CN109474348A - 用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于无线光通信并行传输系统的光学天线尺寸的计算方法，该算法将系统简化成由光源阵列、光学系统和检测器三部分组成的核心模块，根据这三部分参数选择、计算光学天线尺寸，实现检测器能够进行光电响应并解调出光信源原始信号，远距离并行通信。该算法满足条件：接收端光学天线能够让检测器分辨出光源阵列发射出的点光源间隙；接收端光学天线能够让检测器接收到足够的光信号能量，触发光电响应。应用本发明所提出的光学天线尺寸的计算方法，可以用于阵列式光源的并行传输系统，在提高通信容量的同时，保证传输可靠性，并且可以根据传输距离、接收光信号增益的需求得到最佳收发光学天线尺寸的关系。

Description

用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法

技术领域

本发明应用于光通信无线传输领域，涉及光通信系统中并行传输/多通道传输，构建收发端光学天线时的透镜尺寸计算方法。

背景技术

无线光通信是一个交叉学科，它涵盖多项工程科学研究内容。光电器件、光学系统以及电子科学技术的发展为无线光通信奠定了基础，无线光通信系统的主要研究内容包括：光源(红外光、可见光、紫外光等)，传输系统，高灵敏度光检测器等。其中传输系统直接影响了光信号的传输质量，因此，能够提高光信号传输质量的关键技术被提出需要深入研究，包括：自适应光学技术，精密光机电综合技术，光学天线技术等。

光学天线实际上是一个光学望远镜，由目镜和物镜组成。目镜采用会聚透镜和发散透镜(开普勒望远镜和伽利略望远镜)，物镜用反射镜和透射镜(反射式望远镜和透射式望远镜)。其中反射式又有牛顿式、格利高利式、卡塞格伦式等多种，都是经典的望远镜系统。用于光通信传输的光学天线，被要求孔径越大越好，因为孔径越大，光信号增益越大，可提高传输可靠性。

目前光学天线的研究表明：收发端光学天线的效率会对无线光通信系统的接收光功率产生直接影响；发射端光学天线被设计成接近衍射极限，可获得最小的光斑，但不利于收发端的精确对准；为使接收端获得更多的光信号能量，接收端的光学天线也被要求直径越大越好，但这带来的弊端是系统体积增大。因此，体积小、重量轻、光学增益大的新型光学天线技术的研究至关重要。

发明内容

本发明就目前光学天线研究的关键技术，其目的旨在提出一种简便有效的光学天线尺寸的计算方法，并联合通信距离，接收端光信号能量增益的需求，给出天线尺寸的关系，以更方便地选择合适的尺寸，以获得最佳传输性能。

本发明实现上述目的的技术解决方案为：用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法，基于由光源阵列、光学组件和检测器三部分核心模块组成的简化系统实现，其特征在于：根据检测器能够进行光电响应并解调出光信源信号推导计算得光学组件所需满足两个条件：检测器通过接收端光学天线分辨出光源阵列发射出的点光源间隙，其中h为光源阵列中点光源的最小间距，h'为检测器的最小分辨线宽，f₀和f₀'分别为发射端和接收端的透镜焦距，γ和γ'分别为发射端和接收端公焦望远镜的角放大率；

检测器通过接收端光学天线接收到足量光信号能量、触发光电响应，E_dS_UR_I≥I_min、其中检测器成像的照度为E_d，检测器的光敏元件的响应度为R_I，光敏元件面积为S_U，最小响应电流I_min，每个点光源进入光学组件的光功率为P_e，发射光学部的透射系数为τ_i，信道的透射系数τ_m，接收光学部的透射系数τ_r，接收端的光功率占点光源发射的总功率之比为K，发射端公焦望远镜的外透镜直径为D₂，接收端公焦望远镜的外透镜直径为D'₂，且K关联两个外透镜的直径。

进一步地，所述光学组件由第一透镜B1、第二透镜B2、第三透镜B3构成的发射光学部，由第四透镜B4、第五透镜B5、第六透镜B6构成的接收光学部，所述光源阵列设于第一透镜B1的物方焦平面上，且阵列与光轴垂直；第二透镜B2和第三透镜B3构成发射端共焦望远镜，且望远镜入瞳处放置第一透镜B1；第四透镜B4和第五透镜B5构成接收端共焦望远镜，且望远镜出瞳处放置第六透镜B6；所述检测器位于第六透镜B6的像方焦平面上，所有光学元件共轴放置，且通信距离L对应第三透镜B3、第四透镜B4的间距。

进一步地，所述接收光学部的最小分辨角为检测器通过接收端光学天线分辨出光源阵列发射出的点光源间隙需满足，点光源的出射光经发射光学部的各透镜后与光轴所形成的夹角

进一步地，所述检测器的最小分辨角为

进一步地，所述接收端的光功率占点光源发射的总功率之比K计算得自于接收平面上圆形光斑与接收光学系统入瞳的重叠面积与总光斑面积之比，其中S为重叠面积，R为圆形光斑半径。

更进一步地，所述圆形光斑半径其中为发射光学部的光束发散角。

更进一步地，所述重叠面积积分整理得：

其中y₀为光斑中心离轴距离，y_c为圆形光斑与接收端共焦望远镜出瞳光斑交点的离轴距离。

本发明所提出的光学天线尺寸的计算方法，较之于目前研究具备突出的实质性特点和显著的进步性，概括来看：这种算法可以用于阵列式光源的并行传输系统，在提高通信容量的同时，保证传输可靠性，并且可以根据传输距离、接收光信号增益的需求得到最佳收发光学天线尺寸的关系。

附图说明

图1是本发明提出的无线光通信并行传输系统的核心模块。

图2是本发明系统中点光源至接收光学天线的光斑发散示意图。

图3是不同波长光束夹角的接收功率比例系数K的关系。

图4是本发明算法下接收功率比例与光学天线尺寸的关系。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定和支持。

在理解本发明计算方法之前，需要首先了解本发明的无线光通信并行传输系统构成及其工作流程。该并行传输系统包括：光源、发射端光学天线、接收端光学天线、光电检测器。信源产生需要传输的数据流，在计算机控制下根据光源的尺寸(假设光源为NT*NT个点光源构成的阵列结构)，将串行数据流划分为NT*NT路并行数据，并以电信号的形式送给光源驱动电路，该驱动电路通过对光源阵列进行扫描，以光强度调制方式让某些位置的点光源发光强，而其他位置的发光弱。这样光源就显示出一幅点阵图，其中携带信源信息。

当点阵图由自由空间传输后，到达光电检测器(光电检测器阵列NR*NR)引起光电转换响应，得到电信号，并由嵌入式处理机对NR*NR个并行输入数据进行扫描寻址，定位到数据帧头后，计算机将接收该数据帧头下的有效数据信息，进行并串转换，恢复一帧点阵图携带的原始信息。在发送端，每隔一段时间产生一个新的点阵图，直到把所有的信息传输完毕，这就完成了一次通信。

这种并行传输系统，一次通信可以传递NT*NT个信息量，比单一点光源的传输量可成倍的提高，只要扩大光源阵列的规模，就可提高传输有效性，而且当光源阵列规模还有很大冗余时还可以对信息进行加密编码，如引入伪随机噪声，这样可提高通信安全性。因此，这种并行通信系统的性能要比传统通信优越得多，光源的阵列规模越大，其优越性越明显。

本发明的关键在于把光源的点阵图像传输到相距很远的检测器，而且还要保证该点阵图像能让检测器引起响应并分辨。因此在收、发端中有必要增加光学系统，使系统分辨率尽量高。这里的关键设备就是收发端的光学天线，决定了光源阵列的规模、光源发射功率、通信距离及接收到的光信号增益等。

本发明的算法将系统简化成由光源阵列、光学系统和检测器三部分组成的核心模块，根据这三部分参数选择，计算光学天线尺寸，实现远距离并行通信。

进一步细化来看，本发明的核心模块如图1所示，包括光源阵列A，由第一透镜B1、第二透镜B2、第三透镜B3构成的发射光学天线B，由第四透镜B4、第五透镜B5、第六透镜B6构成的接收光学天线B，检测器C(阵列)。其中光源阵列A放在第一透镜B1的物方焦平面上，阵列与光轴垂直；第二透镜B2和第三透镜B3构成共焦望远镜系统，第一透镜B1放置在B2和B3组成的望远镜入瞳处，所有光学元件共轴放置；第四透镜B4和第五透镜B5构成共焦望远镜系统，第六透镜B6放置于B4和B5组成的望远镜出瞳处；检测器C位于第六透镜B6的像方焦平面上。以下关于光学透镜的描述仅以代码编号区分指代。

本发明提出的算法包含参数：A中点光源的最小间距h；B1的焦距f₀；B3的直径D₂；B2和B3组成的望远镜系统的角放大率γ；B4的直径D'₂；B4和B5组成的望远镜系统的角放大率γ'；B6的焦距f₀'；C的最小分辨线宽h'。

本发明的算法为了满足检测器能够进行光电响应并解调出光信源原始信号，需要满足条件：接收端光学天线能够让检测器分辨出光源阵列发射出的点光源间隙；接收端光学天线能够让检测器接收到足够的光信号能量，触发光电响应。

在衍射受限光学系统条件下，接收光学天线的衍射极限分辨率取决于第四透镜B4的直径D'₂，其最小分辨角为：

而检测器C的最小分辨线宽h'，相对于第六透镜B6，C的最小分辨角度为：

本发明为了让光学天线的最小分辨角能被检测器C分辨，则需满足以下关系：

由于接收端存在最小分辨角，为了让发射端传送的点阵图能全部被接收端分辨，则要求点光源的出射光经发射光学系统B(B1、B2、B3)后形成的夹角ω₁，

必须满足以下关系：

一般认知上，一个点光源要在检测器上成清晰的像，除了要有足够高的分辨率外，还要求能够收集到足够的来自发光物体的辐射光功率(即接收光信号增益)，这样才能让检测器C触发光电响应。为满足这一条件，本发明引入光源发射功率和接收角度参数。

光源阵列中每个点光源发出的光，经过光学发射系统后变成一束与光轴存在一定夹角ω₁的平行光，点光源与检测器越远，该夹角越大。由于该夹角的存在，随着传输距离的变大，使得光束只能部分的进入或者完全不能进入接收光学天线，这样就造成接收端对光信号接收不完全。另外，经发射光学天线出射的光，由于受光学天线孔径的限制，存在一个发散角α，随着传输距离的增加，光束中的光强会逐渐减弱。

在光功率均匀分布的情况下，进入接收光学天线的光功率占总发射功率的比例，如图2所示，即接收平面上圆形光斑与接收光学系统入瞳的重叠面积较之于总光斑面积之比。结合图示，与光轴成ω₁角度的光束在距发射端L的垂直面上，

光斑中心离轴距离为：y₀＝Ltgω₁ (5)，

光斑半径为：其中为光束发散角。

在X-Y坐标中，光斑与接收光学系统入瞳的函数表达式为：

接收光学系统入瞳：

光斑：

则两圆斑边线交点y坐标为：

其重叠面积为：

积分整理可得：

进入接收端的光功率占点光源发射的总功率之比为：

定义在发射端，光源阵列中每个点光源进入光学系统的光功率为P_e，发射光学系统的透射系数为τ_i，信道的透射系数τ_m，接收光学系统的透射系数τ_r，则到达检测器上的点源像的功率为：

P_d＝Kτ_iτ_mτ_rP_e (13)；

该光斑在检测器上所呈的像的面积为：

则该像在检测器上的照度为：

定义检测器光敏元件的响应度为R_I，光敏元件面积为S_U，最小响应电流I_min，则为了能在检测器上成像，必须满足下面不等式：

E_dS_UR_I≥I_min (16)；

综上计算方法，可得到L、K与收发光学天线B3、B4透镜直径的关系。

结合图示来理解，如图2至图4所示，实施例为实现点光源能引起检测器响应的光学天线的参数必须依据式(4)和(16)来选择。式(4)给出了可分辨两点的最小光束夹角的条件，只要给定检测器的分辨率和接收端口径的值，则光源阵列面上两点对第一透镜B1节点的最小空间角就确定了。

光源阵列的规模越大，则阵列中距轴最远的点光源的出射光与光轴夹角ω₁就越大。式(16)给出了光源阵列要在检测器上引起响应的接收功率条件。在一定的收发天线口径大小条件下，点光源到达探测器的功率随光束夹角ω₁的增大而减小。

图3给出了对应不同波长光束夹角的接收功率比例系数K的关系。在发射光学透镜与接收光学透镜直径均为20cm，传输距离1km情况下接收功率功率至少为20％，在传输距离为2km情况下，随着出射光束夹角的增大，接收功率急剧下降，当夹角增大到100μrad时，检测器就完全收不到该光束对应的点光源的像。

实施例仿真各光波峰值为红光700nm，绿光546.1nm，蓝光435.8nm；由图4可以看出：1.当偏移角ω₁较小的情况下，接收端功率损耗情况为蓝光损耗较小、绿光损耗高于蓝光、红光损耗最高；2.当偏移角ω₁较大时，这三种波长对发射光束发散角与接收功率比例的影响差别并不明显，都呈剧烈下降趋势。因此，本发明的算法对不同波长的光源也适用。

实施例中，当检测器响应度、最小响应电流和发射功率确定的条件下，要满足通信距离L＝2km时，为保证发射端离轴最远的光源也能引起检测器响应，那么取图3最大发射光束发散角100μrad，此时可调节的参量只有收发端光学系统B3、B4透镜的口径大小，图4给出了L＝2km，ω₁＝100μrad时，接收功率比例与B3、B4直径的关系图。

由图4可见随着收发透镜口径不断增大，检测器接收到的功率也逐渐增高，但由于实际接收端摄像头和望远镜的限制，B4透镜的直径不可能达到1m，因此，取正常光学天线直径20cm作参考。图4中坐标表示在发射端B3透镜直径为35cm、接收端B4透镜直径为20cm时，检测器上接收到的功率为30％，那么可允许光源阵列规模为50*50点阵。

基于上述实施例的详述，可以理解本发明用于无线光通信并行传输系统的光学天线尺寸的计算方法的推导过程。但需要说明的是：该算法不局限于并行传输，也适用于单一点光源的单路传输系统。不限制光源的种类及形式，可适用于红外、可见、紫外光等光源，可适用于阵列式光源布局的形式，也可以是单一光源布局的形式。并且，也不限制光电检测器的种类或型号。

综上实施例的详细说明可见，应用本发明创新提出的计算方法，可以用于阵列式光源的并行传输系统，在提高通信容量的同时，保证传输可靠性，并且可以根据传输距离、接收光信号增益的需求得到最佳收发光学天线尺寸的关系。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法，基于由光源阵列、光学组件和检测器三部分核心模块组成的简化系统实现，其特征在于：根据检测器能够进行光电响应并解调出光信源信号推导计算得光学组件所需满足两个条件：检测器通过接收端光学天线分辨出光源阵列发射出的点光源间隙，其中h为光源阵列中点光源的最小间距，h'为检测器的最小分辨线宽，f₀和f₀′分别为发射端和接收端的透镜焦距，γ和γ′分别为发射端和接收端公焦望远镜的角放大率；

检测器通过接收端光学天线接收到足量光信号能量、触发光电响应，E_dS_UR_I≥I_min、其中检测器成像的照度为E_d，检测器的光敏元件的响应度为R_I，光敏元件面积为S_U，最小响应电流I_min，每个点光源进入光学组件的光功率为P_e，发射光学部的透射系数为τ_i，信道的透射系数τ_m，接收光学部的透射系数τ_r，接收端的光功率占点光源发射的总功率之比为K，发射端公焦望远镜的外透镜直径为D₂，接收端公焦望远镜的外透镜直径为D'₂，且K关联两个外透镜的直径。

2.根据权利要求1所述用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法，其特征在于：所述光学组件由第一透镜B1、第二透镜B2、第三透镜B3构成的发射光学部，由第四透镜B4、第五透镜B5、第六透镜B6构成的接收光学部，所述光源阵列设于第一透镜B1的物方焦平面上，且阵列与光轴垂直；第二透镜B2和第三透镜B3构成发射端共焦望远镜，且望远镜入瞳处放置第一透镜B1；第四透镜B4和第五透镜B5构成接收端共焦望远镜，且望远镜出瞳处放置第六透镜B6；所述检测器位于第六透镜B6的像方焦平面上，所有光学元件共轴放置，且通信距离L对应第三透镜B3、第四透镜B4的间距。

3.根据权利要求1所述用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法，其特征在于：所述接收光学部的最小分辨角为检测器通过接收端光学天线分辨出光源阵列发射出的点光源间隙需满足，点光源的出射光经发射光学部的各透镜后与光轴所形成的夹角

4.根据权利要求1所述用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法，其特征在于：所述检测器的最小分辨角为

5.根据权利要求1所述用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法，其特征在于：所述接收端的光功率占点光源发射的总功率之比K计算得自于接收平面上圆形光斑与接收光学系统入瞳的重叠面积与总光斑面积之比，其中S为重叠面积，R为圆形光斑半径。

6.根据权利要求5所述用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法，其特征在于：所述圆形光斑半径其中为发射光学部的光束发散角。

7.根据权利要求5所述用于无线光通信并行传输系统的光学天线的计算方法，其特征在于：所述重叠面积积分整理得：

其中y₀为光斑中心离轴距离，y_c为圆形光斑与接收端共焦望远镜出瞳光斑交点的离轴距离。