CN109639360B - 一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的阵列接收方案，属于深空激光通信领域；具体为一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法，该方法主要包括基于多像素光子探测器有效探测区域较大的特点而设计的。方案首先将万向支架上N个天线接收的光信号分别通过多模光纤传输到MPPC的有效探测区域上，然后对MPPC探测到的光信号进行采样存储，最后送入计算机中完成纠错译码；本发明通过将多个天线接收到光信号由多模光纤传输到MPPC上进行探测，与传统的接收方案在每个天线的焦平面处直接放置一个光子探测器阵列相比极大的节约了高成本的光子探测器个数。采用该方案既易于实现、节约成本，也能达到目前普遍采用的接收方案相同的探测效果。

Description

一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法

技术领域

本发明属于深空激光通信领域，涉及一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法。

背景技术

激光通信由于具有容量大、功耗低、天线尺寸小等诸多优势，因此在远距离空间激光通信中极具发展前景。而在深空激光通信中，由于光子探测阵列和脉冲位置调制(PulsePosition Modulation,PPM)两项技术具有能量效率高、抗干扰能力强以及探测频率高等诸多优点，因此得到广泛应用。

对于深空激光通信系统，由于通信链路较长，使得到达地面接收端的光信号十分微弱，而且大气湍流和天空背景光的辐射会对通信链路产生严重的影响，从而使得通信系统的性能恶化。普通的光电探测器由于灵敏度受限故不能够探测到这极其微弱的光信号。而光子探测器可探测单个入射光子，其灵敏度远高于传统的雪崩光电二极管(APD)，也高于前置光放大器或相干光探测方式。但其主要缺点是一次探测只能分辨一个光子，一般需要较长的恢复时间后才能探测下一个光子，因此器件重复频率较低。解决光子探测器重复频率低这个缺点的主要方法是采用阵列技术，接收机由多个光子探测器组成阵列，各个子探测单元独立工作，当其中一部分探测单元处于恢复状态时，另外一些探测单元可能正好处于工作状态，这种方式可显著提高探测频率，并可利用阵列分集接收特性抑制各种衰弱的影响。JPL实验室及林肯实验室针对深空激光通信应用发明了两种专用的光子探测器阵列器件。一种是有4个探测单元的超导纳米线光子探测器线阵，另外一种是盖革模式雪崩二极管焦平面阵列。这两种探测器阵列也分别应用于LLCD系统和火星到地球的激光通信系统中。

日本滨松公司于2007年推出了多像素光子计数器(Multi-pixel PhotonCounter，MPPC)，其一经推出就受到广泛关注，各种应用报道层出不穷。MPPC是一种新型光子计数器件，具有高增益、低噪声、低偏置电压、高探测概率、低功率消耗、高可靠性等优点。由于其本身就是由很多工作在盖革模式下的APD组成，使其探测面就相当于一个二维阵列结构。优良的光子计数能力使其在远距离激光测距技术、激光雷达技术、量子光学、原子物理学等现代科研领域均有所研究。由于MPPC其具有的优良光子计数能力和超高的性价比以及有效探测区域较大的特点，因此研究一种基于MPPC的新型阵列接收方案在深空光通信领域的应用将会有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型阵列接收方案在深空光通信领域的应用。该方案既易于实现、节约成本，也能达到目前普遍采用的接收方案相同的探测效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于多像素光子计数器的新型光通信阵列接收方法的实现，主要包括以下步骤：

S1：将万向支架上的N根光学天线接收到的光信号，各自通过其对应的多模光纤传输到多像素光子计数器的有效探测区域上，N根多模光纤将所述有效探测区域分为N个探测单元；

S2：采用发射端的两倍或以上PPM时隙频率，对多像素光子计数器输出的电信号进行采样，再将这些采样信号存储；

S3：将存储的采样信号送入数字信号处理DSP中进行时隙同步、符号同步以及帧同步，进行数据的解调及译码。

进一步的，所述接收到的光信号包括发射端采用SCPPM编码方案，将编码后的数据送入FPGA中并通过脉冲形成模块产生PPM波形并成帧也可以直接通过FPGA完成SCPPM编码，产生PPM波形并成帧，驱动激光器发射出受数据调制的PPM光脉冲序列。

进一步的，所述多模光纤仅包括纤芯和包层，所述多模光纤的半径r为60～65μm。各光学接收天线将接收到的光信号耦合到多模光纤中进行传输，传输过程中主要是将各仅由多纤芯和包层构成的多模光纤全部汇聚进一个较大的保护套中传输。

进一步的，所述多像素光子计数器的有效探测区域为L×L，其中，L＝[2.995,3.005]毫米。

优选的，所述多模光纤传输到多像素光子计数器的有效探测区域上包括多模光纤根数与有效探测区域的关系为

其中，

表示向下取整。

优选的，所述步骤S2具体包括通过数字示波器采用发射端的两倍或以上PPM时隙频率，对多像素光子计数器输出的电信号进行采样，完成采样存储，或通过高频AD采样模块进行采样，将采样后的数据存储在FPGA开发板中。

进一步的，所述步骤S3中的解调过程包括通过探测到光子产生脉冲的幅度，确定出在各个PPM时隙探测到的光子数；从而通过各时隙内光子数判定出信号时隙，完成PPM符号的解调；其中，判定准则为：

若一个PPM符号内哪个时隙内光子数最多即判定为信号时隙；否则，一个PPM符号内若存在多个时隙光子总数相同的情况下，则选择哪个时隙内各采样时刻光子数的分布近似服从高斯分布则判定为信号时隙。

即输出的电信号特征为：经过多像素光子计数器出来的电脉冲信号幅度将不一致，这是由于每一时刻探测到的光子数不同导致的，同一时刻探测到的光子数越多，产生的电脉冲信号的幅度越大。

该多像素光子探测器在探测到光子时，输出的电脉冲特点是：探测到一个光子输出一定幅度的脉冲，而同时刻探测到多个光子时会产生幅度叠加的脉冲，因此可以通过脉冲的幅度直接得到各时刻探测到的光子数，而传统的接收方案需要将各探测器接收到的信号进行时延对准后，再通过求和得到各时刻探测到总的光子数。

进一步的，在一个PPM时隙内，该光子计数器能探测到n个光子的概率如下：

式中，N_photns(n|1)表示该时隙发送信号‘1’时，光子计数器探测到n个光子的概率；N_photns(n|0)表示该时隙发送信号‘0’时，光子计数器探测到n个光子的概率；n_s表示发射端信号时隙的平均光子数，n_b表示发射端每时隙的平均背景光子数；

N为多像素光子计数器的像素个数。

本发明的有益技术效果为：

1、本发明的新型深空光通信接收方法主要是基于多像素光子计数器具有极高的性价比而提出的。本发明充分利用了MPPC的有效探测区域较大的特点，将该有效探测区域划分为N个探测单元，就可以将N个光学接收天线接收的光信号传输到一个阵列光子探测器上。

2、本发明探测到一个光子则输出一定幅度的脉冲，而同时刻探测到多个光子时会产生幅度叠加的脉冲，因此可以通过脉冲的幅度直接得到各时刻探测到的光子数，而传统的接收方案需要将各探测器接收到的信号进行时延对准后，再通过求和得到各时刻探测到总的光子数。

3、本发明相比于当前普遍采用光子探测阵列接收方案，该方案与之性能基本差不多，但其实现简单，并且其最大的优点是其极大的节约了成本。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明接收方案采用的多像素光子计数器有效探测区域被划分为若干个探测单元同时接收多个天线接收到的光信号的示意图；

图3为当前普遍采用的接收方案示意图；

图4为本发明与现有技术的性能对比图；

图5为本发明中光子数与信号时隙的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合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。

本发明提供一种基于多像素光子计数器的新型深空光通信阵列接收方案，为了更好的说明该方案的具体实现过程，将结合整个光PPM信号调制解调系统进行说明。这里对众所周知的功能结构不必要的描述在此被略去。本发明的结构总体示意图如图1所示，该方案的具体实施过程如下：

1)发射端首先将二进制数据进行信道编码，可采用SCPPM、LDPC、Turbo等编码方案，然后将编码后的数据送入PPM调制系统，产生PPM波形并成帧，并由激光器发射出受数据调制的PPM光脉冲序列，使其在空间信道中传输。

2)接收端通过阵列接收机对光信号进行接收。本方案采用多像素光子计数器进行接收，接收方案具体实施如下：

S1：将万向支架上的N根光学天线接收到的光信号，各自通过其对应的多模光纤传输到多像素光子计数器的有效探测区域上，N根多模光纤将所述有效探测区域分为N个探测单元，具体如图2所示。

S2：采用发射端发射信号的两倍或以上PPM时隙频率，对多像素光子计数器输出的电信号进行采样，再将这些采样信号存储；

S3：将存储的采样信号送入数字信号处理DSP中进行时隙同步、符号同步以及帧同步，进行数据的解调及译码。

3)如图3所示是当前普遍采用的光子探测阵列接收方案示意图，该方案是在N个光学天线后面都直接放置一个二维光子探测器阵列进行光信号的接收。后续再依次完成各路信号的采样，数据存储，并送入DSP中进行时隙同步、符号同步、帧同步并完成各路信号的合并，最后进行数据的解调及译码。

4)最后再对比两种阵列接收方案的误码性能。两种接收方案的示意图分别如图1和图3所示，本发明采用的阵列接收方案将各光学天线接收到的光信号通过多模光纤共同传输到一个多像素光子计数器阵列上，而传统方案是在每个光学接收天线的焦平面处都放置一个光子探测器阵列进行接收。

如图4所示，从图中可以看出两种接收方案的误码性能基本差不多，并且随着探测单元的增加两种接收方案的误码性能更加接近。故从中可知，采用基于多像素光子计数器的新型阵列接收方案将会极大的节约使用光子探测器的个数，将会有效的减少实际成本，并且其误码性能与当前普遍采用的光子阵列接收方案基本一致。

将本发明中的新型阵列接收方案与当前普遍采用的光子探测阵列接收方案相比，具体比较步骤如下：

S401：两种接收方案选择的探测器分别为：本发明中的接收方案采用的是13365-3050SA型多像素光子计数器，其主要特点是探测效率较高，有效探测区域较大(共有3600个像素)；常规接收方案中采用的是SPCM-50A型单光子计数器，该探测器主要特点是探测效率较高和较低的暗计数。两种探测器的主要性能参数如附图中表1所示。

表1两种探测器的性能参数

S402：两种接收方案的示意图分别如附图中图1和图3所示，图1为本发明提出的新型阵列接收方案，该方案的主要特点是将多个光学接收天线接收到的光信号都通过多模光纤传输到一个多像素光子计数器上，将探测器有效探测区域分为若干个探测单元，这样充分利用该光子探测器较大探测区域，极大节约了探测器的使用个数。图3为当前普遍采用的阵列接收方案，该方案是在每个接收天线的焦平面处都放置一个的光子探测器阵列进行光信号的探测。

S403：两种阵列接收方案中在完成光信号的探测后，再对探测器输出的信号进行采样和数据存储，再将该数据送入DSP中完成相应的同步、解调和译码等过程。

S404：最后计算两种方案在相同条件下的误码性能，并绘制误码性能的对比图如附图4所示。从中可以看出两种接收方案的性能基本差不多，但采用本发明的阵列接收方案将极大节约探测器的个数。

如图5所示，由于最后译码过程是根据最大似然判决准则(判定准则)，当信号时隙光子阵列接收机探测到的光子数大于其他非信号时隙对应的光子数时就可以正确判别出信号时隙的位置并完成PPM符号的解调。

但对于一个PPM符号内，很有可能出现多个时隙光子数并列最大的情况，此时为了更加准确的解调译码，需要比较分析这些时隙内各采样时刻的光子数更加符合高斯分布(即在一个时隙中心位置处光子数更多，而在时隙两端光子数较少)，如图5所示，这样就可以将该时隙判别为信号时隙。通过判断光子数最大时隙内各采样时刻的光子数更加符合高斯分布的原因，主要是由于深空信道的时延抖动特性确定的，通过大量的实验和理论分析接收端信号时延抖动特性分布近似服从高斯分布模型。此时第i个时隙和第j个时隙内的光子数相等，但由于第i个时隙的光子数更加近似高斯分布，则会将其判别为信号时隙；其中，这个近似程度可根据与高斯分布模型的重叠程度来判断，若重叠部分越多，则表明其更加近似高斯分布；若重叠部分一样多，则随机选取其中一个时隙作为信号时隙。

综上所述，相比于当前普遍采用的光子阵列接收方案，基于多像素光子计数器的阵列接收方案极大的减少了光子探测器的个数，从而节约了较大的成本，并且对比两种接收方案的误码性能可知，两者性能很接近，因此本发明方案具有重要的实际应用前景。由于所有的光子探测器都存在恢复时间的限制，在探测到一个光子后必须经过一定的时间后才能探测下一个光子，这样就会造成一个PPM符号内其它很多光子不能探测到。而采用该多像素光子计数器，当其中一个像素探测到光子后经历恢复时间时其他的像素仍然能够探测到该时隙到来的其他光子。这样就有效解决了探测器重复频率较低的问题。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

Claims (8)

1.一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1：将万向支架上的N根光学天线接收到的光信号，各自通过其对应的多模光纤传输到多像素光子计数器的有效探测区域上，N根多模光纤将所述有效探测区域分为N个探测单元；

S2：采用发射端的两倍或以上PPM时隙频率，对多像素光子计数器输出的电信号进行采样，再将这些采样信号存储；

S3：将存储的采样信号送入数字信号处理DSP中进行时隙同步、符号同步以及帧同步，进行数据的解调及译码；

其中，数据的解调过程包括通过探测到光子产生脉冲的幅度，确定出在各个PPM时隙探测到的光子数；从而通过各时隙内光子数判定出信号时隙，完成PPM符号的解调。

2.根据权利要求1所述的一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法，其特征在于：所述接收到的光信号包括发射端采用SCPPM编码方案，将编码后的数据送入FPGA中并通过脉冲形成模块产生PPM波形并成帧或直接通过FPGA完成SCPPM编码，产生PPM波形并成帧，驱动激光器发射出受数据调制的PPM光脉冲序列。

3.根据权利要求1所述的一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法，其特征在于：所述多模光纤仅包括纤芯和包层，所述多模光纤的半径r为60～65μm。

4.根据权利要求3所述的一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法，其特征在于：所述多像素光子计数器的有效探测区域为L×L，其中，L＝[2.995,3.005]毫米。

5.根据权利要求4所述的一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法，其特征在于：所述多模光纤传输到多像素光子计数器的有效探测区域上包括多模光纤根数与有效探测区域的关系为

其中，

表示向下取整。

6.根据权利要求1所述的一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括通过数字示波器采用发射端的两倍或以上PPM时隙频率，对多像素光子计数器输出的电信号进行采样，完成采样存储，或通过高频AD采样模块进行采样，将采样后的数据存储在FPGA开发板中。

7.根据权利要求1所述的一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法，其特征在于：所述步骤S3中的解调过程所采用的判定准则为：

若一个PPM符号内哪个时隙内光子数最多即判定为信号时隙；否则，一个PPM符号内若存在多个时隙光子总数相同的情况下，则选择哪个时隙内各采样时刻光子数的分布近似服从高斯分布则判定为信号时隙。

8.根据权利要求7所述的一种基于多像素光子计数器的新型阵列接收方法，其特征在于：在一个PPM时隙内，该光子计数器能探测到n个光子的概率如下：

式中，N_photns(n|1)表示该时隙发送信号‘1’时，光子计数器探测到n个光子的概率；N_photns(n|0)表示该时隙发送信号‘0’时，光子计数器探测到n个光子的概率；n_s表示发射端信号时隙的平均光子数，n_b表示发射端每时隙的平均背景光子数；

N为多像素光子计数器的像素个数。

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