CN111835426B - 大气湍流抑制方法、装置及大气激光通信系统 - Google Patents

大气湍流抑制方法、装置及大气激光通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大气湍流抑制方法、装置及大气激光通信系统。其中，大气湍流抑制方法，通过设定一个预设光电流，并将接收到的大气湍流引发的光电流与预设光电流进行比较，调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同，从而将波动的干扰电信号转化为一个类似于直流的干扰电信号，从而抑制了大气湍流的波动以及衰落，同时，通过对空间激光通信的前端接收部分APD的增益进行自适应增益控制，来抑制大气湍流的波动以及衰落，成本低廉，占用空间小，适合轻量级飞艇的使用。同时采用大气湍流抑制方法的大气激光通信系统的误码率远低于固定增益下大气激光通信系统的误码率，提高了通信质量。

Description

大气湍流抑制方法、装置及大气激光通信系统
技术领域
本发明涉及空间激光通信领域，具体涉及一种大气湍流抑制方法、装置及大气激光通信系统。
背景技术
随着第五代移动通信技术(5G)的快速发展，主要问题是基站的缺乏和选址的困难，除了城市的土地资源短缺外，运营商还该考虑在偏远地区派站的成本和可行性，而基于飞艇平台建立的5G基站可以解决偏远地区和海上基站分布问题，显著提高5G服务的覆盖率和可达性。但是，由于近地大气热交换剧烈，大气湍流现象严重，而大气是限制近地激光通信可通率的主要原因，大气湍流将引起激光信号的功率起伏，从而增加误码甚至终端链路。
现有技术中，解决由大气湍流引起的闪烁问题，主要通过抑制大气湍流的波动以及衰落，包括以下几种，光学上采用多口径发射以弱化强湍流效应，但是该方法仅能降低强湍流效应，并不能稳定湍流起伏，湍流波动仍然存在，仍然会导致误码，采用大口径接收以平滑湍流起伏，首先激光通信终端体积质量限制，接收口径不能无限制增大，而目前的中小口径激光通信均对湍流的改善情况不佳；电子学上加入主动自适应系统以抑制光斑破碎，这种采用变形镜的方法，能够起到均匀化光斑分布的目的，但是对于激光强度上的变化，改善效果不明显，且整个系统运算复杂，执行带宽低，存在湍流抑制的滞后，不足以改善误码率，加入精密跟踪系统以弱化光束抖动，虽然能够稳定光斑指向，但是这种靠单一振镜的跟踪，对于光功率起伏改善不明显。
上述问题是目前亟待解决的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大气湍流抑制方法、装置及大气激光通信系统，以实现对APD的增益进行自适应控制，从而将大气湍流引起的干扰电信号的波动以及衰落进行抑制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供了一种大气湍流抑制方法，包括：
通过APD接收光信号并将光信号转化为电信号；
依据接收到的电信号获取大气湍流引发的光电流；
将光电流与预设光电流进行比较，得到误差信号；
依据误差信号调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同。
进一步的，依据接收到的电信号获取大气湍流激发的光电流；
通过滤波得到电信号中属于大气湍流引发的干扰电信号的方法包括；
将干扰电信号转化为大气湍流引起的光电流。
进一步的，所述依据误差信号调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同的方法包括：
通过PID算法依据误差信号对APD的反偏电压进行调节；
改变APD的反偏电压倍增增益的倍率，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同；
获得稳定干扰电信号，从而抑制大气湍流的波动。
进一步的，通过PID算法依据误差信号对APD的反偏电压进行调节的方法包括：
确定PID算法的模型中的系数；
接收输入的误差信号；
将误差信号输入PID算法的模型中；
通过PID算法的模型计算反偏电压调节值；
输出反偏电压调节值；
通过高压模块依据调节值对反偏电压进行调节。
进一步的，所述确定PID算法的模型中的系数的方法包括：
确定比例环节系数Kp初始值；
确定积分系数Ki初始值；
确定微分系数Kd初始值；
获取初始值状态下大气湍流输出的干扰电信号数据曲线图；
依据数据曲线图对Kp、Ki、Kd三个系数进行调节。
进一步的，所述依据数据曲线图对Kp、Ki、Kd三个系数进行调节的方法包括：
数据曲线的震荡频繁，增大Kp,数据曲线出现混叠，减小Kp，数据曲线往复周期过慢，减小Ki，数据曲线往复周期过快，增加Ki；数据曲线频率震荡过快，减小Kd，数据曲线频率震荡过慢，增大Kd。
进一步的，所述反偏电压的电压范围为APD的增益随反偏电压受控的线性区域的电压范围。
第二方面，本发明还提供了一种大气湍流抑制装置，包括：
APD接收模块，适于通过APD接收光信号并将光信号转化为电信号；
电流检测模块，适于依据接收到的电信号获取大气湍流激发的光电流；
比较模块，适于将光电流与预设光电流进行比较，得到误差信号；
调节模块，适于依据误差信号获取反偏电压调节值；
高压模块，适于依据反偏电压调节值对反偏电压进行调节，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同。
进一步的，所述调节模块包括：
系数确定单元，适于确定PID算法的模型中的系数；
接收单元，适于接收输入的误差信号；
输入单元，适于将误差信号输入PID算法的模型中；
计算单元，适于通过PID算法的模型计算反偏电压调节值；
输出单元，适于输出反偏电压调节值。
第三方面，本发明还提供了一种大气激光通信系统，包括如上述的大气湍流抑制装置。
本发明的有益效果是：通过设定一个预设光电流，并将接收到的大气湍流引发的光电流与预设光电流进行比较，调节雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，APD)的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同，从而将波动的干扰电信号转化为一个类似于直流的干扰电信号，从而抑制了大气湍流的波动以及衰落，同时，通过对空间激光通信的前端接收部分APD的增益进行自适应增益控制，来抑制大气湍流的波动以及衰落，成本低廉，占用空间小，适合轻量级飞艇的使用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例所提供的大气湍流抑制装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的大气湍流抑制方法的流程图。
图3为图2中步骤S120的子步骤流程图。
图4为图2中步骤S140的子步骤流程图。
图5为固定反偏电压，固定增益下通信光功率和闪烁方差数据图。
图6为采用大气湍流抑制装置下通信光功率和闪烁方差数据图。
图7为通信误码率测量结果图。
图8为本发明实施例所提供的大气激光通信系统的结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
请参阅图1，图1为本发明实施例所提供的大气湍流抑制装置的结构示意图。
大气湍流抑制装置包括：APD接收模块、电流检测模块、比较模块、调节模块以及高压模块。
其中，接收模块，适于通过APD接收光信号并将光信号转化为电信号；
电流检测模块，适于依据接收到的电信号获取大气湍流激发的光电流；
比较模块，适于将光电流与预设光电流进行比较，得到误差信号；
调节模块，适于依据误差信号获取反偏电压调节值；
高压模块，适于依据反偏电压调节值对反偏电压进行调节，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同。
在本实施例中，接收模块，通过APD来接受光信号并将光信号转化为电信号。APD的阴极分别与电流检测模块以及高压模块电性连接。其中，APD利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度，同时APD是接收机信号探测的最前端，它的接收信号直接反应了大气湍流的起伏，是能够进行最有效抑制的部分。
在本实施例中，电流检测模块包括低通滤波电路以及电流镜，低通滤波电路将电信号中的高频的通信信号进行滤除得到电信号中属于大气湍流引发的干扰电信号后，将干扰电信号通过电流镜转化为光电流后输出。
在本实施例中，比较模块以及调节模块通过同一控制芯片实现，即，电流检测模块输出的光电流传输给控制芯片，控制芯片，通过比较模块将光电流与预设光电流进行比较，得到误差信号，然后通过调节模块依据误差信号获取反偏电压调节值。
具体地，所述调节模块包括：系数确定单元，适于确定PID算法的模型中的系数；接收单元，适于接收输入的误差信号；输入单元，适于将误差信号输入PID算法的模型中；计算单元，适于通过PID算法的模型计算反偏电压调节值；输出单元，适于输出反偏电压调节值。所述反偏电压的电压范围为APD的增益随反偏电压受控的线性区域的电压范围。
其中，PID算法的模型中的系数的确定过程包括：确定比例环节系数Kp初始值；确定积分系数Ki初始值；确定微分系数Kd初始值；获取初始值状态下大气湍流输出的干扰电信号数据曲线图；依据数据曲线图对Kp、Ki、Kd三个系数进行调节。
具体的，在PID算法方面，先找到合适的比例环节系数，过小系统反映慢，适当增大比例系数来减小静差，而过大会造成超调，本算法中选择Kp＝0.00005；后加入积分，增加积分时间常数减小超调和震荡，Ki＝0.000032；再加入微分环节，调整微分时间常数，提高控制精度，Kd＝0.000048。具体的调整根据接收数据曲线来判断，震荡频繁增大Kp，曲线出现混叠减小Kp；曲线往复周期过慢减小积分时间Ki，反之增加；频率震荡过快减小Kd，反之增大。
在本实施例中，高压模块为APD提供偏置电压，并受控制芯片控制，从而实现依据调节值对反偏电压进行调节的功能。
在本实施例中，大气湍流抑制装置还包括供电模块，供电模块包括供电接口以及稳压电路，供电单元适于为大气湍流抑制装置的各个模块进行供电。
实施例2
请参阅图2，图2为本实施例提供的大气湍流抑制方法的流程图。
大气湍流抑制方法，包括：
S110：通过APD接收光信号并将光信号转化为电信号。
具体地，步骤S110通过第一实施例提供的接收模块实现。
S120：依据接收到的电信号获取大气湍流引发的光电流；
请参阅图3，图3为图2中步骤S120的子步骤流程图。步骤S120包括：
S121：通过滤波得到电信号中属于大气湍流引发的干扰电信号。
具体地，步骤S121可以通过第一实施例中的电流检测模块中的滤波电路实现。
S122：将干扰电信号转化为大气湍流引起的光电流。
具体地，步骤S122可以通过第一实施例中的电流镜实现。
S130：将光电流与预设光电流进行比较，得到误差信号；
具体的，步骤S130可以通过第一实施例中的控制芯片的比较模块实现。
S140：依据误差信号调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同。
请参阅图4，图4为图2中步骤S140的子步骤流程图。步骤S140包括：
S141：通过PID算法依据误差信号对APD的反偏电压进行调节。
具体的，步骤S141包括以下子步骤：
S1411：确定PID算法的模型中的系数。
其中，步骤S1411包括：确定比例环节系数Kp初始值；确定积分系数Ki初始值；确定微分系数Kd初始值；获取初始值状态下大气湍流输出的干扰电信号数据曲线图；依据数据曲线图对Kp、Ki、Kd三个系数进行调节。
具体的，所述依据数据曲线图对Kp、Ki、Kd三个系数进行调节的方法包括：数据曲线的震荡频繁，增大Kp,数据曲线出现混叠，减小Kp，数据曲线往复周期过慢，减小Ki，数据曲线往复周期过快，增加Ki；数据曲线频率震荡过快，减小Kd，数据曲线频率震荡过慢，增大Kd。
S1412：接收输入的误差信号；
S1413：将误差信号输入PID算法的模型中；
S1414：通过PID算法的模型计算反偏电压调节值；
S1415：输出反偏电压调节值；
S1416：通过高压模块依据调节值对反偏电压进行调节。
其中，步骤S1411-步骤S1416存储在控制芯片的存储器中，并通过控制芯片进行调用。存储器设置有写入端口，以供程序员进行程序编写以及参数修改。
S142：改变APD的反偏电压倍增增益的倍率，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同。
具体的，由于反偏电压的调节范围在APD的线性区域，因此APD的增益系数具有非常高响应度的控制性，从而将大气湍流进行稳定。
S143：获得稳定干扰电信号，从而抑制大气湍流的波动。
具体的，由于将大气湍流稳定在预设光电流所对应的干扰电信号的附近，因此，将波动的大气湍流转化为一个类似于直流的干扰电信号，完成了对大气湍流的波动的抑制以及衰落的抑制。
实施例3
请参阅图8，本实施例提供了一种大气激光通信系统，包括如实施例所提供的大气湍流抑制装置。还包括高通滤波器、夸阻放大器、时钟恢复模块。
接收装置中的APD的阳极依次通过高通滤波器、夸阻放大器、时钟恢复模块后输出。
接收模块，将通信信号接收后通过大气湍流抑制装置将大气湍流进行抑制后输出给高通滤波器。
高通滤波器，将低频光电流滤除，即，将大气湍流进行滤除，同时将通信信号通过夸阻放大器放大后得到高频电压信号。
时钟恢复模块，将高频电压信号进行时钟恢复与数据重建，从而获得通信数据和对应的通信时钟。
本实施例还提供了一种大气激光通信系统的测试数据。
其中，反偏电压的范围是55V-63V，预设光电流为2WnA。大气湍流在不通光条件下的光电流为8000nA。
图5为无大气湍流抑制装置下通信光功率和闪烁方差数据图，即，采用固定反偏电压值进行增益，通信光功率通信光功率呈现对数正态分布，分布值范围从10000nA到70000nA；闪烁方差0.046；图6为加入大气湍流抑制装置下通信光功率和闪烁方差数据图，光功率区域稳定，在概率密度分布直方图上观察，概率密度显著集中，最大范围＜26000nA，呈现典型的随机噪声高斯分布，闪烁方差减小到0.009。
请参阅图7，图7为通信误码率测量结果图。
前50S是APD固定反偏电压，固定增益状态的误码率，后50S是在大气湍流抑制装置控制下的误码率。对前50s的数据和后50s的数据分别取平均误码率，当采用APD固定反偏电压，固定增益状态时，平均误码率BER＝4.82E-6，当采用大气湍流抑制装置自适应增益控制时，平均误码率BER优于1E-12。
综上所述，本发明提供了一种大气湍流抑制方法、装置及大气激光通信系统。其中，大气湍流抑制方法，包括：通过APD接收光信号并将光信号转化为电信号；依据接收到的电信号获取大气湍流引发的光电流；将光电流与预设光电流进行比较，得到误差信号；依据误差信号调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同。通过设定一个预设光电流，并将接收到的大气湍流引发的光电流与预设光电流进行比较，调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同，从而将波动的干扰电信号转化为一个类似于直流的干扰电信号，从而抑制了大气湍流的波动以及衰落，同时，通过对空间激光通信的前端接收部分APD的增益进行自适应增益控制，来抑制大气湍流的波动以及衰落，成本低廉，占用空间小，适合轻量级飞艇的使用。同时采用大气湍流抑制方法的大气激光通信系统的误码率远低于固定增益下大气激光通信系统的误码率，提高了通信质量。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种大气湍流抑制方法，其特征在于，包括：
通过APD接收光信号，通过载流子的雪崩倍增效应来放大所述光信号，并将光信号转化为电信号；
依据接收到的电信号获取大气湍流引发的光电流；
将所述光电流与预设光电流进行比较，得到误差信号；
依据误差信号调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同；所述预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号趋近于直流；
所述依据误差信号调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同的方法包括：
通过PID算法依据误差信号对APD的反偏电压进行调节；
改变APD的反偏电压倍增增益的倍率，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同；
获得稳定干扰电信号，从而抑制大气湍流的波动。
2.如权利要求1所述的大气湍流抑制方法，其特征在于，
依据接收到的电信号获取大气湍流激发的光电流的方法包括：
通过滤波得到电信号中属于大气湍流引发的干扰电信号；
将干扰电信号转化为大气湍流引起的光电流。
3.如权利要求2所述的大气湍流抑制方法，其特征在于，
通过PID算法依据误差信号对APD的反偏电压进行调节的方法包括：
确定PID算法的模型中的系数；
接收输入的误差信号；
将误差信号输入PID算法的模型中；
通过PID算法的模型计算反偏电压调节值；
输出反偏电压调节值；
通过高压模块依据调节值对反偏电压进行调节。
4.如权利要求3所述的大气湍流抑制方法，其特征在于，
所述确定PID算法的模型中的系数的方法包括：
确定比例环节系数Kp初始值；
确定积分系数Ki初始值；
确定微分系数Kd初始值；
获取初始值状态下大气湍流输出的干扰电信号数据曲线图；
依据数据曲线图对Kp、Ki、Kd三个系数进行调节。
5.如权利要求4所述的大气湍流抑制方法，其特征在于，
所述依据数据曲线图对Kp、Ki、Kd三个系数进行调节的方法包括：
数据曲线的震荡频繁，增大Kp,数据曲线出现混叠，减小Kp，数据曲线往复周期过慢，减小Ki，数据曲线往复周期过快，增加Ki；数据曲线频率震荡过快，减小Kd，数据曲线频率震荡过慢，增大Kd。
6.如权利要求1所述的大气湍流抑制方法，其特征在于，
所述反偏电压的电压范围为APD的增益随反偏电压受控的线性区域的电压范围。
7.一种大气湍流抑制装置，其特征在于，包括：
接收模块，适于通过APD接收光信号，通过载流子的雪崩倍增效应来放大所述光信号，并将光信号转化为电信号；
电流检测模块，适于依据接收到的电信号获取大气湍流激发的光电流；
比较模块，适于将所述光电流与预设光电流进行比较，得到误差信号；
调节模块，适于依据误差信号获取反偏电压调节值；
高压模块，适于依据反偏电压调节值对反偏电压进行调节，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同，所述预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号趋近于直流；
所述调节模块包括：
系数确定单元，适于确定PID算法的模型中的系数；
接收单元，适于接收输入的误差信号；
输入单元，适于将误差信号输入PID算法的模型中；
计算单元，适于通过PID算法的模型计算反偏电压调节值；
输出单元，适于输出反偏电压调节值。
8.一种大气激光通信系统，其特征在于，包括如权利要求7所述的大气湍流抑制装置。
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