CN113507319A - 一种基于焦平面阵列检测的光通信系统 - Google Patents

一种基于焦平面阵列检测的光通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，包括本端终端和远端终端，两者均包括发射模块、焦平面阵列、信号检测模块；焦平面阵列每个像元，根据积分控制信号对收到的光信号进行光电转换和积分处理；信号检测模块，分离出本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2；本端终端和远端终端发射的光信号具备不同调制信号格式；积分控制信号与光信号调制信号格式相匹配，使远端终端发射的光信号、本端终端发射的光信号的反射信号，经焦平面阵列每个像元光电转换积分处理后得到的电信号幅度不同且与本端终端和远端终端发射的光信号的单周期等效平均幅度相关。

Description

一种基于焦平面阵列检测的光通信系统
技术领域
本发明涉及一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，适用于采用焦平面阵列检测光信号的各种应用中，例如深空、近地、水下、车载和机载光通信等应用领域。
背景技术
在各种光通信应用中，光通信终端采用焦平面阵列实现光信号的检测，完成通信、捕获、跟踪和瞄准、测距一体化等多种功能。例如星间光通信终端利用焦平面阵列实现光信号的捕获和跟踪，其中焦平面阵列的各个像元分别接收入射光信号，进行光电检测并输出接收信号的灰度值给终端的捕获、跟踪和瞄准处理部分，以实现捕获和跟踪功能。
在实际应用中，光通信终端的焦平面阵列会收到多种噪声，主要噪声来源包括：(1)由于光通信终端的收发信道隔离度较低，部分发射光被反射回焦平面阵列，从而被焦平面接收；(2)由于无线信道的传输介质中的各种粒子对光信号的散射和反射，例如水下信道和大气信道中各种粒子的光信号反射，部分发射信号会被反射回终端接收口径，成为焦平面阵列入射光信号的一部分；(3)焦平面阵列的探测器器件噪声，包括阵列像元器件的热噪声、散弹噪声等。其中，由于发射信号的功率较大，同时发射光路中各个器件的状态不断变化，例如发射望远镜镜面的洁净度不断变化，而且终端瞄准功能使发射信号的瞄准前置角不断变化，因此，被反射回来的入射光光强和空间分布是不断变化的，它所造成的焦平面阵列噪声的功率和空间分布也是不断变化的。这些噪声严重降低焦平面阵列对远端接收信号的检测性能和光斑质心计算的精度。
在某些光通信系统中，例如星间激光通信和水下激光通信，根据系统应用需求，各个光通信终端工作在同一波段且相邻极近的工作波长上，例如两个终端的工作波长间隔小于1nm。在实际工程应用中，因为光滤波器的带宽无法做得足够窄，例如焦平面探测器前窄带滤波片的带宽最窄只能做到2～3nm，所以光通信终端无法采用传统的波长滤波方法来区分接收光信号和被反射回来的发射光信号。或者因为采用偏振滤波或波长滤波以后，其信道收发隔离度仍不能够做得足够大，因此光通信终端的焦平面阵列会同时接收到远端终端发射来的光信号和本端终端发射并被发射回来的光信号。由本端终端发射并被反射回来的光信号会对接收和检测远端终端发来的光信号造成干扰，影响本端终端的光信号检测性能和光斑质心计算精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，提高光接收信号的检测性能、收发信道隔离度和光斑质心计算精度。
本发明解决技术的方案是：一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，该系统包括本端终端和远端终端；本端终端和远端终端均包括发射模块、焦平面阵列、信号检测模块；
本端终端和远端终端的发射模块发射光信号至对方，远端终端发射的光信号、本端终端发射的光信号的反射信号同时到达本端终端的焦平面阵列，焦平面阵列每个像元，根据积分控制信号对收到的光信号进行光电转换和积分处理，将积分处理之后的电信号发送至信号检测模块；信号检测模块，对每个像元输出的电信号进行统计计算，分别得到本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2，远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2用于远端终端发射的光信号的光斑质心计算；
本端终端发射光反射信号的调制信号和远端终端发射光调制信号具备不同调制信号格式；积分控制信号与光信号调制信号格式相匹配，使本端终端采用同一个焦平面阵列和同一个积分控制信号，针对远端终端发射的光信号、本端终端发射的光信号的反射信号，经焦平面阵列每个像元光电转换积分处理后得到的电信号幅度不同且与本端终端和远端终端发射的光信号的单周期等效平均幅度相关。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明在发射端采用不同调制信号格式的特殊设计，同时在接收端针对焦平面阵列采用相匹配的积分控制信号的特殊设计，可以使本端终端焦平面阵列的各个像元针对远端终端发射的光信号和本端终端发射光的反射信号，输出不同的电信号幅度，从而使焦平面阵列的输出信号与单周期等效平均幅度相关，使信号检测模块能够利用这个关系来计算I1和I2。
(2)通过构造观测向量Y、第一判断变量D和第二判断变量F，以及随机变量统计模型的均值计算，可以推导出本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2的计算表达式，从而区分出单周期等效平均幅度I1和I2，大大提高光接收信号的检测性能、收发信道隔离度和光斑质心计算精度。
(3)通过构造第一判断变量D和第二判断变量F，并在第一判断变量D和第二判断变量F的均值表达式中，消除了噪声均值分量mb，因此消除了其它各种噪声分量对焦平面阵列信号检测的影响，最终使其它噪声分量对I1和I2的影响被消除。从而大大提高光接收信号的检测性能、收发信道隔离度和光斑质心计算精度。
附图说明
图1为本发明实施例激光终端系统组成示意图；
图2为本发明实施例调制信号S1(t)波形图；
图3为本发明实施例调制信号S2(t)波形图；
图4(a)为本发明实施例焦平面阵列积分控制信号R帧和(R+1)帧；(本实施例中J＝K)
图4(b)为本发明实施例焦平面阵列积分控制信号(R+2)帧和(R+3)帧(本实施例中J′＝K′)；
图4(c)为本发明实施例焦平面阵列积分控制信号波形图；
图5为本发明实施例针对积分控制信号Sint(t)的S1(t)积分输出信号波形图；
图6为本发明实施例针对积分控制信号Sint(t)的S2(t)积分输出信号波形图；
图7为本发明实施例针对S1(t)和S2(t)的焦平面阵列输出信号波形图；
图8为本发明某一实施例观测向量Y的构成示意图；
图9为本发明另一个实施例观测向量Y构成示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，具有如下特点：
(a)在发射端，采用不同调制信号格式的特殊设计，即针对不同的光发射终端，其发射光信号采用不同调制频率的调制信号，发射光信号工作在同一波段且相邻极近的工作波长上。光信号工作在可见光、近红外、中红外、远红外波段和紫外波段。(b)在接收端，采用针对焦平面阵列的积分控制信号的特殊设计，使本端终端采用同一个焦平面阵列和同一个积分控制信号，针对远端终端发射的光信号、本端终端发射的光信号的反射信号，经焦平面阵列每个像元光电转换积分处理后得到的电信号幅度不同且与本端终端和远端终端发射的光信号的单周期等效平均幅度相关。。焦平面阵列可以为光电二极管PIN探测器阵列、雪崩二极管APD探测器阵列，盖格模式APD探测器阵列、超导纳米线探测器SNSPD阵列。焦平面阵列的材料可为硅、铟镓砷、碲镉汞、氮化铌、钨化硅。(c)在接收端，采用相应的信号检测统计算法，有效地消除本端终端发射光信号的反射信号对焦平面阵列信号检测的影响，有效降低被反射的光信号噪声和热噪声等，从而大大提高光接收信号的检测性能、收发信道隔离度和光斑质心计算的精度。
(1)调制信号格式的设计如下：
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)满足如下条件：
1)、本端终端发射光反射信号的调制信号频率为f1，远端终端发射光调制信号频率为f2，其中f1和f2是正整数且f1≠f2；
2)、本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)均为周期信号；
3)、在本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的一个时间周期[0，T1)以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在[0，pT1)时间上的积分与本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在[pT1，T1)时间上的积分是不同的，其中，
Figure BDA0003111206330000041
p取正实数且p∈(0，1)；
4)、在远端终端发射光调制信号S2(t)的一个时间周期[0，T2)以内，远端终端发射光调制信号S2(t)在[0，p′T2)时间上的积分与远端终端发射光调制信号S2(t)在[p′T2，T2)时间上的积分不同，其中，
Figure BDA0003111206330000042
p′取正实数且p′∈(0，1)。
调制信号为S1(t)和S2(t)满足如下表达式：
Figure BDA0003111206330000043
Figure BDA0003111206330000044
其中：
Tintegral：为激光终端焦平面阵列的积分控制信号的单周期内积分时长。
f1：为激光终端A发射光调制信号S1(t)的频率。
I1：为激光终端A发射光调制信号S1(t)的单周期等效平均幅度。
K(2M1+1)：为激光终端A发射光调制信号S1(t)的其积分时间Tintegral以内的周期个数。
f2：为激光终端B发射光调制信号S2(t)的频率。
I2：为激光终端B发射光调制信号S2(t)的单周期等效平均幅度。
K(2M2)：为激光终端B发射光调制信号S2(t)的其积分时间Tintegral以内的周期个数。
(2)焦平面阵列积分控制信号格式的设计如下：
在激光通信终端中，采用焦平面阵列的积分控制信号的特殊设计，使积分控制信号与光信号调制信号格式相匹配，并使本端终端采用同一个焦平面阵列和同一个积分控制信号，针对远端终端发射的光信号、本端终端发射的光信号的反射信号，经焦平面阵列每个像元光电转换积分处理后得到的电信号幅度不同且与本端终端和远端终端发射的光信号的单周期等效平均幅度相关。本发明通过积分控制信号的多个帧联合设计以及后续的信号检测统计算法，计算得到各个不同频率信号的单周期等效平均幅度I1和I2。Tframe为激光终端焦平面阵列的输出帧周期时长。焦平面阵列输出帧频为
Figure BDA0003111206330000051
针对需要考虑焦平面阵列的帧复位时间影响时，上式需要采用Tframe≥Tintegral。
积分控制信号的设计如下：
(1)积分控制信号Sint(t)为周期信号，每个周期包括4个帧，表示为第R帧、第(R+1)帧、第(R+2)帧和第(R+3)帧，帧周期时长为Tframe，积分控制信号在第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以内，包含有J个积分时间段
Figure BDA0003111206330000052
积分控制信号在第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以内，包含有J′个积分时间段
Figure BDA0003111206330000053
并且满足N1＝n(2M1+1)，N1′＝n′(2M1+1)，其中n和n′是正整数；同时满足Tframe≥Tintegral，
Figure BDA0003111206330000054
Tframe≥Tintegral′，
Figure BDA0003111206330000055
其中R为正奇数，在第R帧和第(R+1)帧i＝0，1，2...(J-1)，J≤K，在第(R+2)帧和第(R+3)帧i′＝0，1，2...(J′-1)，J′≤K′，J、J′、N1、N1′、M1、M2、M3、M4、K、K′、f1、f2为正整数。J个积分时间段可以连续，也可以不连续。J′个积分时间段可以连续，也可以不连续。
在同一个积分控制信号的条件下，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第R帧的J个积分时间段以内的积分输出记为第一本端光信号积分，第一本端光信号积分为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，且在第(R+1)帧的J个积分时间段以内的积分输出记为第二本端光信号积分，第二本端光信号积分也为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，并且第一本端光信号积分与第二本端光信号积分是不相同的，即第一本端光信号积分与第二本端光信号积分的差值不为0；
在同一个积分控制信号的条件下，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第R帧的J个积分时间段以内的积分输出记为第一远端光信号积分，第一远端光信号积分为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，且在第(R+1)帧的J个积分时间段以内的积分输出记为第二远端光信号积分，第二远端光信号积分也为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期。两个积分输出可以是相同的，也可以是不相同的。
在同一个积分控制信号的条件下，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+2)帧的J′个积分时间段以内的积分输出记为第三本端光信号积分，第三本端光信号积分为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，且在第(R+3)帧的J′个积分时间段以内的积分输出记为第四本端光信号积分，第四本端光信号积分也为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期。两个积分输出可以是相同的，也可以是不相同的。
在同一个积分控制信号的条件下，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+2)帧的J′个积分时间段以内的积分输出记为第三远端光信号积分，第三远端光信号积分为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，且在第(R+3)帧的J′个积分时间段以内的积分输出记为第四远端光信号积分，第四远端光信号积分也为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，同时第三远端光信号积分与第四远端光信号积分是不相同的，即第三远端光信号积分与第四远端光信号积分输出的差值不为0。
或者，在上面描述中的S1(t)和S2(t)在第R帧和第(R+1)帧的积分输出与其在第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分输出要求相互互换，也同样适用。
(2)根据上述条目(1)所述，其中的一种积分控制信号第R帧和第(R+1)帧的设计如下：
1)积分控制信号在第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以内，包含有J个积分时间段
Figure BDA0003111206330000061
或者
Figure BDA0003111206330000062
J个积分时间段可以连续，也可以不连续。
在同一个积分控制信号的条件下，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第R帧的J个积分时间段
Figure BDA0003111206330000063
以内的积分输出记为第十一本端光信号积分，第十一本端光信号积分为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)信号周期，且在第(R+1)帧的J个积分时间段
Figure BDA0003111206330000064
以内的积分输出记为第十二本端光信号积分，第十二本端光信号积分也为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)信号周期，同时第十一本端光信号积分与第十二本端光信号积分输出是不相同的，即第十一本端光信号积分与第十二本端光信号积分输出的差值不为0。
在同一个积分控制信号的条件下，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第R帧的J个积分时间段
Figure BDA0003111206330000071
以内的积分输出为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，且在第(R+1)帧的J个积分时间段
Figure BDA0003111206330000072
以内的积分输出也为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期。两个积分输出可以是相同的，也可以是不相同的。
Figure BDA0003111206330000073
2)根据上述条目1)所述，一类调制信号和积分控制信号的具体设计如下：
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第R帧的各个积分时间段
Figure BDA0003111206330000074
的积分输出是相同的，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+1)帧的各个积分时间段
Figure BDA0003111206330000075
的积分输出是相同的。
远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第R帧的各个积分时间段
Figure BDA0003111206330000076
Figure BDA0003111206330000077
的积分输出是相同的，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+1)帧的各个积分时间段
Figure BDA0003111206330000078
的积分输出是相同的。
焦平面阵列各个像元仅在积分控制信号第R帧的积分时间段
Figure BDA0003111206330000079
内对本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)进行积分，并且仅在第(R+1)帧的积分时间段
Figure BDA00031112063300000710
内对本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)进行积分。
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在第R帧的时间段
Figure BDA00031112063300000711
内的积分输出记为第五本端光信号积分，第五本端光信号积分为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure BDA00031112063300000712
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在第(R+1)帧的积分时间段
Figure BDA00031112063300000713
内的积分输出记为第六本端光信号积分，第六本端光信号积分也为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure BDA00031112063300000714
并且第五本端光信号积分和第六本端光信号积分是不同的；I1为本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的单周期等效平均幅度。
远端终端发射光调制信号S2(t)在第R帧的积分时间段
Figure BDA0003111206330000081
内的积分输出为第五远端光信号积分，第五远端光信号积分为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure BDA0003111206330000082
远端终端发射光调制信号S2(t)在第(R+1)帧的积分时间段
Figure BDA0003111206330000083
内的积分输出为第六远端光信号积分，第六远端光信号积分也为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure BDA0003111206330000084
I2为远端终端发射光调制信号S2(t)的单周期等效平均幅度。
其中M6+u≠M7+v，M5、M6、M7、M8、M9是正整数。
Figure BDA0003111206330000085
如果把第R帧的积分控制信号与第(R+1)帧的积分控制信号进行互换，也是可行的。
3)在积分控制信号的第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以外且在帧时长Tframe以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第R帧的(K-J)个积分时间段
Figure BDA0003111206330000086
的积分输出与第(R+1)帧的(K-J)个时间段
Figure BDA0003111206330000087
的积分输出是相同的，为
Figure BDA0003111206330000088
在积分控制信号的第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以外且在帧时长Tframe以内，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第R帧的(K-J)个积分时间段
Figure BDA0003111206330000089
Figure BDA00031112063300000810
的积分输出和第(R+1)帧的(K-J)个积分时间段
Figure BDA00031112063300000811
的积分输出是相同的，为
Figure BDA0003111206330000091
其中j＝J，(J+1)...(K-1)，α是正实数且α∈[0，1]。(K-J)个积分时间段可以连续，也可以不连续。
Figure BDA0003111206330000092
Figure BDA0003111206330000093
4)在上面第1)～3)项中，其中i和j的取值范围可以互换，即在第1)～2)项中i的取值范围为i＝J，(J+1)...(K-1)，在第3)项中j的取值范围为j＝0，1，2...(J-1)。
(3)根据上述条目(1)所述，一种积分控制信号第(R+2)帧和第(R+3)帧的设计如下：
1)积分控制信号在第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以内，包含有J′个积分时间段
Figure BDA0003111206330000094
或者
Figure BDA0003111206330000095
其中i′＝0，1，2...(J′-1)，
Figure BDA0003111206330000096
J′个积分时间段可以连续，也可以不连续。J′可以与J相同，也可以与J不同。M3可以与M1相同，也可以与M1不同。M4可以与M2相同，也可以与M2不同。
在同一个积分控制信号的条件下，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+2)帧的J′个积分时间段
Figure BDA0003111206330000097
以内的积分输出记为第七本端光信号积分，第七本端光信号积分为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，且在积分控制信号第(R+3)帧的J′个积分时间段
Figure BDA0003111206330000098
区间的积分输出为第八本端光信号积分，第八本端光信号积分也为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期。两个积分输出可以是相同的，也可以是不相同的。
。在同一个积分控制信号的条件下，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+2)帧的J′个积分时间段
Figure BDA0003111206330000099
以内的积分输出记为第十一远端光信号积分，第十一远端光信号积分为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，且在积分控制信号第(R+3)帧的J′个积分时间段
Figure BDA00031112063300000910
区间的积分输出为第十二远端光信号积分，第十二远端光信号积分也为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期。同时两个积分输出是不相同的，即两个积分输出的差值不为0。
Figure BDA0003111206330000101
2)根据上述条目1)所述，一类调制信号和积分控制信号的具体设计如下：
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+2)帧的各个
Figure BDA0003111206330000102
时间段的积分输出是相同的，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+3)帧的各个积分时间段
Figure BDA0003111206330000103
的积分输出是相同的。
远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+2)帧的各个
Figure BDA0003111206330000104
时间段的积分输出是相同的，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+3)帧的各个积分时间段
Figure BDA0003111206330000105
的积分输出是相同的。
焦平面阵列各个像元仅在积分控制信号第(R+2)帧的积分时间段
Figure BDA0003111206330000106
内对本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)进行积分，并且仅在第(R+3)帧的
Figure BDA0003111206330000107
时间段内对本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)进行积分。
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在第(R+2)帧的
Figure BDA0003111206330000108
时间段内的积分输出为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure BDA0003111206330000109
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在第(R+3)帧的
Figure BDA00031112063300001010
时间段内的积分输出也为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure BDA00031112063300001011
远端终端发射光调制信号S2(t)在第(R+2)帧的
Figure BDA00031112063300001012
时间段内的积分输出记为第九远端信号积分，第九远端信号积分为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure BDA00031112063300001013
远端终端发射光调制信号S2(t)在第(R+3)帧的
Figure BDA00031112063300001014
时间段内的积分输出第十远端信号积分，第十远端信号积分也为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，积分输出结果表示为
Figure BDA0003111206330000111
并且第九远端信号积分与第十远端信号积分输出结果是不同的。
其中M13+u′≠M14+v′，M11与M12可以相同也可以不相同，M10、M11、M12、M13、M14是正整数。
Figure BDA0003111206330000112
如果把第(R+2)帧的积分控制信号与第(R+3)帧的积分控制信号进行互换，也是可行的。
3)在积分控制信号的第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以外且在帧时长Tframe以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+2)帧的(K′-J′)个时间段
Figure BDA0003111206330000113
的积分输出与第(R+3)帧的(K′-J′)个时间段
Figure BDA0003111206330000114
的积分输出是相同的，即表示为在(K′-J′)个
Figure BDA0003111206330000115
时间段的积分输出是
Figure BDA0003111206330000116
在积分控制信号的第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以外且在帧时长Tframe以内，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+2)帧的(K′-J′)个时间段
Figure BDA0003111206330000117
的积分输出和第(R+3)帧的(K′-J′)个时间段
Figure BDA0003111206330000118
的积分输出是相同的，积分输出结构为
Figure BDA0003111206330000121
其中j′＝J′，(J′+1)...(K′-1)，α′是正实数且α′∈[0，1]。(K′-J′)个积分时间段可以连续，也可以不连续。
Figure BDA0003111206330000122
Figure BDA0003111206330000123
4)在上面第1)～3)项中，其中i′和j′的取值范围可以互换，即在第1)～2)项中i的取值范围为i′＝J′，(J′+1)...(K′-1)，在第3)项中j′的取值范围为j′＝0，1，2...(J′-1)。
(4)焦平面阵列信号检测和处理统计算法设计如下：
通过利用不同的光通信终端采用不同调制信号设计，以及焦平面阵列积分控制信号的相应设计，并结合后续相应的信号检测统计算法，从而使终端系统针对同一个焦平面阵列以及同一个积分控制信号时，不同频率入射信号的积分输出结果是不同的。因此，终端系统利用焦平面输出信号和相应的信号检测统计算法，分别得到不同频率入射信号的单周期等效平均幅度I1和I2，最终提高终端光信号检测性能和光斑质心计算精度。
焦平面阵列的单个检测像元以帧频率fframe输出经光电检测的积分电信号，表示为输出帧序列y[n]，其波形如图7所示。
根据以下表达式构造观测向量Y，如下式所示：
Figure BDA0003111206330000124
其中
Figure BDA0003111206330000125
Figure BDA0003111206330000126
q∈{1，5，9...，(Ny-3)}，(q+1)∈{2，6，10...，(Ny-2)}，(q+2)∈{3，7，11...，(Ny-1)}，(q+3)∈{4，8，12...，Ny}，Ny＝4β，Ny、L、β、q、(q+1)、(q+2)和(q+3)为正整数。即获取焦平面阵列每个像元输出帧序列y[n]，y[n]的总长度为NyL，以每Ny个输出y[n]作为一个周期，周期内的输出序列以序号q、(q+1)、(q+2)和(q+3)表示；针对输出帧序列y[n]的L个周期，把各个周期中序号相同的对应元素相加以组成变量Yq、Yq+1、Yq+2和Yq+3，从而最终形成观测向量Y。如下图所示。
根据上述调制信号和积分控制信号的设计及分析，可以得到观测向量Y的元素Yq、Yq+1、Yq+2和Yq+3的表达式如下：
Figure BDA0003111206330000131
其中，Nb为表示焦平面阵列中单个像元的观测向量Y元素Yq、Yq+1、Yq+2和Yq+3的输出噪声变量，假设单个像元的输出噪声为独立同分布的高斯分布随机变量，则噪声变量Nb服从高斯分布，即Nb～Gaussian(mb，σb 2)。
根据观测向量Y，构造第一判断变量D和第二判断变量F：
Figure BDA0003111206330000132
其中：Q为正奇数，(Q+1)为正偶数。
Figure BDA0003111206330000133
焦平面阵列单个检测像元的帧输出序列y[n]是服从高斯分布的随机变量，即y[n]～Gaussian(my，σy 2)，其中my为均值，σy 2是方差。根据中心极限定理，对于较大的参数L，可以得出YQ、YQ+1、YQ+2与YQ+3分别为独立同分布的随机变量，且均服从高斯分布。方差为
Figure BDA0003111206330000141
即表示为：
Figure BDA0003111206330000142
其中mQ、mQ+1、mQ+2和mQ+3是均值，
Figure BDA0003111206330000143
为方差。
随机变量YQ、YQ+1、YQ+2和YQ+3的均值表达式为：
Figure BDA0003111206330000144
Figure BDA0003111206330000145
Figure BDA0003111206330000146
Figure BDA0003111206330000147
Figure BDA0003111206330000151
随机变量YQ、YQ+1、YQ+2和YQ+3的方差表达式为：
Figure BDA0003111206330000152
根据焦平面阵列的积分控制信号、第一判断变量D和第二判断变量F的设计，则第一判断变量D和第二判断变量F服从高斯分布，表示如下：
Figure BDA0003111206330000153
获取一段时间内的第一判断变量D测量数据样本值Dt，t＝1～ZD，和第二判断变量F测量数据样本值Ft′，t′＝1～ZF，ZD为第一判断变量D测量数据的个数，ZF为第二判断变量F测量数据的个数。
(a)调制信号S1(t)和S2(t)的单周期等效平均幅度I1和I2计算
第一判断变量D的均值E(D)的表达式如下：
Figure BDA0003111206330000154
在第一判断变量D的均值表达式中，噪声均值分量mb已经被消除了，因此噪声对第一判断变量D均值的影响被抑制。其中：
Figure BDA0003111206330000155
其中Dt为第一判断变量D的测量数据样本值，ZD为第一判断变量D测量数据的个数。假设第一判断变量D是高斯随机变量且是各态历经的随机变量，第一判断变量D的时间平均均值等于第一判断变量D的统计平均均值。
第二判断变量F的均值E(F)的表达式如下：
Figure BDA0003111206330000156
Figure BDA0003111206330000161
在第二判断变量F的均值表达式中，噪声均值分量mb已经被消除了，因此噪声对第二判断变量F均值的影响被抑制。其中：
Figure BDA0003111206330000162
其中Ft′为第二判断变量F的测量数据样本值，ZF为第二判断变量F测量数据的个数。假设第二判断变量F是高斯随机变量且是各态历经的随机变量，第二判断变量F的时间平均均值等于第二判断变量F的统计平均均值。
通过计算如下方程组，可以得到单周期等效平均幅度I1和I2：
本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2：
Figure BDA0003111206330000163
其中，E(D)为第一判断变量D的测量数据样本值的均值；E(F)为第二判断变量F的测量数据样本值的均值。
(b)通过积分控制信号设计以简化调制信号S1(t)和S2(t)的单周期等效平均幅度I1和I2的计算
根据不同的应用场景和使用需求，以及相应的检测性能要求，通过积分控制信号的设计，可以设定参数，从而使计算简化，或者使检测弱信号的性能提高。
一种简化计算的积分控制信号设计设计是当在第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的第R帧积分输出结果与第(R+1)帧积分输出结果不同，远端终端发射光调制信号S2(t)的第R帧积分输出结果与第(R+1)帧积分输出结果相同；在第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的第(R+2)帧积分输出结果与第(R+3)帧积分输出结果相同，远端终端发射光调制信号S2(t)的第(R+2)帧积分输出结果与第(R+3)帧积分输出结果不同，即：M8＝M9、M11＝M12，并且设置J＝J′，则本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2计算表达式如下：
Figure BDA0003111206330000171
通过积分控制信号的设计，可以进一步设定参数。当M8＝M9、M11＝M12、J＝J′、M6＝M7、u＝1、v＝0、M13＝M14、u′＝1、v′＝0时，本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2的计算表达式如下：
Figure BDA0003111206330000172
本发明的信号检测统计算法中，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)的单周期等效平均幅度I1和I2的表达式均不包含噪声变量Nb的均值mb，即焦平面阵列中单个检测像元的观测向量元素的噪声变量的均值，因此能有效抑制各种噪声对焦平面阵列弱信号检测的影响，大幅提高焦平面阵列检测性能。
(c)远端激光终端B的单周期等效平均幅度I1和I2计算
针对激光终端B的信号检测和噪声抑制，仍采用如上述设计的光调制信号格式和焦平面阵列积分控制信号的信号格式，由于激光终端B是频率为f2的调制信号S2(t)被返回入射到焦平面，同时，接收远端的频率为f1的调制信号S1(t)，则其单周期等效平均幅度I1和I2计算表达式是互换的。即
Figure BDA0003111206330000173
实施例：
发射光调制信号格式设计的一种实施例如下：
在激光通信应用中，激光通信终端A发射光信号1，本端终端发射光反射信号的调制信号为S1(t)，工作波长为1550nm，调制信号频率为1.7MHz、占空比50％、OOK调制的激光信号。针对焦平面阵列开窗大小为32×32个像素，输出帧频为fframe＝10kfps，帧周期时长Tframe＝100μs，积分时间为Tintegral＝100μs，f1＝1.7MHz，K＝10，(2M1+1)＝17，K(2M1+1)＝170，M1＝8，
Figure BDA0003111206330000174
激光通信终端B发射光信号2，远端终端发射光调制信号为S2(t)，工作波长为1551nm，调制信号频率为1MHz、占空比50％、OOK调制的激光信号。针对焦平面阵列开窗大小为32×32个像素，输出帧频为fframe＝10kfps，帧周期时长Tframe＝100μs，积分时间为Tintegral＝100μs，f2＝1MHz，K＝10，(2M2)＝10，K(2M2)＝100，M2＝5，
Figure BDA0003111206330000181
激光终端A的入射光信号包括：(1)本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)，工作波长为1550nm，调制信号频率1.7MHz，占空比50％，OOK调制。(2)远端终端发射光调制信号S2(t)，工作波长为1551nm，调制信号频率1MHz，占空比50％，OOK调制。
包含入射光信号的激光终端系统组成示意图如图1所示。
其中：
信号1：为本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)，工作波长为1550nm，调制信号频率1.7MHz，占空比50％，OOK调制。
信号2：为远端终端发射光调制信号S2(t)，工作波长为1551nm，调制信号频率1MHz，占空比50％，OOK调制。
信号3：为焦平面阵列的积分控制电信号，采用特殊信号格式设计。焦平面阵列的输出帧频为10kfps，每个帧周期时长为100微秒，即积分控制电信号的周期时长为100微秒，其中积分时长为100微秒。
信号4：为经过焦平面阵列光电检测的输出电信号，帧频为10kfps，窗口大小为32X32，灰度值范围为0～65535。
信号5：为经过信号检测和处理的电信号。
2、积分控制信号格式设计的一个实施例如下：
例如，如果焦平面阵列积分控制信号Sint(t)采用OOK调制信号方式，则一种包括第R、(R+1)、(R+2)和(R+3)帧的积分控制信号设计表达式如下：
Figure BDA0003111206330000191
根据上述积分控制信号格式设计，一个具体的调制信号和积分控制信号的实施例如下：
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的频率为f1＝1.7MHz，每周期
Figure BDA0003111206330000192
Figure BDA0003111206330000193
占空比50％的OOK调制，如图2所示；远端终端发射光调制信号S2(t)的频率为f2＝1MHz，每周期
Figure BDA0003111206330000194
占空比50％的OOK调制，如图3所示。针对这两种调制信号，采用的焦平面阵列积分控制信号是OOK调制的周期信号，每一帧中的积分时间为100μs，其中每一帧包括K＝10个时间段，且K＝J，K′＝J′，如图4所示，其表达式如下：
Figure BDA0003111206330000201
积分控制信号格式实施例设计的各个信号波形图如图2、图3、图4(a)～图4(c)、图5、图6、图7所示。
3、焦平面阵列信号检测统计算法设计的一个实施例如下：
激光终端A和B采用上述的光调制信号格式，同时激光终端A采用上述焦平面阵列积分控制信号格式。焦平面阵列的单个检测像元以帧频率fframe输出经光电检测的积分电信号，表示为输出帧序列y[n]，序列长度为4L。根据以下表达式构造观测向量Y，表示如下式所示：
Y＝[Y1 Y2 Y3 Y4]
其中变量
Figure BDA0003111206330000202
Figure BDA0003111206330000203
h∈{0，1...L-1}，h和L是正整数。即针对焦平面阵列单个检测像元的输出帧序列y[n]，以每4个输出帧为一个周期，并把各个周期中第1个元素相加以组成Y1，把各个周期中第2个元素相加以组成Y2，把各个周期中第3个元素相加以组成Y3，把各个周期中第4个元素相加以组成Y4，从而最终形成观测向量Y，如图8和图9所示。
根据以下表达式构造第一判断向量D和第二判断向量F：
Figure BDA0003111206330000204
根据上述调制信号和积分控制信号的设计及分析，使M8＝M9、M11＝M12，可以得到随机变量Y1、Y2、Y3和Y4的表达式如下：
Figure BDA0003111206330000211
Nb为表示焦平面阵列中单个像元的Y1、Y2、Y3和Y4的输出噪声变量，假设单个检测像元的Y1、Y2、Y3和Y4的输出噪声为高斯噪声，则噪声变量Nb服从高斯分布，即Nb～Gaussian(mb，σb 2)。
随机变量Y1、Y2、Y3和Y4的均值和方差表达式为
Figure BDA0003111206330000212
根据上述表达式以及测量参量可以得到如下表达式：
Figure BDA0003111206330000213
且
Figure BDA0003111206330000214
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于包括本端终端和远端终端；本端终端和远端终端均包括发射模块、焦平面阵列、信号检测模块；
本端终端和远端终端的发射模块发射光信号至对方，远端终端发射的光信号、本端终端发射的光信号的反射信号同时到达本端终端的焦平面阵列，焦平面阵列每个像元，根据积分控制信号对收到的光信号进行光电转换和积分处理，将积分处理之后的电信号发送至信号检测模块；信号检测模块，对每个像元输出的电信号进行统计计算，分别得到本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2，远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2用于远端终端发射的光信号的光斑质心计算；
本端终端发射光反射信号的调制信号和远端终端发射光调制信号具备不同调制信号格式；积分控制信号与光信号调制信号格式相匹配，使本端终端采用同一个焦平面阵列和同一个积分控制信号，针对远端终端发射的光信号、本端终端发射的光信号的反射信号，经焦平面阵列每个像元光电转换积分处理后得到的电信号幅度不同且与本端终端和远端终端发射的光信号的单周期等效平均幅度相关。
2.根据权利要求1所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)满足如下条件：
(2a)、本端终端发射光反射信号的调制信号频率为f1，远端终端发射光调制信号频率为f2，其中f1和f2是正整数且f1≠f2；
(2b)、本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)均为周期信号；
(2c)、在本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的一个时间周期[0，T1)以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在[0，pT1)时间上的积分与本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在[pT1，T1)时间上的积分是不同的，其中，
Figure FDA0003111206320000011
p取正实数且p∈(0，1)；
(2d)、在远端终端发射光调制信号S2(t)的一个时间周期[0，T2)以内，远端终端发射光调制信号S2(t)在[0，p′T2)时间上的积分与远端终端发射光调制信号S2(t)在[p′T2，T2)时间上的积分不同，其中，
Figure FDA0003111206320000012
p′取正实数且p′∈(0，1)。
3.根据权利要求2所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于所述积分控制信号满足如下条件：
(3a)、积分控制信号Sint(t)为周期信号，每个周期包括4个帧，表示为第R帧、第(R+1)帧、第(R+2)帧和第(R+3)帧，帧周期时长为Tframe，积分控制信号在第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以内，包含有J个积分时间段
Figure FDA0003111206320000021
积分控制信号在第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以内，包含有J′个积分时间段
Figure FDA0003111206320000022
并且满足N1＝n(2M1+1)，N1′＝n′(2M1+1)，其中n和n′是正整数；同时满足Tframe≥Tintegral，
Figure FDA0003111206320000023
Tframe≥Tintegral′，
Figure FDA0003111206320000024
其中R为正奇数，在第R帧和第(R+1)帧i＝0，1，2…(J-1)，J≤K，在第(R+2)帧和第(R+3)帧i′＝0，1，2…(J′-1)，J′≤K′，J、J′、N1、N1′、M1、M2、M3、M4、K、K′、f1、f2为正整数；
(3b)、在同一个积分控制信号的条件下，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第R帧的J个积分时间段以内的积分输出记为第一本端光信号积分，第一本端光信号积分为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，且在第(R+1)帧的J个积分时间段以内的积分输出记为第二本端光信号积分，第二本端光信号积分也为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，并且第一本端光信号积分与第二本端光信号积分是不相同的，即第一本端光信号积分与第二本端光信号积分的差值不为0；
(3c)、在同一个积分控制信号的条件下，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第R帧的J个积分时间段以内的积分输出记为第一远端光信号积分，第一远端光信号积分为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，且在第(R+1)帧的J个积分时间段以内的积分输出记为第二远端光信号积分，第二远端光信号积分也为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期；
(3d)、在同一个积分控制信号的条件下，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+2)帧的J′个积分时间段以内的积分输出记为第三本端光信号积分，第三本端光信号积分为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，且在第(R+3)帧的J′个积分时间段以内的积分输出记为第四本端光信号积分，第四本端光信号积分也为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期；
(3e)、在同一个积分控制信号的条件下，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+2)帧的J′个积分时间段以内的积分输出记为第三远端光信号积分，第三远端光信号积分为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，且在第(R+3)帧的J′个积分时间段以内的积分输出记为第四远端光信号积分，第四远端光信号积分也为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，同时第三远端光信号积分与第四远端光信号积分是不相同的，即第三远端光信号积分与第四远端光信号积分输出的差值不为0。
4.根据权利要求3所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于所述积分控制信号在第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以内，包含有J个积分时间段
Figure FDA0003111206320000031
或者
Figure FDA0003111206320000032
在同一个积分控制信号的条件下，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第R帧的J个积分时间段
Figure FDA0003111206320000033
以内的积分输出记为第十一本端光信号积分，第十一本端光信号积分为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，且在第(R+1)帧的J个积分时间段
Figure FDA0003111206320000034
以内的积分输出记为第十二本端光信号积分，第十二本端光信号积分也为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，同时第十一本端光信号积分与第十二本端光信号积分输出是不相同的；
在同一个积分控制信号的条件下，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第R帧的J个积分时间段
Figure FDA0003111206320000035
以内的积分输出为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，且在第(R+1)帧的J个积分时间段
Figure FDA0003111206320000036
以内的积分输出也为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期。
5.根据权利要求4所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第R帧的各个积分时间段
Figure FDA0003111206320000037
Figure FDA0003111206320000038
的积分输出是相同的，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+1)帧的各个积分时间段
Figure FDA0003111206320000039
的积分输出是相同的；
远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第R帧的各个积分时间段
Figure FDA00031112063200000310
Figure FDA00031112063200000311
的积分输出是相同的，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+1)帧的各个积分时间段
Figure FDA00031112063200000312
的积分输出是相同的；
焦平面阵列各个像元仅在积分控制信号第R帧的积分时间段
Figure FDA00031112063200000313
内对本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)进行积分，并且仅在第(R+1)帧的积分时间段
Figure FDA00031112063200000314
内对本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)进行积分；
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在第R帧的时间段
Figure FDA0003111206320000041
内的积分输出记为第五本端光信号积分，第五本端光信号积分为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure FDA0003111206320000042
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在第(R+1)帧的积分时间段
Figure FDA0003111206320000043
内的积分输出记为第六本端光信号积分，第六本端光信号积分也为非整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure FDA0003111206320000044
并且第五本端光信号积分和第六本端光信号积分是不同的；I1为本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的单周期等效平均幅度；
远端终端发射光调制信号S2(t)在第R帧的积分时间段
Figure FDA0003111206320000045
内的积分输出为第五远端光信号积分，第五远端光信号积分为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure FDA0003111206320000046
远端终端发射光调制信号S2(t)在第(R+1)帧的积分时间段
Figure FDA0003111206320000047
内的积分输出为第六远端光信号积分，第六远端光信号积分也为整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure FDA0003111206320000048
I2为远端终端发射光调制信号S2(t)的单周期等效平均幅度；
其中M6+u≠M7+v，M5、M6、M7、M8、M9是正整数。
6.根据权利要求3所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于在积分控制信号的第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以外且在帧时长Tframe以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第R帧的(K-J)个积分时间段
Figure FDA0003111206320000049
的积分输出与第(R+1)帧的(K-J)个时间段
Figure FDA00031112063200000410
的积分输出是相同的，为
Figure FDA00031112063200000411
在积分控制信号的第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以外且在帧时长Tframe以内，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第R帧的(K-J)个积分时间段
Figure FDA00031112063200000412
Figure FDA00031112063200000413
的积分输出和第(R+1)帧的(K-J)个积分时间段
Figure FDA00031112063200000414
的积分输出是相同的，为
Figure FDA00031112063200000415
其中j＝J，(J+1)…(K-1)，α是正实数且α∈[0，1]。
7.根据权利要求3所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于积分控制信号第(R+2)帧和第(R+3)帧满足如下条件：
积分控制信号在第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以内，包含有J′个积分时间段
Figure FDA0003111206320000051
或者
Figure FDA0003111206320000052
其中i′＝0，1，2…(J′-1)，
Figure FDA0003111206320000053
在同一个积分控制信号的条件下，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+2)帧的J′个积分时间段
Figure FDA0003111206320000054
以内的积分输出记为第七本端光信号积分，第七本端光信号积分为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，且在积分控制信号第(R+3)帧的J′个积分时间段
Figure FDA0003111206320000055
区间的积分输出为第八本端光信号积分，第八本端光信号积分也为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期；
在同一个积分控制信号的条件下，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+2)帧的J′个积分时间段
Figure FDA0003111206320000056
以内的积分输出记为第十一远端光信号积分，第十一远端光信号积分为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，且在积分控制信号第(R+3)帧的J′个积分时间段
Figure FDA0003111206320000057
区间的积分输出为第十二远端光信号积分，第十二远端光信号积分也为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，同时第十一远端光信号积分与第十二远端光信号积分输出是不相同的。
8.根据权利要求7所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+2)帧的各个
Figure FDA0003111206320000058
Figure FDA0003111206320000059
时间段的积分输出是相同的，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+3)帧的各个积分时间段
Figure FDA00031112063200000510
的积分输出是相同的；
远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+2)帧的各个
Figure FDA00031112063200000511
时间段的积分输出是相同的，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+3)帧的各个积分时间段
Figure FDA00031112063200000512
的积分输出是相同的；
焦平面阵列各个像元仅在积分控制信号第(R+2)帧的积分时间段
Figure FDA00031112063200000513
内对本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)进行积分，并且仅在第(R+3)帧的
Figure FDA00031112063200000514
时间段内对本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)和远端终端发射光调制信号S2(t)进行积分；
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在第(R+2)帧的
Figure FDA0003111206320000061
时间段内的积分输出为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure FDA0003111206320000062
本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在第(R+3)帧的
Figure FDA0003111206320000063
时间段内的积分输出也为整数个本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure FDA0003111206320000064
远端终端发射光调制信号S2(t)在第(R+2)帧的
Figure FDA0003111206320000065
时间段内的积分输出记为第九远端信号积分，第九远端信号积分为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，积分输出结果为
Figure FDA0003111206320000066
远端终端发射光调制信号S2(t)在第(R+3)帧的
Figure FDA0003111206320000067
时间段内的积分输出第十远端信号积分，第十远端信号积分也为非整数个远端终端发射光调制信号S2(t)的信号周期，积分输出结果表示为
Figure FDA0003111206320000068
并且第九远端信号积分与第十远端信号积分输出结果是不同的；
其中M13+u′≠M14+v′，M10、M11、M12、M13、M14是正整数。
9.根据权利要求3所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于在积分控制信号的第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以外且在帧时长Tframe以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)在积分控制信号第(R+2)帧的(K′-J′)个时间段
Figure FDA0003111206320000069
的积分输出与第(R+3)帧的(K′-J′)个时间段
Figure FDA00031112063200000610
的积分输出是相同的，即表示为在(K′-J′)个
Figure FDA00031112063200000611
时间段的积分输出是
Figure FDA00031112063200000612
在积分控制信号的第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以外且在帧时长Tframe以内，远端终端发射光调制信号S2(t)在积分控制信号第(R+2)帧的(K′-J′)个时间段
Figure FDA00031112063200000613
的积分输出和第(R+3)帧的(K′-J′)个时间段
Figure FDA00031112063200000614
的积分输出是相同的，积分输出结构为
Figure FDA00031112063200000615
其中j′＝J′，(J′+1)…(K′-1)，α′是正实数且α′∈[0，1]。
10.根据权利要求3所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于所述检测模块对焦平面每个像元输出的电信号执行如下步骤：
S1、构造观测向量Y，所述观测向量Y如下：
Figure FDA0003111206320000071
其中，
Figure FDA0003111206320000072
Figure FDA0003111206320000073
q∈{1，5，9…，(Ny-3)}，(q+1)∈{2，6，10…，(Ny-2)}，(q+2)∈{3，7，11…，(Ny-1)}，(q+3)∈{4，8，12…，Ny}，Ny＝4β，Ny、L、β、q、(q+1)、(q+2)和(q+3)为正整数，即获取焦平面阵列每个像元输出帧序列y[n]，y[n]的总长度为NyL，以每Ny个输出y[n]作为一个周期，周期内的输出序列以序号q、(q+1)、(q+2)和(q+3)表示；针对输出帧序列y[n]的L个周期，把各个周期中序号相同的对应元素相加以组成变量Yq、Yq+1、Yq+2和Yq+3，从而最终形成观测向量Y；
S2、根据观测向量Y，构造第一判断变量D和第二判断变量F：
Figure FDA0003111206320000074
其中：Q为正奇数，(Q+1)为正偶数；
S3、获取一段时间内的第一判断变量D测量数据样本值Dt，t＝1～ZD，和第二判断变量F测量数据样本值Ft′，t′＝1～ZF，ZD为第一判断变量D测量数据的个数，ZF为第二判断变量F测量数据的个数；
S4、本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2：
Figure FDA0003111206320000075
其中，E(D)为第一判断变量D的测量数据样本值的均值；E(F)为第二判断变量F的测量数据样本值的均值。
11.根据权利要求10所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于：
当在第R帧和第(R+1)帧的积分时间Tintegral以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的第R帧积分输出结果与第(R+1)帧积分输出结果不同，远端终端发射光调制信号S2(t)的第R帧积分输出结果与第(R+1)帧积分输出结果相同；在第(R+2)帧和第(R+3)帧的积分时间Tintegral′以内，本端终端发射光反射信号的调制信号S1(t)的第(R+2)帧积分输出结果与第(R+3)帧积分输出结果相同，远端终端发射光调制信号S2(t)的第(R+2)帧积分输出结果与第(R+3)帧积分输出结果不同，即：M8＝M9、M11＝M12，并且设置J＝J′，则本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2计算表达式如下：
Figure FDA0003111206320000081
12.根据权利要求10所述的一种基于焦平面阵列检测的光通信系统，其特征在于当M8＝M9、M11＝M12、J＝J′、M6＝M7、u＝1、v＝0、M13＝M14、u′＝1、v′＝0时，本端终端发射光反射信号的调制信号的单周期等效平均幅度I1和远端终端发射光调制信号的单周期等效平均幅度I2的计算表达式如下：
Figure FDA0003111206320000082
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