CN114374434A - 基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置及其方法 - Google Patents

Abstract

传统自由空间光(FSO)通信采用强度信息调制，易受大气环境和通信距离的影响，且只能实现点对点通信。本发明提供一种基于偏振光场的一对多自由空间激光通信方法。发射模块，发射偏振调制后的光场，所述的光场将所需传递的信息进行编码，转换为光信号；基于偏振调制的光场内各空间位置接收的信息一致，可供多个接收模块接收；接收模块，对偏振光场中的光信号进行接收、解调和解码，得到所需信息，完成一对多通信；移动平台，搭载发射模块、接收模块进行一对多通信。本发明在通信光场内，信息不随空间位置以及能量强度发生改变；通过改变光信号偏振态，可以实现FSO通信。实验证明，基于偏振光场的自由空间激光通信技术可以用于一对多通信。

Description

基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置及其方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置及其方法。

背景技术

自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSO)是指利用激光作为载波在空间直接进行信息双向传输的通信技术，又称为无线激光通信。FSO可分为空间光通信和大气光通信两种：空间光通信主要在地球大气层以外的空间进行信息传输，不受大气环境的影响，是特大容量的通信系统，一般指卫星间或星地之间进行的光通信。大气激光通信是以激光作为载波，利用大气这一天然信道，把光信号传送到接收端，通信容量大，但体积和重量都较大，适用于定点之间的大容量保密通信。另外，它不像有线通信和光纤通信那样需要铺设电缆、光缆等设备，较简单易行，是光通信中最早研究和应用的一种。

根据被调制的激光参数，激光信息调制可分为强度、频率、相位和偏振调制。在自由空间激光通信系统中，激光的偏振态在远距离传输过程中变化很小，具有很高的可靠性，以及偏振调制的自身优势，与通信新技术能够结合，因而偏振调制在大气激光通信领域具有很广的应用前景。

传统自由空间光通信依赖于APT系统(捕获、跟踪、瞄准系统)，该系统结构复杂且体积庞大；目前常用的FSO系统基本为点对点的通信，不适用于点对面(一对多)通信；在自由空间光通信中，直接强度调制应用较为广泛，但在远距通信中，强度调制的抗干扰能力较差。

针对上述问题，提出基于偏振光场的一对多自由空间激光通信技术，使用偏振调制，以大面积光场形式进行信息传递，抗干扰能力强，无需APT系统，结构简单，体积小，且能够进行一对多的光学通信。

2011年，周木春等人提出了一种用于激光驾束制导的空间偏振编码技术(周木春.空间偏振编码激光驾束制导关键技术研究[D].江苏:南京理工大学,2011.DOI:10.7666/d.y2060905.)设计了基于电光效应的铌酸锂晶体调制编码单元，采用了铌酸锂双晶体楔空气层耦合的偏振编码器设计方案，编码器在横向调制电场的作用下可以把输入的线偏振光转换成与空间位置对应的多偏振态输出，实现了空间方位的偏振编码，在不同的空间位置产生不同椭圆度的椭圆偏振光，从而使光束携带位置信息。在实验室中进行了原理性的探索与研究，使用10mW功率He-Na激光器，进行了3cm直径的信息光场的编码和译码，实验结果与理论基本一致。

2012年，杨鹏课题组提出采用以圆偏振态进行编码的圆偏振键控编码技术即CPolSK(杨鹏.大气激光通信中圆偏振调制技术研究[D].中国科学院研究生院长春光学精密机械与物理研究所，2012.)。CPolSK系统是利用两个圆偏振态进行组合编码，单通道传递信息。基于圆偏振态在大气传输中的优势，同时为提高通信量，提出圆偏振复用编码原理(CPolDM)，不仅可保证通信的可靠性，又成倍地提高了系统容量。该课题组提出来两种圆偏振调制系统的实现方案，设计了圆偏振调制通信验证系统，在同一系统中验证了两种调制方式。通过对几种调制方式在平均功率利用率、信息容量及误码率等方面进行数值比较，结果表明圆偏振调制虽然平均功率需求较高，但具有最小的带宽需求和接收误码率，还可通过偏振复用技术提高容量，是一种性能优良的调制方式。并通过软件模拟仿真了圆偏振调制通信系统，通过仿真结果对比，证明差分接收偏振调制系统具有优良的性能。通过实验和对比，印证了CPolSK系统在端流扰动环境中具有较低的误码率，在大气瑞流中具有显著的优势。

周木春课题组提出的空间偏振编码技术，主要应用于激光驾束制导，虽然也能用于自由空间激光通信，但其在不同空间位置产生的椭圆偏振光是存在固定的对应关系的，不易于应用于一对多的信息传递，实现通信的难度较高且因为其实验采用的编解码系统各项参数皆较低，也没有进行具体的数据传输，并不能很好的验证其理论。

杨鹏课题组提出的圆偏振光调制技术，主要应用于一对一的大气激光通信，只是进行了编码方案的探索，并未结合APT系统进行综合验证，也不易于应用于一对多通信。该课题组也没有进行具体的数据传输，虽然进行了信号的探测和误码率的比对，但对于具体信号的编解码方案并未给出。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置及其方法。

具体的技术方案为：

基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置，包括：

通信发射端，包括发射模块和移动平台；

通信接收端，包括多个接收模块和移动平台；

所述的发射模块，发射偏振调制后的光场，所述的光场将所需传递的信息进行编码，转换为光信号；基于偏振调制的光场内各空间位置接收的信息一致，可控多个接收模块接收；

所述的接收模块，对偏振光场中的光信号进行接收、解调和解码，得到所需信息，完成一对多通信；

所述的移动平台，搭载发射模块、接收模块进行一对多通信。

发射模块，依次包括激光器，衰减器，偏振编码模块，发散镜组；偏振编码模块依次包括偏振片、偏振调制器(为索列补偿器、波片、电光晶体和普克盒等能产生和调制偏振光的光学器件)；偏振片用于产生线偏光，偏振调制器用于偏振调制；发散镜组依次包括扩束准直镜、离散透镜；扩束准直镜将光束进行扩束和准直，减小激光发散角，离散透镜进一步对光束放大、离散，产生光场。

接收模块，包括1/4波片、偏振分束棱镜；偏振分束棱镜分出的两个光束通道上分别设有偏振片和光电探测器；1/4波片将偏振态转换为s光、p光的比例信息，偏振分束棱镜使s光、p光分离，偏振片1和2偏振方向分别为s光、p光对应方向，再用光电探测器进行探测。

基于上述装置，本发明还提供基于偏振光场的一对多自由空间激光通信方法，包括以下步骤：

发射模块的激光器发射激光光束，通过偏振编码模块产生可编码的偏振光束，再通过发散镜组将其以光场的形式发射到自由空间中；

接收模块采用差分光路进行偏振解调，1/4波片、偏振分束棱镜和一对正交偏振片将偏振光场中的偏振信息转换为正交方向上的强度信息，由光电探测器接收进行光电转换，经过差和比处理，进而得到传递的信息。

本发明在通信光场内，信息不随空间位置以及能量强度发生改变；通过改变光信号偏振态，可以实现FSO通信。实验证明，基于偏振光场的自由空间激光通信技术可以用于一对多通信。

附图说明

图1为本发明通信装置结构示意图

图2为本发明光学原理示意图；

图3为本发明发射模块偏振调制实验示意示意图；

图4为本发明偏振调制实验光路示意图；

图5为实施例偏振态f曲线；

图6a为实施例2m处中心、左右边缘f曲线；

图6b为实施例激光干扰f曲线；

图6c为实施例毛玻璃干扰f曲线；

图7为实施例光学通信实验示意图；

图8a为实施例光学通信发射模块实验光路实物图；

图8b为实施例光学通信接收模块实验光路实物图；

图9a为实施例室内近距离大角度测试(发散半角12.37°)光斑中心接收示意图；

图9b为实施例室内近距离大角度测试(发散半角12.37°)光斑边缘接收示意图；

图9c为实施例室外远距离小角度测试(发散半角0.11°)示意图；

图10a为实施例室内通信测试-中心编码信号；

图10b为实施例室内通信测试-中心示波器数据；

图10c为实施例室内通信测试-中心恢复信号；

图11a为实施例室内通信测试-边缘编码信号；

图11b为实施例示波器数据；

图11c为实施例恢复信号；

图12a为实施例室外通信测试-边缘编码信号；

图12b为实施例示波器数据；

图12c为实施例恢复信号。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置如图1所示，通信发射端1由发射模块10和移动平台30构成，通信接收端2由多个接收模块20和移动平台30构成。移动平台30可以为车辆、飞机、舰船、卫星等，主要作用为搭载发射模块10、接收模块20进行一对多通信；发射模块10主要作用为发射偏振调制后的光场，该光场可将所需传递的信息进行编码，转换为光信号；基于偏振调制的光场内各空间位置接收的信息一致，可控多个接收模块20接收，接收模块20的主要作用为对偏振光场中的光信号进行接收、解调和解码，得到所需信息，完成一对多通信。

通信方法如图2所示。发射模块10：激光器11发射激光光束，通过偏振编码模块12产生可编码的偏振光束，再通过发散镜组13将其以光场的形式发射到自由空间中；接收模块20：主要采用差分光路进行偏振解调，1/4波片21、偏振分束棱镜22和一对正交偏振片即第一正交偏振片23、第二正交偏振片25将偏振光场中的偏振信息转换为正交方向上的强度信息，由第一光电探测器24、第二光电探测器26接收进行光电转换，经过差和比处理，进而得到传递的信息。差和比公式如下：

以线偏光、圆偏光为例，线偏光经1/4波片21转换为圆偏光，圆偏光通过偏振分束棱镜22转换为x/y方向(正交方向)偏振的两路线偏光，此时，这两路线偏光方向正交，强度一致，f＝0；圆偏光经1/4波片21转换为x方向(或y方向)的线偏光，经偏振分束棱镜22后，只有x方向(或y方向)透射，f＝1。偏振片1/2的作用为保障只有x/y方向的线偏光通过。

通过上述通信方案和光学原理即可实现基于偏振光场的一对多自由空间激光通信。基于上述方案和原理，进行了偏振调制实验和光学通信实验。

偏振调制实验：

根据上述光学原理，理论上可实现任意进制的偏振调制和编码。基于光学原理，设计并进行了偏振调制实验，实验光路如图3、图4所示。

发射模块10：激光器11发射激光光束；使用衰减器111避免激光光束能量损伤光学镜片；偏振编码模块12由偏振片121、索列补偿器122构成，偏振片121用于产生线偏光，索列补偿器122用于偏振调制，其相位调制范围为0-2π；发散镜组13由扩束准直镜131、离散透镜132构成，扩束准直镜131将光束进行扩束和准直，减小激光发散角，离散透镜132进一步对光束放大、离散，产生光场。这里，因为偏振调制的范围较大，不进行额外的编码。

接收模块20：差分光路和上述光学原理一致，激光通过1/4波片21将偏振态转换为s光、p光的比例信息，偏振分束棱镜22可使s光、p光分离，第一正交偏振片23、第二正交偏振片25偏振方向分别为s光、p光对应方向，再第一光电探测器24、第二光电探测器26行探测，即可得到对应调制光偏振态所包含的信息。因为主要验证偏振调制的范围，这里第一光电探测器24、第二光电探测器26采用光功率计，记录光强。

当索列补偿器122调制的相位发生变化时，接收模块20两个功率计探测的功率对应比例信息会随之变化。根据光学原理，0-2π偏振调制对应偏振态变化为：线偏光-圆偏光-线偏光-圆偏光-线偏光，即f值从0到1(或-1)，从1到-1(1)，最后到0。

将实验所得数据通过MATLAB软件进行差和比运算，结果如图5所示。取索列补偿器122旋杆读数11.5-23(间隔0.5，共24个点)，对应调制相位差0-2π，通过对两功率计读数进行差和比计算得到偏振态f曲线如图5。可以看出当位相差增加时，激光偏振态从右旋圆偏光逐渐转换为x方向线偏光进而向左旋圆偏光、y方向线偏光转变，最后恢复为右旋圆偏光，这与光学原理保持一致。

因此，可以通过改变索列补偿器122调制相位差来控制激光的偏振态。

为了验证该技术应用于通信的可能性，在发射、接收模块20间距2m时，在光斑中心、左右边缘分别进行数据采集和计算，如图6a所示。

在自由空间中添加不同的干扰，当激光通过时，偏振态的变化较小，如图6b、图6c所示。

由图6a可以看出，在光斑不同位置处进行测量，f曲线会有一定的偏移，但几乎完全不变。

由图6b可以看出，在同波长激光的干扰下，f曲线峰峰值有较大的下降，这是因为干扰激光与信号激光同波长，且能量是其2倍，但f曲线的峰值位置并没有明显偏移。

由图6c可以看出，在毛玻璃的干扰下，f曲线峰峰值有一定的下降，但f曲线的变化趋势没有较大变化。

上述结果证明，该技术在光场内保持同样的偏振态变化，这保证了不同空间位置接收的信息是一致的；该技术对有源干扰的抗性较高，对于同波长大功率激光亦有一定的抗干扰能力；该技术对于强散射有较强的抗干扰性。

因此，可以通过改变索列补偿器122调制的相位差实现大范围的偏振调制，进而实现任意进制的偏振编码，且光场内不同空间位置偏振信息基本一致，这证明了基于偏振光场的一对多自由空间激光通信具备可行性。

光学通信实验：

根据光学原理，设计了光学通信实验，在试验室环境下通过光学系统进行快光学通信，如图7、图8a和图8b所示。

发射模块10：偏振编码模块12包括偏振片121、普克盒123，激光通过偏振片121产生线偏光，普克盒123对线偏光进行偏振调制编码，产生编码光束；发散镜组13与偏振调制实验一致。

接收模块20：差分光路与偏振调制实验一致，不同的是，第一光电探测器24、第二光电探测器26采用快速探测器，将采集的光信号转换为电信号传输给示波器。

在发射端通过MATLAB可以使函数信号发生器输出可编译TTL电平，将所需传递的信息进行二进制编码，0/1分别对应TTL低/高电平，TTL电平对普克盒123高压电源进行外调制，进而控制普克盒123产生编码的圆偏光，TTL高电平为发射端圆偏光输出，TTL低电平为发射端线偏光输出；在接收端通过差分光路可对光信号进行识别、采集，并通过示波器导出数据，最后使用MATLAB实现信号的恢复以及信息的读取。使用圆偏光的有无代表TTL高低电平，即‘1’/‘0’二进制电平，采用ASCII码作为编码参考对信息进行编解码。对发射模块10、接收模块20进行封装后，分别进行近距离大角度通信(室内)以及远距离小角度通信测试(室外)，实验环境如图9a到图9c所示。

室内近距离大角度测试结果如图10a到图10c、图11a到图11c所示，通信距离25cm，光斑直径约11.5cm，发散角24.74°，对4个周期进行数据采集、信号恢复以及信息读出，测试结果表明，在光斑中心与边缘都能够恢复出信号，并准确读出所编码的信息。

室外远距离小角度测试结果如图12a到图12c所示，通信距离约50m，发散角约0.22°，光斑直径约20cm，在光斑中心对4个周期的信号进行数据采集、信号恢复以及信息读出，测试结果表明，在50m距离处能够恢复出信号，并准确读出所编码的信息。

由上述结果可知，该系统有效通信速率为512bps，理论最大通信速率约20kbps；因采用直接编码的简单形式，数据结构中某一位出错都会导致信息无法准确读出，测试结果证明了该通信技术的误码率较低，可靠性较强；室外实验环境复杂，该系统能够实现通信，证明了其环境适应性、抗干扰性较强。

因此，可以通过改变编码信息实现二进制光学通信，且光场内不同空间位置偏振信息基本一致，这证明了基于偏振光场的一对多自由空间激光通信技术具备一定的成熟度，能够进行实际应用。

通过探索和测试，验证了实验室环境下光场内通信信息的统一性，实现了室外复杂环境下远距离有效FSO通信。具体如下：

使用索列补偿器122来代替电光晶体。光源为波长532nm的激光，分别在无/强干扰下，光场中心/边缘处，进行偏振信息f曲线的测试。

然后使用普克盒123作为快速偏振调制编码器。分别在室内、室外进行了近距离大角度、远距离小角度FSO通信测试。

试验结果表明，在通信光场内，信息不随空间位置以及能量强度发生改变；通过改变光信号偏振态，可以实现FSO通信。实验证明，基于偏振光场的自由空间激光通信技术可以用于一对多通信。

Claims (4)

1.基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置，其特征在于，包括：

通信发射端，包括发射模块和移动平台；

通信接收端，包括多个接收模块和移动平台；

所述的发射模块，发射偏振调制后的光场，所述的光场将所需传递的信息进行编码，转换为光信号；基于偏振调制的光场内各空间位置接收的信息一致，可控多个接收模块接收；

所述的接收模块，对偏振光场中的光信号进行接收、解调和解码，得到所需信息，完成一对多通信；

所述的移动平台，搭载发射模块、接收模块进行一对多通信。

2.根据权利要求1所述的基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置，其特征在于，发射模块，依次包括激光器，衰减器，偏振编码模块，发散镜组；偏振编码模块依次包括偏振片、偏振调制器；偏振片用于产生线偏光，偏振调制器用于偏振调制；发散镜组依次包括扩束准直镜、离散透镜；扩束准直镜将光束进行扩束和准直，减小激光发散角，离散透镜进一步对光束放大、离散，产生光场。

3.根据权利要求1所述的基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置，其特征在于，接收模块，包括1/4波片、偏振分束棱镜；偏振分束棱镜分出的两个光束通道上分别设有偏振片和光电探测器；1/4波片将偏振态转换为s光、p光的比例信息，偏振分束棱镜使s光、p光分离，偏振片1和2偏振方向分别为s光、p光对应方向，再用光电探测器进行探测。

4.基于偏振光场的一对多自由空间激光通信方法，其特征在于，采用权利要求1到3任一项所述的基于偏振光场的一对多自由空间激光通信装置，包括以下步骤：

所述的发射模块的激光器发射激光光束，通过偏振编码模块产生可编码的偏振光束，再通过发散镜组将其以光场的形式发射到自由空间中；

所述的接收模块采用差分光路进行偏振解调，1/4波片、偏振分束棱镜和一对正交偏振片将偏振光场中的偏振信息转换为正交方向上的强度信息，由光电探测器接收进行光电转换，经过差和比处理，进而得到传递的信息。

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