CN113078955A - 基于光束整形的无线光通信系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于光束整形的无线光通信系统和方法，在水下光通信系统的光发射模块中引入光束整形单元，对光束进行振幅和或相位调制，改变光场能量分布，可以实现抗干扰、自聚焦的光束传输，提高了光束传输性能，进而提高水下光通信的信噪比。该系统的可移植性和拓展性较强，不仅可以应用于水下环境，在光信号在自由空间等其他环境中也可以显著改善传输性能。

Description

基于光束整形的无线光通信系统和方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于光束整形的无线光通信系统和方法。

背景技术

海洋占据了地球三分之二的面积，是人类探索和研究的前沿领域之一，水下无线通信在海洋探索中起着重要作用。目前水下无线通信的实现主要有三种技术，分别是水声通信、射频通信和水下光通信。其中水声通信是应用最广泛，由于声波信号在水下衰减较小，可以实现千米级的传输距离，但是声波限制了通信带宽只能达到10kbps量级，难以满足日益增长的水下高密度数据量、高速传输的需要。此外，声波传播速度较慢，导致水声通信链路的延迟很高，以及水声通信还面临安全性、保密性等诸多缺陷，因此水声通信的应用面临一定的限制。射频通信具有较高带宽(可达MHz量级)，同时也具有较低延时，然而射频信号在海水中衰减很高导致其在水下的有效通信距离只能达到数米。相较于前两者，水下光通信由于其高带宽、低延迟、高能效、高保密性等特点吸引了越来越多的关注。虽然海水对激光有一定的吸收导致其传播距离也限制在百米量级，但是也足以满足相当的需求，并且光通信带宽极高，可以实现Gbps量级的水下无线通信，具有极大的发展潜力。

图1展示了一种典型水下光通信系统，包括信号发射端、光发射模块和信号接收端。

信号发射端包括信号发生模块、信号调制生成模块以及光源模块。信号发生模块产生待发送的信号序列；信号调制生成模块以合适的调制方式对信号进行调制，光源模块将调制信号调制到激光光束上发射到后续模块中。

光发射模块包括一系列光学透镜组。光发射模块是通过光学透镜组对激光束进行准直扩束等操作，提高它的有效传输距离。

信号接收端包括光电转换模块和信号解调及处理模块。光电转换模块将外界的光信号转换为电信号，以便下一级模块处理；信号解调及处理模块将接收到的信号进行解调和数据分析。

信号发射端运行流程如下：首先产生信号序列，对其进行信号调制，将信号调制到光源模块上转换成光信号，发射携带调制信号的光束(一般是高斯光束)。

光发射模块运行流程如下：光源输出的光束通过光学透镜组，完成光束准直及扩束，射入信道，进行无线传输。

信号接收端运行流程如下：光电转换模块将接收到的光信号转换为电信号，对转换后的电信号输出到解调解码等信号处理，进而得到传输的数据。

光束从发射端射出，经过光发射模块实现光学调整后射入水中，在水中传输一段距离后由接收端接收信号并进行处理。

现有技术方案一个主要不足在于，在光发射模块中仅采取透镜组等对光束进行扩束准直，没有改变光源发出的光束的基本性质，即存在随着传播距离的增加，光束持续扩散的特性，对于常用的高斯光束来说，当光束传播逐渐远离束腰时，光斑的半径不断地增大，中心范围内的光场能量越来越小，以及其波阵面易受湍流等干扰的影响，导致接收端收到的有效功率很低，因而通信系统的信噪比难以提高，这进而显著限制了通信距离和通信速率的提高。

发明内容

技术问题：

本发明提出了一种针对用于水下光通信系统的光发射模块的光束整形方法，对光束进行调制整形，弥补传统光束的不足，实现更高的传输性能和增加更多的功能。

在传统的光发射模块中，引入一个光束整形功能模块对传输光束的空间相位、幅度等进行调制实现光束整形，进而改善光束传输特性，如抑制光束发散、增强抗干扰能力等，从而提高通信系统的信噪比，进一步提升通信系统性能(传输速率和传输距离)。

技术方案：

一种基于光束整形的无线光通信系统，包括信号发射端、光发射模块、信道和信号接收端，所述光发射模块包括光束准直单元和光束扩束单元，所述光束准直单元和光束扩束单元之间设置光束整形单元，所述光束整形单元用于进行光束的振幅或相位调制。

优选的，所述无线光通信系统为应用于水下环境的水下无线光通信系统。

优选的，所述光束整形单元包括光调制器件和傅里叶透镜。

更优选的，所述光调制器件为空间光调制器、光学镜片组或衍射式元件。

优选的，所述光束整形单元为透镜、棱镜或超表面材料。

基于上述无线光通信系统的无线光通信方法，包括如下步骤：来自光源的光束经过光束准直单元后生成准直光束，准直光束射入光束整形单元，生成整形光束，整形光束经过光束扩束单元后射入信道，进行数据传输。

有益效果：本发明给出了一种基于光束整形的无线光通信系统和方法，在水下光通信系统的光发射模块中引入光束整形单元，对光束进行振幅和或相位调制，改变光场能量分布，可以实现抗干扰、自聚焦的光束传输，提高了光束传输性能，进而提高水下光通信的信噪比。该系统的可移植性和拓展性较强，不仅可以应用于水下环境，在光信号在自由空间等其他环境中也可以显著改善传输性能，应用于其他环境时，系统结构没有变化，其他环境下的典型光通信系统如图1所示。

附图说明

图1为典型水下光通信系统；

图2为引入光束整形的光发射模块；

图3为发射光束的相位全息图和模拟传播特性，(a)高斯光束；(b)轴对称艾里光束，b＝1.24*10¹²，M＝1；(c)轴对称艾里光束，b＝3.47*10¹²，M＝1；(d)轴对称艾里光束，b＝1.24*10¹²，M＝2；(e)轴对称艾里光束，b＝3.47*10¹²，M＝2；

图4为接收端的光斑形貌，(a)没有光束整形；(b)经过光束整形。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，需要指出的是，本具体实施实例不具有限定作用，只用来验证发明的有效性。

本发明提出了一种基于光束整形的无线光通信系统及方法，基于本发明的光发射模块在传统的准直、扩束之外增加光束整形单元，包括一系列透镜组(准直器中的透镜以及L1、L2、L3)和光调制器件，光调制器件包括但不限于空间光调制器、光学镜片组、衍射式元件等。

光束整形单元通过对光束的波阵面进行强度和\或相位调制等操作，实现光束整形，生成满足特定需求的整形光束，所述整形光束具有的特性包括但不限于自聚焦特性、自恢复特性、角度偏转、曲线传播轨迹等。整形单元配合傅里叶透镜、准直器、扩束系统等光学部件组成光发射单元，以实现高性能的水下光传输，满足远距离、高速率及具有其他特性的水下光通信的应用需要。

以下述具体实例为例说明引入光束整形方法的光发射模块。

此示例中，光发射模块包括光束准直、整形和扩束三个单元。其运行流程如下所述：

来自光源的光束经过准直器后生成准直光束，准直光束射入光束整形单元，生成有特殊传输特性的整形光束，整形光束经过扩束器(L2&L3)后射入信道，进行数据传输。其核心部件是空间光调制器和傅里叶透镜L1共同组成的光束整形单元。

在空间光调制器上显示轴对称艾里光束全息图对入射光束进行相位调制，轴对称艾里光束，其具有自聚焦、自恢复的特性，相较于常用的高斯光束，此类光束能够增强某一距离下的光束能量强度，并且具有更强的抗杂质散射和湍流干扰的能力，能够有效提高通信信噪比，提高传输速率和传输距离。

轴对称艾里光束全息图相位面P如下所述：

P＝angle(e^{-ibr^3})

其中b为相位系数，r为离心径向距离。

通过改变相位系数b可以改变发射光束的聚焦点的位置，且通过提高扩束系统的扩束系数(放大倍数)M，可以进一步提高聚焦距离，利于实现更远距离的有效传输。

对此光发射系统实例进行仿真分析，假设传输介质的折射率为1，下图3为仿真结果。图3(a)为一般光通信系统使用的光发射模块出射的高斯光束的传播情况，可以看出光束在这种情况下迅速发散，光束中心能量密度迅速降低。图3(b)、(d)为相位系数b＝1.24*10¹²，而扩束系数M分别为1和2的情况下，轴对称艾里光束的传播情况，可以观察到相位系数不变，只增大扩束系数M的情况下，聚焦距离得到了显著提高。图3(c)、(e)为相位系数b＝3.47*10¹²，而扩束系数M分别为1和2的情况下，轴对称艾里光束的传播情况。

通过比较(b)和(c)可以观察到，在扩束系数M不变的情况下，可以通过改变相位系数b，调节聚集距离。

对本实例进行实物搭建，进行水下实验，使用的水体的衰减系数大约为0.25/m，扩束系统的放大系数设置为2，在接收端放置相机观察光斑，相机设置如曝光时间和增益等固定不变，进行光束整形前后，相机观察到的光斑如图4(a)(b)所示，可以看到通过光束整形能够显著增加接收端的光束中心强度，并且对路径上的干扰有抵抗作用。

在光发射模块中应用本发明提出光束整形方法，通过空间光调制器进行调制整形，改变光束的结构和传播特性，使得光束在传播可以在某位置附近发生聚焦，提高了对应位置的光束中心强度，同时对激光束在传输过程中的面临湍流干扰等有一定的抵抗作用。扩束系统对调制光束进行处理，抑制光束的发散，使得自聚焦距离得到进一步提升。

在本发明中，核心是在光发射模块中对光束进行光束的振幅/相位调制，实现光束整形，改善传输特性。本发明的技术方案是使用衍射光学元件实现的光束整形。但是还可以通过透镜、棱镜、超表面等其他技术手段实现具有类似功能的光束，此时光发射模块仍是准直+整形+扩束，但是整形部分将空间光调制器和透镜的组合换成了透镜、棱镜或者超表面材料。

本实施例对光束进行了空间相位调制，只调制了光的空间相位分布。空间振幅调制则是调整光束空间透过率，即空间光调制器的不同区域对入射光束的透过率不同。空间透过率的分布可以参考空间相位分布。相比于空间相位调制，空间振幅调制在调制器上存在能量损失，效率比较低。因此一般采用空间相位调制。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于光束整形的无线光通信系统，包括信号发射端、光发射模块、信道和信号接收端，所述光发射模块包括光束准直单元和光束扩束单元，其特征在于，所述光束准直单元和光束扩束单元之间设置光束整形单元，所述光束整形单元用于进行光束的振幅或相位调制。

2.根据权利要求1所述的基于光束整形的无线光通信系统，其特征在于，所述无线光通信系统为应用于水下环境的水下无线光通信系统。

3.根据权利要求1所述的基于光束整形的无线光通信系统，其特征在于，所述光束整形单元包括光调制器件和傅里叶透镜。

4.根据权利要求3所述的基于光束整形的无线光通信系统，其特征在于，所述光调制器件为空间光调制器、光学镜片组或衍射式元件。

5.根据权利要求1所述的基于光束整形的无线光通信系统，其特征在于，所述光束整形单元为透镜、棱镜或超表面材料。

6.基于权利要求1所述无线光通信系统的无线光通信方法，其特征在于，包括步骤：来自光源的光束经过光束准直单元后生成准直光束，准直光束射入光束整形单元，生成整形光束，整形光束经过光束扩束单元后射入信道，进行数据传输。

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