CN113411126B - 一种基于oam跳模的无线光通信抗大气湍流方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线光通信领域，公开了一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法。高速光开关将调制后的高斯光束选通到不同的螺旋相位板上，由螺旋相位板将高斯光束转化为涡旋光束，在每个符号周期内，多次改变OAM的拓扑荷，即可获得性能提升。本发明提出的抗大气湍流方法对光的空间维度进行调制，结构简单，可实时选取抗湍流性能好的模式，动态调整跳模速率，避免了固定发射模式导致的无法适应不同强度湍流的问题，易于与现有的无线光通信系统结合，不会显著增加系统重量与体积，可有效减小大气湍流引起的光功率起伏。

Description

一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法

技术领域

本发明涉及无线光通信领域，进一步是涉及一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法。

背景技术

大气存在着各种不同尺度的涡旋运动，表现为速度场的时间不连续性和空间不均匀性，称为大气湍流。大气湍流会导致激光光束发散、漂移、强度起伏、空间退相干等，降低无线光通信系统接收信号的质量，导致误码率增加、链路稳定性下降，甚至通信中断。因此，提升无线光通信系统的抗大气湍流性能具有十分重要的应用价值与实际意义。

目前提升无线光通信系统抗大气湍流性能的方法主要有：相干光通信技术、分集技术和自适应光学技术等。相干光通信是指在接收端使用一个本振激光器与接收到的信号光进行混频相干接收，再对混频后的信号进行处理，恢复出原始的数据信号。由于接收端的本振光功率足够大，故通过相干接收的方法可以极大地提高系统的检测灵敏度，相同的条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约24dB～30dB，因而可有效增加信号的传输距离。分集技术的核心将相同的信号副本通过不同的途径发送出去，由于通过不同信道接收到的信号经历的衰落并不相同，而所有信号副本同时陷入深度衰落的概率很小，因此分集技术能够在不增加发射功率的前提下提升链路的可靠性。常见的有空间分集、时间分集、频率分集、偏振分集等。多输入输出系统(Multiple Input Multiple Output，MIMO)是一种常见的空间分集技术，为获得更好的分集增益，发射天线(及接收天线)之间的距离要大于大气相干长度，从而保证通过不同路径传输的光束在大气中经历的衰落“不相干”。理论上收发天线的数量越多，系统性能越好。但缺点也十分明显，随着天线数量的增加，系统变得更加复杂、体积增大、成本升高。而且当天线数量增加到一定程度，空间增益的增加将变得十分缓慢。在通常的商业化产品中，多采用双发射或四发射系统。时间分集技术则是通过将具有差错控制的编码与交织技术联合使用的手段来实现，在接收端的信号中含有大量纠错编码而带来冗余信号，该技术以降低通信速率为代价，提高信息传输的可靠性。频率分集和偏振分集分别利用不同的频率(波长)和偏振态承载信息。近年来，研究人员开始着眼于模式分集，即利用不同的空间模式在传输过程中经过的路径不完全相同的特点实现分集，为分集技术引入了新的维度。自适应光学技术根据是否利用测量失真相位的波前传感器(wavefront sensor，WFS)，可分为有WFS和无WFS(包括基于相位恢复算法或机器学习算法的无WFS方案等)两种类型，可对接收光束的失真波前进行校正。WFS方案增加了激光终端的光路系统复杂性以及生产成本，不适合未来激光终端小型化、轻量化的应用需求，难以顺应未来空间光网络的发展趋势，很大程度上降低了空间光网络快速捕跟、链路重建以及通信性能；而无WFS方案则十分依赖模型的准确性和处理系统的计算能力，实时性相对较差。

近年来广泛研究的降低大气湍流对无线光通信系统的影响的方法，基本可归结为以上三类。利用相干接收的无线光通信技术如中国发明专利(201610333287.9)“一种无线光通信系统和调制解调方法”，采用偏振旋转相干的方式，发射端在相互正交的两个偏振方向上分别加载信号光和参考光；在系统的接收端，信号光与参考光在进行偏振旋转操作后干涉，再进行探测和判决，从而提取出相干调制的信号序列。优点是系统无需在接收端进行载波恢复和相位锁定，系统复杂度较低。应用分集技术的无线光通信方案如中国发明专利(202010635916.X)“应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统及方法”，对要发送的信号进行OFDM调制和电光转换，并通过M个不同的工作波长发送光信号，即将OFDM电信号调制到M个不同工作波长的光载波上，然后耦合成一路光信号，通过大气湍流信道传输；接收天线阵列中的M根接收天线分别接收M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并。该方案的优点是同时利用了波长(频率)分集与空间分集，可有效降低大气湍流的影响，改善了通信的系统性能，但缺点是系统结构复杂(需要多个调制器与光电探测器)、体积较大(需要多个发射天线与接收天线)。自适应光学手段如中国发明专利(202010671026.4)“激光通信链路中大气畸变前向反馈补偿系统”，采用无WFS方案，令经过大气湍流后的激光通过接收天线入射至精瞄镜，经精瞄镜与反射镜进行反射后，再入射至CMOS探测器对激光进行图像采集，生成光斑图像，并发送至上位机行处理，获得待校正角度，对精瞄镜的偏转角度进行调整，实现对链路波前相差进行前向反馈补偿。该方案的优点是成本相比WFS方案更低、光路结构简单，缺点在于在实时性相对较差。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有无线光通信系统抗大气湍流模块体积较大、结构复杂、成本较高、不易根据气象条件实时调整系统参数等缺点，提供一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法。本方法可在不增加发射/接收望远镜数目的前提下获得空间分集增益，无需并行检测多路信号，且可以根据大气条件的变化实时调整。此外，本方法亦可与传统的抗大气湍流技术相结合，进一步提升无线光通信系统的可靠性。

本发明提供的一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法，技术方案是：在光发射端，将待传输的信息通过调制器加载到高斯光束上，高斯光束经过高速光开关选通后入射到不同拓扑荷的螺旋相位板，螺旋相位板将入射光波转化携带不同轨道角动量的涡旋光束，涡旋光束经过发射望远镜后在大气信道中传输。在光接收端，由接收望远镜将接收到的涡旋光束耦合进光接收机，由光接收机进行解调，获取原始的信息。

本发明的详细技术方案为：

一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法，包括如下步骤：

第一步，在发射端，将待传输的信息通过光调制器加载到高斯光束上，得到加载了信息的空间上呈高斯分布的光波；

第二步，将第一步中加载了信息的高斯光束送入高速光开关，光开关以设定的跳模速率选通不同的通道，光开关的输出光经准直器入射到具有不同拓扑荷的螺旋相位板上；

第三步，螺旋相位板将高斯光束转换为涡旋光束，再由涡旋光栅耦合进发射天线进行发射；

第四步，在接收端，接收天线将经过大气信道传输的光束耦合进光接收机；

第五步，光接收机对接收到的光信号进行解调，获取原始的信息。

作为本发明的进一步改进：

所述第一步中，加载了信息的高斯光束，如式(1)所示：

式(1)中，A_c为振幅；m为调幅系数；ω_c为光波角频率；

为光波相位角；t为时间；U′(t)为加载了信息的高斯光束。

所述第三步中，涡旋光束，如式(2)所示：

式(2)中，A_c为振幅；m为调幅系数；exp(-il_tθ)为高斯光束添加的螺旋相位；l_t为涡旋光束的本征值，θ为方位角；l_t随机改变的速率即为系统跳模速率，l_t的取值及跳模速率根据信道特性的变化实时调整；U_OAM(t)为经螺旋相位板板转换生成的涡旋光束；

所述第四步中，每个符号周期内，光接收机接收到的平均光功率如式(3)所示：

式(3)中，U′_OAM(t)为接收端涡旋光束的瞬时振幅，

为U′_OAM(t)的复共轭，

为瞬时接收光功率；T′为跳模周期；T为符号周期；P_r接收天线在每个符号周期内接收到的平均光功率。

本发明具有以下效益：

(1)本发明提供基于OAM跳模的光通信技术光路简单，易于与现有的无线光通信系统结合，不会显著增加系统重量与体积，可有效降低大气湍流引起的光功率起伏；

(2)可实时选取抗湍流性能好的模式，动态调整跳模速率，避免了固定发射模式导致的无法适应不同强度湍流的问题，有助于进一步提高系统的性能；

(3)本发明对光波在空间维度进行调制，调制解调均可由无源光学器件完成，不会额外增加通信系统编码、解码负担，适合高速光通信。

附图说明

图1为基于OAM跳模的无线光通信系统的原理图；

图2为基于OAM跳模的原理示意图；

图3为某一湍流强度下基于OAM跳模的无线光通信系统接收光功率I与传统方式的接收光功率I₀的对比示意图；

图4为不同湍流强度下基于OAM跳模的无线光通信系统接收光强闪烁指数σ²与传统方式

的对比示意图。

其中：1—光调制器，2—高速光开关，3—准直器，4—螺旋相位板阵列，5—涡旋光栅，6—发射天线，7—接收天线，8—光接收机。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明做进一步说明：

图1为基于OAM跳模抗大气湍流技术的无线光通信系统原理示意图，从左至右依次光调制器1、高速光开关2、准直器3、螺旋相位板阵列4、涡旋光栅5、发射天线6、接收天线7、光接收机8。光发射机发出调制后的高斯光束，光开关根据跳模序列以系统设定的跳模速率切换相应的通道，输出光信号扩束后照射到螺旋相位板上，螺旋相位板将高斯光束转换为涡旋光束，由涡旋光栅耦合进发射天线进行传输。接收天线将接收到的光束耦合进光接收机，由光接收机对接收到的光信号进行解调，获取原始的信息。

图2为本发明提供的一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法的跳模示意图，l_n为OAM光束的拓扑荷数，t为符号周期，OAM跳模指在数据传输过程中，OAM光束的拓扑荷数不断跳变，跳变频率为系统的跳模速率。

本发明提供的抗湍流技术具体步骤包括：

第一步，在发射端，将待传输的信息通过光调制器加载到高斯光束上，得到加载了信息的空间上呈高斯分布的光束，如式(1)所示：

式(1)中，A_c为振幅；m为调幅系数；ω_c为光波角频率；

为光波相位角；t为时间；U′(t)为加载了信息的高斯光束。

第二步，将第一步中加载了信息的高斯光束进入高速光开关，光开关以系统设定的跳模速率选通不同的通道，光开关的输出光经准直器入射到不同拓扑荷的螺旋相位板上；

第三步，螺旋相位板将高斯光束转换为涡旋光束，如式(2)所示；再由涡旋光栅耦合进发射天线进行发射；

式(2)中，m为调幅系数；A_c为振幅；exp(-il_tθ)为高斯光束添加的螺旋相位；l_t为涡旋光束的本征值，l_t随机改变的速率即为系统跳模速率，l_t的取值及跳模速率可根据信道特性的变化实时调整；U_OAM(t)为经螺旋相位板板转换生成的涡旋光束。

第四步，在接收端，接收天线将经过大气信道传输的光束耦合进光接收机；每个符号周期内，光接收机接收到的平均光功率如式(3)所示：

式(3)中，U′_OAM(t)为接收端涡旋光束瞬时振幅，

为U′_OAM(t)的复共轭，

瞬时接收光功率；T′为跳模周期；T为符号周期；P_r为每个符号周期内接收到的平均光功率；

第五步，光接收机对接收到的光信号进行解调，获取原始信息；

为检验本发明提供的无线光通信系统的抗大气湍流方法有效性，利用本发明所提供的基于OAM跳模的方法与传统无线光通信系统进行重复性对比仿真。仿真中两种方案的发射光功率保持恒定且相等，OAM光束选择Laguerre-Gauss光束，跳模速率控制为4跳/符号，令发射光束经过符合大气湍流功率谱的随机相位屏，计算接收光信号的功率起伏。图3为对某一湍流强度下的数据传输进行重复仿真得到的OAM跳模与传统无线光通信的接收光强起伏对比。由图3可见，同一湍流强度下，基于OAM跳模的涡旋光束接收光强起伏小于传统高斯光束。图4为不同湍流强度下基于OAM跳模的无线光通信系统接收光强闪烁指数σ²与传统方式

的对比示意图，仿真结果表明，在较强湍流下，基于OAM跳模的光通信系统的光强闪烁指数相比传统光通信更小，意味着OAM跳模技术可有效提升无线光通信系统的抗大气湍流性能。

上述说明示出并描述了发明应用的实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，在发送端，将待传输的信息通过光调制器加载到高斯光束上，得到加载了信息的空间上呈高斯分布的光波；

第二步，将第一步中加载了信息的高斯光束送入高速光开关，光开关以设定的跳模速率选通不同的通道，光开关的输出光经准直器入射到具有不同拓扑荷的螺旋相位板上；OAM跳模指在数据传输过程中，OAM光束的拓扑荷数不断跳变，跳变频率为系统的跳模速率；

第三步，螺旋相位板将高斯光束转换为涡旋光束，再由涡旋光栅耦合进发射天线进行发射；

第四步，在接收端，接收天线将经过大气信道传输的光束耦合进光接收机；

第五步，光接收机对接收到的光信号进行解调，获取原始的信息。

2.如权利要求1所述的一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法，其特征在于，所述第一步中，加载了信息的高斯光束，如式(1)所示：

式(1)中，A_c为振幅；m为调幅系数；ω_c为光波角频率；

为光波相位角；t为时间；U′(t)为加载了信息的高斯光束。

3.如权利要求1所述的一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法，其特征在于，涡旋光束，如式(2)所示：

式(2)中，A_c为振幅；m为调幅系数；ω_c为光波角频率；

为光波相位角；exp(-il_tθ)为高斯光束添加的螺旋相位；l_t为涡旋光束的本征值，θ为方位角；l_t随机改变的速率即为系统跳模速率，l_t的取值及跳模速率根据信道特性的变化实时调整；U_OAM(t)为经螺旋相位板转换生成的涡旋光束。

4.如权利要求1所述的一种基于OAM跳模的无线光通信抗大气湍流方法，其特征在于，每个符号周期内，光接收机接收到的平均光功率如式(3)所示：

式(3)中，U′_OAM(t)为接收端涡旋光束的瞬时振幅，

为U′_OAM(t)的复共轭，

为瞬时接收光功率；T′为跳模周期；T为符号周期；P_r接收天线在每个符号周期内接收到的平均光功率。

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