CN108988930B - 卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法及系统 - Google Patents

卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法及系统，该系统包括地面脉冲光发射模块、背向光探测模块、数据处理与反馈模块；所述地面脉冲光发射模块包括脉冲激光发射器和掺铒光纤放大器，此路为非信号光，仅作为测试光路，以探测大气损耗；所述背向光探测模块包括探测器和数据采集卡，发射的激光脉冲在自由信道传输时，探测器将探测到发出的脉冲光的背向散射光，并由数据采集卡实时采集探测器探测得的背向散射光的功率；数据处理与反馈模块为计算机。本发明能够简单快捷地实现卫星激光通信子系统通信速率的自适应调整，提高现行卫星激光通信系统的数据率。

Description

卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法及系统
技术领域
本发明属于激光通信领域，特别涉及了一种卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法及系统。
背景技术
卫星激光通信技术具有通信容量大、终端体积小和保密性好等优点。与传统微波通信技术相比，在卫星体积、重量和输出功率相当的条件下，激光通信技术可以实现几吉比特到几十吉比特每秒的数据传输能力。典型的星地激光通信通信链路一般包括光学跟瞄子系统、通信子系统和传输信道三部分。在发送和接收部分，主要有望远镜收发形式、望远镜倍数、发射功率和接收灵敏度等指标。在工程系统设计时，各个指标都是相互制约的，可以通过链路余量设计，很好地在各个相关项目权衡，得到最优化方案；在传输过程中，通信链路不可避免地受到大气的影响。由于大气效应以及激光光束本身存在束散角，将导致光束在传输过程中的能量衰减，这严重影响了卫星激光通信的通信性能。
大气对通信系统的影响主要集中在对流层。对流层存在着尺度不同(约10～100m)的湍流区。湍流区内与周围介质的折射率有10-6数量级的差别。这些湍流区如同浸在均匀大气中的介质块，在投射波照射下，其极化电流的辐射场即是散射场，团块极化电流的相位沿着投射波的传播方向逐渐落后。
背向散射法目前在光时域反射仪以及激光雷达中有诸多应用，其原理为：光纤中的光功率绝大部分为前向传播，但有很少部分朝发光器背向散射。只要观测到发射激光的背向散射曲线，就可以得到其在不同时间或传输距离时的损耗。该方法在判断局部的不规则性、断点及在接头和连接器引起的光功率损耗方面有重要应用。脉冲宽度越长，背向散射功率就越强。同样，由于大气中存在微小粒子，也可以将背向散射法应用到卫星激光通信中。
目前，星地激光通信链路中主要利用星上数据的下行链路传输，上行数据率较低，并且根据系统设定往往数据率为一定值。不同天气大气损耗不同，对于雾霾污染较轻的地区，大气损耗较小，在发射总功率不变的情况下，可适当提高通信的数据率，仍能使得单个码元满足探测器探测灵敏度的要求。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于大气背向散射光的卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法及系统，根据不同的大气信道条件，灵活调整卫星激光通信链路的数据率，特别是在信道条件良好的情况下，提高卫星激光通信系统上行链路的数据率。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：一种基于大气背向散射光的卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法，包括地面脉冲光发射模块、背向光探测模块、数据处理与反馈模块；
所述地面脉冲光发射模块包括脉冲激光发射器、掺铒光纤放大器，地面激光发射端的脉冲光经EDFA放大后，进入自由空间信道。
所述背向光探测模块包括探测器和数据采集卡，由于大气散射效应，发射的激光脉冲会产生背向散射光；探测器将探测到脉冲光信号的背向散射光，并由数据采集卡实时采样背向散射光的功率。
所述数据处理与反馈模块为计算机，根据数据采集卡数据绘制背向散射光的功率-距离曲线，即可计算到达大气最外层的损耗；根据卫星终端探测器的灵敏度，计算此链路损耗条件下单个码元的最低功率，从而计算出相应的最大数据率。由计算机将结果反馈给信号光发射端，以调整卫星激光通信系统的数据率。
进一步地，所述背向光探测模块和卫星终端的探测器均为雪崩二极管。
进一步地，所述地面脉冲光发射端需设置EDFA对脉冲光信号进行放大，由于背向散射光能量较弱，以确保其能在探测器探测灵敏度范围内。
基于上述基于大气背向散射光的卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法，包括以下步骤：
S1、作为测试光路的脉冲激光器发射周期性脉冲光，在大气信道中产生周期性的背向散射光脉冲信号，由散射光探测模块的探测器进行探测；
S2、通过数据采集卡对探测器探测到的背向散射的脉冲光信号进行采样，并由计算机绘制背向散射光的功率-距离曲线；其中，背向散射光的衰减由两部分组成：一为背向散射光本身随着传输距离的增加造成的衰减，二为由于大气效应产生的衰减；当在低层大气以内，背向散射光受到这两部分衰减；
S3、根据背向散射光的功率衰减曲线计算大气对通信链路的损耗，公式为：
Figure BDA0001702090560000031
其中，dB为损耗，P0为距离为0处的背向散射光功率，P为传输距离中的背向散射光功率；对于发射的激光信号，如果已知通信系统发射端的发射功率P1，即可根据信道损耗计算出到达星上探测器的激光光束的功率Pt,计算公式为：
Figure BDA0001702090560000032
其中dB是到达大气最外层的损耗；
S4、计算星上探测器的探测灵敏度即为其能探测到的最低码元功率P'；然后根据计算公式
Figure BDA0001702090560000033
以及到达星上探测器的激光光束的功率计算通信链路的最高数据率BR，由计算机将计算结果反馈给信号端发射模块,可适当增加通信系统此时的数据率。
本发明具有以下有益效果：
(1)由于不同大气条件下对通信激光光束的损耗程度是不同的，而系统通信的数据率往往被设为定值，这在一定条件下，限制了通信的数据率。因而，在部分地区或天气等良好的大气信道条件下，若发射总功率一定时，当链路损耗较低时，即使提高了数据率使得单个码元功率降低，但其仍在星上探测器的探测灵敏度范围内，故此方案能灵活有效地改善目前上行激光通信链路数据率较低的现状；
(2)本发明充分利用背向散射法，将其由在光纤系统中的应用推广到星地激光通信的自由信道中，系统价格低廉，结构并不复杂，对星地激光通信的链路设计有重要意义。
附图说明
图1是本发明的系统组成图；
图2是信道功率衰减谱线测试示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
现有的星地激光通信系统中，由于发射功率受限，我们往往采取降低数据率的方式达到提高通信质量的目的，并且由于传统通信系统设计方案，通信数据率往往为定值。随着对上行链路的通信数据率需求的增加，提高通信数据率是目前卫星激光通信的一大研究热点。由于不同大气条件下，通信链路所受大气损耗值存在不同，当大气状况良好时，通信链路损耗较低，在相同发射功率下，可适当提高误码率，使得单个码元的功率仍在星上探测器的探测灵敏度范围内。本发明基于现状提出了一种通信速率自适应的控制方法，该方法利用光在大气中的背向散射原理，对星地激光通信系统的研究与建设具有重要意义。
如图1所示，一种基于大气背向散射光的卫星激光通信子系统通信速率自适应控制方法，包括地面脉冲光发射模块、背向光探测模块、数据处理与反馈模块。地面脉冲光发射模块包括脉冲激光发射器和掺铒光纤放大器，此路为非信号光，仅作为测试光路，探测大气损耗；背向光探测模块包括：探测器、数据采集卡，发射的激光脉冲在自由信道传输时，由于大气介质的散射效应而存在背向散射光。探测器将探测到发出的脉冲光的背向散射光，并由数据采集卡实时采集探测器探测得的背向散射光的功率；数据处理与反馈模块为计算机，采样数据绘制背向散射光的功率-距离曲线，得到到达大气最外层的损耗；根据卫星终端探测器的灵敏度，计算此链路损耗条件下单个码元的最低功率，从而计算出相应的最大数据率。由计算机将结果反馈给信号光发射端，以调整卫星激光通信系统的数据率。
探测器一般选用雪崩二极管(APD)。由于背向散射光能量较低，而且APD本身存在暗噪声，故在发射端设置掺铒光纤放大器(EDFA)对信号光进行放大。
基于上述系统的方法，步骤如下。
步骤1：作为测试光路的脉冲激光器每隔一定周期发射脉冲光，由于大气中存在自由微粒，故脉冲光会产生背向散射的光脉冲信号，被探测器所探测；而到达大气层以外后的真空信道，由于没有介质，故不会产生背向散射光；
步骤2：由EDFA对脉冲光信号进行放大，由于背向散射光本身能量较低，而且由于在大气信道中，脉冲光传输距离较远，故需要对脉冲光进行功率放大；
步骤3：由数据采集卡对探测器探测到的背向散射的脉冲光信号进行采样，由计算机绘制背向散射光的功率-距离曲线；其中，背向散射光的衰减由两部分组成：一为背向散射光本身随着传输距离的增加造成的衰减，二为由于大气效应产生的衰减；当在低层大气以内，背向散射光受到这两部分衰减，而在大气层外，由于真空无散射介质，故无背向散射光。其示意图如图2；
步骤4：根据背向散射光的功率衰减曲线计算大气对通信链路的损耗，参考公式为：
Figure BDA0001702090560000051
其中，dB为损耗，P0为距离为0处的背向散射光功率，P为传输距离中的背向散射光功率，因此可以计算出背向散射光的衰减系数，计算出自由信道中的链路损耗。对于发射的激光信号，如果已知通信系统发射端的发射功率P1，即可根据信道损耗计算出到达星上探测器的激光光束的功率Pt,计算公式为：
Figure BDA0001702090560000052
其中dB是到达大气最外层的损耗；
步骤5：星上探测器的探测灵敏度即为其能探测到的最低码元功率P'，根据计算公式：
Figure BDA0001702090560000053
(BR为Bite Rate的缩写)，即可根据到达星上探测器的激光光束的功率计算通信链路的最高数据率。例如：在系统设计过程中，若作为信号光的激光发射功率为1.5W，星上终端的探测器灵敏度为1nw，经大气损耗后到达星上探测器的功率为1W，则数据率最高可达1Gbit/s；但在天气情况良好时，大气损耗会一定程度上有所下降，部分情况下到达卫星终端的信号光功率为大于1W，如1.2W，则在探测器灵敏度不变的情况下，最高数据率增大至1.2Gbit/s。由计算机将计算结果反馈给信号端发射模块,可适当增加通信系统此时的数据率。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种卫星激光通信子系统通信速率自适应控制系统，其特征在于：包括地面脉冲光发射模块、背向光探测模块、数据处理与反馈模块；
所述地面脉冲光发射模块包括脉冲激光发射器和掺铒光纤放大器，此路为非信号光，仅作为测试光路，以探测大气损耗；
所述背向光探测模块包括探测器和数据采集卡，发射的激光脉冲在自由信道传输时，探测器将探测到发出的脉冲光的背向散射光，并由数据采集卡实时采集探测器探测得的背向散射光的功率；
数据处理与反馈模块为计算机，用于根据采样数据绘制背向散射光的功率-距离曲线，得到到达大气最外层的损耗；根据卫星终端探测器的灵敏度，计算此链路损耗条件下单个码元的最低功率，从而计算出相应的最大数据率；由计算机将结果反馈给信号光发射端，以调整卫星激光通信系统的数据率。
2.根据权利要求1所述卫星激光通信子系统通信速率自适应控制系统，其特征在于：所述背向光探测模块和卫星终端的探测器均为雪崩二极管。
3.根据权利要求2所述卫星激光通信子系统通信速率自适应控制系统，其特征在于：发射到自由空间的脉冲光信号由于其背向散射光功率较低，故在脉冲光发射端设置EDFA进行放大。
4.基于权利要求1所述卫星激光通信子系统通信速率自适应控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、作为测试光路的脉冲激光发射器发射周期性脉冲光，在大气信道中产生周期性的背向散射光脉冲信号，由散射光探测模块的探测器进行探测；
S2、通过数据采集卡对探测器探测到的背向散射的脉冲光信号进行采样，并由计算机绘制背向散射光的功率-距离曲线；其中，背向散射光的衰减由两部分组成：一为背向散射光本身随着传输距离的增加造成的衰减，二为由于大气效应产生的衰减；当在低层大气以内，背向散射光受到这两部分衰减；
S3、计算大气对通信链路的损耗，公式为：
Figure FDA0002740121070000011
其中，dB为损耗，P0为距离为0处的背向散射光功率，P为传输距离中的背向散射光功率；对于发射的激光信号，如果已知通信系统发射端的发射功率P1，即可根据信道损耗计算出到达探测器的激光光束的功率Pt，计算公式为：
Figure FDA0002740121070000021
其中dB是到达大气最外层的损耗；
S4、计算探测器的探测灵敏度即为其能探测到的最低码元功率P'；然后根据计算公式
Figure FDA0002740121070000022
以及到达探测器的激光光束的功率计算通信链路的最高数据率BR，由计算机将计算结果反馈给信号光发射端,调整通信系统此时的数据率。
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