CN113259001B - 一种空间光通信系统的性能优化处理方法及装置 - Google Patents

一种空间光通信系统的性能优化处理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种空间光通信系统的性能优化处理方法及装置。该方法包括：在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型；基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型；基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。采用本发明方法，能够提高在复杂大气环境下空间光通信系统的通信效率和性能，同时易于对空间光通信系统各性能参数进行分析和调整。

Description

一种空间光通信系统的性能优化处理方法及装置
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，具体涉及一种空间光通信系统的性能优化处理方法和装置。另外，还涉及一种电子设备及非暂态计算机可读存储介质。
背景技术
随着航天技术的蓬勃发展，空间光通信（FSO；Free Space OpticalCommunication）以其在太空环境的独特优越性，逐渐受到科研和航天部门的重视。空间光通信系统以激光作为光源承载信息，以大气等作为通信信道传输媒介，可实现卫星对地、对星以及其它平台的高速、安全、大容量定向通信。但是由于光的传输特性，在信号传输的过程中激光链路会面临大气的吸收、散射、能量损耗、衰落以及大气湍流等影响，从而造成通信性能的严重下降甚至链路中断。而通信信道参数的相关研究结果能够为空间光通信系统设计提供重要参数。因此，开展复杂大气环境下空间光通信信道性能参数研究至关重要。
雪崩光电二极管（APD；Avalanche Photon Diode）因其具备量子效率高、功耗低、感光灵敏度强、工作频谱范围大、体积小等优点，成为了光接收机的理想选择,在光通信中起着举足轻重的作用。而输出信号(电压或电流)中的噪声严重影响着雪崩光电二极管的探测率和灵敏度，以及对超远距离（数十乃至数百公里以上）弱光信号的探测成功率,降低噪声影响可提高雪崩光电二极管的性能。实际中，降低噪声首先要测试和分析雪崩光电二极管的噪声水平,而且噪声的测试与分析,还可以评估其质量和可靠性。另一方面，作为通信系统的重要性能指标，误码率是本发明专利需要着重考虑的因素，在本发明专利中，结合降噪与提升误码率，开展了相关研究并取得一系列成果。因此在空间光通信信道系统中对基于雪崩光电二极管噪声进行研究，如何提供一种高效的空间光通信信道系统的性能参数优化方案成为本领域研究的重要课题。
发明内容
为此，本发明提供一种空间光通信系统的性能优化处理方法及装置，以优化和解决现有空间光通信系统在雨雪、云雾等复杂大气环境下通信性能低、误码率高甚至长时间通信中断的情况。
本发明提供一种空间光通信系统的性能优化处理方法，包括：
在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型；其中，所述光量子的概率密度模型用于对空间光通信系统的光通信信号进行误码率判断；
基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型；
基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。
进一步的，所述在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型，具体包括：
在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，利用预设的傅里叶变换规则、数值积分赋值处理规则以及所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，得到目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型；
在得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，根据所述目标大气环境的参数特性，得到光通信信道特征模型；所述光通信信道特征模型为所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子对应的光通信信道特征模型；
在获得所述光通信信道特征模型的基础上进行连续傅里叶变换，得到所述空间光通信系统在目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型。
进一步的，所述在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，利用预设的傅里叶变换规则、数值积分赋值处理规则以及所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，得到目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型，具体包括：
基于预设的傅里叶变换规则对所述累积量生成模型进行处理，确定雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型；
利用所述数值积分赋值处理规则和所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，对所述雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型中的有限积分区间进行数值限定，得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型。
进一步的，在得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，根据所述目标大气环境的参数特性，得到光通信信道特征模型，具体包括：
在所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，基于所述目标大气环境的参数特性，并利用预设的参数取值区间和连续随机变量实数变换的方式，分析基于所述雪崩光电二极管的光接收器在目标大气环境下的信道噪声和大气环境干扰影响，并根据分析结果确定相应的所述光通信信道特征模型。
进一步的，基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，具体包括：
对所述光量子的概率密度模型进行多重积分处理，得到所述光通信信号的累积量分布模型；并基于所述光通信信号的累积量分布模型，确定实际收到的所述光通信信号的概率分布区间，以及结合所述目标大气环境的参数特性确定二进制接收信号的判决准则；
以所述判决准则为基准，对接收到的所述光通信信号进行判决比对，得到所述空间光通信系统的误码率；其中，所述光通信信号为所述二进制接收信号。
进一步的，以所述判决准则为基准，对接收到的所述光通信信号进行判决比对，得到所述空间光通信系统的误码率，具体包括:
以所述判决准则为基准对接收到的所述光通信信号进行判决比对, 得到所述目标大气环境下的空间光通信系统的误码率；
基于所述目标大气环境下的空间光通信系统的误码率，确定综合限定大气环境下的空间光通信系统的误码率。
进一步的，所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型对应的数据分布特征用以表示基于所述雪崩光电二极管的光接收器的光量子对应的分布区间。
相应的，本发明还提供一种空间光通信系统的性能优化处理装置，包括：
光量子概率密度确定单元，用于在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型；其中，所述光量子的概率密度模型用于对空间光通信系统的光通信信号进行误码率判断；
线性关系确定单元，用于基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型；
参数优化处理单元，用于基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。
进一步的，所述光量子概率密度确定单元，用于：
在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，利用预设的傅里叶变换规则、数值积分赋值处理规则以及所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，得到目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型；
在得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，根据所述目标大气环境的参数特性，得到光通信信道特征模型；所述光通信信道特征模型为所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子对应的光通信信道特征模型；
在获得所述光通信信道特征模型的基础上进行连续傅里叶变换，得到所述空间光通信系统在目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型。
进一步的，所述光量子概率密度确定单元，具体用于：
基于预设的傅里叶变换规则对所述累积量生成模型进行处理，确定雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型；
利用所述数值积分赋值处理规则和所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，对所述雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型中的有限积分区间进行数值限定，得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型。
进一步的，所述光量子概率密度确定单元，具体用于：
在所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，基于所述目标大气环境的参数特性，并利用预设的参数取值区间和连续随机变量实数变换的方式，分析基于所述雪崩光电二极管的光接收器在目标大气环境下的信道噪声和大气环境干扰影响，并根据分析结果确定相应的所述光通信信道特征模型。
进一步的，所述线性关系确定单元，具体用于：
对所述光量子的概率密度模型进行多重积分处理，得到所述光通信信号的累积量分布模型；并基于所述光通信信号的累积量分布模型，确定实际收到的所述光通信信号的概率分布区间，以及结合所述目标大气环境的参数特性确定二进制接收信号的判决准则；
以所述判决准则为基准，对接收到的所述光通信信号进行判决比对，得到所述空间光通信系统的误码率；其中，所述光通信信号为所述二进制接收信号。
进一步的，以所述判决准则为基准，对接收到的所述光通信信号进行判决比对，得到所述空间光通信系统的误码率，具体包括:
以所述判决准则为基准对接收到的所述光通信信号进行判决比对, 得到所述目标大气环境下的空间光通信系统的误码率；
基于所述目标大气环境下的空间光通信系统的误码率，确定综合限定大气环境下的空间光通信系统的误码率。
进一步的，所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型对应的数据分布特征用以表示基于所述雪崩光电二极管的光接收器的光量子对应的分布区间。
相应的，本发明还提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任意一项所述的空间光通信系统的性能优化处理方法的步骤。
相应的，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述的空间光通信系统的性能优化处理方法的步骤。
采用本发明所述的空间光通信系统的性能优化处理方法，能够提高在复杂大气环境下空间光通信系统的通信效率，同易于对空间光通信系统各性能参数进行分析和调整，有效提升了基于雪崩光电二极管的空间光通信系统的信号传输性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种空间光通信系统的性能优化处理方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种空间光通信系统的性能优化处理方法的完整流程示意图；
图3为本发明实施例提供的修正复杂大气环境参数后信噪比与误码率之间对应关系的示意图之一；
图4为本发明实施例提供的修正复杂大气环境参数后信噪比与误码率之间对应关系的示意图之二；
图5为本发明实施例提供的一种空间光通信系统的性能优化处理装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，对空间光通信系统进行性能提升，首先需要建立光通信系统在复杂的大气环境下的传输特性模型（即光通信信道模型）并加以分析。本申请在具体实施过程中，可根据已知的累积量生成模型（CGF，Cumulant Generating Function，即生成光通信信道模型的中间函数模型）进行相关数学推导与演算，建立了作用在复杂大气环境（弱云雾、弱雨雪、晴空等天气环境）下的光通信信道模型。复杂大气环境在光通信信道模型中以相关性能参数取值为具体表现特征。本申请针对该复杂大气环境条件下光通信信道模型中的雪崩光电二极管的特性开展噪声分析，并最终提供一种在在晴空、弱云雾以及弱雨雪之间转换的复杂大气环境条件下空间光通信系统的性能参数优化方案。
下面基于本发明所述的空间光通信系统的性能优化处理方法，对其实施例进行详细描述。如图1所示，其为本发明实施例提供的空间光通信系统的性能优化处理方法的流程示意图，具体实现过程包括以下步骤：
步骤101：在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型。其中，所述光量子的概率密度模型用于对空间光通信系统的光通信信号进行误码率判断。
如图2所示，在执行本步骤之前，首先需要确定已知的雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型（即累积量生成函数或者累积量生成函数模型）。
本步骤中，在所述累积量生成模型基础上，可利用预设的傅里叶变换规则、数值积分赋值处理规则以及所述目标大气环境（即特定的复杂大气环境）的参数特性对应的数值区间，通过预设的数学分析方法得到目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型；并在得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，根据所述目标大气环境的参数特性，得到光通信信道特征模型。其中，所述光通信信道特征模型为所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子对应的光通信信道特征模型。进一步的，在获得所述光通信信道特征模型的基础上进行连续傅里叶变换，得到所述空间光通信系统在目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型。需要说明的是，所述光量子的概率密度模型可以是指光量子的矩阵母函数模型。该光量子的矩阵母函数模型对应的数据分布特征用以表示基于所述雪崩光电二极管的光接收器的光量子对应的光接收器的分布区间。所述目标大气环境可以是指单一目标类型的大气环境，所述的单一目标类型可以是指弱云雾、弱雨雪等类型的天气环境，在此不做具体限定。
其中，所述在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，利用预设的傅里叶变换规则、数值积分赋值处理规则以及所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，得到目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型，具体实现过程包括：基于预设的傅里叶变换规则，利用数学建模分析和傅里叶变换公式推导的方法对所述累积量生成模型进行处理，确定雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型（MGF，Moment Generating Function，即雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数或者雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型）；并在充分考虑复杂大气环境对光量子的影响的情况下，利用所述数值积分赋值处理规则和所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，对所述雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型中的有限积分区间进行数值限定，进一步的将所述雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型演化成目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型（MGFTu）。
更进一步的，在得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，根据所述目标大气环境的参数特性，得到光通信信道特征模型，具体实现过程可包括：在所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，基于所述目标大气环境的参数特性，并利用预设的参数取值区间和连续随机变量实数变换的方式，分析基于所述雪崩光电二极管的光接收器在目标大气环境下的信道噪声和大气环境干扰影响，并根据分析结果确定相应的所述光通信信道特征模型（CF，CharacteristicFunction，即光通信信道特征函数或者光通信信道特征函数模型）。
在获得所述光通信信道特征模型的基础上，利用连续随机函数求导的方式得到相应的在设定好的复杂大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度函数模型。其中，所述概率密度函数模型用于对通信数据进行误码率判断，并且提供空间光通信系统通信质量评定的重要指标参数。
在具体实施过程中，所述的空间光通信系统可包括信号源、光发射器、空间光通信信道、噪声源、光接收器和输出端等。本申请中，空间光通信系统使用红外1550nm激光器为激光信号发射器，信号通过调制编码、数模转换和偏置后从发射器发射，通过空间光通信传输，被基于雪崩光电二极管（APD；Avalanche Photon Diode）的接收器捕获，充分运用高斯逼近加载噪声，通过模数转换、信号均衡以及解调解码后形成接收信号输出。上述空间光通信系统信道在不考虑衰落的理想环境下可表述为以下公式，该公式为已知经典信道模型数学表达式：
Figure 86574DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，x是光量子随机变量；R(x)是接收的光通信信号；S(x)是发射的光通信信号； H(x)是信道响应；
Figure 966806DEST_PATH_IMAGE002
代表发射信号与信道响应的卷积；n(x)是总噪声，基于APD的空间光通 信系统（即APD系统）的噪声为散粒噪声和热噪声的总和。
在本步骤中，基于雪崩光电二极管输出的光量子的累积量生成函数模型，充分考虑积分区间的有限性，理想环境下，利用傅里叶变换在有限区间得到雪崩光电二极管接收到的光量子的矩阵母函数为：
Figure 854340DEST_PATH_IMAGE003
（2）
其中，exp是自然对数为底的函数，下同；s表示光通信系统接收光量子的随机变 量；
Figure 212641DEST_PATH_IMAGE004
，是APD一阶光量子数量与过量噪声在非盖革模式下的非线性因子，其 中
Figure 872161DEST_PATH_IMAGE005
是一阶光量子数量的均值，F是过量噪声因子；
Figure 923293DEST_PATH_IMAGE006
，且
Figure 35475DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 649996DEST_PATH_IMAGE008
是输入光量子的平均值，G是APD的平均增益；M表示光电倍增系数。
基于所述雪崩光电二极管接收到的光量子的矩阵母函数模型，以数值积分有限赋 值的方式，利用积分进行数学推导处理。将对应大气环境的气溶胶等大气粒子参数和能见 度等环境参数设定为特定天气数值区间；例如，弱云雾天气考虑地面10公里以内能见度低 于5但不低于2，根据相应的大气环境，改变F、G、
Figure 649176DEST_PATH_IMAGE009
和M等的取值。带入所述雪崩光电二极管接 收到的光量子的矩阵母函数模型对应的公式，获得目标大气环境下雪崩光电二极管的光量 子的矩阵母函数模型（即光量子矩阵母函数），进行变量实数转换，得到光通信信道特征模 型（即光通信信号的特征函数或者光通信信号的特征函数模型），此时应根据大气特定环境 参数，对变量进行归一化处理。得到目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函 数模型对应公式为：
Figure 123407DEST_PATH_IMAGE010
（3）
其中，MGFTu表示在目标大气环境（即特定复杂大气环境）下的光量子的矩阵母函 数，s表示光通信系统接收光量子的随机变量；与公式（2）相同的参数由于含义相同此处不 再赘述，具体请参照公式（2）；
Figure 473617DEST_PATH_IMAGE011
表示光量子的热噪声系数；
Figure 688566DEST_PATH_IMAGE012
表示符合高斯分布的热噪声 方差，且和上文所述过量噪声因子F随天气变化而产生非线性变化。
根据光量子矩阵母函数MGFTu得到光通信信号的特征函数：
Figure 73411DEST_PATH_IMAGE013
（4）
其中，t表示APD系统光信号特征分布变量；i表示傅里叶变换中的虚部，*表示实部与虚部相乘；其中与上述公式（2）相同的参数由于含义相同此处不再赘述，具体请参照公式（2）部分参数的含义。
在获得所述光通信信道特征模型（即光通信信道特征模型）的基础上，利用连续随机函数求导的方式得到APD系统光通信信号的概率密度函数，即光量子的概率密度模型。
所述概率密度函数表达式可由光通信信号的特征函数进行连续傅里叶变换得来：
Figure 450035DEST_PATH_IMAGE014
（5）
其中，s表示光量子密度变量；t表示APD系统光信号特征分布变量，e是自然对数；dt为积分的求导分项，下同。
步骤102：基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型。
在本发明实施例中，基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，具体实现过程包括：对所述光量子的概率密度模型进行多重积分处理，通过多重积分处理得到所述光通信信号的累积量分布模型（CDF，CumulativeDistribution Function，即累积量分布函数或者累积量分布函数模型）。并利用所有信号的所述累积量分布模型，确定实际收到的所述光通信信号的概率分布区间，进而通过近似处理，可得最终的数字归一化的二进制接收信号（即光通信信号）。由于光通信信号为二进制信号，通过对接收到的二进制信号进行以“0”和“1”为基准的目标判决比对，最终得到光通信系统的误码率。也就是，结合所述目标大气环境的参数特性确定二进制接收信号的判决准则，以所述判决准则为基准，对接收到的所述光通信信号进行判决比对，得到所述空间光通信系统的误码率。其中，所述光通信信号为所述二进制接收信号。
进而对通信数据进行误码率分析，得到该空间光通信系统在既定复杂大气环境下信噪比和误码率之间的线性关系模型。
需要说明的是，所述累积量分布函数模型不同于前文的累积量生成函数模型，二者不可直接互相推导。
其中，所述以所述判决准则为基准，对接收到的所述光通信信号进行判决比对，得到所述空间光通信系统的误码率，具体实现过程包括:以所述判决准则为基准对接收到的所述光通信信号进行判决比对, 得到所述目标大气环境下的空间光通信系统的误码率；基于所述目标大气环境下的空间光通信系统的误码率，确定综合限定大气环境下的空间光通信系统的误码率。所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型对应的数据分布特征用以表示基于所述雪崩光电二极管的光接收器的光量子对应的分布区间。
在具体实施过程中，基于所述概率密度模型（即概率密度函数或者概率密度函数模型），通过标准高斯误差函数处理得到所述空间光通信信号的误码率，并得到信噪比和误码率之间的线性关系模型。
根据概率密度函数（PDF）得到空间光通信信号的累积量分布函数（CDF）：
Figure 287541DEST_PATH_IMAGE015
（6）
其中，r表示累积量分布变量；
Figure 40602DEST_PATH_IMAGE016
( PDF(s) )表示对光量子分布的概率函数进行 误差处理，且
Figure 279954DEST_PATH_IMAGE017
，其中x表示需要做误差处理的变量，u是大气湍流对应系 数，当取雨雪云雾天气时，u具有不同的赋值区间。
在实际通信应用中，二进制信号“1”或“0”错误的概率分别为：
Figure 51249DEST_PATH_IMAGE018
（7）
Figure 376051DEST_PATH_IMAGE019
（8）
则目标大气环境下的空间光通信系统的误码率（BER）可表示为：
Figure 932803DEST_PATH_IMAGE020
（9）
其中p表示二进制传输信号通过数据拟合后判决为正确的概率，e𝑟𝑓c表示互补误 差函数，其定义为：
Figure 761082DEST_PATH_IMAGE021
，u是大气湍流对应系数。
进而得到综合限定大气环境下的空间光通信系统的误码率通用计算方式为：
Figure 745087DEST_PATH_IMAGE022
（10）
其中，
Figure 557185DEST_PATH_IMAGE023
，SNR是光通信系统的信噪比，即光信 号与噪声的比值，
Figure 917628DEST_PATH_IMAGE024
是信噪比的均值。
所述综合限定大气环境下的空间光通信系统的误码率通用计算方式是指云雾、雨雪等复杂大气环境下通用的计算方式。在具体实施过程中，可通过调整对应的参数实现对不同目标类型大气环境下空间光通信系统的误码率进行计算，在此不再一一赘述。
需要说明的是，通常信噪比越大误码率越低，但是受限于设备、能耗等因素不能无限制的增大能量，所以要找到系统性能和信噪比之间的平衡点，在没有过多的浪费的前提下，去保证系统性能，获得最大的效率。
步骤103：基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。
在本发明实施例中，基于所述线性关系模型（即如图3和4所示的线性关系曲线模型，其纵坐标分别为误码率BER，横坐标分别为信噪比SNR）可以直观对空间光通信系统各项性能参数进行适应性调整，以抵消复杂大气环境中各种恶劣天气对空间光通信系统性能的影响，从而达到增强光通信系统在实际应用中适应能力的目的，提高空间光通信系统在较恶劣天气环境下的性能表现。
本申请可基于APD进行接收器装置设计。由于APD输出信号(电压或电流)中的噪声严重影响着其对超远距离（数十乃至数百公里以上）弱光信号的探测成功率,降低噪声可显著提高APD的性能。本申请通过对光通信信号在复杂大气环境下的传输机理的研究，在设计空间光通信的信号传输方案的过程中，为空间光通信系统提高抗干扰能力，以及对抗复杂大气环境影响提供了一种具有较高创新性的方法。
采用本发明实施例所述的空间光通信系统的性能优化处理方法，能够提高在复杂大气环境下空间光通信系统的通信效率，同易于对空间光通信系统各性能参数进行分析和调整，有效提升了基于雪崩光电二极管的空间光通信系统的信号传输性能。
与上述提供的一种空间光通信系统的性能优化处理方法相对应，本发明还提供一种空间光通信系统的性能优化处理装置。由于该装置的实施例相似于上述方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处请参见上述方法实施例部分的说明即可，下面描述的空间光通信系统的性能优化处理装置的实施例仅是示意性的。如图5所示，为本发明实施例提供的一种空间光通信系统的性能优化处理装置的结构示意图。
本发明所述的一种空间光通信系统的性能优化处理装置具体包括如下部分：
光量子概率密度确定单元501，用于在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型；其中，所述光量子的概率密度模型用于对空间光通信系统的光通信信号进行误码率判断；
线性关系确定单元502，用于基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型；
参数优化处理单元503，用于基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。
采用本发明实施例所述的空间光通信系统的性能优化处理装置，能够提高在复杂大气环境下空间光通信系统的通信效率，同易于对空间光通信系统各性能参数进行分析和调整，有效提升了基于雪崩光电二极管的空间光通信系统的信号传输性能。
与上述提供的空间光通信系统的性能优化处理方法相对应，本发明还提供一种电子设备。由于该电子设备的实施例相似于上述方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处请参见上述方法实施例部分的说明即可，下面描述的电子设备仅是示意性的。如图6所示，其为本发明实施例公开的一种电子设备的实体结构示意图。该电子设备可以包括：处理器（processor）601、存储器（memory）602和通信总线603，其中，处理器601，存储器602通过通信总线603完成相互间的通信，通过通信接口604与外部实现通信。处理器601可以调用存储器602中的逻辑指令，以执行空间光通信系统的性能优化处理方法，该方法包括：在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型；其中，所述光量子的概率密度模型用于对空间光通信系统的光通信信号进行误码率判断；基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型；基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。
此外，上述的存储器602中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的空间光通信系统的性能优化处理方法，该方法包括：在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型；其中，所述光量子的概率密度模型用于对空间光通信系统的光通信信号进行误码率判断；基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型；基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。
又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的空间光通信系统的性能优化处理方法，该方法包括：在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型；其中，所述光量子的概率密度模型用于对空间光通信系统的光通信信号进行误码率判断；基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型；基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种空间光通信系统的性能优化处理方法，其特征在于，包括：
在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型；其中，所述光量子的概率密度模型用于对空间光通信系统的光通信信号进行误码率判断；
基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型；
其中，基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，具体包括：对所述光量子的概率密度模型进行多重积分处理，得到所述光通信信号的累积量分布模型；并基于所述光通信信号的累积量分布模型，确定实际收到的所述光通信信号的概率分布区间，以及结合所述目标大气环境的参数特性确定二进制接收信号的判决准则；以所述判决准则为基准，对接收到的所述光通信信号进行判决比对，得到所述空间光通信系统的误码率；其中，所述光通信信号为所述二进制接收信号；
基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。
2.根据权利要求1所述的空间光通信系统的性能优化处理方法，其特征在于，所述在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型，具体包括：
在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，利用预设的傅里叶变换规则、数值积分赋值处理规则以及所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，得到目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型；
在得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，根据所述目标大气环境的参数特性，得到光通信信道特征模型；所述光通信信道特征模型为所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子对应的光通信信道特征模型；
在获得所述光通信信道特征模型的基础上进行连续傅里叶变换，得到所述空间光通信系统在目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型。
3.根据权利要求2所述的空间光通信系统的性能优化处理方法，其特征在于，所述在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，利用预设的傅里叶变换规则、数值积分赋值处理规则以及所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，得到目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型，具体包括：
基于预设的傅里叶变换规则对所述累积量生成模型进行处理，确定雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型；
利用所述数值积分赋值处理规则和所述目标大气环境的参数特性对应的数值区间，对所述雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型中的有限积分区间进行数值限定，得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型。
4.根据权利要求2所述的空间光通信系统的性能优化处理方法，其特征在于，在得到所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，根据所述目标大气环境的参数特性，得到光通信信道特征模型，具体包括：
在所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型的基础上，基于所述目标大气环境的参数特性，并利用预设的参数取值区间和连续随机变量实数变换的方式，分析基于所述雪崩光电二极管的光接收器在目标大气环境下的信道噪声和大气环境干扰影响，并根据分析结果确定相应的所述光通信信道特征模型。
5.根据权利要求1所述的空间光通信系统的性能优化处理方法，其特征在于，以所述判决准则为基准，对接收到的所述光通信信号进行判决比对，得到所述空间光通信系统的误码率，具体包括:
以所述判决准则为基准对接收到的所述光通信信号进行判决比对, 得到所述目标大气环境下的空间光通信系统的误码率；
基于所述目标大气环境下的空间光通信系统的误码率，确定综合限定大气环境下的空间光通信系统的误码率。
6.根据权利要求2-4任意一项所述的空间光通信系统的性能优化处理方法，其特征在于，所述目标大气环境下雪崩光电二极管的光量子的矩阵母函数模型对应的数据分布特征用以表示基于所述雪崩光电二极管的光接收器的光量子对应的分布区间。
7.一种空间光通信系统的性能优化处理装置，其特征在于，包括：
光量子概率密度确定单元，用于在获得雪崩光电二极管输出光量子的累积量生成模型基础上，基于目标大气环境的参数特性，确定在所述目标大气环境下传播的光通信信号中光量子的概率密度模型；其中，所述光量子的概率密度模型用于对空间光通信系统的光通信信号进行误码率判断；
线性关系确定单元，用于基于所述光量子的概率密度模型进行高斯误差处理，得到所述空间光通信系统的误码率，并得到所述空间光通信系统在所述目标大气环境下对应的所述误码率和信噪比之间的线性关系模型；其中，所述线性关系确定单元，具体用于：对所述光量子的概率密度模型进行多重积分处理，得到所述光通信信号的累积量分布模型；并基于所述光通信信号的累积量分布模型，确定实际收到的所述光通信信号的概率分布区间，以及结合所述目标大气环境的参数特性确定二进制接收信号的判决准则；以所述判决准则为基准，对接收到的所述光通信信号进行判决比对，得到所述空间光通信系统的误码率；其中，所述光通信信号为所述二进制接收信号；
参数优化处理单元，用于基于所述线性关系模型对所述空间光通信系统的性能参数进行优化调整，得到目标空间光通信系统。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任意一项所述的空间光通信系统的性能优化处理方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任意一项所述的空间光通信系统的性能优化处理方法的步骤。
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