CN111355530A - 一种提高无线光通信系统性能的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高无线光通信系统性能的方法，步骤包括：建立通信系统的发射端和接收端；将多组不同初始束腰半径的涡旋光束从发射端传输到接收端；建立涡旋光束轨道角动量模型，获取从发射端传输到接收端的接收概率；建立接收概率随初始束腰半径变化曲线图；根据变化曲线图中接收概率最大值所对应的初始束腰半径作为通信系统的发射光束的初始束腰半径；能根据实际应用选择合适的光束参数，有效降低传输距离对无线光通信的干扰，合理正确的选择光束参数，提高无线光通信的性能。

Description

一种提高无线光通信系统性能的方法及装置

技术领域

本发明涉及提高通信系统性能的方法及装置，尤其涉及一种提高无线光通信系统性能的方法及装置。

背景技术

无线光通信与光纤通信不同，它是一种利用激光作为载体，大气等作为传输介质的通信方式，能够实现点对点，点对多和多对多之间的数据、语音、图像等双向传输。由于其传输介质是自由空间，所以不需要铺设线路，通信方式更加灵活方便。此外，无线光通信还具有无需申请频率、保密性强、通信容量大，成本低，易维护等特点。可以广泛应用在应急通信、局域网扩展、光纤通信备份等方面，而且有助于实现新旧动能转换，解决“最后一公里”通信问题。

涡旋光束的每个光子都携带

的轨道角动量，其中l为拓扑荷，原则上拓扑荷可以取无限大，轨道角动量也可以无限大。所以利用轨道角动量编码可使光束携带更多的信息，提高通信容量。而且轨道角动量模式之间相互正交、互不干扰，因此轨道角动量模式之间的干扰较小，可靠性高。然而携带轨道角动量的光束在大气中传输时，会受到大气湍流的影响。大气中的气体分子、气溶胶和悬浮颗粒等会对光束产生吸收、散射作用，导致光束光强衰减、波前失真、轨道角动量弥散等现象。这些现象将会影响光束在大气中的传输，最终降低无线光通信的性能。

众所周知，随着通信距离的增加，光束受到湍流的影响越来越大，通信性能也随之降低。科研工作者提出增加光束波长、增大接收孔径等方式来减小光束的损失，但这些方式操作比较复杂，而且不能有效降低传输距离带来的影响，更重要的是不能根据实际应用选择合适的光束参数。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明在研究利用轨道角动量编码的无线光通信性能时，利用涡旋光束作为通信载体，借助螺旋谱表征无线光通信的性能，有效降低传输距离带来的影响，能根据实际应用选择合适的光束参数。

第一方面，本发明提供了一种提高无线光通信系统性能的方法，步骤包括：

将多组不同初始束腰半径的涡旋光束从发射端传输到接收端；

建立涡旋光束轨道角动量模型，获取从发射端传输到接收端的接收概率；

建立接收概率随初始束腰半径变化曲线图；

根据变化曲线图中接收概率最大值所对应的初始束腰半径作为通信系统的发射光束的初始束腰半径。

第二方面，本发明提供了一种采用如第一方面所述方法的装置，包括:发射端和接收端，所述发射端包括依次连接的光电转换器、激光器和可调发射光阑；所述接收端包括相互连接的可调接收光阑和光电探测器。

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

1、本发明利用涡旋光束作为通信载体，借助螺旋谱表征无线光通信的性能，有效降低传输距离带来的影响，能根据实际应用选择合适的光束参数的方法，有效降低传输距离对无线光通信的干扰，合理正确的选择光束参数，提高无线光通信的性能。

2、本发明通过设定的初始束腰半径作为通信系统的发射光束的初始束腰半径，有效降低大气中的气体分子、气溶胶和悬浮颗粒等会对光束产生吸收、散射作用，导致光束光强衰减、波前失真、轨道角动量弥散等现象，方式操作比较简单，具有无需申请频率、保密型强、通信容量大，成本低，易维护特点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明提高无线光通信系统性能的装置的结构图；

图2为本发明的完美涡旋光束信号轨道角动量模的接收概率随初始束腰半径变化曲线图；

图3为本发明的完美涡旋光束信号轨道角动量模的接收概率随接收光阑(孔径)半径与初始束腰半径比例的变化曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例1

一种提高无线光通信系统性能的方法，步骤包括：

将多组不同初始束腰半径的涡旋光束从发射端传输到接收端；

建立涡旋光束轨道角动量模型，获取从发射端传输到接收端的接收概率；

建立接收概率随初始束腰半径变化曲线图；

根据变化曲线图中接收概率最大值所对应的初始束腰半径作为通信系统的发射光束的初始束腰半径。

进一步的，所述建立通信系统的发射端和接收端步骤包括：采用激光测距仪测量发送端与接收端之间的距离。

进一步的，通信系统的接收光阑半径的大小与通信系统的发射光束的初始束腰半径相同。

进一步的，建立涡旋光束轨道角动量模型，获取从发射端传输到接收端的接收概率的步骤包括：采集接收端接收到的不同轨道角动量模的拓扑荷、接收到的所有的轨道角动量模的拓扑荷；

获取拓扑荷为m的轨道角动量模的能量组分；

构建螺旋谱的表达式，建立涡旋光束轨道角动量模型。

在研究利用轨道角动量编码的无线光通信性能时，利用涡旋光束作为通信载体，借助螺旋谱表征无线光通信的性能。

螺旋谱的表达式为

公式中m表示接收端接收到的不同轨道角动量模的拓扑荷；q表示接收到的所有的轨道角动量模的拓扑荷。

表示拓扑荷为m的轨道角动量模的能量组分，R是接收(光阑)孔径的半径，<|β_m|²>表示完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度。螺旋谱不仅表示拓扑荷为m的轨道角动量模的能量占整个光束能量的权重，也可以表示接收不同轨道角动量模的概率。

进一步的，所述获取拓扑荷为m的轨道角动量模的能量组分步骤包括：

获取接收光阑的半径；计算完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度。

进一步的，所述计算完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度步骤包括：

采集涡旋光束轨道角动量模的径向坐标、角向坐标、拓扑荷、束腰半径，光环半径、波数、光束半径、曲率半径、高斯光束的古伊相移、瑞利距离、初始拓扑荷l阶的第一类修正贝塞尔函数和球面波在大气湍流中的空间相干长度；

利用上述采集信息构建完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度。

进一步的，所述接收端的拓扑荷m与初始拓扑荷l相等。

进一步的，构建完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度的具体步骤包括：

(1)获取完美涡旋光束在柱坐标下，在源平面处的电场强度表达式；

(2)将电场强度表达式分解为不同螺旋谐波叠加的形式；

(3)通过积分化简，整理得到完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度；

通过完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度，得到轨道角动量谱表达式，利用轨道角动量谱表达式获取从发射端传输到接收端的信号轨道角动量模接收概率。

所述完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度为：

上式中，r为径向坐标，θ为角向坐标，l为拓扑荷，w0是束腰半径，rr是光环半径，k为波数，w是传输距离z处的光束半径，Rr是曲率半径，φ是高斯光束的古伊相移，zr是瑞利距离,I_l(n)是l阶的第一类修正贝塞尔函数，ρ₀表示球面波在大气湍流中的空间相干长度，用来表征大气湍流。

当接收端的拓扑荷m与初始拓扑荷l相等时，表示信号轨道角动量模的接收概率；否则将表示串扰轨道角动量模的接收概率。在通信系统中，我们希望光束的信号轨道角动量模的接收概率尽量大，即通信系统性能高。

在不同的传输距离下，完美涡旋光束的信号轨道角动量模的接收概率随初始束腰半径的增加出现先增大后减小的变化趋势。说明对于不同的传输距离，存在一个最佳的初始束腰半径，使光束的信号轨道角动量模的接收概率最大，此时无线光通信系统性能最佳。(如图2)

在不同的传输距离下，接收光阑(孔径)半径与初始束腰半径比例等于1，即接收光阑(孔径)半径与初始束腰半径相等时，光束的信号轨道角动量模的接收概率最大，说明无线光通信系统的性能最佳。(如图3)

通过上述两点结论，发现在不同的传输距离下，有最佳的初始束腰半径和接收光阑(孔径)半径使光束的信号轨道角动量模的接收概率最大，且二者在数值上相等。因此在实际的应用中，我们可以根据实际的通信距离，选择最佳的初始束腰半径和接收光阑(孔径)半径提高无线光通信性能。

完美涡旋光束由于可通过贝塞尔高斯光束的傅里叶变换得到，所以在柱坐标下，在源平面处的电场强度表达式为：

上式中，r为径向坐标，θ为角向坐标，l为拓扑荷，w0是束腰宽度，rr是光环半径。I_l(n)是l阶的第一类修正贝塞尔函数。基于菲涅尔衍射公式，完美涡旋在无湍流无线信道中传输的电场表达式

公式中，k为波数，w是传输距离z处的光束半径，Rr是曲率半径，φ是高斯光束的古伊相移，zr是瑞利距离。并且

受湍流影响的完美涡旋光束的电场强度为E(r,θ,z)，可以表示为无湍流时的电场强度E₀(r,θ,z)与湍流相位exp[ψ(r,θ,z)]的乘积，即：

E(r,θ,z)＝E₀(r,θ,z)exp[ψ(r,θ,z)]， (3)

完美涡旋光束在非K谱大气湍流中传输时，电场受到折射率起伏的影响，初始轨道角动量模发生弥散，产生串扰轨道角动量模，所以接收端的电场强度可以分解为不同螺旋谐波叠加的形式：

公式中m表示完美涡旋光束轨道角动量模弥散后，在接收端探测到的所有拓扑荷。公式中系数βm可表示为

当完美涡旋光束在非K谱湍流大气中传输时，其轨道角动量模的概率密度表达式为：

将公式(2)代入上式，通过积分化简，整理可得完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度：

公式中

是非K谱大气湍流中球面波的空间相干长度，Φ(κ)为一种非柯尔莫戈洛夫湍流下的功率谱——冯·卡曼功率谱：

所以，非K谱大气湍流中球面波的空间相干长度为：

上式中，

A(α)＝(1/4π²)Γ(α-1)cos(απ/2)，α＝3+γ为功率谱指数。κ₀＝2π/L，κ_m＝c(α)/d，c(α)＝[Γ(5-α/2)A(α)2π/3]^1/(α-5)，L与d分别为大气湍流的外尺度和内尺度。

通过完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度，可以得到其轨道角动量谱表达式：

本发明采用光电转换器将待传电信号转化为光信号，加载到激光器中发送；激光测距仪1测量发送端与接收端之间的距离，将测量结果传输到计算机1中，计算出此距离下最佳的初始束腰半径，将计算结果传输到可调光阑1中，调控光束的初始束腰半径；同时，激光测距仪2测量接收端与发送端之间的距离并且计算出此距离下最佳的初始束腰半径，计算结果同样表示最佳接收光阑(孔径)半径的大小，将计算结果传输到可调光阑2中调整为最佳的接收光阑(孔径)半径。这样，能够有效减小光束受到由于传输距离增强湍流带来的影响，提高了无线光通信系统的性能。

在本申请的其他实施例中，还提供了：

一种采用如实施例1所述方法的装置，包括:发射端和接收端，所述发射端包括依次连接的光电转换器、激光器和可调发射光阑；所述接收端包括相互连接的可调接收光阑和光电探测器。

进一步的，所述可调发射光阑与发射控制系统连接，所述发射控制系统与发射激光测距仪连接。

进一步的，所述可调接收光阑与接收控制系统连接，所述接收控制系统与接收激光测距仪连接。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种提高无线光通信系统性能的方法，其特征在于，步骤包括：

将多组不同初始束腰半径的涡旋光束从发射端传输到接收端；

建立涡旋光束轨道角动量模型，获取从发射端传输到接收端的信号轨道角动量模接收概率；

建立信号轨道角动量模接收概率随初始束腰半径变化曲线图；

根据变化曲线图中信号轨道角动量模接收概率最大值所对应的初始束腰半径作为通信系统的发射光束的初始束腰半径。

2.如权利要求1所述的提高无线光通信系统性能的方法，其特征在于，所述建立通信系统的发射端和接收端步骤包括：采用激光测距仪测量发送端与接收端之间的距离。

3.如权利要求1所述的提高无线光通信系统性能的方法，其特征在于，通信系统的接收光阑半径的大小与通信系统的发射光束的初始束腰半径相同。

4.如权利要求1所述的提高无线光通信系统性能的方法，其特征在于，建立涡旋光束轨道角动量模型，获取从发射端传输到接收端的信号轨道角动量模接收概率的步骤包括：采集接收端接收到的不同轨道角动量模的拓扑荷、接收到的所有的轨道角动量模的拓扑荷；

获取拓扑荷为m的轨道角动量模的能量组分；

构建螺旋谱的表达式，建立涡旋光束轨道角动量模型。

5.如权利要求4所述的提高无线光通信系统性能的方法，其特征在于，所述获取拓扑荷为m的轨道角动量模的能量组分步骤包括：

获取接收光阑的半径；计算完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度。

6.如权利要求5所述的提高无线光通信系统性能的方法，其特征在于，所述计算完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度步骤包括：

采集涡旋光束轨道角动量模的径向坐标、角向坐标、拓扑荷、束腰半径，光环半径、波数、光束半径、曲率半径、高斯光束的古伊相移、瑞利距离、初始拓扑荷l阶的第一类修正贝塞尔函数和球面波在大气湍流中的空间相干长度；

利用上述采集信息构建完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度。

7.如权利要求5所述的提高无线光通信系统性能的方法，其特征在于，所述接收端的拓扑荷m与初始拓扑荷l相等。

8.如权利要求5所述的提高无线光通信系统性能的方法，其特征在于，构建完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度的具体步骤为：

(1)获取完美涡旋光束在柱坐标下，在源平面处的电场强度表达式；

(2)将电场强度表达式分解为不同螺旋谐波叠加的形式；

(3)通过积分化简，整理得到完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度；

通过完美涡旋光束轨道角动量模的概率密度，得到轨道角动量谱表达式，利用轨道角动量谱表达式获取从发射端传输到接收端的信号轨道角动量模接收概率。

9.一种采用如权利要求1-8所述方法的装置，其特征在于，包括:发射端和接收端，所述发射端包括依次连接的光电转换器、激光器和可调发射光阑；所述接收端包括相互连接的可调接收光阑和光电探测器。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述可调发射光阑与发射控制系统连接，所述发射控制系统与发射激光测距仪连接。

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