CN108337050A - 一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统和方法。本发明利用波前重构技术，采用波前重构器将一个完整的入射光束分成众多相位可独立调制的子波束，并根据所使用的粗糙表面通过一套完整的闭环控制迅速调整波前相位组合达到与其相位匹配的目的，进而实现粗糙表面漫反射信号在其有效覆盖区的任何位置的重新聚焦，既高效的利用了漫反射信号又利用激光信号传播方向的改变成功填补了直射方式被阻挡后留下的覆盖盲区，同时灵活可调的聚焦位置增加了接入的灵活性、降低了接收机的耦合难度。本发明不仅提高了系统的功率效率，更重要的是突破了光波不能利用漫反射信号实现绕射通信的技术难题，为超大带宽、超大通量的自由空间激光通信尤其是在无线光接入中的应用提供了崭新的技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统和方法。
背景技术
目前，人类社会进入信息时代，人们对通信速率的需求不断增加，尤其是对无线终端的接入带宽提出了越来越高的要求，使得传统的第二代(2G)和第三代(3G)移动通信已不再能满足需求，第四代(4G)无线通信技术在面对互联网的大速率需求时也显得捉襟见肘，因此更高频率(30GHz/60GHz)、更大带宽的第五代(5G)移动通信技术和光无线通信(Optical Wireless Communication,OWC)技术是未来无线通信的研究热点。其中，OWC技术直接使用光波作为自由空间信息传播的载体，通过将用户信息调制到光波上，并通过光无线收发机实现用户信息的无线传输，其具有超大的带宽，超高的通信容量和较强的抗电磁干扰能力等优点得到了广泛的关注和应用。但光波无线通信技术通常采用微米级的波长，其波极短，通过障碍物能力弱，光波几乎失去绕射能力。近乎直线传播的光波在传播方向上一旦遇到障碍物则通信中断，同时经过其他表面反射的信号往往因为粗糙表面的漫反射效应使得信号发散，功率迅速下降30-40dB，因而反射的光也达不到通信的要求，导致障碍物后面的区域成为信号覆盖盲区。实现非视线(non line of sight)光无线通信是OWC技术的核心技术问题，其严重阻碍OWC技术在实际生活中的应用。
利用反射信号来填补直射方式留下的覆盖盲区是一种非常实际且有效的方式，但是如果仅仅使用最直接的镜面反射方式来实现，还存在着诸多难点。首先，反射面对光的作用应该满足近乎镜面反射，也就是不能带来信号的显著发散，这对反射平面的光滑度提出了极高的要求，生活绝大部分障碍物面都无法满足上述条件；其次，来自固定光发射机的光波波束照射在确定反射面上时，其反射波束方向也就固定，即波束方向不能被调控，这样极大影响了光波覆盖面。再者，为了保证全面覆盖，室内环境需要大量铺设反光镜，这对居家环境有严格的要求。因此，在实际环境中基于反射镜式的通信不具有可操作性。如果采用实际生活中的普通粗糙面(如墙面，金属板等日常通信障碍物面)作为反射体，墙面固有的漫反射(diffuse reflection)过程将导致信号光功率迅速下降，即使少数条件下经过粗糙表面漫反射的信号功率能勉强完成通信，但发散信号的巨大功率衰减不仅严重制约了传输距离，更重要的是使系统功率效率急剧下降，从而无法实现信号有效传输。因此在实际环境中基于反射式的通信不具有可操作性。
通常情况下高频电磁波尤其是微米波级的光波拥有极弱的绕射能力，同时直接利用粗糙表面的反射信号进行通信的方式也因为漫反射效应造成较大的功率损耗而受到制约。目前，一些方法已经被提出用以改进上述接收功率小的问题。一种是提高发送功率，保证移动终端的可靠稳定连接。即通过提高发端功率来弥补链路功率损耗，从而使接收端获得更高的功率。但是该方法并不能解决功率的损耗问题，同时，光功率存在为保护人眼而设置的安全上限，所以并不能真正有效的解决问题；另一种是提高接收机灵敏度，使得接收机能够探测到更弱的功率信号从而完成通信。但方法仍然不能解决能量浪费问题，同时增加了器件成本。在高密集度发送点阵组网方案中，通过增加不同方向、不同空间位置的直射信号接入点实现更大的空间覆盖和更高的接收功率，但是对于复杂地形而言，仅仅通过直射接入方式仍然很难实现全域覆盖，设备和功率成本的增加也不能忽略。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统及方法。本发明利用波前重构技术，对接收功率进行反馈调整，实现经过粗糙面漫反射的信号重新聚焦的技术效果，从而解决现有OWC技术绕射能力低下，无法绕过障碍物正常通信的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统，包括光发射机，光波前重构器，光接收机以及微处理器系统；光发射机将入射光信号Ein(t)转变成自由空间中的无明显发散的平行光束或近平行光束Eg(t)，并输入所述光波前重构器；光波前重构器将光束Eg(t)根据光斑照射的像素点个数分成N个相互独立并且波前相位或幅度可调的子波束，再将信号返回自由空间，形成新的信号其中，调制的波前相位θn在0-2π范围内可调；波前幅度因子An在0-100％范围内可调。重构之后的信号E′g,n(t)照射到粗糙表面，如粗糙度较小的纸板或者金属板、粗糙度较大的墙面等信号传输过程遇到的障碍物面，经过漫反射作用使每个子波束被再次附加一个相位改变并伴随不同的幅度衰减，得到信号 这里Bn为粗糙面附加的幅度衰减因子；信号E″g,n(t)的子波束彼此相互干涉得到光场空间分布；照射到光接收机的信号E″g,n(t)被耦合进光接收机，得到信号E′in(t)；将信号E′in(t)的功率反馈给微处理器系统，经过信息处理得到新的波前相位或幅度分布并更新波前重构器的相位分布或者幅度分布，如此反复调整比较，快速得到最大的接收功率，此时子波束E″g,n(t)满足相干加强条件，实现聚焦。
作为本发明的一种优选方案，光发射机可以是光学准直器(collimator)、光学透镜系统、波束转换光栅等，其输出的空间光信号为无明显发散的平行光束、或近平行光束，入射波前重构器的光斑大小与波前重构器的面板尺寸相匹配。
作为本发明的一种优选方案，光波前重构器可以是硅基液晶材料(liquidcrystal on silicon LCOS)空间光调制器(spatial light modulator，SLM)、铁电液晶材料(FLC)SLM、基于超表面(metasurface)的SLM、数字微镜型SLM等，其由很多面积足够小、数量足够多、能够对入射光相位在0-2π的范围内或幅度因子在0-100％范围内进行独立调制的像素单元构成；小损耗、大工作波长范围、高填充系数、高更新速度、高相位分辨率以及准确相位或者幅度调制特性的SLM尤佳。
作为本发明的一种优选方案，光接收机可以是光学准直器、光学透镜系统、波束转换光栅、光电探测器(PD)等，能够高效的耦合聚焦的光信号。
作为本发明的一种优选方案，微处理器系统可以是电脑(PC)、数字信号处理器(DSP)、可编程门阵列(FPGA)等，能够完成高速的信息处理和高级算法计算并能够发出针对波前重构器的调整信息和指令。
本发明还提供了一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信方法，包括以下步骤：
步骤1)、入射光信号Ein(t)经光发射机辐射到自由空间，其输出信号为无明显发散的平行光束或近平行光束Eg(t)；
步骤2)、光波前重构器接收光束Eg(t)，将光束Eg(t)分成波前相位或幅度独立可调的N个子波束E′g,n(t)，并返回自由空间；
步骤3)、所述N个子波束E′g,n(t)经粗糙面漫反射得到光信号E″g,n(t)；
步骤4)、所述光信号E″g,n(t)耦合进光接收机得到信号E′in(t)，并将所述信号E′in(t)的功率反馈给微处理器；
步骤5)、所述微处理器经信号处理得到新的波前相位或幅度，并调整光波前重构器的相位分布或幅度分布；
重复上述步骤，使得所述光信号E″g,n(t)满足相干加强条件，得到最大反馈功率，实现经粗糙面漫反射后的光重新聚焦于光接收机。
本发明不仅提高了光通信系统的功率效率，还解决了现有光通信中光波不能利用漫反射信号实现绕射通信的技术难题。同时，本发明还可以在漫反射光的有效覆盖区中随意改变漫反射光聚焦的空间位置，亦及实现空间光束方向控制，降低接收机耦合难度，增加空间光接入的灵活性。采用波前重构技术，使得原本无法使用的漫反射信号可以在漫反射光有效覆盖区的任何位置重新聚焦，高效利用漫反射信号的同时又实现光信号传播方向的改变，填补了直射方式被阻挡后留下的覆盖盲区，增加了接入的灵活性。本发明打破了现有激光只能利用直射方式进行通信的壁垒，实现了激光非视线(non line of sight)通信。此外，本发明不会对系统带宽产生影响，仍然支持超大容量超高速的激光通信，所使用的核心部件波前重构器也易于与其他器件进行集成，有利于提高系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明提出的基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统示意图；
图2为波前重构前后接收光功率对比图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和核心优势更加清楚明白，下文将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例一：
本实施例提供了一种通过调整波前相位的方式，使经粗糙表面反射后的N个子波束E′g,n(t)实现相干加强。如图1所示，本发明的光通信系统包括：空间光发射机1，波前重构器2，光接收机3，微处理器系统4；粗糙表面5为光波传输过程中，在自由空间遇到的障碍面。空间光发射机1采用空间光学准直器(collimator)，激光波长1550nm。自光纤的入射光信号Ein(t)经过空间光发射机1转换成自由空间中的高斯平行光束，并将高斯平行光束输出给波前重构器2，其输出信号为Eg(t)。发射机与波前重构器的距离可以根据实际应用灵活调整，可以与发射机一体集成作为一个器件，也可以留有一定的距离。
波前重构器2采用硅基液晶材料型空间光调制器(SLM)，其面板6尺寸为15.36×8.64mm,最大像素1920×1080，像素尺寸8μm×8μm，反射系数80％，更新速度60Hz；波前重构器2每个像素的调制相位从0到2π并量化成8比特(即256个离散相位值)。本实施例中仅使用1024×1024个像素，并进一步合并成16×16个大的像素单元，每个单元采用同一相位并独立调整；空间光发射机1输出的光信号Eg(t)照射到SLM面板6，SLM根据光斑照射的像素点个数将每个照射像素单元的相位调制后分成N个信号反射出去，其输出信号表示为：这里N＝16×16,θn是调制的相位，An是幅度因子。子波束彼此相互干涉从而改变光场分布。
SLM输出信号E′g,n(t)在自由空间传播，遇到粗糙表面5(即障碍物)，其对入射的N个光信号E′g,n(t)由于漫反射作用附加相位跳变和幅度衰减，经粗糙表面5反射输出信号表示为： 这里是粗糙表面附加的相位跳变，Bn是对应的幅度衰减；实施例粗糙面具有较高的反射系数，同时漫反射均匀度较好。
光接收机3采用空间光学准直器(collimator)，其作用是将接收的空间光耦合进光纤；本实施例光接收机3选取了了三个不同的接收角度0°和±12°，在覆盖的角度区域内(24°)，经粗糙面反射的空间光信号E″g,n(t)被接收机所接收得到信号E′in(t)，并将所述信号E′in(t)的功率反馈给微处理器系统4。
微处理器系统4接收光接收机3反馈的功率信号，并经信号处理得到新的波前相位，从而调整波前重构器2的相位分布；调整相位分布的其中一种方式是，重新调整入射到SLM像素单元中，反馈功率较小的子波的调制相位；波前重构器2根据新的波前相位分布，改变面板6单元像素的调制相位，使预设的相位分布尽可能与粗糙表面的相位响应相匹配，并进入下一个循环。如此反馈调整，比较每一循环反馈至微处理器系统4的功率数值，最终得到与粗糙表面的相位响应相匹配的相位分布，即在接收端满足 此时，经过粗糙面5漫反射的光信号E″g,n(t)满足相干加强，在覆盖角度(24°)的任意空间区域内聚焦，微处理器系统4接收到最大光功率，从而实现光无线通信的非视线光无线通信。实施例二：
本实施例提供了一种通过调整波前幅度的方式，使经粗糙表面反射后的N个子波束E′g,n(t)实现相干加强。本实施例与实施例一不同之处在于：波前重构器2采用数字微镜型空间光调制器(SLM)；SLM接收到光信号Eg(t)后，输出N个信号E′g,n(t)，经粗糙面反射得到信号为E″g,n(t)；E″g,n(t)被接收机所接收，并将接收的光功率反馈给微处理器系统4；微处理器系统4接收光接收机3反馈的功率信号，并经信号处理得到新的子波开、关分布图案。如此反馈调整，比较每一循环反馈至微处理器系统4的功率数值，最终关闭掉不满足相位相干加强关系的子波束使其幅度为零，实现N个子波束E′g,n(t)相干加强，获得最大功率。
如图2所示，给出实验中波前重构前后的功率数据。选取了4个采样点，重构前，由于漫反射的光场分布具有随机性，因此不同接收位置的初始并不相同从-61.3dBm到-54.5dBm不等，但是应用本发明后，4个采样点都实现了功率增强。其中采样点1的功率增益超过了19dB，并实现了稳定的最大功率输出(大约-41dBm)。本发明能够实现漫反射有效覆盖区任何位置的聚焦并能够保证稳定的最大接收功率，证明了本方案在实际系统中具有实用性和高可靠性，同时该增益仅为使用本实施例中所设定的实施条件达到的效果，改善实施条件可实现更高的增益。
同时，本发明对于平行光束没有严格要求，基本平行光或类平行的光束，采用本发明的技术方案也具有能起到功率增加的作用，实现在覆盖区域内聚焦的技术效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统，其特征在于：包括光发射机(1)，光波前重构器(2)，光接收机(3)以及微处理器系统(4)；
所述光发射机(1)将入射光信号Ein(t)转变成基本平行光束Eg(t)，并输入所述光波前重构器(2)；
所述光波前重构器(2)将基本平行光束Eg(t)分成N个波前相位或幅度可调的子波束E′g,n(t)，并返回自由空间；
所述子波束E′g,n(t)在自由空间传输遇到粗糙表面，经粗糙面的漫反射作用得到光信号E″g,n(t)；
所述光信号E″g,n(t)耦合进所述光接收机(3)并输出信号E′in(t)，所述光接收机(3)将所述信号E′in(t)的功率反馈给所述微处理器系统(4)；
所述微处理器系统(4)根据反馈功率，调整所述光波前重构器(2)的波前相位或幅度分布；多次反馈调整得到最大功率的波前相位或幅度分布，最终所述N个子波束E′g,n(t)实现加强。
2.根据权利要求1所述的一种基于波前重构的自由空间激光绕反射通信系统，其特征在于：所述光波前重构器(2)根据所述基本平行光束Eg(t)光斑照射的像素点个数分成N个波前相位或幅度可调的子波束E″g,n(t)。
3.根据权利要求2所述的一种基于波前重构的自由空间激光绕反射通信系统，其特征在于：所述N个波前相位可调的子波束E″g,n(t)相互独立且波前相位在0-2π范围可调。
4.根据权利要求2所述的一种基于波前重构的自由空间激光绕反射通信系统，其特征在于：所述N个波前幅度可调的子波束相互独立且波前幅度因子在0-100％范围可调。
5.根据权利要求1所述的一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统，其特征在于：所述光发射机(1)为用于辐射出基本平行的空间光束。
6.根据权利要求1所述的一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统，其特征在于：所述光波前重构器(2)为硅基液晶材料空间光调制器、铁电液晶材料空间光调制器，基于超表面的空间光调制器或数字微镜型空间光调制器。
7.根据权利要求1所述的一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统，其特征在于：所述光接收机(3)为光学准直器或光电探测器。
8.根据权利要求1所述的一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信系统，其特征在于：所述微处理器系统(4)用于实现高速的信息处理和算法计算，并对波前重构器发出调整信息和指令。
9.一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信方法，包括以下步骤：
步骤1)、入射光信号Ein(t)经光发射机(1)辐射到自由空间，其输出信号为基本平行光束Eg(t)；
步骤2)、光波前重构器(2)接收所述基本平行光束Eg(t)，将所述基本平行光束Eg(t)分成波前相位或幅度可调的N个子波束E′g,n(t)，并返回自由空间；
步骤3)、所述N个子波束E′g,n(t)经粗糙面漫反射得到光信号E″g,n(t)；
步骤4)、所述光信号E″g,n(t)耦合进光接收机(3)得到信号E′in(t)，并将所述信号E′in(t)的功率反馈给微处理器(4)；
步骤5)、所述微处理器(4)根据反馈功率，调整所述光波前重构器(2)的波前相位或幅度；
多次反复上述步骤，得到满足波束E′g,n(t)相干加强的波前相位或幅度分布，从而获得最大的反馈功率，使得经粗糙面漫反射后的光重新聚焦于光接收机(4)。
10.根据权利要求8所述的一种基于波前重构的自由空间激光绕射通信方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述光波前重构器(2)根据所述基本平行光束Eg(t)光斑照射的像素点个数分成N个波前相位或幅度可调的子波束E″g,n(t)。
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