CN110971308B - 基于单光子探测与圆偏振调制的水下光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于单光子探测与圆偏振调制的水下光通信系统及方法，其装置包括计算机、收发电路、自稳云台和光学天线，装置中包含偏振解调光路与偏振调制光路，首先由一端发射信标光，被另一端望远镜接收并记录下成像光斑位置，据此进行精跟踪；通信时一端的合束光变为圆偏振光后经望远镜发射至另一端望远镜；信号光被接收后变为水平偏振或垂直偏振光，进入探测器一或二。采用左旋、右旋偏振调制。其系统有两个相同的装置构成。可用于水面与水下通信或水下与水下通信。本发明基于单光子探测技术，可将光信号的探测精度提升到单光子量级，在保持发射光脉冲强度不变的前提下有效延长水下光通信距离，采用圆偏振调制方法及相应的纠错方案，保障了信息的有效传输。

Description

基于单光子探测与圆偏振调制的水下光通信系统及方法

技术领域

本发明涉及一种水下光通信系统，具体涉及一种基于单光子探测与圆偏振调制的水下光通信系统及方法，属于单光子探测、光子左旋和右旋偏振调制技术领域。

背景技术

常规的水下无线通信方式如水声通信、电磁通信等速率较慢，安全性较低，而可见光波段中的蓝绿光在水中的衰减系数较小，因此可用蓝绿激光实现高速的水下通信系统。

单光子探测技术随量子信息发展起来，因探测灵敏度可以达到单个光子级别，可在保持光源功率不变的情况下进一步提升光通信距离。

水下光通信若采用常规的强度调制方式，因为到达单光子量级的光脉冲由于水体信道吸收、探测效率和脉冲中光子数分布等因素，在探测时会出现较多丢失脉冲的现象，会给这些通信带来较大的误码率，很难使光脉冲衰减到单光子能量级别正常通信。因此在利用单光子探测技术提升通信距离的同时，需要建立有效的调制和纠错方法保证较高的通信速率，还要充分考虑背景光干扰等复杂环境因素的影响。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于单光子探测与圆偏振调制的水下光通信系统及方法，以弥补现有技术的不足，实现更远距离的高速高效水下光通信。

基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是包括由计算机进行控制的收发电路、安装在自稳云台上的光学天线，且收发电路对光学天线中的激光器一、激光器二、探测器一、探测器二、信标光激光器进行控制；

所述光学天线还包括望远镜、精跟踪压电偏摆镜、精跟踪ARM处理器、起偏器一、起偏器二、全反镜、PBS（偏振分光棱镜）、分束镜一、滤光片一、偏振补偿镜、QWP（四分之一波片）、解调PBS、二向色镜、分束镜二、滤光片二和ICCD（增强电荷耦合器件）；

本装置中，偏振调制光路包含激光器一、全反镜、起偏器一、激光器二、起偏器二、QWP、PBS；

偏振解调光路包含QWP、滤光片一、偏振补偿镜、解调PBS、探测器一和探测器二；偏振解调光路与偏振调制光路共用一个QWP；

信标光激光器发射的信标光依次透过分束镜二、二向色镜后被精跟踪压电偏摆镜反射至望远镜而向外发射，且该向外发射的信号光经过水体信道射出至另一收发装置的光学天线的望远镜；

被望远镜接收到的信标光则首先被精跟踪压电偏摆镜反射，然后透过二向色镜而被分束镜二反射，并经滤光片二射向ICCD，所述ICCD记录下该信标光的成像光斑位置，精跟踪ARM处理器通过所述自稳云台来控制精跟踪压电偏摆镜的偏转角度；

激光器一发射的激光经全反镜反射后，经过起偏器一调制成垂直偏振再经PBS反射；

激光器二发射的激光透过起偏器二调制成水平偏振后经PBS与激光器一发射的激光合束；

合束光经分束镜一、QWP后变为圆偏振光，依次被二向色镜、精跟踪压电偏摆镜反射至望远镜而向外发射，且该向外发射的信号光经过水体信道射出至另一收发装置的光学天线的望远镜；

望远镜接收到的圆偏振信号光依次被精跟踪压电偏摆镜和二向色镜反射，再透过QWP后变为水平偏振或垂直偏振光，被分束镜一反射，并依次透过滤光片一、偏振补偿镜后进入解调PBS，当该信号光为水平偏振光时则透过解调PBS进入探测器一，当该信号光为垂直偏振光时则经解调PBS反射后进入探测器二。

所述二向色镜截止波长为505nm，反射波长400-490nm，透过波长520-750nm。

所述滤光片二为带通滤光片，滤除532nm以外波长的光。

所述的收发电路包括FPGA（现场可编程门阵列）开发板，所述激光器一和激光器二均由FPGA编程控制，周期性发射强激光脉冲；所述信标光激光器也由FPGA控制开关，发射连续激光。

所述的自稳云台包括置物云台，置物云台设有自稳ARM处理器和陀螺仪，并由俯仰旋转伺服电机和水平旋转伺服电机30控制姿态。

陀螺仪芯片与自稳ARM处理器进行通信，自稳云台通过陀螺仪芯片读取姿态信息从而控制伺服电机来维持自稳云台稳定。

所述探测器一和探测器二均为APD光电探测器和单光子探测器的组合，接收光信号时，首先由APD光电探测器接收，光电探测器接收不到光信号（光信号较弱）时，切换为单光子探测器接收。其接收数据由FPGA处理，纠错编码采用LDPC（低密度奇偶校验码）编码。

所述单光子探测器具有门控，通过设定时间窗口接收信号光子，滤除背景光子。门控开启周期与通信另一端激光器一和激光器二的激光脉冲周期一致，由FPGA据同步时钟来控制和设定。

本收发装置采用左旋、右旋偏振调制，以左旋圆偏振态代表0比特、右旋圆偏振态代表1比特；或者以左旋圆偏振态代表1比特、右旋圆偏振态代表0比特。

基于单光子探测与调制的水下光通信系统，其特征是该系统包括结构相同的收发装置一和收发装置二，二者均具采用以上所述收发装置中的结构，但二者的偏振调制光路的激光器发射不同波长的激光，二者的滤光片一也是具有不同中心波长的带通滤光片。

收发装置一的滤光片一滤除收发装置二的偏振调制光路的激光器之波长以外的光，同时滤除收发装置一的激光器发出的激光；反之收发装置二的滤光片一滤除收发装置一的偏振调制光路的激光器之波长以外的光，同时滤除收发装置二的激光器发出的激光。

其中一个收发装置的激光器一和激光器二发射的激光波长范围在400-488nm之间，另一个收发装置也发射的激光器一和激光器二发射的激光波长范围也在400-488nm之间；

其中一个收发装置的激光器一和激光器二发射450nm的波长，另一个收发装置发射488nm的波长。

所述两个收发装置的滤光片一除了可以滤除背景光噪声外，其中发射450nm波长激光器的一端的滤光片一可滤除488nm以外的光，发射488nm波长激光器一端的滤光片一可滤除450nm以外的光。

本发明的收发系统应用在水面与水下之间的通信。

所述的水面与水下之间的通信为水面船只与水下潜器之间的通信。

本发明的收发系统应用在水下设备与水下设备之间的通信。

所述水下设备与水下设备之间的通信为潜器与潜器之间的通信。

所述水下设备与水下设备之间的通信为潜器与水下传感器之间的通信

所述水下光通信系统的工作流程是，当双方开始通信时陀螺仪首先记录云台的初始姿态信息，两部分的自稳云台开始工作，自稳ARM处理器根据陀螺仪提供的实时姿态信息实时调整两部分光学天线的姿态。

进行单光子通信时，接收光的小范围漂移由精跟踪系统调整，经过二向色镜的分光，由ICCD接收信标光的姿态信息，ICCD将信标光的姿态信息传输到精跟踪ARM处理器。信标光的姿态信息由精跟踪ARM处理器进行处理后通过控制精跟踪压电偏摆镜的摆动来修正入射光以及出射光的姿态，从而维持双方的通信。

开始通信后由两部分的自稳云台继续维持接收天线的姿态，并同时通过精跟踪系统保持通信光路的稳定，最后由探测器二和探测器一接收到稳定的信息，从而得到一个稳定的单光子水下光通信系统。

本发明采用单光子的量子态调制信息，使光脉冲衰减到单个光子量级时，依然可探测到有效信息，这时丢失脉冲引起的信息丢失，可通过编码、多次重复发送和提高光脉冲频率等途径解决。

本发明的有益效果是，基于单光子探测技术，可将光信号的探测精度提升到单光子量级，在保持发射光脉冲强度不变的前提下，有效延长水下光通信的距离。由于单光子探测时存在光脉冲丢失现象，传统的调制方式会引起较大误码，因此本发明中进一步提出单光子的信息调制方式，采用圆偏振调制方法及相应的纠错方案，以保障信息的有效传输。

附图说明

图1为水下光通信收发装置的示意图。

图2为水下光通信系统的示意图。

图3为本发明的光学天线示意图。

图4为本发明的自稳云台示意图。

图中1.计算机，2.收发电路，3.光学天线，4.自稳云台，5.水体信道，6.望远镜，7.精跟踪压电偏摆镜，8.精跟踪ARM处理器，9.激光器一，10.激光器二，11.起偏器一，12.起偏器二，13.全反镜，14.PBS，15.分束镜一，16.滤光片一，17.偏振补偿镜，18.QWP，19.解调PBS，20.探测器一，21.探测器二，22.二向色镜，23.分束镜二，24.信标光激光器，25.滤光片二，26.ICCD，27.陀螺仪，28.置物云台，29.俯仰旋转伺服电机，30.水平旋转伺服电机，31.自稳ARM处理器。

具体实施方式

如图1-4，权利要求1.基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是包括由计算机1进行控制的收发电路2、安装在自稳云台4上的光学天线3，且收发电路2对光学天线3中的激光器一9、激光器二10、探测器一20、探测器二21、信标光激光器24进行控制；

所述光学天线3还包括望远镜6、精跟踪压电偏摆镜7、精跟踪ARM处理器8、起偏器一11、起偏器二12、全反镜13、PBS（偏振分光棱镜）14、分束镜一15、滤光片一16、偏振补偿镜17、QWP（四分之一波片）18、解调PBS19、二向色镜22、分束镜二23、滤光片二25和ICCD（增强电荷耦合器件）26；

本装置中，偏振调制光路包含激光器一9、全反镜13、起偏器一11、激光器二10、起偏器二12、QWP18、PBS14；

偏振解调光路包含QWP18、滤光片一16、偏振补偿镜17、解调PBS19、探测器一20和探测器二21；偏振解调光路与偏振调制光路共用一个QWP；

信标光激光器24发射的信标光依次透过分束镜二23、二向色镜22后被精跟踪压电偏摆镜7反射至望远镜6而向外发射，且该向外发射的信号光经过水体信道5射出被另一收发装置的光学天线3的望远镜6接收；其中水体信道5包括海水信道和淡水信道，前者更为复杂，是主要的水体信道，后者则以河流、湖泊为代表；

被望远镜6接收到的信标光则首先被精跟踪压电偏摆镜7反射，然后透过二向色镜22而被分束镜二23反射，并经滤光片二25射向ICCD26，所述ICCD26记录下该信标光的成像光斑位置，精跟踪ARM处理器8通过所述自稳云台4来控制精跟踪压电偏摆镜7的偏转角度；

激光器一9发射的激光经全反镜13反射后，经过起偏器一11调制成垂直偏振再经PBS14反射；

激光器二10发射的激光透过起偏器二12调制成水平偏振后经PBS14与激光器一9发射的激光合束；

合束光经分束镜一15、QWP18后变为圆偏振光，依次被二向色镜22、精跟踪压电偏摆镜7反射至望远镜6而向外发射，且该向外发射的信号光经过海水信道5射出至另一收发装置的光学天线3的望远镜6；

望远镜6接收到的圆偏振信号光依次被精跟踪压电偏摆镜7和二向色镜22反射，再透过QWP18后变为水平偏振或垂直偏振光，被分束镜一15反射，并依次透过滤光片一16、偏振补偿镜17后进入解调PBS19，当该信号光为水平偏振光时则透过解调PBS19进入探测器一20，当该信号光为垂直偏振光时则经解调PBS19反射后进入探测器二21。

优选的，所述二向色镜22截止波长为505nm，反射波长400-490nm,透过波长520-750nm。

优选的，所述滤光片二25为带通滤光片，滤除532nm以外波长的光。

所述的收发电路2包括FPGA（现场可编程门阵列）开发板，所述激光器一9和激光器二10均由FPGA编程控制，周期性发射强激光脉冲；所述信标光激光器24也由FPGA控制开关，发射连续激光。

所述的自稳云台4包括置物云台28，置物云台28设有自稳ARM处理器31和陀螺仪27，并由俯仰旋转伺服电机29和水平旋转伺服电机30控制姿态。

陀螺仪芯片与自稳ARM处理器31进行通信，自稳云台4通过陀螺仪芯片读取姿态信息从而控制伺服电机来维持自稳云台4稳定。

所述探测器一20和探测器二21均为APD光电探测器和单光子探测器的组合，接收光信号时，首先由APD光电探测器接收，光电探测器接收不到光信号（光信号较弱）时，切换为单光子探测器接收。其接收数据由FPGA处理，纠错编码采用LDPC（低密度奇偶校验码）编码。

所述单光子探测器具有门控，通过设定时间窗口接收信号光子，滤除背景光子。门控开启周期与通信另一端激光器一9和激光器二10的激光脉冲周期一致，由FPGA据同步时钟来控制和设定。

本收发装置采用左旋、右旋偏振调制，以左旋圆偏振态代表0比特、右旋圆偏振态代表1比特；或者以左旋圆偏振态代表1比特、右旋圆偏振态代表0比特。

基于单光子探测与调制的水下光通信系统，其特征是该系统包括结构相同的收发装置一和收发装置二，二者均具采用以上所述收发装置中的结构，但二者的偏振调制光路的激光器发射不同波长的激光，二者的滤光片一16也是具有不同中心波长的带通滤光片。

收发装置一的滤光片一16滤除收发装置二的偏振调制光路的激光器之波长以外的光，同时滤除收发装置一的激光器发出的激光；反之收发装置二的滤光片一16滤除收发装置一的偏振调制光路的激光器之波长以外的光，同时滤除收发装置二的激光器发出的激光。

其中一个收发装置的激光器一9和激光器二10发射的激光波长范围在400-488nm之间；另一个收发装置的激光器一9和激光器二10发射的激光波长范围也在400-488nm之间。

其中一个收发装置的激光器一9和激光器二10发射450nm的波长，另一个收发装置发射488nm的波长。

所述两个收发装置的滤光片一16除了可以滤除背景光噪声外，其中发射450nm波长激光器的一端的滤光片一可滤除488nm以外的光，发射488nm波长激光器一端的滤光片一可滤除450nm以外的光。

本发明的收发装置或收发系统应用在水面与水下之间的通信。

所述的水面与水下之间的通信为水面船只与水下潜器之间的通信。

本发明的收发装置或收发系统应用在水下设备与水下设备之间的通信。

所述水下设备与水下设备之间的通信为潜器与潜器之间的通信。

所述水下设备与水下设备之间的通信为潜器与水下传感器之间的通信。

利用上述基于单光子探测与调制的水下光通信系统进行水下光通信的方法，包括收发装置一、二首先完成粗瞄准的步骤，其特征在于还包括以下步骤：

1）通信两端的收发装置分别利用各自的自稳云台4使光学天线3保持稳定；

2）精瞄准跟踪步骤：

进行精瞄准跟踪时，收发装置一的计算机1通过其收发电路2控制光学天线3发射精跟踪对准信标光信号；

收发装置二的计算机1也通过其收发电路2控制光学天线3发出精跟踪对准信标光信号；

两端的信标光激光器24分别发射信标光后，信标光到达对方的ICCD26；

若光斑偏离视场中央，则通过精跟踪ARM处理器8控制调整精跟踪压电偏摆镜7的姿态，直到光斑位于视场中央；

3）单光子通信步骤：

一端收发装置的计算机1通过收发电路2控制激光器一9和激光器二10周期性发射激光脉冲（如发射450nm激光），激光器一9发出的光经过全反镜13到达起偏器一11，产生垂直偏振；激光器二10发出的光经过起偏器二12，产生水平偏振，两束偏振光经PBS14耦合后，到达分束镜一15；之后线偏振耦合光束进入QWP18，其中的水平偏振成分变为左旋圆偏振光，垂直偏振成分变为右旋圆偏振光；该端光学天线3产生的圆偏振耦合光束（依之前参数，其波长为450nm）被二向色镜22反射，再被精跟踪压电偏摆镜7反射，经望远镜6作为信号光发出；

信号光经水体信道5，被另一端收发装置的光学天线3中的望远镜6接收，接收光被精跟踪压电偏摆镜7反射至二向色镜22，圆偏振耦合信号光（依之前参数，其波长为450nm）被二向色镜22反射至QWP18，其中的左旋圆偏振成分变为水平偏振，右旋圆偏振成分变为垂直偏振，之后偏振耦合光束（依之前参数，其波长为450nm）在分束镜一15处被部分反射，经过滤光片一16滤除其它波长杂光，并由偏振补偿镜17补偿光路引起的偏振变化，最后经解调PBS19使水平偏振成分透过并到达探测器一20，垂直偏振成分反射到达探测器二21，以收发电路2（以其FPGA为主）处理接收到的数据，得到所需传递的信息；

以上为一端向另一端发送信息并被另一端接收的过程，

另一端收发装置发送信息时，另一端收发装置的计算机1通过收发电路2控制激光器一9和激光器二10周期性发射激光（如发射488nm激光），激光器一9发出的光经过全反镜13到达起偏器一11，产生垂直偏振；激光器二10发出的光经过起偏器二12，产生水平偏振，两束偏振光经PBS14耦合后，到达分束镜一15，之后线偏振耦合光束进入QWP18，其中的水平偏振成分变为左旋圆偏振光，垂直偏振成分变为右旋圆偏振光，该端光学天线3产生的圆偏振耦合光束（依之前参数，其波长为488nm）被二向色镜22反射，再被精跟踪压电偏摆镜7反射，经望远镜6作为信号光发出；

信号光经水体信道5，被与之相对的一端收发装置的望远镜6接收，接收光被精跟踪压电偏摆镜7反射向二向色镜22，圆偏振耦合信号光（依之前参数，其波长为488nm）被二向色镜22反射至QWP18，其中的左旋圆偏振成分变为水平偏振，右旋圆偏振成分变为垂直偏振，之后偏振耦合光束（依之前参数，其波长为488nm）在分束镜一15处被部分反射，经过滤光片一16滤除其它波长杂光，并由偏振补偿镜17补偿光路引起的偏振变化，最后经解调PBS19使水平偏振成分透过到达探测器一20，垂直偏振成分反射到达探测器二21，同样用收发电路2（以其FPGA为主）处理接收到的数据，得到所需传递的信息；

以上为另一端发送信息并被接收的过程。

开始通信后由自稳云台4继续维持两端接收天线的姿态，并同时通过控制精跟踪压电偏摆镜7保持通信光路的稳定，保证两端的探测器一20和探测器二21稳定地接收到信息，从而得到一个稳定的单光子探测水下光通信系统。

其中，所述步骤1）通信两端分别利用自稳云台4使光学天线3保持稳定，如下；

光学天线3放置在自稳云台4上，系统完成粗瞄准过程后，由陀螺仪27记录此时自稳云台4姿态信息，此姿态信息称为初始姿态。当两端云台的姿态发生改变，陀螺仪27会实时记录姿态信息并传送给自稳ARM处理器31，再由自稳ARM处理器31实时控制俯仰旋转伺服电机29与水平旋转伺服电机30，使置物云台28的姿态始终保持稳定。以上是自稳云台自稳过程。

所述步骤2）中，收发装置一、二的信标光激光器24分别发射信标光，信标光到达对方的ICCD26具体为：首先由二者的信标光激光器24发射激光（如532nm激光），透过分束镜二23和二向色镜22再由精跟踪压电偏摆镜7反射后，经过望远镜6发出，经过水体信道5到达对方的望远镜6，所述激光（依之前参数，为532nm）进入对方时，依次经过望远镜6和精跟踪压电偏摆镜7，被反射后透过二向色镜22，在分束镜二23处被部分反射向滤光片二25，滤除其它波段杂光后到达ICCD26，ICCD26接收到的信标光光斑图像后，由精跟踪ARM处理器8处理，用来控制微调双端精跟踪压电偏摆镜7的角度，直到光斑位于视场中央，从而使信标光光斑对准。

在微调双端精跟踪压电偏摆镜7的角度时，需保证一端精跟踪压电偏摆镜7转动最小角度所用时间内，另一端精跟踪压电偏摆镜7可以完成整个旋转周期，直到两端接收到的光斑都调整至ICCD26的视场中央为止。

实施例

本发明可以应用于水面船只与潜水器间的通信。在本例中。工作流程是：先使船只通信端与潜水器通信端完成粗对准，陀螺仪27记录双方云台的初始姿态信息，船只与潜水器的通信端自稳云台4开始工作，自稳ARM处理器31根据陀螺仪提供的实时姿态信息实时调整船只与潜水器两通信端光学天线3的姿态。

船只与潜水器通信端进行单光子通信时，接收光的小范围漂移由精跟踪系统调整，经过二向色镜22的分光，由ICCD26接收信标光的光斑位置信息传输到精跟踪ARM处理器8。精跟踪ARM处理器8根据光斑位置通过控制精跟踪压电偏摆镜7的摆动来修正入射光以及出射光的角度，从而维持双方的光通信链路稳定。根据具体实施方式中单光子通信步骤进行通信，完成通信后，可由任意一端发出中止信号，另一端接收并确认中止信号后，即返回一个同意中止信号，双方依次关闭单光子调制解调部分、精瞄准跟踪部分、粗瞄准跟踪部分和自稳云台部分，使通信中止。

Claims (24)

1.基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是包括由计算机（1）进行控制的收发电路（2）、安装在自稳云台（4）上的光学天线（3），且收发电路（2）对光学天线（3）中的激光器一（9）、激光器二（10）、探测器一（20）、探测器二（21）、信标光激光器（24）进行控制；

所述光学天线（3）还包括望远镜（6）、精跟踪压电偏摆镜（7）、精跟踪ARM处理器（8）、起偏器一（11）、起偏器二（12）、全反镜（13）、PBS（14）、分束镜一（15）、滤光片一（16）、偏振补偿镜（17）、QWP（18）、解调PBS（19）、二向色镜（22）、分束镜二（23）、滤光片二（25）和ICCD（26）；

本装置中，偏振调制光路包含激光器一（9）、全反镜（13）、起偏器一（11）、激光器二（10）、起偏器二（12）、QWP（18）、PBS（14）；

偏振解调光路包含QWP（18）、滤光片一（16）、偏振补偿镜（17）、解调PBS（19）、探测器一（20）和探测器二（21）；偏振解调光路与偏振调制光路共用一个QWP；

信标光激光器（24）发射的信标光依次透过分束镜二（23）、二向色镜（22）后被精跟踪压电偏摆镜（7）反射至望远镜（6）而向外发射，且该向外发射的信号光经过水体信道（5）射出被另一收发装置的光学天线（3）的望远镜（6）接收；

被望远镜（6）接收到的信标光则首先被精跟踪压电偏摆镜（7）反射，然后透过二向色镜（22）而被分束镜二（23）反射，并经滤光片二（25）射向ICCD（26），所述ICCD（26）记录下该信标光的成像光斑位置；精跟踪ARM处理器（8）通过所述自稳云台（4）来控制精跟踪压电偏摆镜（7）的偏转角度；

激光器一（9）发射的激光经全反镜（13）反射后，经过起偏器一（11）调制成垂直偏振再经PBS（14）反射；

激光器二（10）发射的激光透过起偏器二（12）调制成水平偏振后经PBS（14）与激光器一（9）发射的激光合束；

合束光经分束镜一（15）、QWP（18）后变为圆偏振光，依次被二向色镜（22）、精跟踪压电偏摆镜（7）反射至望远镜（6）而向外发射，且该向外发射的信号光经过水体信道（5）射出至另一收发装置的光学天线（3）的望远镜（6）；

被望远镜（6）接收到的圆偏振信号光依次被精跟踪压电偏摆镜（7）和二向色镜（22）反射，再透过QWP（18）后变为水平偏振或垂直偏振光，被分束镜一（15）反射，并依次透过滤光片一（16）、偏振补偿镜（17）后进入解调PBS（19），当该信号光为水平偏振光时则透过解调PBS（19）进入探测器一（20），当该信号光为垂直偏振光时则经解调PBS（19）反射后进入探测器二（21）。

2.如权利要求1所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是所述二向色镜（22）截止波长为505nm，反射波长400-490nm，透过波长520-750nm。

3.如权利要求1所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是所述滤光片二25为带通滤光片，滤除532nm以外波长的光。

4.如权利要求1所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是所述的收发电路（2）包括FPGA开发板，所述激光器一（9）和激光器二（10）均由FPGA编程控制，周期性发射强激光脉冲；所述信标光激光器（24）也由FPGA控制开关，发射连续激光。

5.如权利要求1所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是所述的自稳云台（4）包括置物云台（28），置物云台（28）设有自稳ARM处理器（31）和陀螺仪（27），并由俯仰旋转伺服电机（29）和水平旋转伺服电机（30）控制姿态。

6.如权利要求1所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是所述探测器一（20）和探测器二（21）均为APD光电探测器和单光子探测器的组合，接收光信号时，首先由APD光电探测器接收，光电探测器接收不到光信号时，切换为单光子探测器接收。

7.如权利要求6所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是所述单光子探测器具有门控，通过设定时间窗口接收信号光子，滤除背景光子；门控开启周期与通信另一端激光器一（9）和激光器二（10）的激光脉冲周期一致，由FPGA据同步时钟来控制和设定。

8.如权利要求1所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置，其特征是本收发装置采用左旋、右旋偏振调制——即以左旋圆偏振态代表0比特、右旋圆偏振态代表1比特，或者以左旋圆偏振态代表1比特、右旋圆偏振态代表0比特。

9.基于单光子探测与调制的水下光通信系统，其特征是该系统包括结构相同的收发装置一和收发装置二，二者均具采用权利要求1-8所述收发装置中的其中一种结构，但二者的偏振调制光路的激光器发射不同波长的激光，二者的滤光片一（16）也是具有不同中心波长的带通滤光片；

收发装置一的滤光片一（16）滤除收发装置二的偏振调制光路的激光器之波长以外的光，同时滤除收发装置一的激光器发出的激光；反之收发装置二的滤光片一（16）滤除收发装置一的偏振调制光路的激光器之波长以外的光，同时滤除收发装置二的激光器发出的激光。

10.如权利要求9所述的基于单光子探测与调制的水下光通信系统，其特征是其中一个收发装置的激光器一（9）和激光器二（10）发射的激光波长范围在400-488nm之间，另一个收发装置的激光器一（9）和激光器二（10）发射的激光波长范围也在400-488nm之间。

11.如权利要求9所述的基于单光子探测与调制的水下光通信系统，其特征是其中一个收发装置的激光器一（9）和激光器二（10）发射450nm的波长，另一个收发装置发射488nm的波长。

12.权利要求1-8所述的任意一项基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置的应用，其特征是所述装置在水面与水下之间的通信中的应用。

13.如权利要求12所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置的应用，其特征是所述的水面与水下之间的通信为水面船只与水下潜器之间的通信。

14.权利要求9-11所述的任意一项基于单光子探测与调制的水下光通信系统的应用，其特征是所述系统在水面与水下之间的通信中的应用。

15.如权利要求14所述的基于单光子探测与调制的水下光通信系统的应用，其特征是所述的水面与水下之间的通信为水面船只与水下潜器之间的通信。

16.权利要求1-8所述的任意一项基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置的应用，其特征是所述装置在水下设备与水下设备之间的通信中的应用。

17.如权利要求16所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置的应用，其特征是所述水下设备与水下设备之间的通信为潜器与潜器之间的通信。

18.如权利要求16所述的基于单光子探测与调制的水下光通信收发装置的应用，其特征是所述水下设备与水下设备之间的通信为潜器与水下传感器之间的通信。

19.权利要求9-11所述的任意一项基于单光子探测与调制的水下光通信系统的应用，其特征是所述系统在水下设备与水下设备之间的通信中的应用。

20.如权利要求19所述的基于单光子探测与调制的水下光通信系统的应用，其特征是所述水下设备与水下设备之间的通信为潜器与潜器之间的通信。

21.如权利要求19所述的基于单光子探测与调制的水下光通信系统的应用，其特征是所述水下设备与水下设备之间的通信为潜器与水下传感器之间的通信。

22.利用权利要求9-11所述的任意一项基于单光子探测与调制的水下光通信系统进行水下光通信的方法，包括收发装置一、二首先完成粗瞄准的步骤，其特征在于还包括以下步骤：

1）通信两端的收发装置分别利用各自的自稳云台（4）使光学天线（3）保持稳定；

2）精瞄准跟踪步骤：

进行精瞄准跟踪时，收发装置一的计算机（1）通过其收发电路（2）控制光学天线（3）发射精跟踪对准信标光信号；

收发装置二的计算机（1）也通过其收发电路（2）控制光学天线（3）发出精跟踪对准信标光信号；

两端的信标光激光器（24）分别发射信标光后，信标光到达对方的ICCD（26）；

若光斑偏离视场中央，则通过精跟踪ARM处理器（8）控制调整精跟踪压电偏摆镜（7）的姿态，直到光斑位于视场中央；

3）单光子通信步骤：

一端收发装置的计算机（1）通过收发电路（2）控制激光器一（9）和激光器二（10）周期性发射激光脉冲，激光器一（9）发出的光经过全反镜（13）到达起偏器一（11），产生垂直偏振；激光器二（10）发出的光经过起偏器二（12），产生水平偏振，两束偏振光经PBS（14）耦合后，到达分束镜一（15）；之后线偏振耦合光束进入QWP（18），其中的水平偏振成分变为左旋圆偏振光，垂直偏振成分变为右旋圆偏振光；该端光学天线（3）产生的圆偏振耦合光束被二向色镜（22）反射，再被精跟踪压电偏摆镜（7）反射，经望远镜（6）作为信号光发出；

信号光经水体信道（5），被另一端收发装置的光学天线（3）中的望远镜（6）接收，接收光被精跟踪压电偏摆镜（7）反射至二向色镜（22），圆偏振耦合信号光被二向色镜（22）反射至QWP（18），其中的左旋圆偏振成分变为水平偏振，右旋圆偏振成分变为垂直偏振，之后偏振耦合光束在分束镜一（15）处被部分反射，经过滤光片一（16）滤除其它波长杂光，并由偏振补偿镜（17）补偿光路引起的偏振变化，最后经解调PBS（19）使水平偏振成分透过并到达探测器一（20），垂直偏振成分反射到达探测器二（21），以收发电路（2）处理接收到的数据，得到所需传递的信息；

以上为一端向另一端发送信息并被另一端接收的过程，

另一端收发装置发送信息时，另一端收发装置的计算机（1）通过收发电路（2）控制激光器一（9）和激光器二（10）周期性发射激光，激光器一（9）发出的光经过全反镜（13）到达起偏器一（11），产生垂直偏振；激光器二（10）发出的光经过起偏器二（12），产生水平偏振，两束偏振光经PBS（14）耦合后，到达分束镜一（15），之后线偏振耦合光束进入QWP（18），其中的水平偏振成分变为左旋圆偏振光，垂直偏振成分变为右旋圆偏振光，该端光学天线（3）产生的圆偏振耦合光束被二向色镜（22）反射，再被精跟踪压电偏摆镜（7）反射，经望远镜（6）作为信号光发出；

信号光经水体信道（5），被与之相对的一端收发装置的望远镜（6）接收，接收光被精跟踪压电偏摆镜（7）反射向二向色镜（22），圆偏振耦合信号光被二向色镜（22）反射至QWP（18），其中的左旋圆偏振成分变为水平偏振，右旋圆偏振成分变为垂直偏振，之后偏振耦合光束在分束镜一（15）处被部分反射，经过滤光片一（16）滤除其它波长杂光，并由偏振补偿镜（17）补偿光路引起的偏振变化，最后经解调PBS（19）使水平偏振成分透过到达探测器一（20），垂直偏振成分反射到达探测器二（21），同样用收发电路（2）处理接收到的数据，得到所需传递的信息；

以上为另一端发送信息并被接收的过程。

23.如权利要求22所述的方法，其特征是所述步骤1）通信两端分别利用自稳云台（4）使光学天线（3）保持稳定，方法如下；

光学天线（3）放置在自稳云台（4）上，系统完成粗瞄准过程后，由陀螺仪（27）记录此时自稳云台（4）姿态信息，此姿态信息称为初始姿态；

当两端云台的姿态发生改变，陀螺仪（27）会实时记录姿态信息并传送给自稳ARM处理器（31），再由自稳ARM处理器（31）实时控制俯仰旋转伺服电机（29）与水平旋转伺服电机（30），使置物云台（28）的姿态始终保持稳定。

24.如权利要求22所述的方法，其特征是所述步骤2）中，收发装置一、二的信标光激光器（24）分别发射信标光，信标光到达对方的ICCD（26）具体方法为：首先由二者的信标光激光器（24）发射激光，透过分束镜二（23）和二向色镜（22）再由精跟踪压电偏摆镜（7）反射后，经过望远镜（6）发出，经过水体信道（5）到达对方的望远镜（6），所述激光进入对方时，依次经过望远镜（6）和精跟踪压电偏摆镜（7），被反射后透过二向色镜（22），在分束镜二（23）处被部分反射向滤光片二（25），滤除其它波段杂光后到达ICCD（26），ICCD（26）接收到的信标光光斑图像后，由精跟踪ARM处理器（8）处理，用来控制微调双端精跟踪压电偏摆镜（7）的角度，直到光斑位于视场中央，从而使信标光光斑对准。

Images