CN109217924B - 针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置和方法，该装置分为询问端和逆向调制端；逆向调制端通过控制液晶光阀的透过率实现对光信号幅度的调制，而后通过压电陶瓷的振动对光信号进行相位的二次调制；询问端对回波反射的光信号进行解调，通过直接检测可解调信号幅度变化，通过相干检测及信号处理模块可解调信号相位信息，从而实现比单独幅度调制或相位调制更高速率的信号传输。本发明通过在逆向调制端实现对光信号的两维调制，在询问端对该信号实现解调，可实现更高速率的逆向调制空间光通信。

Description

针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置和方法

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，特别是一种针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置和方法。

背景技术

自由空间光通信系统一般由光发送机和光接收机两个终端组成，并且要求两个终端对准，实现点对点通信。一般来说，为了保证光信号能够从发送端到达接收端，自由空间光通信设备需要配备复杂的自动瞄准、捕获和跟踪(Pointing,Acquisition andTracking，PAT)系统，这不仅需要提供额外供电，而且还增加了系统的成本、体积和重量。

针对自由空间光通信的这个问题，研究人员提出了逆向调制空间光通信方式，逆向调制空间光通信系统将光发送机和光接收机设计在同一端，称作询问端，系统另一端是由反射器件和调制器件组成的逆向调制端。在工作时，首先由光发送机发出一束没有经过任何调制的激光束，这束光达到逆向调制端以后会被光学系统原方向反射回来，同时调制器会将逆向调制端的信息调制到原方向返回的光束上，这束光达到询问端后被解调出来，从而实现单向空间光通信。

逆向调制光通信是自由空间光通信的一种特殊形式，它是一种相对较新的概念，拥有很多的潜在应用。逆向调制无线光通信系统从一定程度上解决了传统无线光通信系统存在的需要自动跟瞄等问题，因此各国对这一技术相当重视并进行了大量的研究。在某些特殊情况下，通信链路要求其中一端质量、体积和功耗都尽量小，然而传统的自由空间光通信系统由于需要光束追踪和对准的器件，所以系统体积和功耗都很大，使用逆向调制装置能够解决这样的问题，比如针对无人机的应用等。

国外对逆向调制技术的研究相比于国内起步较早。美国海军实验室(NRL)从1998年开始就对其战术应用进行了深入研究，并且将该技术应用于爆炸性军械处理(EOD)、无人机(UAVs)和无人战车(UGVs)三个领域。此外，欧洲的英国、瑞典等国家也都开展了相关研究。

一般来说，在逆向调制端实现空间光调制，大多是通过液晶空间光调制器、基于微机械结构的调制器或者多量子阱电吸收空间光调制器等来调制信号光强，系统信息传输速率就受制于空间光调制器的调制速率。如何提高系统的信息传输速率，是逆向调制空间光通信技术面临的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置和方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置，包括询问端和逆向调制端；

询问端包括激光器、第一光纤分路器、半反半透镜、准直透镜、偏振控制器、掺铒光纤放大器、耦合器、第二光纤分路器、用于直接检测的第一光检测器、用于相干检测的第二光检测器及信号处理模块；逆向调制端包括液晶光阀、聚焦透镜、压电陶瓷、第一驱动器和第二驱动器；第一驱动器用于控制液晶光阀的透过率，以调制光信号的幅度；第二驱动器用于控制压电陶瓷的振动，以调制光信号的相位；

在询问端，激光器产生的激光经第一光纤分路器分为两路，一路经半反半透镜和准直透镜后发送，并在大气信道中传输；

液晶光阀按照第一调制信号调制透过液晶光阀的光功率；第一次调制后的光信号经聚焦透镜汇聚于压电陶瓷，根据第二调制信号，压电陶瓷前后振动，产生相移，从而调制光信号的相位；

询问端发射过来的光束被逆向调制端反射后，按照原方向返回询问端，并在询问端经过准直透镜和半反半透镜后从光纤输入端面进入掺铒光纤放大器放大光信号，经放大的光信号被第二光纤分路器分为两路，一路光进入第一光检测器，第一光检测器响应光信号功率的变化，产生第一光电流，得到第一调制信号；另一路进入耦合器，同时进入耦合器的还有经第一光纤分路器与偏振控制器的本振光，耦合器输出至第二光检测器，产生第二光电流，经信号处理模块得到第二调制信号。

进一步的，压电陶瓷设置在聚焦透镜的焦点处。

进一步的，第二光检测器输出的第二光电流I₁为：

第一光检测器输出的第一光电流电流I₂为：

式中，R为光检测器响应度，K为常数，A₁、A₂为幅度常数，

为相位常数，

为信号光与本振光的相位差，ω₀为光的频率，S₁(t)为第一调制信号，S₂(t)为第二调制信号；

第一光检测器输出的电流I₂直接对应第一调制信号S₁(t)的大小；

将第二光检测器输出的电流I₁减去第一光检测器输出的电流I₂，可得：

略去直流项，得：

将

后，其中R、K、A₂均为常数，将其消去，然后进行反余弦运算，

是定值，得到第二调制信号S₂(t)。

本发明还提供一种针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调方法，包括以下步骤：

步骤1，在询问端，由激光器产生的激光经由光纤输出，经过半反半透镜的光被准直透镜进行光束整形后发送，并在大气信道中传输；

步骤2，驱动器按照第一调制信号S₁(t)的大小驱动液晶光阀产生透过率变化，以此调制入射光信号的幅度；

步骤3，经过第一次调制幅度后的光信号经过聚焦透镜汇聚于压电陶瓷，驱动器驱动压电陶瓷随着信号S₂(t)的大小振动并产生光路位移变化，从而调制入射光信号的相位；同时，压电陶瓷反射入射光，使其沿着原方向返回询问端；

步骤4，询问端发送过来的光束被逆向调制端反射后原方向返回询问端，并在询问端经过准直透镜汇聚和半反半透镜反射后，从光纤输入端面进入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器在光域放大光信号；经放大的光信号被光纤分路器分为两路，其中一路光进入直接检测的第一光检测器；进行直接检测的第一光检测器不能响应光信号相位的变化，而只响应光信号功率的变化，其产生的第一光电流I₂对应的就是解调后的S₁(t)信号；

步骤5，经放大的光信号被第二光纤分路器分为两路，另一路光进入耦合器，同时进入耦合器的还有经第一光纤分路器与偏振控制器的本振光；偏振控制器对本振光的偏振态进行调整，使其与逆向调制端反射回来的信号光偏振态一致，由此第二光检测器产生第二光电流I₁；

步骤6，运用信号处理算法，将两个光检测器获得的光电流相减得ΔI＝I₁-I₂，将

后，其中R、K、A₂均为常数，将其消去，然后进行反余弦运算，

是定值，这样就可得到解调后的S₂(t)信号。

进一步的，压电陶瓷设置在聚焦透镜的焦点处。

进一步的，第二光检测器输出的第二光电流I₁为：

第一光检测器输出的第一光电流I₂为：

式中，R为光检测器响应度，K为常数，A₁、A₂为幅度常数，

为相位常数，

为信号光与本振光的相位差，ω₀为光的频率，S₁(t)为第一调制信号，S₂(t)为第二调制信号；

第一光检测器输出的第一光电流I₂直接对应第一调制信号S₁(t)的大小；

将第二光检测器输出的第二光电流I₁减去第一光检测器输出的第一光电流I₂，可得：

略去直流项，得：

将

后，其中R、K、A₂均为常数，将其消去，然后进行反余弦运算，

是定值，得到第二调制信号S₂(t)。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明提出一种两维信号调制解调的方法，在调制光强的同时，还对光的相位进行了调制，通过两维信号的调制以增加调制速率；(2)逆向调制端通过控制液晶光阀的透过率实现对光信号幅度的调制，而后通过压电陶瓷的振动对光信号进行相位的二次调制；询问端对回波反射的光信号进行解调，通过直接检测可解调信号幅度变化，通过相干检测及信号处理模块可解调信号相位信息，从而实现比单独幅度调制或相位调制更高速率的信号传输。

附图说明

图1为本发明针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置示意图。

具体实施方式

结合图1，一种针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调方法及装置，包括询问端和逆向调制端，其中询问端包括激光器、第一光纤分路器、半反半透镜、准直透镜、偏振控制器、掺铒光纤放大器、耦合器、第二光纤分路器、用于直接检测的第一光检测器、用于相干检测的第二光检测器及信号处理模块；逆向调制端包括液晶光阀、聚焦透镜、压电陶瓷、第一驱动器和第二驱动器。

在询问端，由激光器产生的激光经由光纤输出，经过半反半透镜被准直透镜准直后发送，经过大气传输，到达逆向调制端的未经调制的光电场强度为：

式中

为相位常数，ω₀为光的频率，A₁为幅度常数；

液晶光阀按照第一调制信号S₁(t)调制透过液晶光阀的光功率，因此调制后的光电场强度为：

压电陶瓷被设置在聚焦透镜的焦点处；第一次调制后的光信号经聚焦透镜汇聚于压电陶瓷，在第二驱动器的驱动下，压电陶瓷随着外加信号S₂(t)的大小产生前后振动，产生相移，从而调制了光信号的相位。

经压电陶瓷第二次调制后的光电场强度为：

如此，第一调制信号S₁(t)加载到了光的幅度上，第二调制信号S₂(t)加载到了光的相位上，从询问端发射过来的光束被逆向调制端进行了幅度和相位的两维调制。

因为“猫眼”效应，询问端发射过来的光束被逆向调制端反射后，按照原方向返回询问端，并在询问端经过准直透镜和半反半透镜后从光纤输入端面进入掺铒光纤放大器放大光信号，然后输出。

经放大的光信号被第二光纤分路器分为两路，一路光进入直接检测的第一光检测器。进行直接检测的第一光检测器响应光信号功率的变化，其产生的光电流I₂如下式所示，其中R为光检测器响应度，单位A/W，K为常数：

对于ω₀的光波，光检测器输出的是幅度值，因为在检测器中不能清楚地观察到此频率，略去光学高频项，因此，上式可写为：

I₂≈RKA₁ ²S₁(t)

如此可得信号S₁(t)的输出。

而第二光纤分路器分出的另一路光进入耦合器，同时进入耦合器的还有经第一光纤分路器与偏振控制器的本振光。

本地振荡器的光电场强度可写为：

式中

为相位常数，ω₀为光的频率，A₂为幅度常数；

经过偏振控制器后，假设信号光和本振光的偏振方向相同，按照相干检测的理论，则经过耦合器投射到第二光检测器上的光信号强度为：

则，光功率为：P＝K|E_S+E_L|²，K为常数。

所以，得到进行相干检测的第二光检测器产生的光电流I₁，R为光检测器响应度单位A/W：

对于ω₀的光波，光检测器输出的是幅度值，因为在检测器中不能清楚地观察到此频率，同样略去光学高频项，因此，上式写为：

将上式最后一项积化和差展开，因为光检测器无法响应2ω₀的频率成分，因此上式最后一项可写为

则，I₁可表示为：

其中

为信号光与本振光的相位差。

将第二光检测器输出的电流减去第一光检测器输出的电流，得到：

略去直流项，得：

经信号处理技术，将

后，其中R、K、A₂都是常数，将其消去，然后进行反余弦运算，

是定值，这样就可得到信号S₂(t)的输出。

本发明公开的一种针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调方法将激光信号的幅度和相位同时应用于信息调制，并利用信号处理的方法实现信号解调，从而实现更高速率的逆向调制空间光通信。

本发明针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调方法，步骤如下：

步骤1，在询问端，由激光器产生的激光经由光纤输出，经过半反半透镜的光被准直透镜进行光束整形后发送，并在大气信道中传输。

步骤2，第一驱动器按照信号S₁(t)的大小驱动液晶光阀产生透过率变化，不同的透过率导致透过液晶光阀的光功率不一样，以此调制入射光信号的幅度。

步骤3，经过第一次调制了幅度后的光信号经过聚焦透镜汇聚于压电陶瓷，压电陶瓷位于聚焦透镜的焦点处，第二驱动器驱动压电陶瓷随着信号S₂(t)的大小振动并产生了光路位移变化，从而调制了入射光信号的相位。同时，压电陶瓷反射入射光，使其沿着原方向返回询问端。

步骤4，询问端发送过来的光束被逆向调制端反射后原方向返回询问端，并在询问端经过准直透镜汇聚和半反半透镜反射后，从光纤输入端面进入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器在光域放大光信号。经放大的光信号被第二光纤分路器分为两路，其中一路光进入直接检测的第一光检测器。进行直接检测的第一光检测器不能响应光信号相位的变化，而只响应光信号功率的变化，其产生的第一光电流I₂对应的就是解调后的S₁(t)信号。

步骤5，经放大的光信号被第二光纤分路器分为两路，另一路光进入耦合器，同时进入耦合器的还有经第一光纤分路器与偏振控制器的本振光。偏振控制器对本振光的偏振态进行调整，使其与逆向调制端反射回来的信号光偏振态一致，由此进行相干检测的第二光检测器产生第二光电流I₁。

步骤6，运用信号处理算法，将两个光检测器获得的光电流相减得ΔI＝I₁-I₂，将

后，其中R、K、A₂都是常数，将其消去，然后进行反余弦运算，

是定值，这样就可得到解调后的S₂(t)信号。

Claims (6)

1.一种针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置，其特征在于，包括询问端和逆向调制端；

询问端包括激光器、第一光纤分路器、半反半透镜、准直透镜、偏振控制器、掺铒光纤放大器、耦合器、第二光纤分路器、用于直接检测的第一光检测器、用于相干检测的第二光检测器以及信号处理模块；逆向调制端包括液晶光阀、聚焦透镜、压电陶瓷、第一驱动器和第二驱动器；第一驱动器用于控制液晶光阀的透过率，以调制光信号的幅度；第二驱动器用于控制压电陶瓷的振动，以调制光信号的相位；

在询问端，激光器产生的激光经第一光纤分路器分为两路，一路经半反半透镜和准直透镜后发送，并在大气信道中传输，另一路发送至偏振控制器；

液晶光阀按照第一调制信号调制透过液晶光阀的光功率；第一次调制后的光信号经聚焦透镜汇聚于压电陶瓷，根据第二调制信号，压电陶瓷前后振动，产生相移，从而调制光信号的相位；

询问端发射过来的光束被逆向调制端反射后，按照原方向返回询问端，并在询问端经过准直透镜和半反半透镜后从光纤输入端面进入掺铒光纤放大器放大光信号，经放大的光信号被第二光纤分路器分为两路，一路光进入第一光检测器，第一光检测器响应光信号功率的变化，产生第一光电流，得到第一调制信号；另一路进入耦合器，同时进入耦合器的还有经第一光纤分路器与偏振控制器的本振光，耦合器输出至第二光检测器，产生第二光电流，经信号处理模块得到第二调制信号。

2.根据权利要求1所述的针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置，其特征在于，第二光检测器输出的第二光电流I₁为：

第一光检测器输出的第一光电流I₂为：

式中，R为光检测器响应度，P₂为接收光功率，K为常数，E_S为经压电陶瓷第二次调制后的光电场强度，A₁、A₂为幅度常数，

为相位常数，

为信号光与本振光的相位差，ω₀为光的频率，S₁(t)为第一调制信号，S₂(t)为第二调制信号；

第一光检测器输出的第一光电流I₂直接对应第一调制信号S₁(t)的大小；

将第二光检测器输出的第二光电流I₁减去第一光检测器输出的第一光电流I₂，可得：

略去直流项，得：

将

后，其中R、K、A₂均为常数，将其消去，然后进行反余弦运算，

是定值，得到第二调制信号S₂(t)。

3.根据权利要求1所述的针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置，其特征在于，压电陶瓷设置在聚焦透镜的焦点处。

4.一种基于权利要求1所述针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在询问端，由激光器产生的激光经由光纤输出，经过半反半透镜的光被准直透镜进行光束整形后发送，并在大气信道中传输；

步骤2，驱动器按照第一调制信号S₁(t)的大小驱动液晶光阀产生透过率变化，以此调制入射光信号的幅度；

步骤3，经过第一次调制幅度后的光信号经过聚焦透镜汇聚于压电陶瓷，驱动器驱动压电陶瓷随着信号S₂(t)的大小振动并产生光路位移变化，从而调制入射光信号的相位；同时，压电陶瓷反射入射光，使其沿着原方向返回询问端；

步骤4，询问端发送过来的光束被逆向调制端反射后原方向返回询问端，并在询问端经过准直透镜汇聚和半反半透镜反射后，从光纤输入端面进入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器在光域放大光信号；经放大的光信号被光纤分路器分为两路，其中一路光进入直接检测的第一光检测器；进行直接检测的第一光检测器不能响应光信号相位的变化，而只响应光信号功率的变化，其产生的第一光电流I₂对应解调后的S₁(t)信号；

步骤5，经放大的光信号被第二光纤分路器分为两路，另一路光进入耦合器，同时进入耦合器的还有经第一光纤分路器与偏振控制器的本振光；偏振控制器对本振光的偏振态进行调整，使其与逆向调制端反射回来的信号光偏振态一致，由此第二光检测器产生第二光电流I₁；

步骤6，运用信号处理算法，将两个光检测器获得的光电流相减得ΔI＝I₁-I₂，将

后，其中R、K、A₂均为常数，将其消去，然后进行反余弦运算，

是定值，即得到解调后的S₂(t)信号。

5.根据权利要求4所述的针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置的解调方法，其特征在于，压电陶瓷位于聚焦透镜的焦点处。

6.根据权利要求4所述的针对逆向调制空间光通信的两维信号调制解调装置的解调方法，其特征在于，第二光检测器输出的第二光电流I₁为：

第一光检测器输出的第一光电流I₂为：

式中，R为光检测器响应度，K为常数，A₁、A₂为幅度常数，

为相位常数，

为信号光与本振光的相位差，ω₀为光的频率，S₁(t)为第一调制信号，S₂(t)为第二调制信号；

第一光检测器输出的第一光电流I₂直接对应第一调制信号S₁(t)的大小；

将第二光检测器输出的第二光电流I₁减去第一光检测器输出的第一光电流I₂，可得：

略去直流项，得：

将

后，其中R、K、A₂均为常数，将其消去，然后进行反余弦运算，

是定值，得到第二调制信号S₂(t)。

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