CN110086535A - 空间光通信多孔径接收装置及多孔径接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种空间光通信多孔径接收装置及多孔径接收方法，空间光通信多孔径接收装置：空间光学接收系统、多根空间光耦合光纤和光电信号处理系统，空间光学接收系统用于接收空间光以形成多孔径接收光信号，多孔径接收光信号对应的耦合进入多根空间光耦合光纤以形成多路光纤传输光信号。光电信号处理系统用于将多路光纤传输光信号转换为多路电信号，并对多路电信号进行电信号处理。根据本发明的空间光通信多孔径接收装置，能够大大降低大气湍流对空间光通信系统的影响，降低通信误码率，提高了空间光通信系统的稳定性和可靠性。并可以将空间光通信和地面光纤有线网紧密的结合在一起，以利用成熟的光纤通信器件对信号进行光放大等光信号处理。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种空间光通信多孔径接收装置及多孔径接收方法。
背景技术
空间光通信是空间通信领域的前沿技术，具有通信容量大、保密性好、抗电磁干扰能力强、设备体积小、重量轻、功耗低、不需要无线电频率使用许可等优点。自激光问世以来，随着光电器件水平的不断进步和提升，空间光通信也逐渐从理论和实验研究进展到了应用阶段。
作为空间光通信链路的重要组成部分，星地链路和地面水平链路中激光在大气中传输时都会受到大气湍流的干扰。大气湍流会引起大气折射率起伏，进而影响光束的传输质量，破坏光场的相干性。这些变化可以表现为光强起伏、相位起伏等形式，可能严重影响通信过程中系统的信噪比、误码率、中断概率等重要性能。
应用于缓解大气对空间光通信系统性能影响的技术有很多，其中多孔径接收技术是缓解大气湍流对空间光通信影响的重要方法之一。多孔径接收技术通常可以利用不同孔径之间大气信道的不相关性，通过独立的衰落信道为接收系统提供承载相同信号的多个副本，而所有副本同时出现强信号衰落的概率相对很小，再通过在接收端将接收到的信号以适当的方式进行合并，就可以降低信号衰落的强度并且提高空间通信系统的性能。多孔径接收技术在空间光通信应用中有许多潜在的优势。例如，多孔径接收技术在无线电频率技术中已经得到过充分的研究和广泛的应用。同时，在大气信道中，光学波前的相干长度通常在厘米量级，因此，多个接收望远镜的间距仅需要设置为几厘米以上，就可以认为各个衰落信道之间是相互独立的，那么这使得多孔径接收技术可以很容易在空间光通信系统中得以实现。此外，多孔径接收技术除了能减轻大气衰减效果，从经济效益角度看，多个小面积孔径接收望远镜的生产成本要远远低于单个大孔径接收望远镜的生产成本。同时，多孔径接收，多信道通信的结构也使得它能够降低像鸟等障碍物对激光信号造成暂时性遮挡的可能性。
传统的空间光通信多孔径接收技术主要是将光信号经过空间光路传输以及接收光学系统聚焦，直接照射到光电探测器进行接收和后续的光电信号处理，然而，目前地面通信网络的主干网大部分已为光纤通信网络，光纤通信中的光信号处理器件已非常成熟，便于在光域将信号进行放大和处理。因此，传统的空间光探测接收方式已经越来越不能满足和适应未来对空间光通信发展的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何降低大气湍流对空间光通信系统性能的影响，提供一种空间光通信多孔径接收装置及多孔径接收方法。
本发明提出一种空间光通信多孔径接收装置，包括：
空间光学接收系统，用于接收空间光以形成多孔径接收光信号；
多根空间光耦合光纤，用于供所述多孔径接收光信号对应的耦合进入多根所述空间光耦合光纤以形成多路光纤传输光信号；
光电信号处理系统，用于将多路所述光纤传输光信号转换为多路电信号，并对多路所述电信号进行电信号处理。
根据本发明的空间光通信多孔径接收装置，利用空间光学接收系统接收空间光并形成多孔径接收光信号，通过将多孔径接收光信号对应耦合至多根空间光耦合光纤内，可以利用空间光耦合光纤传输光信号，从而将空间光通信和地面光纤有线网紧密的结合在一起，提高了光信号传输的稳定性和可靠性。而且，光信号可以经光纤传播至光电信号处理系统，光电信号处理系统可以将多路光纤传输光信号转换为多路电信号，并对多路电信号进行相应处理，解调出光信号传递的相应信息，以在实现光通信功能的同时，大大降低大气湍流对空间光通信的影响，提高通信系统的通信性能。
根据本发明的一些实施例，所述空间光耦合光纤上设有用于对多路所述光纤传输光信号进行信号放大的掺铒光纤放大器。
在本发明的一些实施例中，所述光电信号处理系统包括：
光电探测器，用于将多路所述光纤传输光信号转换为多路所述电信号；
电信号放大器，用于放大多路所述电信号；
信号合成器，用于将多路所述电信号进行信号合并，以形成合并信号；
信号解调器，用于解调所述合并信号。
根据本发明的一些实施例，所述空间光通信多孔径接收装置包括四根所述空间光耦合光纤；
所述空间光学接收系统包括四个接收孔径和四个光学耦合透镜，四根所述空间光耦合光纤与四个所述光学耦合透镜一一对应。
在本发明的一些实施例中，每个所述接收孔径的内径的范围是50mm～100mm。
根据本发明的一些实施例，相邻的两个所述接收孔径之间的距离大于100mm。
在本发明的一些实施例中，所述空间光耦合光纤为单模光纤。
本发明还提出一种用于空间光通信的多孔径接收方法，包括：
采用上述所述的空间光通信多孔径接收装置接收空间光，并形成多孔径接收光信号；
将多束所述多孔径接收光信号一一对应的耦合至多根空间光耦合光纤内，以形成多路光纤传输光信号；
将多路所述光纤传输光信号转换为多路电信号，并对多路所述电信号进行电信号处理。
根据本发明的用于空间光通信的多孔径接收方法，可以形成基于单模光纤耦合的多孔径接收方法。由此，可以利用像掺铒光纤放大器(EDFA)这种在光纤通信中应用已经比较成熟的光电器件对接收光信号直接进行光学放大以提高接收到的信号强度，或利用其他光纤通信器件对耦合进入光纤的信号进行相应处理。而且，基于光纤耦合的空间光通信的多孔径接收方法能够极大缓解大气湍流对空间光通信系统性能的影响，降低系统通信误码率。
根据本发明的一些实施例，所述对多路电信号进行电信号处理包括：
将多路所述电信号进行信号合并，以形成合并信号；
解调所述合并信号。
在本发明的一些实施例中，在将多路所述光纤传输光信号转换为多路电信号之前，还包括：对多路所述光纤传输光信号进行信号放大。
附图说明
图1为本发明实施例的空间光通信多孔径接收装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的空间光通信多孔径接收装置的结构示意图；
图3为本发明实施例的空间光通信多孔径接收装置的局部结构示意图；
图4为本发明实施例的空间光通信多孔径接收装置的接收孔径的排布示意图；
图5为本发明实施例的用于空间光通信的多孔径接收方法流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
如图1所示，根据本发明实施例的空间光通信多孔径接收装置，空间光通信多孔径接收装置包括：空间光学接收系统、多根空间光耦合光纤和光电信号处理系统。
具体而言，如图1所示，空间光学接收系统可以用于接收空间光以形成多孔径接收光信号。也就是说，空间光学接收系统可以用于接收空间光，并且，空间光经过光学接收系统处理后可以形成多孔径接收光信号。例如，空间光学接收系统可以包括多个接收孔径和多个光学耦合透镜，多个光学耦合透镜与多个接收孔径一一对应，空间光经过多个接收孔径后形成多孔径接收光信号，多孔径接收光信号经过对应的光学耦合透镜聚焦后，可以形成多路聚焦接收光信号。
多根空间光耦合光纤用于供多束多孔径接收光信号对应的耦合进入多根空间光耦合光纤以形成多路光纤传输光信号。需要说明的是，空间光学接收系统接收空间光后形成的多孔径接收光信号聚焦后可以一一对应耦合至多根空间光耦合光纤内以形成多路光纤传输光信号。由此，通过将多孔径接收光信号耦合至对应的空间光耦合光纤内，可以利用成熟的光纤通信器件对光纤传输光信号进行信号处理，从而将空间光通信和地面光纤有线网紧密的结合在一起，提高了光信号传输的稳定性和可靠性。
光电信号处理系统可以用于将多路光纤传输光信号转换为多路电信号，并对多路电信号进行电信号处理。由此，可以通过光电信号处理系统将光纤传输光信号转化为电信号，以解调出光信号所传递的相应信息。
根据本发明的空间光通信多孔径接收装置，利用空间光学接收系统接收空间光并形成多孔径接收光信号，通过将多孔径接收光信号对应耦合至多根空间光耦合光纤内，可以将空间光通信和地面光纤有线网紧密的结合在一起，提高了光信号传输的稳定性和可靠性。利用空间光耦合光纤传输光信号，可以利用光纤通信的成熟器件对光纤传输光信号进行放大和处理。利用光电信号处理系统将光纤传输光信号转变为电信号进行电信号处理，可以利用多孔径接收各孔径间信号的不相关性，大大降低大气湍流对空间光通信系统通信性能的影响，降低通信误码率。
根据本发明的一些实施例，如图1和图2所示，空间光耦合光纤上可以设有用于对多路光纤传输光信号进行信号放大的掺铒光纤放大器(EDFA)。需要说明的是，掺饵光纤放大器是在光纤纤芯中掺入了铒离子Er3+的光信号放大器，掺饵光纤放大器具有增益高、带宽大、输出功率高、泵浦效率高、插入损耗低、对偏振态不敏感等优点。由此，通过将多孔径接收光信号耦合至对应的多根空间光耦合光纤内，可以利用空间光耦合光纤上设置的掺铒光纤放大器进行光信号放大，以提高信号强度。
在本发明的一些实施例中，结合图1和图2所示，光电信号处理系统可以包括：光电探测器、电信号放大器、信号合成器和信号解调器。
其中，光电探测器可以用于将多路光纤传输光信号转换为多路电信号。需要说明的是，当光信号经过光电探测器时，光信号的辐射可以引起光电探测器材料电导率发生改变，从而可以将光信号转换为对应的电信号。
电信号放大器用于放大多路电信号。由此，可以增强电信号强度，从而进一步提高了信号传输的可靠性和稳定性。
信号合成器用于将多路电信号进行信号合并，以形成合并信号。也就是说，多路电信号经过信号合成器时，可以进行信号合并。例如，信号合并方式可以选择最大比合并(MRC)，等增益合并(EGC)以及选择性合并(SC)等常用分集系统信号合并方式。
信号解调器可以用于解调合并信号。由此，可以通过信号解调器对合并信号进行解调，以获取信号的相应信息。
根据本发明的一些实施例，如图1和图2所示，空间光通信多孔径接收装置可以包括四根空间光耦合光纤。相应地，空间光学接收系统可以包括四个接收孔径和四个光学耦合透镜，四根空间光耦合光纤与光学耦合透镜一一对应。需要说明的是，空间光学接收系统的接收孔径可以接收空间光，空间光可以通过四个接收孔径形成四路接收光信号，四路接收光信号光线经过对应的光学耦合透镜后形成四束聚焦接收光。需要说明的是，光学耦合透镜可以对光线进行聚焦，光线经过光学耦合透镜聚焦后形成四束聚焦接收光，以便于将光线聚焦耦合至对应的空间光耦合光纤内。例如，光学耦合透镜可以为凸透镜。
可以理解的是，上述空间光耦合光纤并非局限于四根，空间光学接收系统的接收孔径和光学耦合透镜也并非局限于四个。空间光耦合光纤可以是两根、三根、五根或更多，相应地，空间光学接收系统的接收孔径和光学耦合透镜的数量设置为与空间光耦合光纤数量一致。在实际应用中，可以根据实际需要进行相应的选择设计。
在本发明的一些实施例中，如图4所示，每个接收孔径的内径的范围可以是50mm～100mm。可以理解的是，接收孔径的内径设置的过大，会增大光通信终端的体积和空间占用；接收孔径的内径设置的过小，影响空间光信号的接收强度。经过实验验证，当每个接收孔径的内径的范围设置为50mm-100mm时，可以有效保证空间光的接收强度，而且，有利于光通信终端的紧凑化设计。如图4所示，每个孔的内径可以为80mm。
根据本发明的一些实施例，相邻的两个接收孔径之间的距离大于100mm。需要说明的是，在大气信道中，光学波前的相干长度通常在厘米量级，因此，当相邻两个孔之间的距离大于100mm时，可以保证大气湍流对经过各孔后的接收光信号的影响效果是互不相关的。由此，有利于充分发挥多孔径接收系统的效能，降低大气湍流对传输信号的影响，提高了信号传输的可靠性和稳定性。如图4所示，相邻的两个接收孔径之间的距离可以为110mm。
根据本发明的一些实施例，空间光学接收系统可以为空间光聚焦光学系统。空间光聚焦光学系统具有聚焦功能，以便于将空间光聚焦耦合至对应的空间光耦合光纤内。光学耦合透镜可以为凸透镜。可以理解的是，凸透镜具有聚光的作用。光学耦合透镜采用凸透镜，可以通过凸透镜对空间光进行聚光，从而便于将光信号会聚至对应的空间光耦合光纤内。
在本发明的一些实施例中，空间光耦合光纤可以为单模光纤。可以理解的是，单模光纤适合长距离、大容量的通信系统，采用单模光纤，有利于提高光通信系统的信号传输容量，并有利于提高信号传输的稳定性和可靠性。
在发明的另一些实施例中，空间耦合光纤也可以采用多模光纤。由此，可以提高设计的多样性。在实际应用中，可以根据实际需要选择使用单模光纤或多模光纤。
需要说明的是，如图3所示，空间光经过大气传输后，空间光经光学耦合透镜到单模光纤的接收光学系统可以等效为直径为D，焦距为f的衍射极限薄透镜。
根据空间光到单模光纤耦合效率计算公式：
式(1)中的各参数含义如下：
x1，x2：归一化的径向积分变量，可分别定义为x1＝2r1/D和x2＝2r2/D；
r：距光轴中心的距离；
AR：接收孔径的面积，即AR＝πD2/4；
AC：以大气空间相干半径为半径的圆面积，称为散斑面积，即
ρc：大气空间相干半径；
β：光纤耦合参数，定义为光瞳半径与光纤后向传输模场半径的比值，即
其中，ωa：光纤后向传输模场半径；
ω0：高斯光束束腰半径。
从式(1)中可以看出，在其他条件不变的情况下，孔径越大的光接收系统，其平均耦合效率也就越低。那么在接收孔径具有相同总接收面积的情况下，对于平均光纤耦合效率，多孔径接收系统每个孔径都要大于单孔径接收系统，也就是说多孔径接收系统各个孔径耦合到光纤中的信号光的平均总能量要高于相同总接收面积条件下单孔径接收系统耦合到光纤中的信号光的平均总能量。所以具有多孔径接收的光通信接收装置更加适合应用在基于光纤耦合的空间光通信接收系统中。
在一个具有L个接收孔径的光纤耦合空间光通信接收系统中，在各孔径的接收信号通过光电探测器转变为电信号后，第l个接收孔径中的电流信号可以表示为
il＝is,l+in,l (3)
式中，is,l表示的是第l个孔径的信号电流，in,l表示的是第l个孔径的噪声电流。
这样接收系统中每一个孔径l的信噪比可以表示为
式中，Gl为l孔径中EDFA的放大增益；Pr,l＝AlIl为第l接收孔径表面所接收到的光功率；Al为第l个接收孔径的面积；Il为第l个接收孔径的接收光强；Ps,l＝ηlPr,l为第l接收孔径的光纤耦合光功率；为第l个接收孔径总的噪声方差。系统中每个孔径的平均信噪比可以定义为：
当ηl和Il为各自独立的随机变量时，第l个孔径的平均信噪比可以写为：
式中，E[ηl]为第l孔径的平均光纤耦合效率；E[Il]为第l孔径的平均光强。所以当Il归一化时，系统中每个孔径的平均信噪比可以表示为：
式中，η0,l＝E[ηl]。
对于一个接收孔径数为L的多孔径接收系统来说，基于光纤耦合的直接探测最大比合并(MRC)多孔径接收系统合成器输出的瞬时信噪比可以表示为：
光纤耦合直接探测等增益合并(EGC)多孔径接收系统合成器输出的瞬时信噪比可以表示为：
基于光纤耦合选择性合并(SC)直接探测多孔径接收系统合成器输出的瞬时信噪比可以表示为：
γSC＝max{γ1,γ2,...,γL} (10)
可见，相对于同等平均接收光功率的单孔径光纤耦合接收系统，多孔光纤耦合接收系统能够通过光纤耦合效率增益提升接收系统的平均信噪比，进而提高系统的通信性能。
根据本发明用于空间光通信的多孔径接收方法，如图5所示，方法包括：
S101：采用上述所述的空间光通信多孔径接收装置接收空间光，并形成多孔径接收光信号。如图1和图2所示，经过大气湍流干扰的信号空间光会产生波前畸变，带有波前相位随机起伏的空间光进入空间光学接收系统，经多路望远镜光学接收器件上的接收孔径分成多束光线，多束光线经对应的光学耦合透镜聚焦后形成多束聚焦空间光。
S102：将多束多孔径接收光信号一一对应的耦合至多根空间光耦合光纤内，以形成多路光信号。如图1-图3所示，经光学耦合透镜聚焦形成后的多束聚焦空间光聚焦至空间光耦合光纤纤芯的表面，并耦合至对应空间光耦合光纤内形成多路光纤传输光信号。
S103：将多路光纤传输光信号转换为多路电信号，并对多路电信号进行电信号处理。如图1所示，多路光纤传输光信号经光电信号处理系统转化为多路电信号，并对电信号进行处理，最后解调出相应的信号信息。
根据本发明的用于光通信的空间光接收方法，可以形成基于单模光纤耦合的多孔径接收系统，该系统具有如下优点：
能够极大缓解大气湍流对空间光通信系统性能的影响，降低系统通信误码率；可以利用像掺铒光纤放大器(EDFA)这种在光纤通信中应用已经比较成熟的光电器件对接收光信号直接进行光学放大，以提高接收到的信号强度，或利用其他光纤通信器件对耦合进入光纤的信号进行相应处理；更加便于将空间光通信网络和地面光纤通信网络相互链接；由于大气相干长度和波长直接相关，所以对于光通信接收装置来讲，各孔径之间的距离仅需要设置为几厘米以上，就可以认为各个衰落信道之间是相互独立的，这样使得空间光通信多孔径接收装置结构小、重量轻且安装配置简单。
另外，由于多孔径接收系统各个孔径耦合到光纤中的信号光的平均总能量要高于相同总接收面积条件下单孔径接收系统耦合到光纤中的信号光的平均总能量。所以对于同样应用光纤耦合技术的空间光通信接收系统来说，采用本申请的用于光通信的空间光接收方法，不仅具有传统多孔径接收系统所具有的多孔径增益，同时具有光纤耦合效率提升所带来的光纤耦合效率增益。
根据本发明的一些实施例，对多路电信号进行电信号处理包括：将多路电信号进行信号合并，以形成合并信号。需要说明的是，信号合并方式可以选择最大比合并(MRC)，等增益合并(EGC)以及选择性合并(SC)等常用分集系统信号合并方式。
MRC的信号合并方式是将每一个接收孔径的接收信号乘以和各孔径接收光强成正比的加权系数再进行合并(且各孔径的接收光强和加权系数的比例系数相同)，以实现合并信号信噪比的最大化。在不存在其他干扰的情况下，由于MRC能够使输出合并信噪比最大化，其为最优的多孔径接收合并方式，但也具有最高的实现复杂性。和MRC合并相比，EGC的合成器会按照相同的权重来合并来自各孔径的信号，即将接收到的信号直接等增益相加。当在实际应用中的设备难以实时精确地评估各孔径接收信号强度的大小时，EGC是一种非常实用的合并方式。SC接收系统则是简单的实时处理多个孔径中具有最大信噪比的一个孔径，并将其余孔径的信号全部舍弃。
多路光信号转换为多路电信号后，每路电信号可以先进行信号放大，再进行信号合并形成合并信号。由此，有利于提高信号传输的可靠性和稳定性。
经过信号合并后的合并信号可以经过信号解调器解调合并信号，以获取相应的传输信息。
在本发明的一些实施例中，在将多路光纤传输光信号转换为多路电信号之前，还包括：对多路光纤传输光信号进行信号放大。如图1所示，每根空间光耦合光纤上均设有掺铒光纤放大器，光纤传输光信号经过掺铒光纤放大器信号放大后，进入光电信号处理系统，以将信号放大后的光纤传输光信号转换为电信号。由此，提高了信号传输的稳定性和可靠性。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
Claims (10)
1.一种空间光通信多孔径接收装置，其特征在于，包括：
空间光学接收系统，用于接收空间光以形成多孔径接收光信号；
多根空间光耦合光纤，用于供所述多孔径接收光信号对应的耦合进入多根所述空间光耦合光纤以形成多路光纤传输光信号；
光电信号处理系统，用于将多路所述光纤传输光信号转换为多路电信号，并对多路所述电信号进行电信号处理。
2.根据权利要求1所述的空间光通信多孔径接收装置，其特征在于，所述空间光耦合光纤上设有用于对多路所述光纤传输光信号进行信号放大的掺铒光纤放大器。
3.根据权利要求1所的述空间光通信多孔径接收装置，其特征在于，所述光电信号处理系统包括：
光电探测器，用于将多路所述光纤传输光信号转换为多路所述电信号；
电信号放大器，用于放大多路所述电信号；
信号合成器，用于将多路所述电信号进行信号合并，以形成合并信号；
信号解调器，用于解调所述合并信号。
4.根据权利要求1所述的空间光通信多孔径接收装置，其特征在于，所述空间光通信多孔径接收装置包括四根所述空间光耦合光纤；
所述空间光学接收系统包括四个接收孔径和四个光学耦合透镜，四根所述空间光耦合光纤与四个所述光学耦合透镜一一对应。
5.根据权利要求4所述的空间光通信多孔径接收装置，其特征在于，每个所述接收孔径的内径的范围是50mm～100mm。
6.根据权利要求4所述的空间光通信多孔径接收装置，其特征在于，相邻的两个所述接收孔径之间的距离大于100mm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的空间光通信多孔径接收装置，其特征在于，所述空间光耦合光纤为单模光纤。
8.一种用于空间光通信的多孔径接收方法，其特征在于，包括：
采用根据权利要求1-7中任一项所述的空间光通信多孔径接收装置接收空间光，并形成多孔径接收光信号；
将所述多孔径接收光信号一一对应的耦合至多根空间光耦合光纤内，以形成多路光纤传输光信号；
将多路所述光纤传输光信号转换为多路电信号，并对多路所述电信号进行电信号处理。
9.根据权利要求8所述的用于空间光通信的多孔径接收方法，其特征在于，所述对多路电信号进行电信号处理包括：
将多路所述电信号进行信号合并，以形成合并信号；
解调所述合并信号。
10.根据权利要求8所述的用于空间光通信的多孔径接收方法，其特征在于，在将多路所述光纤传输光信号转换为多路电信号之前，还包括：对多路所述光纤传输光信号进行信号放大。
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