,0,1,1，……，1,1)，其中，1表示需要进行相位调节的相位调制器，0表示不需要进行相位调节的相位调制器，相位调制指示消息中携带的电压调节量表示为：Voltage(U1，U2，……，Un)，U1表示第1个相位调制器上的电压调节量，Un表示第n个相位调制器的电压调节量，Un可以用正负值来表示正电压调节量和负电压调节量。驱动器14接收到处理器16发送的相位调节指示消息后，根据所述地址确定需要待调节的相位调制器，以及根据所述电压调节量调节所述相位调制器的承载电压，从而改变经过待调节的相位调制器的的波导光波的相位，使光耦合器输入的波导光波的相位均相同，即使光耦合器输入的波导光波具备相干性，光耦合器对相位相同的波导光波进行相干叠加处理生成合路光信号。其中，处理器13可以为专用的集成电路，或通用的集成电路，例如DSP或FPGA，本发明不作限制。
重复上述步骤，光电探测器12相位调节后的合路光信号转换为电信号，低通滤波器15对电信号进行采样处理得到至少一个采样值，处理器16计算至少一个采样值的方差，若计算得到的方差仍然大于方差阈值，继续指示驱动器14对OPA的相位调制器进行相位调节操作，直到计算得到的方差小于方差阈值。
可以理解的是，光学天线也可以是反射天线，反射天线用于将自由空间的光信号进行汇聚和反射处理生成汇聚光信号，传输给分光器进行分光处理生成第一光信号和第二光信号，CCD接收第一光信号，OPA接收第二光信号，电路部分的工作原理和图1中的相同，反射天线的结构可以参照现有技术中的描述，此处不再赘述。
可选的，所述根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器包括：
计算出所述光斑在所述CCD上的像素分布区域；
查询与所述像素分布区域关联的至少一个光栅，以及根据光栅与相位调制器的映射关系确定所述至少一个光栅关联的所述待调节的相位调制器。
具体的，CCD包括大量的紧密排列的像素，CCD上的像素预先划分为多个网格，每个网络对应光栅阵列上的一个光栅，网格的数量等于光栅阵列中的光栅的数量，第一光信号照射的CCD上形成光斑，光斑的形状一般接近于圆形，处理器16根据获取CCD上光斑的像素分布区域，查询像素分布区域对应 的网格，根据网格和光栅的映射关系确定第二光信号在OPA上对应的光栅，根据光栅和相位调制器一一对应的关系，OPA中每个光栅对应一个相位调制器，由此可以确定待调节的相位调制器，可以通过位图或标识的方式标识待调节的相位调制器。
可选的，所述分光器和所述OPA的光栅阵列共光轴，所述光学天线、分光器和所述OPA的光栅阵列共光轴，所述分光器与所述光轴成45°角，所述光学天线的焦平面到所述分光器的中心点的距离为L1，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的连线垂直于所述光轴，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的距离为L2，其中，L1＝L2。
具体的，光学天线、分光器、OPA的光栅阵列共光轴表示光轴经过光学天线的中心点、分光器的中心点和光栅阵列的中心点，且光轴与光学天线的焦平面垂直及光栅阵列垂直；分光器与光轴成45°角，这样分光器可以将入射的汇聚光信号分为与汇聚光信号平行的第二光信号、与汇聚光信号垂直的第一光信号，这种垂直几何关系便于计算和调节光接收机中光学元件的位置；光学天线的焦平面到分光器的中心点的距离为L1，CCD的中心点到分光器的中心点的连线垂直于光轴，CCD的中心点到分光器的中心点的距离为L2，L1＝L2，即CCD位于基于CCD的中心点的等效焦平面上，在这种位置关系上，第一光信号照射在CCD形成的光斑的尺寸达到最小，可以减小CCD的尺寸，降低成本。
可选的，所述光接收机还包括放大器18，放大器18连接在光电探测器12和低通滤波器15之间，放大器18用于对光电探测器12生成的所述电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号发送至低通滤波器15。其中，放大器18可以为跨导放大器。
可选的，所述光接收机还包括：放大器，所述放大器连接在所述光电探测器和所述低通滤波器之间，所述放大器用于对所述光电探测器生成的所述电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号发送至所述低通滤波器。
具体的，光电探测器12可以为光电雪崩二极管，放大器可以为跨导放大器。
可选的，所述根据算法光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电 压调节量包括：
根据随机并行梯度算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量；其中，所述待调节的相位调制器中各个相位调制器的电压调节量符合伯努利分布。
具体的，电压调节量指的是相位调制器上的承载电压增加量或减少量，设有N个待调节的相位调制器，各个相位控制器的电压调节量为Voltage(△U1，△U2，△U3，……，△Un)，Voltage中的各个电压调节量符合伯努利分布。采用随机并行梯度算法能是经过N个待调节的相位控制器的波导光波的相位趋于一致，即N路波导光波具有相干性，光耦合器能进行相干叠加处理，具有良好的收敛性。
可选的，所述光栅阵列位于所述光学天线的焦平面的前方，所述光栅阵列的最小直径为DOPA，所述CCD的最小直径为DCCD，则
DOPA＝2(F0-△L)*tanθ+(Dr/F0)*△L；
DCCD＝2F0*tanθ；
其中，F0为所述光学天线的焦距，△L为所述光栅阵列与所述光学天线的焦平面之间的距离，θ为所述汇聚光信号与所述光轴的之间的最大偏转角度，Dr为所述光学天线的直径。
具体的，结合图5和图6对本发明实施例的光路的结构进行说明，以光学透镜为接收透镜为例，光学天线的直径为Dr，光学天线的焦距为F0，OPA的光栅阵列与光学天线的光轴垂直，且光学天线的光轴经过光栅阵列的中心点，分光器位于光学天线和光栅阵列之间，分光器与光轴成45°角，且光学天线的光轴经过分光器的中心点。CCD位于光学天线的等效焦平面上，具体位置为：CCD的中心点与分光器的中心点的连线垂直于光轴，且连线的距离等于分光器的中心点到焦平面的距离。光栅阵列与光学天线的焦平面的距离为△L，△L的大小取决于光栅阵列中的光栅的数量M，设光栅阵列中每个光栅的面积为S0，M足够大，保证光束在垂直照射或倾斜照射，以及大气湍流的作用下，产生的光斑的面积小于光栅阵列的总面积M*S0。为了实现高精度的相位调制，可以增加光栅的数量；为了减低光学自适应控制的复杂度，可以减少光栅的数量。
规定光接收机的光信号与光轴的最大偏转角度为θ，当光信号倾斜照射在光学天线上时，CCD上的光斑的位置发生偏移，在焦平面上的光斑的偏移量最大值为Xshift＝F0*tanθ，CCD的最小直径为DCCD＝2*Xshift。分光器的尺寸足够大，以便接收到光学天线发射的整个汇聚光信号。OPA的光栅阵列的最小直径DOPA由光束汇聚光信号的的最大偏转角度决定的，从空间几何关系出发，DOPA的计算公式可表示为：
DOPA＝2(F0-△L)*tanθ+(Dr/F0)*△L
下表1为一个典型的光学系统的参数表。其中，光学天线的直径Dr＝80mm，其焦距F0＝300mm，每个光栅的面积S0＝30*30μm2，光栅的数量M＝20*20个矩形阵列接收光斑，光栅阵列到光学天线的焦平面的距离ΔL＝2.3mm。当θ＝1°入射时，OPA的光栅阵列的边长为11mm，CCD的直径为10.5mm；当θ＝2.5°时，OPA的光栅阵列的边长为27.5mm，CCD的直径为26.2mm。其中，所述OPA的光栅阵列可以用微纳加工方法制备。
需要说明的是，本实施例的所述的光栅阵列形状并不限定为圆形，也可以为矩形或其他形状，光栅阵列的面积需要满足大于π*DOPA*DOPA/4的条件。同时CCD的形状也不限定为圆形，也可以是矩形或其他形态，CCD的面积需要满足大于π*DCCD*DCCD/4的条件。
表1
可选的，所述光接收机还包括：数据恢复模块19，所述数据恢复模块用于对所述放大器输入的电信号进行解调处理，解调处理后得到电信号中加载的数字信息。
实施本发明的实施例，采用结构紧凑的平板OPA，结构简单，具有加工简单和可靠性的优点；OPA采用CMOS工艺制造，具有低功耗的优点。同时基于电光效应和光学自适应算法进行相位调节，速率可达GHz的数量级，具有调节速度高的优点。只需要有光信号照射的光栅对应的相位调制器进行调节，调节范围更加精确，计算量小。
参见图7，为本发明实施例提供的一种基于光接收机的光信号调节方法，在本发明实施例中，所述方法包括：
S701、对光耦合器输出的合路光信号进行光电转换处理后生成电信号。
S702、对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号。
具体的，可通过低通滤波器进行低通滤波处理，低通滤波器对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号。光信号的频率非常高(以GHz为单位)，大气湍流噪声的频率远低于光信号的频率，其频率一般小于10kHz， 因此大气湍流噪声是光信号的基础上施加的一个慢包络噪声。如图3a中光电探测器输入的电信号i0的幅度变化图，在局部短时间内，电信号的幅度变化很小，如图4a中虚线框所示。低通滤波器滤除电信号i0中的高频部分得到低频噪声电信号i1(如图4b所示)，低频噪声电信号i1的幅度变化反应大气湍流噪声的大小。
S703、对低频噪声电信号进行采样处理后得到至少一个采样值，并计算所述至少一个采样值的方差。
具体的，光接收机包括：光学天线、分光器、电荷耦合元件CCD、光学相控阵列OPA；其中，所述OPA包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器，光学天线可以为接收透镜或反射天线。
光发射机(图中未画出)将数字信息通过电光调制器调制到相干光载波上生成光信号，电光调制的过程可以是内调制或外调制，本发明不作限制，将光信号通过发送透镜发射出去，光信号在自由空间传输的过程中会受到大气湍流的影响，导致光信号的波前相位会发生畸变，光信号到达光接收机的光学天线时，发生波前相位畸变的光信号无法汇聚到一个点，同时具备相关性，在光学天线表面形成直径随机变化的弥散光斑。光学天线用于对接收的光信号进行汇聚处理后生成汇聚光信号，光发射机发送的光信号在自由空间传输的过程中，受到大气湍流的影响会造成扩散效应，光学天线将从自由空间传输过来的光信号进行汇聚处理，以较小光信号的直径，汇聚处理后生成汇聚光信号；分光器用于将光学天线10生成的汇聚光信号进行分光处理，分光处理后生成第一光信号和第二光信号，第一光信号和第二光信号的光学特性完全相同，CCD用于对第一光信号进行成像，生成第一光信号的光斑；第二光信号照射在OPA的光栅阵列上，并将经由光栅阵列和相位调制器阵列的至少一个波导光波在光耦合器进行叠加处理后生成合路光信号。第二光信号照射在光栅阵列上时，光栅阵列上由部分光栅可以检测到光信号，有光信号照射的光栅将检测到的光信号耦合成波导光波，波导光波经过对应的相位调制器输入到光耦合器进行耦合；没有光信号照射的光栅不会产生波导光波；此时相位调制器不会对波导光波进行相位调制操作。
对低通滤波处理得到的低频噪声电信号进行采样处理，具体使用模数转换 器根据预设的采样周期获取至少一个采样值(例如采样值的数量大于10个)，对至少一个采样值计算其方差。
S704、方差是否大于方差阈值。
判断计算得到的方差是否大于预设的方差阈值值，若为是，执行S705，否则执行S706。
S705、根据光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，以及根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量。
具体的，根据CCD采集的光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，待调节的相位调制器即第二光信号照射的部分光栅对应的相位调制器，处理器根据预设的自适应算法为待调节的相位调制器生成一个电压调节量，电压调节量分为正电压调节量和负电压调节量，正电压调节量用于增加相位调制器上的承载电压，负电压调节量用于减少相位调制器上的承载电压。
S706、结束。
具体的，如果计算得到的方差小于预设的方差阈值，表明大气湍流噪声可以被忽略，不需要进行相位控制。
S707、根据所述电压调节量调节所述待调节的相位调制器的承载电压。
具体的，相位调制器阵列中的相位调制器按照顺序进行排列，待调节的相位调制器可以采用位图的方式表示相位调制器阵列中的位置，例如：Address(1,0,1,1，……，1,1)，1表示需要进行相位调节的相位调制器，0表示不需要进行相位调节的相位调制器，Voltage(U1，U2，……，Un)，U1表示第1个相位调制器上的电压调节量，Un表示第n个相位调制器的电压调节量，Un可以用正负值来表示正电压调节量和负电压调节量。根据所述地址确定需要待调节的相位调制器，以及根据所述电压调节量调节所述相位调制器的承载电压，从而改变经过待调节的相位调制器的的波导光波的相位，使光耦合器输入的波导光波的相位均相同，即使光耦合器输入的波导光波具备相干性，光耦合器对相位相同的波导光波进行相干叠加处理生成合路光信号。
延迟预设时长后，重复执行S701，将相位调节后的合路光信号转换为电信号，对电信号进行采样处理得到至少一个采样值，处理器计算至少一个采样值的方差，若计算得到的方差仍然大于方差阈值，继续对OPA的相位调制器 进行相位调节操作，直到计算得到的方差小于方差阈值，退出循环。
可选的，所述根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器包括：
计算出所述光斑在所述CCD上的像素分布区域；
查询与所述像素分布区域关联的至少一个光栅，以及根据光栅与相位调制器的映射关系确定所述至少一个光栅关联的所述待调节的相位调制器。
可选的，所述对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号之前，还包括：
对所述电信号进行放大处理。
可选的所述根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量包括：
根据随机并行梯度算法计算所述待调节的相位控制器的电压调节量；其中，所述待调节的相位控制器中各个相位控制器的电压调节量符合伯努利分布。
本发明实施例和光接收机的实施例基于同一构思，其带来的技术效果也相同，具体请参照实施例一的描述，此处不再赘述。
实施本发明的实施例，对OPA输出的光信号进行光电转换、低通滤波处理得到低频噪声电信号，通过计算低频噪声电信号的采样值的方差，如果方差大于方差阈值，通过CCD获取待调节的相位调制器的地址，对带调节的相位调制器的承载电压进行调节，避免对所有的相位控制器进行调节，减少了计算量。
参见图8，为本发明实施例提供的一种光接收机的另一结构示意图，在本发明实施例中，所述光接收机包括：光学天线80、分光器81、电荷耦合元件CCD88、光学相控阵列OPA82、光电转换模块83、低通滤波模块84、方差计算模块85、相控参数生成模块86和电压调节模块87，所述OPA82包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器，其中，
所述光学天线80用于对接收的光信号进行汇聚处理后生成汇聚光信号；
所述分光器81用于对所述汇聚光信号进行分路处理后生成第一光信号和第二光信号；
所述CCD88用于采集所述第一光信号的光斑；
所述OPA82用于通过所述光栅阵列接收所述第二光信号，并将经由所述光栅阵列和所述相位调制器阵列的波导光波由所述光耦合器处理后生成合路光信号；
光电转换模块83，用于对所述合路光信号进行光电转换处理后生成电信号；
低通滤波模块84，用于对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号；
方差计算模块85，用于对所述低频噪声电信号进行采样处理后得到至少一个采样值，并计算所述至少一个采样值的方差；
相控参数生成模块86，用于若所述方差大于方差阈值，根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，以及根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量；
电压调节模块88，用于根据所述电压调节量调节所述待调节的相位调制器的承载电压。
可选的，所述相控参数生成模块包括：
计算单元，用于计算出所述光斑在所述CCD上的像素分布区域；
查询单元，用于查询与所述像素分布区域关联的至少一个光栅，以及根据光栅与相位调制器的映射关系确定所述至少一个光栅关联的所述待调节的相位调制器。
可选的，所述光学天线、分光器和所述OPA的光栅阵列共光轴，所述分光器与所述光轴成45°角，所述光学天线的焦平面到所述分光器的中心点的距离为L1，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的连线垂直于所述光轴，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的距离为L2，其中，L1＝L2。可选的，所述光栅阵列位于所述光学天线的焦平面的前方，所述光栅阵列的最小直径为DOPA，所述CCD的最小直径为DCCD，则
DOPA＝2(F0-△L)*tanθ+(Dr/F0)*△L；
DCCD＝2F0*tanθ；
其中，F0为所述光学天线的焦距，△L为所述光栅阵列与所述光学天线的焦平面之间的距离，θ为所述汇聚光信号与所述光轴的之间的最大偏转角度，Dr为所述光学天线的直径。
可选的，所述光接收机还包括：放大模块，用于对所述光电转换模块生成的所述电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号发送至所述低通滤波模块。
可选的，所述相控参数生成模块用于根据随机并行梯度算法计算所述待调节的相位控制器的电压调节量；其中，所述待调节的相位控制器中各个相位控制器的电压调节量符合伯努利分布。
本发明实施例和基于光接收机的光信号调节方法基于同一构思，用于实现光信号调节方法，其带来的技术效果也相同，具体请参照实施例一和二的描述，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (16)

  1. 一种光接收机，其特征在于，包括：光学天线、分光器、电荷耦合元件CCD、光电探测器、驱动器、光学相控阵列OPA、低通滤波器和处理器；其中，所述OPA包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器；
    所述光学天线用于对接收的光信号进行汇聚处理后生成汇聚光信号；
    所述分光器用于对所述汇聚光信号进行分路处理后生成第一光信号和第二光信号；
    所述CCD用于采集所述第一光信号的光斑；
    所述OPA用于通过所述光栅阵列接收所述第二光信号，并将经由所述光栅阵列和所述相位调制器阵列的波导光波由所述光耦合器处理后生成合路光信号；
    所述光电探测器用于对所述合路光信号进行光电转换处理后生成电信号；
    所述低通滤波器用于对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号；
    所述处理器用于对所述低频噪声电信号进行采样处理后得到至少一个采样值，并计算所述至少一个采样值的方差；
    若所述方差大于方差阈值，根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，以及根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量；
    所述处理器向所述驱动器发送相位调节指示消息，所述相位调节指示消息用于指示所述驱动器根据所述电压调节量调节所述待调节的相位调制器的承载电压。
  2. 如权利要求1所述的光接收机，其特征在于，所述根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器包括：
    计算出所述光斑在所述CCD上的像素分布区域；
    查询与所述像素分布区域关联的至少一个光栅，以及根据光栅与相位调制器的映射关系确定所述至少一个光栅关联的所述待调节的相位调制器。
  3. 如权利要求1或2所述的光接收机，其特征在于，所述光学天线、分光器和所述OPA的光栅阵列共光轴，所述分光器与所述光轴成45°角，所述光学天线的焦平面到所述分光器的中心点的距离为L1，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的连线垂直于所述光轴，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的距离为L2，其中，L1＝L2。
  4. 如权利要求3所述的光接收机，其特征在于，所述光栅阵列位于所述光学天线的焦平面的前方，所述光栅阵列的最小直径为DOPA，所述CCD的最小直径为DCCD，则
    DOPA＝2(F0-△L)*tanθ+(Dr/F0)*△L；
    DCCD＝2F0*tanθ；
    其中，F0为所述光学天线的焦距，△L为所述光栅阵列与所述光学天线的焦平面之间的距离，θ为所述汇聚光信号与所述光轴的之间的最大偏转角度，Dr为所述光学天线的直径。
  5. 如权利要求1-4任意一项所述的光接收机，其特征在于，还包括：放大器，所述放大器连接在所述光电探测器和所述低通滤波器之间，所述放大器用于对所述光电探测器生成的所述电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号发送至所述低通滤波器。
  6. 如权利要求1-5任意一项所述的光接收机，其特征在于，所述根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量包括：
    根据随机并行梯度算法计算所述待调节的相位控制器的电压调节量；其中，所述待调节的相位控制器中各个相位控制器的电压调节量符合伯努利分布。
  7. 一种基于光接收机的光信号调节方法，其特征在于，所述光接收机包括：光学天线、分光器、电荷耦合元件CCD、光学相控阵列OPA；其中，所述OPA包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器；
    所述光学天线用于对接收的光信号进行汇聚处理后生成汇聚光信号；
    所述分光器用于对所述汇聚光信号进行分路处理后生成第一光信号和第二光信号；
    所述CCD用于采集所述第一光信号的光斑；
    所述OPA用于通过所述光栅阵列接收所述第二光信号，并将经由所述光栅阵列和所述相位调制器阵列的波导光波由所述光耦合器处理后生成合路光信号；
    所述光信号调节方法包括：
    对所述合路光信号进行光电转换处理后生成电信号；
    对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号；
    对所述低频噪声电信号进行采样处理后得到至少一个采样值，并计算所述至少一个采样值的方差；
    若所述方差大于方差阈值，根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，以及根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量；
    根据所述电压调节量调节所述待调节的相位调制器的承载电压。
  8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器包括：
    计算出所述光斑在所述CCD上的像素分布区域；
    查询与所述像素分布区域关联的至少一个光栅，以及根据光栅与相位调制器的映射关系确定所述至少一个光栅关联的所述待调节的相位调制器。
  9. 如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号之前，还包括：
    对所述电信号进行放大处理。
  10. 如权利要求7-9任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量包括：
    根据随机并行梯度算法计算所述待调节的相位控制器的电压调节量；其中，所述待调节的相位控制器中各个相位控制器的电压调节量符合伯努利分布。
  11. 一种光接收机，其特征在于，包括：光学天线、分光器、电荷耦合元件CCD、光学相控阵列OPA、光电转换模块、低通滤波模块、方差计算模块、相控参数生成模块和电压调节模块，所述OPA包括光栅阵列、相位调制器阵列和光耦合器，其中，
    所述光学天线用于对接收的光信号进行汇聚处理后生成汇聚光信号；
    所述分光器用于对所述汇聚光信号进行分路处理后生成第一光信号和第二光信号；
    所述CCD用于采集所述第一光信号的光斑；
    所述OPA用于通过所述光栅阵列接收所述第二光信号，并将经由所述光栅阵列和所述相位调制器阵列的波导光波由所述光耦合器处理后生成合路光信号；
    光电转换模块，用于对所述合路光信号进行光电转换处理后生成电信号；
    低通滤波模块，用于对所述电信号进行低通滤波处理后生成低频噪声电信号；
    方差计算模块，用于对所述低频噪声电信号进行采样处理后得到至少一个采样值，并计算所述至少一个采样值的方差；
    相控参数生成模块，用于若所述方差大于方差阈值，根据所述光斑的位置信息确定待调节的相位调制器，以及根据光学自适应算法计算所述待调节的相位调制器的电压调节量；
    电压调节模块，用于根据所述电压调节量调节所述待调节的相位调制器的承载电压。
  12. 如权利要求11所述的光接收机，其特征在于，所述相控参数生成模块包括：
    计算单元，用于计算出所述光斑在所述CCD上的像素分布区域；
    查询单元，用于查询与所述像素分布区域关联的至少一个光栅，以及根据光栅与相位调制器的映射关系确定所述至少一个光栅关联的所述待调节的相位调制器。
  13. 如权利要求11或12所述的光接收机，其特征在于，所述光学天线、 分光器和所述OPA的光栅阵列共光轴，所述分光器与所述光轴成45°角，所述光学天线的焦平面到所述分光器的中心点的距离为L1，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的连线垂直于所述光轴，所述CCD的中心点到所述分光器的中心点的距离为L2，其中，L1＝L2。
  14. 如权利要求13所述的光接收机，其特征在于，所述光栅阵列位于所述光学天线的焦平面的前方，所述光栅阵列的最小直径为DOPA，所述CCD的最小直径为DCCD，则
    DOPA＝2(F0-△L)*tanθ+(Dr/F0)*△L；
    DCCD＝2F0*tanθ；
    其中，F0为所述光学天线的焦距，△L为所述光栅阵列与所述光学天线的焦平面之间的距离，θ为所述汇聚光信号与所述光轴的之间的最大偏转角度，Dr为所述光学天线的直径。
  15. 如权利要求11-14任意一项所述的光接收机，其特征在于，还包括：
    放大模块，用于对所述光电转换模块生成的所述电信号进行放大处理，并将放大处理后的电信号发送至所述低通滤波模块。
  16. 如权利要求11-15任意一项所述的光接收机，其特征在于，所述相控参数生成模块用于根据随机并行梯度算法计算所述待调节的相位控制器的电压调节量；其中，所述待调节的相位控制器中各个相位控制器的电压调节量符合伯努利分布。
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