CN114844561A - 一种基于艾里光束的导频辅助自相干激光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于艾里光束的导频辅助自相干激光通信系统，包括：通信光发送模块、导频辅助光耦合模块、空间光耦合模块、艾里光束整形模块、光功率探测模块以及通信解码模块。其中，通信光发送模块用于将所传输信息进行编码，并进行调制，得到携带传输信息的通信光，导频辅助光耦合模块用于将导频辅助光耦合进通信光束，空间光耦合模块用于将在光纤中传输的通信光束耦合进自由空间，艾里光束整形模块用于在自由空间中对通信光束整形成艾里光的空间分布，光功率探测模块用于探测传输至接收端通信光束的光强信息并将其转换成电信号。本发明能够显著地提升激光通信系统在大气环境下的传输稳定性和准确性，并且能有效降低接收端的系统复杂度。
Description
技术领域
本发明设计激光通信领域，具体而言，涉及一种基于艾里光束的导频辅助自相干激光通信系统。
背景技术
激光通信结合了无线电微波通信及光纤通信的优点，相对于传统微波通信具有信息容量大、无需频道许可、能效高、抗截获及抗干扰能力强等优点，在保密传输、信息对抗、应急传输以及空间信息网络建设等方面均有着较大需求。
随着技术的进步，激光通信的应用场景愈发广泛，在各传输信道下的通信已逐渐被实现。但对于大气环境下的激光通信系统而言，大气湍流效应会严重影响传输光束的能量集中度、分布完整性及模式稳定性，严重限制通信系统的传播距离及准确度，也是多年来限制大气激光通信实际应用的一大瓶颈。
发明内容
针对大气激光通信当下面临的问题，本发明的目的在于提供一种基于艾里光束的导频辅助自相干激光通信系统，该系统通过导频辅助光及艾里光束整形等手段，来降低大气湍流效应对通信光束的影响，同时通信系统接收端复杂度的降低也有助于接收端为大气飞行器时对便携性的需求。
为实现上述目的，本发明实现目的的技术方案如下：
一种基于艾里光束的导频辅助自相干激光通信系统，包括：
通信光发送模块、导频辅助光耦合模块、空间光耦合模块、艾里光束整形模块、光功率探测模块以及通信解码模块；
所述通信光发送模块用于将所传输信息进行编码，并对通信光束的强度及相位进行调制，得到携带传输信息的通信光束；
所述导频辅助光耦合模块用于将导频辅助光耦合进通信光束；所述的导频辅助光与通信光束的频率偏移在GHz量级，保证频率偏移量大于传输信息带宽的同时干涉信号亦能被光功率探测器探测；
所述空间光耦合模块用于将通信光束耦合进自由空间；
所述艾里光束整形模块用于在自由空间中对通信光束整形成艾里光的空间分布，通信光整形成艾里光束后在大气信道进行传输；
所述光功率探测模块用于探测从大气信道传输至接收端通信光束的光强信息并将其转换成电信号；
所述通信解码模块用于对所述光功率探测模块转换得到的电信号进行解码，得到所传输信息。
所述通信光发送模块首先由激光光源产生通信光束，然后将所编码信息通过任意波形发生器生成调制波形，再通过调制器对所述输出光束进行调制。
所述通信光发送模块输出激光采用单模光纤传输。
所述导频辅助光耦合模块通过导频光激光光源发射一束与所述激光光源频率相差GHz量级内的导频光束，并通过铒掺杂光纤放大器将导频光束和通信光束合束并放大。
所述空间光耦合模块通过光纤耦合器将在光纤中传播的通信光束耦合至自由空间中。
所述艾里光束整形模块，通过外部计算机生成艾里光束的相位图分布并加载至空间光调制器，将所述通信光束调制成艾里光分布，其分布形式为：
Φ（r，ϕ）=akr 3/2
其中，k为波数，ϕ为方位角，r为半径，a为径向相位的设计参数，可通过调节参数a控制产生的光束在不同传输距离下的发散度。
所述光功率探测模块以及通信解码模块采用直接探测的方式探测接收器处所接收的通信光束与导频光束干涉的强度分布，再通过通信解码模块将所传输信息解码。
相对于其他激光通信系统，本发明的特点及优势在于：
（1）通过在发射端将导频辅助光同轴耦合至通信光束中，在接收端采用直接探测的方式即可探测相干光强，在降低接收端系统复杂度的同时，也能解决激光在大气湍流信道传播的模式失配问题，提升通信系统的传输准确率。
2）利用艾里光束无衍射及自愈等特性，将通信光束整形为艾里分布，降低在大气信道传播时的衍射损失及失真问题，提升通信系统在大气信道中的传输能力。
附图说明
图1为基于艾里光束的导频辅助自相干激光通信系统的一种模块框图。
具体实施方式
为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，基于艾里光束的导频辅助自相干激光通信系统包括：
通信光发送模块1、导频辅助光耦合模块2、空间光耦合模块3、艾里光束整形模块4、光功率探测模块5以及通信解码模块6。
通信光发送模块1首先由激光光源产生通信光束，然后将所编码信息通过任意波形发生器生成调制波形，再通过调制器对所述输出光束进行调制。
导频辅助光耦合模块2用于将一束导频辅助光耦合进通信光束；导频辅助光和通信光束的频率偏移在GHz量级。
空间光耦合模块3用于将在光纤中传输的通信光束耦合进自由空间。
艾里光束整形模块4用于在自由空间中对通信光束整形成艾里光的空间分布，通信光整形成艾里光束后在大气信道进行传输。
光功率探测模块5用于探测传输至接收端通信光束的光强信息并将其转换成电信号。
通信解码模块6用于对携带传送信息的电信号进行解码，得到所传输信息。
在本申请其中一个实施例中，通信光发送模块1首先由一台激光频率为f的激光器输出通信光束，输出的通信光束采用单模光纤传输。经过信息编码后的传输信息通过任意波形发生器生成调制波形，再通过调制器对所述通信光束进行调制。
其中，通信编码采用后编码方式，即首先产生用于通信的激光光束，再通过调制器对光束进行调制，类似地，对于本领域技术人员来说，亦可采用激光通信系统前编码形式，即首先对信息进行编码，生成控制信号在激光器产生通信光束时直接进行调制。
在本申请其中一个实施例中，导频辅助光耦合模块2通过导频辅助光激光器发射一束与所述通信光束频率相近（相差GHz量级）的导频光束，所输出导频光束亦在单模光纤内进行传输，并通过铒掺杂光纤放大器将导频光束耦合进通信光束并放大，经合束放大后的通信光束继续在单模光纤中传播。
在本申请其中一个实施例中，空间光耦合模块3通过光纤耦合器将在光纤中传播的通信光束准直并耦合至自由空间中。
在本申请其中一个实施例中，艾里光束整形模块4通过外部计算机生成艾里光束的相位图分布并将其加载至空间光调制器，所述空间光调制器将所述通信光束调制成艾里光分布，其分布形式为：
Φ（r，ϕ）=akr 3/2
其中，k为波数，ϕ为方位角，r为半径，a为径向相位的设计参数，通过调节参数a控制产生的光束在不同传输距离下的发散度。通信光束调制成艾里光分布后在大气信道中进行传输。
在本申请其中一个实施例中，光功率探测模块5将经大气信道传输后的通信光束经聚焦透镜聚焦并由光电探测器直接探测其光场强度分布，其光场分布为所述通信光束及耦合入通信光束的导频辅助光束的干涉图样。
在本申请其中一个实施例中，经所述光电探测器探测的光场强度分布通过通信解码模块6进行数字信号处理并解码出所传输的信息。
从上述本申请实例可知，本申请提供的激光通信系统，其发射端首先将待传输的信息进行编码，利用波形发生器生成电信号后进一步通过调制器对通信光束进行调制，使之携带应传输的信息，同时导频光激光器出射一束与通信光束波长相近的激光，并通过光纤放大器对两束激光进行耦合并放大，之后通过光纤耦合器耦合至自由空间中，并通过光空间调制器将光束整形成艾里光束的分布形式，之后传输至大气信道。在接收端，传送至接收器处的通信光束经聚焦透镜耦合至光电探测器处直接进行光场强度探测，并经过数字信号处理模块解码还原出所传输的信息。
本申请提供的基于艾里光束的导频辅助自相干激光通信系统极其适合于大气信道的激光通信，尤其适应小型空中飞行器，如小型无人机的通信。本系统中艾里光束的无衍射及自愈等特性能十分有效地减少通信光束在大气信道下的散射及能量损耗；而导频辅助光的引入也是解决大气信道中激光模式失配问题的有效手段；其简易的接收端设计也能极大地满足小型空中飞行器对便携性的需求。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (7)
1.一种基于艾里光束的导频辅助自相干激光通信系统，其特征在于，包括：
通信光发送模块、导频辅助光耦合模块、空间光耦合模块、艾里光束整形模块、光功率探测模块以及通信解码模块；
所述通信光发送模块用于将所传输信息进行编码，并对通信光束的强度及相位进行调制，得到携带传输信息的通信光束；
所述导频辅助光耦合模块用于将导频辅助光耦合进通信光束；所述的导频辅助光与通信光束的频率偏移在GHz量级，保证频率偏移量大于传输信息带宽的同时干涉信号亦能被光功率探测器探测；
所述空间光耦合模块用于将通信光束耦合进自由空间；
所述艾里光束整形模块用于在自由空间中对通信光束整形成艾里光的空间分布，通信光整形成艾里光束后在大气信道进行传输；
所述光功率探测模块用于探测从大气信道传输至接收端通信光束的光强信息并将其转换成电信号；
所述通信解码模块用于对所述光功率探测模块转换得到的电信号进行解码，得到所传输信息。
2.根据权利要求1所述的激光通信系统，其特征在于，所述通信光发送模块首先由激光光源产生通信光束，然后将所编码信息通过任意波形发生器生成调制波形，再通过调制器对所述输出光束进行调制。
3.根据权利要求1或者2所述的激光通信系统，其特征在于，所述通信光发送模块输出激光采用单模光纤传输。
4.根据权利要求1所述的激光通信系统，其特征在于，所述导频辅助光耦合模块通过导频光激光光源发射一束与所述激光光源频率相差GHz量级内的导频光束，并通过铒掺杂光纤放大器将导频光束和通信光束合束并放大。
5.根据权利要求1所述的激光通信系统，其特征在于，所述空间光耦合模块通过光纤耦合器将在光纤中传播的通信光束耦合至自由空间中。
6.根据权利要求1所述的激光通信系统，其特征在于，所述艾里光束整形模块，通过外部计算机生成艾里光束的相位图分布并加载至空间光调制器，将所述通信光束调制成艾里光分布，其分布形式为：
Φ（r，ϕ）=akr 3/2
其中，k为波数，ϕ为方位角，r为半径，a为径向相位的设计参数，可通过调节参数a控制产生的光束在不同传输距离下的发散度。
7.根据权利要求1所述的激光通信系统，其特征在于，所述光功率探测模块以及通信解码模块采用直接探测的方式探测接收器处所接收的通信光束与导频光束干涉的强度分布，再通过通信解码模块将所传输信息解码。
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