CN110289904B - 逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制方法和装置，装置分为询问端和逆向调制端，询问端发出激光，通过光学天线进行光束准直以后传输到逆向调制端，逆向调制端的调制器将输入信号调制到询问端发送来的激光上，并通过“猫眼”效应将询问端发送过来的激光原方向反射回去；本发明在询问端增加了发射光功率预补偿机制，通过光强幅值采样模块感知接收信号的大小，从而可自适应改变发射光功率。本发明可将接收到的光强维持在恒定值，从而抑制大气湍流对逆向调制无线光通信的影响，可实现性能更好的逆向调制无线光通信。

Description

逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制方法和装置
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域，特别是一种逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制方法和装置。
背景技术
二十一世纪到来，人类也进入了信息化的时代，随着庞大的通信网络的建立，人类对于通信质量的要求越来越高，传输庞大的数据信息对于通信速率的要求也越来越高。在军事通信中，传统的通信方式如无线电通信受到通信容量不足、抗干扰能力不强、频谱分配受限等因素的影响，而光纤通信受到了地形等不利因素的影响，使得光纤的架设和维护都十分困难，不仅成本昂贵，而且也缺乏机动性。同是利用光作为载波进行通信的方式，无线光通信具备光纤通信的大部分优点，设备的架设受地形干扰较小，机动性比较强，因此无线光通信在一些特殊应用中备受关注。
传统的无线光通信是利用激光作为通信载波，在自由空间进行信息传输的通信方式，具有高带宽、重量轻、结构紧凑、无频谱分配限制、高安全性、容易部署等优点。其系统一般由光发送机和光接收机两个终端组成，并且要求两个终端实现光学对准，从而完成点对点通信。一般来说，为了保证光信号能够从发送端到达接收端，无线光通信设备需要配备复杂的自动瞄准、捕获和跟踪(Pointing,Acquisition and Tracking，PAT)系统，这不仅需要提供额外供电，而且还大大增加了系统的功耗、成本、体积和重量。
针对无线光通信的这个问题，研究人员提出了逆向调制空间光通信方式，逆向调制无线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。
逆向调制光通信是无线光通信的一种特殊形式，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。早在1966年，相关研究人员为了开发利用卫星通信，就提出了逆向调制光通信技术，但是受到当时器件发展的影响，逆向调制无线光通信技术发展缓慢。后来得益于各种光电器件如激光器、检测器等的发展，逆向调制无线光通信技术得到了较大的发展，逆向调制光通信的传输速率也不断提高。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。
但是，在实际应用中，激光光束在传输的过程中，极易受到大气湍流的影响，大气湍流会引起波前相位畸变，从而产生光强闪烁，导致接收端接收面的光强分布不断变化。光强闪烁是大气湍流最为明显的激光传输效应之一，实际是光强随着时间变化而产生随机起伏的现象，其主要原因是大气折射率变化导致传输中的激光相位发生变化，最终导致传输激光的振幅起伏，从而产生了光的强度起伏。已有的研究结论显示，传统无线光通信单向链路受到大气湍流的影响非常大。逆向调制光通信传输过程中，其激光传输链路要经历往返两次大气信道，受到的大气湍流影响与传统无线光通信单向链路相比则更加明显。
2006年，美国海军实验室在9月10月和11月进行了逆向调制光通信的实验，此实验采用了猫眼反射器阵列，测试了距离16公里逆向光通信链路吞吐量和闪烁指数。2012年，美国学者在加利福尼亚的中国湖进行了一系列的实验，测量了闪烁指数在不同太阳辐射、湿度、地表温度的变化，并分析了太阳辐射、地表温度等参数对于闪烁指数的影响。研究结果显示，大气闪烁引起的接收端光强起伏是逆向调制无线光通信系统必须解决的问题。
针对逆向调制光通信的双向光传输链路，如何降低大气湍流效应的影响，减小光强闪烁，是通信系统设计中面临的难点。
在传统的无线光通信单向传输链路中，减小大气闪烁影响的方法，主要有孔径平均法，空间发送分集及空间接收分集的方法等。孔径平均需要增加光学天线的口径，空间分集需要增加收发器个数，导致成本增加高，难度变大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制方法和装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制装置，包括询问端和逆向调制端；
询问端包括激光器、半反半透镜、准直透镜、光检测器、信号放大模块、嵌位电路、光强幅值采样模块、光功率控制模块、驱动器、信号解调模块；逆向调制端包括聚焦透镜、调制器和驱动器；
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；
在逆向调制端，经过大气传输后的激光通过聚焦透镜汇聚于调制器，驱动器根据输入信号驱动调制器工作，将输入信号加载到原本未经调制的光信号上，同时，调制器反射光信号，使其经聚焦透镜沿着原方向返回询问端，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光检测器，光检测器将光信号转换为电信号，并通过信号放大模块放大；经放大的光信号被分为两路，一路送入信号解调模块解调输出信号，另一路进入嵌位电路，将电压嵌位在当前信号峰值；光强幅值采样模块采样接收到的光信号幅值信息，光功率控制模块计算采样数据的均值，并根据当前采样值的大小，控制驱动器的输出电流，从而控制激光器的发送光功率；以采样得到的光信号均值为基准，当某一时刻采样到的光强幅值小于均值时，增加发送光功率；当某一时刻采样到的光强幅值大于均值时，减小发送光功率。
一种逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制方法，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，在逆向调制端，经过大气传输后的激光通过聚焦透镜汇聚于调制器，驱动器根据输入信号驱动调制器工作，将输入信号加载到原本未经调制的光信号上，同时，调制器反射光信号，使其经聚焦透镜沿着原方向返回询问端；
步骤3，询问端发送出去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光检测器；进行直接检测的光检测器将光信号转换为电信号，并通过信号放大模块放大；
步骤4，经放大的光信号被分为两路，一路送入信号解调模块解调输出信号，另一路进入光强幅值采样模块，光强幅值采样模块采样接收到的光信号幅值信息，光功率控制模块计算采样数据的均值，并根据当前采样值的大小，控制驱动器的输出电流，从而控制激光器的发送光功率；以采样得到的光信号均值为基准，当某一时刻采样到的光强幅值小于均值时，增加发送光功率；当某一时刻采样到的光强幅值大于均值时，减小发送光功率。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明通过对接收光信号幅值的采样，根据湍流引起的光强起伏情况，对激光器的发送光功率进行预补偿，从而抵消湍流造成的大气闪烁现象；(2)无需增大光学天线的口径；(3)无需增加收发器个数。
附图说明
图1为本发明针对逆向调制无线光通信的湍流影响抑制装置的结构示意图。
图2为恒定功率激光到达逆向调制端后的光信号图。
图3为逆向调制端加载的数据信息图。
图4为逆向调制端经调制后的反射光信号图。
图5为询问端接收到的光信号图。
图6为询问端根据采集到的峰值数据进行预补偿后的发送光功率图。
图7为采用发送光功率预补偿的方法后询问端接收到的光信号图。
具体实施方式
本发明提出一种针对逆向调制无线光通信的湍流影响抑制方法和装置，通过对接收光信号幅值的采样，根据湍流引起的光强起伏情况，对激光器的发送光功率进行预补偿，从而抵消湍流造成的大气闪烁现象。
结合图1，一种逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制装置，包括询问端和逆向调制端，其中询问端包括激光器1、半反半透镜2、准直透镜3、光检测器7、信号放大模块8、嵌位电路9、光强幅值采样模块10、光功率控制模块11、驱动器12、信号解调模块13。逆向调制端包括聚焦透镜4、调制器5和驱动器6。
在询问端，由激光器1产生的激光经由光纤输出，经过半反半透镜2的光被准直透镜3进行光束整形后发送，并在大气信道中传输；
在逆向调制端，经过大气传输后的激光通过聚焦透镜4汇聚于调制器5，驱动器6根据输入信号驱动调制器5工作，将输入信号加载到原本未经调制的光信号上，同时，调制器5反射光信号，使其经聚焦透镜4沿着原方向返回询问端，在询问端经过准直透镜3汇聚和半反半透镜2反射后，从光纤输入端面进入光检测器7，光检测器7将光信号转换为电信号，并通过信号放大模块8放大；经放大的光信号被分为两路，一路送入信号解调模块13解调输出信号，另一路进入嵌位电路9，将电压嵌位在当前信号峰值；光强幅值采样模块10采样接收到的光信号幅值信息，光功率控制模块11计算采样数据的均值，并根据当前采样值的大小，控制驱动器12的输出电流，从而控制激光器1的发送光功率；以采样得到的光信号均值为基准，当某一时刻采样到的光强幅值小于均值时，增加发送光功率；当某一时刻采样到的光强幅值大于均值时，减小发送光功率。以此将接收到的光强维持在恒定值，从而抑制大气湍流对逆向调制无线光通信的影响。
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1产生的激光经由光纤输出，经过半反半透镜2的光被准直透镜3进行光束整形后发送，并在大气信道中传输；
步骤2，在逆向调制端，经过大气传输后的激光通过聚焦透镜4汇聚于调制器5，驱动器6根据输入信号驱动调制器5工作，将输入信号加载到原本未经调制的光信号上，同时，调制器5反射光信号，使其经聚焦透镜4沿着原方向返回询问端；
步骤3，询问端发送出去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3汇聚和半反半透镜2反射后，从光纤输入端面进入光检测器7。进行直接检测的光检测器7将光信号转换为电信号，并通过信号放大模块8放大；
步骤4，经放大的光信号被分为两路，一路送入信号解调模块12解调输出信号，另一路进入光强幅值采样模块9，光强幅值采样模块9采样接收到的光信号幅值信息，光功率控制模块10计算采样数据的均值，并根据当前采样值的大小，控制驱动器11的输出电流，从而控制激光器1的发送光功率。以采样得到的光信号均值为基准，当某一时刻采样到的光强幅值小于均值时，就相应地增加发送光功率；当某一时刻采样到的光强幅值大于均值时，就相应地减小发送光功率。这样，通过发送光功率的预补偿，可以抑制大气湍流造成的光强起伏，减小通信系统的误码率。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种针对逆向调制无线光通信的基于发送光功率预补偿的湍流抑制装置，包括询问端和逆向调制端，如图1所示。其中询问端包括激光器1、半反半透镜2、准直透镜3、光检测器7、信号放大模块8、嵌位电路9、光强幅值采样模块10、光功率控制模块11、驱动器12、信号解调模块13；逆向调制端包括聚焦透镜4，调制器5和驱动器6。
当一束恒定功率的激光在大气中传输时，由于大气湍流效应，会出现诸如光束漂移、大气闪烁、相位起伏等现象。其中对于通信来说，大气闪烁引起的接收光强起伏严重影响系统性能，是必须解决的关键问题。
如图2所示，由于大气湍流的影响，如果询问端发送的光功率是恒定值，则激光束到达逆向调制端后其光信号会有明显的起伏。
逆向调制端加载的数据信息如图3所示。在逆向调制端，经过逆向调制器的调制，数据被加载到光信号上，此时经调制后的光信号如图4所示。
然后，被调制的光信号被反射回询问端，在这个传输过程中，由于大气信道的影响，大气闪烁造成的光强起伏进一步被加剧，如果没有进行发送功率预补偿，则到达询问端的光信号如图5所示，其闪烁指数进一步加大，对系统误码率会造成更大影响。
为了抑制大气湍流的影响，本发明提出了一种预补偿发送光功率的方法以提高系统性能。
询问端通过准直透镜3接收到逆向调制端返回的光信号，经过半反半透镜2后进入光检测器7，光检测器7将光信号转换为电信号，信号放大模块8对电信号进行放大并输出，其输出信号为峰值出现起伏的信号。
为了抑制大气湍流的影响，将其中信号放大模块8的一路输出送到嵌位电路9，嵌位电路9将电压嵌位在当前信号峰值。这个峰值电压数据就是大气湍流当前引起的光强起伏情况，然后通过光强幅值采样模块10采样峰值电压数据，送入光功率控制模块11。
光功率控制模块11将采样并计算收到光信号的平均值，并根据采集到的峰值电压数据来控制驱动器12。以采样得到的光信号均值为基准，当某一时刻采样到的光强幅值小于均值时，就相应地增加驱动电流以增大发送光功率；当某一时刻采样到的光强幅值大于均值时，就相应地减小驱动电流以减小发送光功率。当某一时刻采样到的光强幅值等于均值时，不改变发送功率。询问端根据采集到的峰值数据进行预补偿后的发送光功率如图6所示。
通过发送光功率预补偿，可以减小询问端接收到的光信号起伏，最终接收信号如图7所示，减小了大气湍流造成的光强起伏。从而使得信号放大模块8的另一路平稳输出，增加系统可靠性。

Claims (2)

1.一种逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制装置，其特征在于，包括询问端和逆向调制端；
询问端包括激光器(1)、半反半透镜(2)、准直透镜(3)、光检测器(7)、信号放大模块(8)、嵌位电路(9)、光强幅值采样模块(10)、光功率控制模块(11)、驱动器(12)和信号解调模块(13)；逆向调制端包括聚焦透镜(4)、调制器(5)和驱动器(6)；
在询问端，由激光器(1)产生的激光经由光纤输出，经过半反半透镜(2)的光被准直透镜(3)进行光束整形后发送，并在大气信道中传输；
在逆向调制端，经过大气传输后的激光通过聚焦透镜(4)汇聚于调制器(5)，驱动器(6)根据输入信号驱动调制器(5)工作，将输入信号加载到原本未经调制的光信号上，同时，调制器(5)反射光信号，使其经聚焦透镜(4)沿着原方向返回询问端，在询问端经过准直透镜(3)汇聚和半反半透镜(2)反射后，从光纤输入端面进入光检测器(7)，光检测器(7)将光信号转换为电信号，并通过信号放大模块(8)放大；经放大的光信号被分为两路，一路送入信号解调模块(13)解调输出信号，另一路进入嵌位电路(9)，将电压嵌位在当前信号峰值；光强幅值采样模块(10)采样接收到的光信号幅值信息，光功率控制模块(11)计算采样数据的均值，并根据当前采样值的大小，控制驱动器(12)的输出电流，从而控制激光器(1)的发送光功率；以采样得到的光信号均值为基准，当某一时刻采样到的光强幅值小于均值时，增加发送光功率；当某一时刻采样到的光强幅值大于均值时，减小发送光功率。
2.一种基于权利要求1所述逆向调制光通信中预补偿发送光功率的湍流抑制装置的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在询问端，由激光器(1)产生的激光经由光纤输出，经过半反半透镜(2)的光被准直透镜(3)进行光束整形后发送，并在大气信道中传输；
步骤2，在逆向调制端，经过大气传输后的激光通过聚焦透镜(4)汇聚于调制器(5)，驱动器(6)根据输入信号驱动调制器(5)工作，将输入信号加载到原本未经调制的光信号上，同时，调制器(5)反射光信号，使其经聚焦透镜(4)沿着原方向返回询问端；
步骤3，询问端发送出去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(3)汇聚和半反半透镜(2)反射后，从光纤输入端面进入光检测器(7)；进行直接检测的光检测器(7)将光信号转换为电信号，并通过信号放大模块(8)放大；
步骤4，经放大的光信号被分为两路，一路送入信号解调模块(13)解调输出信号，另一路进入光强幅值采样模块(10)，光强幅值采样模块(10)采样接收到的光信号幅值信息，光功率控制模块(11)计算采样数据的均值，并根据当前采样值的大小，控制驱动器(12)的输出电流，从而控制激光器(1)的发送光功率；以采样得到的光信号均值为基准，当某一时刻采样到的光强幅值小于均值时，增加发送光功率；当某一时刻采样到的光强幅值大于均值时，减小发送光功率。
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