CN114584214B - 一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法及系统，包括：通过调节拉盖尔高斯光束的轨道角动量和相位差，将不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束在相位差模式下叠加，以将待传输数字信号编码为复合涡旋光束；通过模拟的大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，以此构建大气湍流相位屏；通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟，并获取复合涡旋光束传输后的光斑，采用训练后的解码器对光斑进行解码得到待传输数字信号。使用不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束叠加形成复合涡旋光束，通过调控涡旋光束间的相位差使叠加光强发生变化，实现使用有限的拓扑荷提高通信的信道容量，增强译码准确率，提高光通信系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着信息技术的发展，物联网、大数据、元宇宙等技术的出现，人们对数据的需求量急剧增加。急剧增长的频谱需求与有限的频谱资源的矛盾越来越突出，迫切的需要一种新的高速率、大容量、高稳定的通信系统来提高频谱效率，扩大信道容量。涡旋光束具有螺旋的波前相位，它的螺旋相位，（l为拓扑荷数或轨道角动量模式值，/>为方向角），轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)模式值理论上是无限的，且携带不同OAM的光束之间相互正交，将OAM光束应用到自由空间光通信中能够极大地提高通信系统的信道容量。然而，大拓扑荷的涡旋光束存在产生困难且不容易接收解调的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法及系统，使用不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束叠加形成复合涡旋光束，通过调控涡旋光束间的相位差使叠加光强发生变化，实现使用有限的拓扑荷提高通信的信道容量，增强译码准确率，提高光通信系统的可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法，包括：
通过调节拉盖尔高斯光束的轨道角动量和相位差，将不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束在相位差模式下叠加，以将待传输数字信号编码为复合涡旋光束；
通过模拟的大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，以此构建大气湍流相位屏；
通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟，并获取复合涡旋光束传输后的光斑，采用训练后的解码器对光斑进行解码得到待传输数字信号。
作为可选择的实施方式，叠加过程包括：采用轨道角动量相差为2的拉盖尔高斯光束进行共轴叠加得到复合涡旋光束，通过调节相位差改变复合涡旋光束的光强。
作为可选择的实施方式，采用轨道角动量为3和5的两束拉盖尔高斯光束进行共轴叠加。
作为可选择的实施方式，大气湍流相位屏的构建过程包括：根据功率谱反演法模拟大气湍流，通过大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，根据随机相位屏的相位功率谱得到随机相位屏的相位谱方差，根据随机相位屏的相位谱方差构建大气湍流随机相位屏。
作为可选择的实施方式，在模拟光束传输时，设置的模拟参数包括光束束腰、波长、径向指数、轨道角动量、大气湍流的强度、大气湍流的内尺寸、大气湍流的外尺寸、相位屏分辨率和相位屏之间的间隔。
作为可选择的实施方式，采用预训练的卷积神经网络构建所述编码器，具体包括一个7×7的卷积层、一个最大池化层、一个由恒等块和卷积块构成的残差块和一个全局平均池化层。
作为可选择的实施方式，所以残差块包括一个卷积块和多个恒等块串联而成，卷积块包括四个卷积层，恒等块包括三个卷积层，且恒等块串联连接。
第二方面，本发明提供一种基于复合涡旋光束的编码光通信系统，包括：
编码模块，接收拉盖尔高斯光束，用于通过调节拉盖尔高斯光束的轨道角动量和相位差，将不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束在相位差模式下叠加，以将待传输数字信号编码为复合涡旋光束；
传输模拟模块，用于通过模拟的大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，以此构建大气湍流相位屏，通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟；
解码模块，接收复合涡旋光束传输后的光斑，用于根据复合涡旋光束传输后的光斑，采用训练后的解码器进行解码，得到待传输数字信号。
作为可选择的实施方式，所述编码光通信系统包括依次设置的激光器、衰减片、透镜和偏振片，由激光器产生的拉盖尔高斯光束经衰减片和透镜后，进行拉盖尔高斯光束的扩束和准直，经偏振片后得到单一偏振方向的拉盖尔高斯光，从而通过编码模块将待传输数字信号编码编码成具有不同相位的复合涡旋光束。
作为可选择的实施方式，所述复合涡旋光束进行不同相位的空间光调制生成对应的复合涡旋光束。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法及系统，基于复合涡旋光束的轨道角动量及相位进行编码调制，以及基于卷积神经网络构建编码器进行解调，使用两束拓扑荷数为3和5的拉盖尔高斯光束叠加形成复合涡旋光束，通过调控两束涡旋光束之间的相位差使叠加光强发生变化，构造编码光通信系统，使用有限的拓扑荷极大提高通信系统的信道容量，实现更快速、大量地传输信息，增强译码的准确率，提高光通信系统的可靠性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的基于复合涡旋光束的轨道角动量及相位的编码光通信方法示意图；
图2为本发明实施例1提供的源平面光强及其编码示意图；
图3（a）-3（h）为本发明实施例1提供的网络模型示意图及各部分放大图；
图4（a）-4（b）为本发明实施例1提供的单一数据集测试曲线和综合数据集测试曲线；
图5为本发明实施例2提供的编码光通信系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于复合涡旋光束的轨道角动量及相位的编码光通信方法，包括：
通过调节拉盖尔高斯光束的轨道角动量和相位差，将不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束在相位差模式下叠加，以将待传输数字信号编码为复合涡旋光束；
通过模拟的大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，以此构建大气湍流相位屏；
通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟，并获取复合涡旋光束传输后的光斑，采用训练后的解码器对光斑进行解码得到待传输数字信号。
在本实施例中，根据复合涡旋光束的复振幅生成复合涡旋光束，以对待传输数字信号进行编码；
拉盖尔高斯光束（Laguerre-Gaussian beams，LG）沿z轴传输的复振幅在柱坐标系下表示为：
（1）
其中，k表示波矢，，/>表示波长；l表示拓扑荷数或轨道角动量模式数，p表示径向指数；/>表示瑞利长度，/>；/>表示光斑尺寸，/>，表示束腰半径；/>表示缔结拉盖尔多项式，/>表示古伊相位。
本实施例采用两束不同拓扑荷数的LG光束共轴叠加，并赋予其中一束LG光束相位差，产生一种新型的复合涡旋光束，它的复振幅表示为：
（2）
其中，为不同拓扑荷的LG光束的电场，/>表示LG光束的相位差，。
作为可选择的一种实施方式，采用拓扑荷数相差为2的两束LG光束共轴叠加。
作为可选择的一种实施方式，采用拓扑荷数为3和5的两束LG光束共轴叠加。
在本实施例中，根据功率谱反演法生成大气湍流相位屏；具体地：
使用Hill-Andrew谱模型模拟大气湍流，表示为：
（3）
其中，表示大气湍流功率谱，/>表示大气折射率结构常数，/>和/>表示x方向和y方向的波矢，/>，/>和/>是湍流的外尺度和内尺度。
随机相位屏的相位功率谱表示为：
（4）
其中，k表示波矢，表示等效相位屏的间隔。
随机相位屏的相位谱方差表示为：
（5）
其中，N表示取样点数，表示取样间隔。
大气湍流随机相位屏为：
（6）
其中，FFT表示二维快速傅里叶变换，是一个均值为0，方差为1的复高斯随机矩阵。
通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟，得到复合涡旋光束在一定距离的大气湍流中传输之后的电场表达式为：
（7）
其中，表示二维快速逆傅里叶变换，/>表示菲涅尔传输函数。
在本实施例中，采用菲涅尔衍射积分进行光束传输的模拟；在模拟光束传输时，设置光束束腰，波长/>，径向指数/>，拓扑荷数/>，湍流强度，内尺寸/>，外尺寸/>，相位屏分辨率/>，相位屏之间间隔/>。
在本实施例中，使用复合涡旋光束进行数据仿真，观察光强变化，确定编码形式。采用拓扑荷为3和5的两束LG光束共轴叠加，调节光束的相位差均分为16种模式，初始为0，每个模式间隔为/>。
数据“0000-0001-0010-0011-0100-0101-0110-0111-1000-1001-1010-1011-1100-1101-1110-1111”被编码为“=0，pi/8，pi/4，3pi/8，pi/2，5pi/8，3pi/4，7pi/8，pi，9pi/8，5pi/4，11pi/8，3pi/2，13pi/8，7pi/4，15pi/8”的不同光强图像，通过观察光强图发现，光束的旋转角度为/>的1/2；图2给出了源平面模拟仿真数据的光强和编码示意图。
在本实施例中，获取复合涡旋光束的光斑图像，以此构建训练集，对预先构建的编码器进行训练；所述编码器基于卷积神经网络构建，如图3（a）-3（h）所示，网络的宽度和深度可以很好的提高网络的性能，通常深的网络比浅的网络有着更好的效果，然而训练一个深的网络一方面比较容易出现梯度消失和梯度爆炸的问题，这个问题通过批归一化层和修正线性单元（RELU）等方法可以在很大程度上得到解决；另一方面，当网络层数达到一定的数目以后，网络的性能就会趋于饱和，再对网络增加深度模型就会开始退化。
本实施例使用预训练的ResNet50网络构建编码器，ResNet使用残差学习来解决退化问题，残差学习的结构与电路中的“短路”类似，所以又被称为短路连接。ResNet网络通过短路机制加入残差单元，使用步长为2的卷积做下采样，首先通过一个7×7的卷积层，接着就是一个最大池化层，之后堆集恒等块（Identity block）和卷积块（Convolution block）构成的残差块，最后在网络连接一个全局平均池化；其中卷积块由四个卷积层构成，恒等块由三个卷积层构成。卷积块输入输出的维度是不同的，所以它不能连续串联，它的作用是为了改变特征向量的维度。恒等块输入输出的维度是一样的，它可以串联多个，所以残差块由一个卷积块和多个恒等块串联而成。全局平均池化没有参数需要优化，防止过拟合，并对输入输出的空间变换更具有鲁棒性，加强特征映射和类别的一致性。
在本实施例中，根据复合涡旋光束在一定距离的大气湍流中传输之后的电场表达式进行数据仿真，构建一个1000米传输距离大气湍流强度为的单一传输数据集和一个0到1000米传输距离且湍流强度为/>的综合传输数据集，数据集图像为不同/>的光强图，标签为它对应的数据。
在单一数据集中，每个模式模拟250幅图像，一共4000幅图像；在综合数据集中，每个模式在0到1000米的传输距离每间隔100米模拟250幅图像，一共44000幅图像。将数据集按8：2的比例分为训练集和测试集，使用预训练的ResNet50网络分别对两个数据集进行训练，根据训练效果调节优化器、批大小、轮次和初始学习率。
通过多次训练，采取以下参数使解调准确率最高，训练时每批大小为128，初始学习率为0.0001，优化器为自适应矩估计（adaptive moment estimation，Adam），损失函数为交叉熵，轮次为30。其中，Adam一阶矩估计指数衰减率为 0.9，二阶矩估计指数衰减率为0.99。
将训练好的解码器使用测试集测试，在综合数据集和单一数据集分别达到99.63和99.91%的解调准确率，如图4（a）-4（b）所示；其中，使用单一数据集的目的是观察强大气湍流环境对编码光通信系统解调的影响。
本实施例使用两束拓扑荷数为3和5的拉盖尔高斯光束叠加形成复合涡旋光束，通过调控两束光束之间的相位差构成一个16ary编码光通信系统，可以极大地提高通信系统的信道容量。能够达到大于99%的解调精度，且在两束涡旋光束的拓扑荷差为2的时候同样适用，缩小光束相位间隔，构建更高进制的光通信系统，实现更快速、大量地传输信息。
实施例2
本实施例提供一种基于复合涡旋光束的编码光通信系统，包括：
编码模块，接收拉盖尔高斯光束，用于通过调节拉盖尔高斯光束的轨道角动量和相位差，将不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束在相位差模式下叠加，以将待传输数字信号编码为复合涡旋光束；
传输模拟模块，用于通过模拟的大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，以此构建大气湍流相位屏，通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟；
解码模块，接收复合涡旋光束传输后的光斑，用于根据复合涡旋光束传输后的光斑，采用训练后的解码器进行解码，得到待传输数字信号。
如图5所示，在发送端，依次设有激光器、衰减片、透镜、偏振片，由激光器产生的光束经过衰减片1降低发射激光的功率，利用透镜2和透镜3实现光束的扩束和准直，使用偏振片4滤除其他偏振方向的光，从而得到单一偏振方向的光；从而通过编码模块将要传输的数字信号编码成具有不同相位的复合涡旋光束；将复合涡旋光束照射在加载了不同相位的复合涡旋光束全息图的空间光调制器（spatial light modulator，SLM）上，以生成对应的复合涡旋光束。
通过传输模拟模块构建大气湍流相位屏，复合涡旋光束通过大气湍流相位屏进行传输模拟；
在接收端，使用电荷耦合器（charge-coupled device，CCD）采集复合涡旋光束光斑，通过解码模块对光斑解码生成数字信号。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法，其特征在于，包括：
基于复合涡旋光束的轨道角动量及相位进行编码调制，以及基于卷积神经网络构建编码器进行解调；
通过调节拉盖尔高斯光束的轨道角动量和相位差，将不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束在相位差模式下叠加，以将待传输数字信号编码为复合涡旋光束；
通过模拟的大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，以此构建大气湍流相位屏；
通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟，并获取复合涡旋光束传输后的光斑，采用训练后的解码器对光斑进行解码得到待传输数字信号；
其中，根据复合涡旋光束的复振幅生成复合涡旋光束，以对待传输数字信号进行编码；
拉盖尔高斯光束沿z轴传输的复振幅在柱坐标系下表示为：
（1）
其中，k表示波矢，，/>表示波长；l表示拓扑荷数或轨道角动量模式数，p表示径向指数；/>表示瑞利长度，/>；/>表示光斑尺寸，/>，/>表示束腰半径；/>表示缔结拉盖尔多项式，/>表示古伊相位；
采用两束不同拓扑荷数的LG光束共轴叠加，并赋予其中一束LG光束相位差，产生一种新型的复合涡旋光束，它的复振幅表示为：
（2）
其中，为不同拓扑荷的LG光束的电场，/>表示LG光束的相位差，/>；
根据功率谱反演法生成大气湍流相位屏；具体地：
使用Hill-Andrew谱模型模拟大气湍流，表示为：
（3）
其中，表示大气湍流功率谱，/>表示大气折射率结构常数，/>和/>表示x方向和y方向的波矢，/>，/>和/>是湍流的外尺度和内尺度；
随机相位屏的相位功率谱表示为：
（4）
其中，k表示波矢，表示等效相位屏的间隔；
随机相位屏的相位谱方差表示为：
（5）
其中，N表示取样点数，表示取样间隔；
大气湍流随机相位屏为：
（6）
其中，FFT表示二维快速傅里叶变换，是一个均值为0，方差为1的复高斯随机矩阵；
通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟，得到复合涡旋光束在一定距离的大气湍流中传输之后的电场表达式为：
（7）
其中，表示二维快速逆傅里叶变换，/>表示菲涅尔传输函数。
2.如权利要求1所述的一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法，其特征在于，叠加过程包括：采用轨道角动量相差为2的拉盖尔高斯光束进行共轴叠加得到复合涡旋光束，通过调节相位差改变复合涡旋光束的光强。
3.如权利要求2所述的一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法，其特征在于，采用轨道角动量为3和5的两束拉盖尔高斯光束进行共轴叠加。
4.如权利要求1所述的一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法，其特征在于，大气湍流相位屏的构建过程包括：根据功率谱反演法模拟大气湍流，通过大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，根据随机相位屏的相位功率谱得到随机相位屏的相位谱方差，根据随机相位屏的相位谱方差构建大气湍流随机相位屏。
5.如权利要求1所述的一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法，其特征在于，在模拟光束传输时，设置的模拟参数包括光束束腰、波长、径向指数、轨道角动量、大气湍流的强度、大气湍流的内尺寸、大气湍流的外尺寸、相位屏分辨率和相位屏之间的间隔。
6.如权利要求1所述的一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法，其特征在于，采用预训练的卷积神经网络构建编码器，具体包括一个7×7的卷积层、一个最大池化层、一个由恒等块和卷积块构成的残差块和一个全局平均池化层。
7.如权利要求6所述的一种基于复合涡旋光束的编码光通信方法，其特征在于，所以残差块包括一个卷积块和多个恒等块串联而成，卷积块包括四个卷积层，恒等块包括三个卷积层，且恒等块串联连接。
8.一种基于复合涡旋光束的编码光通信系统，用于实现如权利要求1-7任一项权利要求所述的方法，其特征在于，包括：
编码模块，接收拉盖尔高斯光束，用于通过调节拉盖尔高斯光束的轨道角动量和相位差，将不同轨道角动量的拉盖尔高斯光束在相位差模式下叠加，以将待传输数字信号编码为复合涡旋光束；
传输模拟模块，用于通过模拟的大气湍流的功率谱得到随机相位屏的相位功率谱，以此构建大气湍流相位屏，通过大气湍流相位屏进行复合涡旋光束传输的模拟；
解码模块，接收复合涡旋光束传输后的光斑，用于根据复合涡旋光束传输后的光斑，采用训练后的解码器进行解码，得到待传输数字信号。
9.如权利要求8所述的一种基于复合涡旋光束的编码光通信系统，其特征在于，所述编码光通信系统包括依次设置的激光器、衰减片、透镜和偏振片，由激光器产生的拉盖尔高斯光束经衰减片和透镜后，进行拉盖尔高斯光束的扩束和准直，经偏振片后得到单一偏振方向的拉盖尔高斯光，从而通过编码模块将待传输数字信号编码编码成具有不同相位的复合涡旋光束。
10.如权利要求9所述的一种基于复合涡旋光束的编码光通信系统，其特征在于，所述复合涡旋光束进行不同相位的空间光调制生成对应的复合涡旋光束。
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