CN116260527A - 一种水下无线相干光通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种水下无线相干光通信系统及方法，该系统包括发射端和接收端，其中发射端包括依次连接的相干调制模块、光学倍频模块以及光束整形发射模块，相干调制模块将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号，光学倍频模块将调制后红外激光的波长转换到蓝绿波段，光束整形发射模块用于将转换后光信号进行整形处理后发射输出；接收端包括依次连接的光信号接收模块、相干探测模块以及信息解调模块，光信号接收模块接收水下传输的蓝绿波段的光信号，相干探测模块将接收的光信号转换为电信号，信息解调模块对电信号进行解调以得到所需的通信信息。本发明具有结构简单紧凑、接收灵敏度与通信速率高、通信距离长等优点。

Description

一种水下无线相干光通信系统及方法
技术领域
本发明涉及水下无线光通信技术领域，尤其涉及一种水下无线相干光通信系统及方法。
背景技术
当前对水下通信的需求越来越多，水声通信则是水下通信的主要解决手段，但会存在着速率低、保密性差等问题，这使得水声通信的应用严重受限。目前水下无线光通信通常是采用蓝绿色可见光进行通信，具有方向性好、低时延、安全可靠等优点，未来可应用于如水下无线传感器和网络、海洋资源勘探、监测等各类场景中。然而由于受海水吸收及散射的影响，蓝绿色可见光的传输距离较短，一般只有几十米到上百米远，此外有效的光通信速率也较低，只能达到100Mbps左右。
针对于光通信传输距离以及通信速率问题，一种有效解决方案是通过将相干光通信应用于光通信系统中，以提高光通信接收灵敏度、延长光传输距离以及提高光传输速率。但是目前用于相干光调制的相位调制器的响应波段主要为650nm以上的长波段，无法解决水下无线光通信中蓝绿色可见光接收灵敏度低、传输距离短以及通信速率低的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、接收灵敏度与通信速率高、通信距离长的水下无线相干光通信系统及方法，能够有效提高水下无线光通信的接收灵敏度与通信速率，同时提升通信距离。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种水下无线相干光通信系统，包括发射端，所述发射端包括依次连接的相干调制模块、光学倍频模块以及光束整形发射模块，所述相干调制模块用于将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号，所述光学倍频模块用于将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段，所述光束整形发射模块用于将转换后光信号进行整形后发射输出。
进一步的，所述相干调制模块包括相位调制器以及分别与所述相位调制器连接的激光器以及微波放大器，所述微波放大器的输入端接入需发射的数字信号，输出端输出放大后数字信号，所述相位调制器分别接入所述激光器发射的激光以及所述微波放大器输出的放大后数字信号，经过所述相位调制器将需发射的数字信号调制到所述激光器发射的激光的相位上，输出相位调制后光信号。
进一步的，所述光学倍频模块包括相互连接的光信号处理单元以及光波长转换单元，所述光信号处理单元用于将所述相干调制模块输出的调制后光信号进行功率放大以及准直处理后输出，所述光波长转换单元用于将准直处理后光信号的波长转换至蓝绿波段后输出，所述光波长转换单元包括PPLN倍频晶体，所述PPLN倍频晶体安装于一温控装置内，所述PPLN倍频晶体的波导方向与输入光信号的入射方向在同一光轴，通过所述PPLN倍频晶体将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段。
进一步的，所述光信号处理单元包括相互连接的光纤放大器以及光纤准直器，所述光纤放大器接入所述相干调制模块输出的调制后光信号进行功率放大，通过保偏光纤送入所述光纤准直器，由所述光纤准直器将光纤中的光信号准直后以自由空间光的方式发射出去。
进一步的，还包括用于接收水下传输的蓝绿波段的光信号进行解调的接收端，所述接收端包括依次连接的光信号接收模块、相干探测模块以及信息解调模块，所述光信号接收模块用于接收水下传输的蓝绿波段的光信号，所述相干探测模块用于将接收的光信号转换为电信号，所述信息解调模块用于对电信号进行解调以得到所需的通信信息。
进一步的，所述相干探测模块包括依次连接的90°光混频器单元、平衡探测器单元、乘法器单元以及环路滤波器，所述环路滤波器的输出端连接至本地振荡激光器的输入端，所述90°光混频器单元的输入端分别接入光信号接收模块接收到的光信号以及本地振荡激光器产生的本地振荡光，经过90°相干混频后，输出相对相差为0°、180°、90°和270°的四路光信号，0°和180°两路光、90°和270°两路光分别由所述平衡探测器单元中两个平衡探测器进行探测接收并放大后，形成同相支路和正交支路以分别输出同向分量、正交分量，所述正交支路输出的正交分量以及部分所述同相支路输出的同向分量经所述乘法器单元进行相乘得到鉴相信号，部分所述同相支路输出的同向分量输出给所述信息解调模块以进行信息解调，所述鉴相信号经所述环路滤波器滤除所述鉴相信号中的高频信号后反馈给本地振荡激光器。
一种水下无线相干光通信方法，步骤包括：
在发射端，需要发射数字信号时，将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号，然后基于光学非线性倍频方法将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段，再将转换后光信号进行整形后发射输出；
在接收端，接收到水下传输的蓝绿波段的光信号时，采用零差相干光探测方法将接收的光信号转换为电信号，然后对电信号进行解调以得到所需的通信信息。
进一步的，所述将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号的步骤包括：
将激光器出射的光通过光纤送入偏振控制器输入端，调节偏振控制使得偏振角度与相位调制器一致，将偏振控制器输出信号通过光纤送入相位调制器调制光输入端；
由所述相位调制器分别接入需发射的数字信号以及通过光纤送入的光信号，经过相位调制将需发射的数字信号调制到激光器发射激光的相位上，输出相位调制后光信号。
进一步的，所述基于光学非线性倍频方法将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段的步骤包括：
将经过相位调制的光信号通过光纤放大器进行光功率放大；
将光功率放大后的光信号经过准直后以自由空间光的方式发射出去；
将准直输出的光信号入射到PPLN倍频晶体中，所述PPLN倍频晶体安装在温控装置内，且波导方向与光的入射方向在同一光轴，通过所述PPLN倍频晶体将入射的光信号转换为波长在蓝绿波段的光信号输出。
进一步的，所述采用零差相干光探测方法将接收的光信号转换为电信号的步骤包括：
接收经过水下传输后蓝绿波段的光信号，与同波段的本地振荡激光同时垂直入射至90°光混频器进行相干混频，输出相对相差为0°、180°、90°和270°的四路光信号；
将0°和180°两路光、90°和270°两路光分别由进行探测接收并放大，形成同相支路和正交支路以分别输出同相分量与正交分量；
将正交支路输出的正交分量与部分同相支路的同相分量相乘得到鉴相信号，部分同相支路的同相分量输出进行解调以得到所需的通信信息；
将所述鉴相信号经过放大再滤除其中的高频信号后反馈给本地振荡激光器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过在发射端对需发射数字信号进行相干调制，再基于光学非线性倍频的方式将已相干调制的红外激光信号进行波长转换以产生已相干调制的蓝绿激光信号，利用基于光学非线性倍频的相干调制方式实现对蓝绿激光的相干调制，使得在无蓝绿波段相位调制器的条件下能够对蓝绿激光进行相干调制，解决传统相干调制方法无法实现蓝绿激光波段的问题，从而利用相干调制提高接收灵敏度、传输距离以及通信速率。
2、本发明通过在接收端在接收到蓝绿波段的光信号时，使用零差相干光探测方式实现相干探测，可以有效提高接收的极限灵敏度，从而提高相干通信系统的距离以及通信速率，且基于零差探测方式输出的电信号即为基带信号，不需要二次解调，可以进一步降低解调的复杂度。
3、本发明进一步通过在接收端使用科斯塔斯锁相环实现相位锁定，使得锁相环对激光器的线宽要求不高，经过同相和正交两路的电信号相乘后即可直接得到相位误差信号，该信号经低通滤波器滤波后可作为本地振荡激光器的锁相控制信号。利用该锁相环可以消除数据信号和锁相信号之间的相互串扰，有效降低锁相残差。
附图说明
图1是本实施例水下无线相干光通信系统中发射端的结构示意图。
图2是本发明在具体引用实施例中发射端的具体结构示意图。
图3是本实施例水下无线相干光通信系统中接收端的结构示意图。
图4是本发明在具体引用实施例中接收端的具体结构示意图。
图例说明：1、发射端；101、相干调制模块；111、相位调制器；112、激光器；113、微波放大器；102、光学倍频模块；103、光束整形发射模块；2、接收端；201、光信号接收模块；202、相干探测模块；221、90°光混频器单元；222、平衡探测器单元；223、乘法器单元；224、环路滤波器；203、信息解调模块。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1、2所示，本实施例水下无线相干光通信系统包括：
发射端1，用于将需发射数字信号转换到蓝绿波段进行发射，包括依次连接的相干调制模块101、光学倍频模块102以及光束整形发射模块103，相干调制模块101用于将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号，光学倍频模块102用于将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段，光束整形发射模块103用于将转换后光信号进行整形后发射输出；
接收端2，用于接收水下传输的蓝绿波段的光信号进行解调，包括依次连接的光信号接收模块201、相干探测模块202以及信息解调模块203，光信号接收模块201用于接收水下传输的蓝绿波段的光信号，相干探测模块202用于将接收的光信号转换为电信号，信息解调模块203用于对电信号进行解调以得到所需的通信信息。
本实施例通过在发射端1设置相干调制模块101、光学倍频模块102以及光束整形发射模块103，先对需发射数字信号进行相干调制，再基于光学非线性倍频的方式将已相干调制的红外激光信号进行波长转换以产生已相干调制的蓝绿激光信号，基于光学非线性倍频的相干调制方式实现对蓝绿激光的相干调制，使得在无蓝绿波段相位调制器的条件下能够对蓝绿激光进行相干调制，从而使得可以利用相干调制提高接收灵敏度、传输距离以及通信速率。进一步本实施例通过在接收端2通过结合光信号接收模块201、相干探测模块202以及信息解调模块203，在接收到蓝绿波段的光信号后，使用零差相干光探测方式实现相干探测，可以有效提高接收的极限灵敏度，从而提高相干通信系统的距离以及通信速率，且基于零差探测方式输出的电信号即为基带信号，不需要二次解调，还可以进一步降低解调的复杂度。
如图2所示，本实施例中相干调制模块101具体包括相位调制器111以及分别与相位调制器111连接的激光器112以及微波放大器113，微波放大器113的输入端接入需发射的数字信号，输出端输出放大后数字信号，相位调制器111分别接入激光器112发射的激光以及微波放大器113输出的放大后数字信号，经过相位调制器111将需发射的数字信号调制到激光器112发射的激光的相位上，输出相位调制后光信号。
本实施例中需要传输的数字信号具体由伪二进制序列发生器产生再通过微波放大器113信号进行放大，放大后信号发送给相位调制器111。具体采用高波长稳定度的1064nm激光作为相位携带调制编码信号的载波，即通过激光器112(优选分布式反馈激光器)产生1064nm激光以作为载波发送给相位调制器111。调制方式具体可采用相移键控调制，例如二进制相移键控调制方法，通过将相位正弦变化的输入电场Ein调制为包含反转相位的Eout以实现将二进制信息调制到激光相位上。
如图2所示，本实施例中光学倍频模块102具体包括相互连接的光信号处理单元121以及光波长转换单元122，光信号处理单元121用于将相干调制模块101输出的调制后光信号进行功率放大以及准直处理后输出，光波长转换单元122用于将准直处理后光信号的波长转换至蓝绿波段后输出。光信号处理单元121具体包括相互连接的光纤放大器1211以及光纤准直器1212，光纤放大器1211接入相干调制模块101输出的调制后光信号对其进行功率放大，通过保偏光纤将光信号送入光纤准直器1212，由光纤准直器1212将光纤中的光信号准直后以自由空间光的方式发射出去。上述光纤放大器1211具体可使用掺镱光纤放大器，将已调制的激光进行功率放大以增加发射端光功率，再通过光纤准直器1212将掺镱光纤放大器尾纤输出口的高功率激光变成准直光输出。将输出的高功率、已调制激光准直，便于在水下长距离传输，进一步提高水下光通信的距离。
本实施例中，光波长转换单元122包括PPLN倍频晶体，PPLN倍频晶体安装于一温控装置内，PPLN倍频晶体的波导方向与输入光信号的入射方向在同一光轴，通过PPLN倍频晶体将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段。例如通过使用PPLN晶体可以将输入的高功率1064nm激光转换为高功率532nm激光。本实例通过利用倍频晶体对已相干调制的红外激光波长进行转换，产生已相干调制的蓝绿激光，能够实现在无蓝绿波段相位调制器的条件下对蓝绿激光的相干调制，有效解决传统相位调制无法适用于蓝绿波段的问题。
如图3所示，本实施例中光信号接收模块201具体为光学接收天线，接收端2通过使用光学接收天线收集发散且微弱的信号光，由本地振荡激光器产生本地振荡光，该激光的频率ω2保持和信号光频率ω1相同，光学接收天线收集的信号光与本地振荡激光器产生的本地振荡光输入至相干探测模块中进行相干探测。相干探测模块202具体包括依次连接的90°光混频器单元221、平衡探测器单元222、乘法器单元223以及环路滤波器224，环路滤波器224的输出端连接至本地振荡激光器的输入端，90°光混频器221的输入端分别接入光信号接收模块201接收到的光信号以及本地振荡激光器产生的本地振荡光，经过90°相干混频后，输出相对相差为0°、180°、90°和270°的四路光信号。0°和180°两路光、90°和270°两路光分别由平衡探测器单元222中两个平衡探测器进行探测接收并放大后，形成同相支路和正交支路以分别输出同向分量、正交分量，正交支路输出的正交分量以及部分同相支路输出的同向分量经乘法器单元223进行相乘得到鉴相信号，部分同相支路输出的同向分量输出给信息解调模块203以进行信息解调，使用解调器将同向支路电信号解调得到调制编码信号，鉴相信号经环路滤波器224滤除鉴相信号中的高频信号后反馈给本地振荡激光器。通过选择适当的环路滤波器参数可以有效降低噪声带宽。上述平衡探测器单元222具体可采用基于光电倍增管(PMT)的平衡探测器。
如图4所示，本发明在具体应用实施例中接收端2相干探测模块202基于科斯塔斯锁相环的零差相干光探测实现相干光探测，通过使用90°光混频器将信号光和本地振荡光相干混频，使四个输出端口的相对相位差分别是0°、90°、180°、270°，使用两个平衡探测器分别将90°光混频器输出的0°和180°两路光、90°和270°两路光信号进行探测接收，并产生同向和正交两支路以将光信号转换为电信号，其中的直流分量相等，各自相减后得到两个相干信号，该两个信号相对相位差为90°，正交支路信号和部分同向支路信号相乘后经放大和环路滤波器224的滤波后得到驱动本地振荡激光器压电陶瓷的信号，该信号包含本地振荡光和信号光的相位差信号，用于实现本地振荡光与信号光的相位锁定。在相位锁定情况下，由同向支路输出的信号经解调器即可得到传输信息。
本实施例通过在接收端2使用科斯塔斯锁相环实现相位锁定，使得锁相环对激光器的线宽要求不高，其同相和正交两路的电信号相乘后即可直接得到相位误差信号，该信号经低通滤波器滤波后可作为本地振荡激光器的锁相控制信号。利用该锁相环可以有效消除数据信号和锁相信号之间的相互串扰，使得锁相残差较低。
本实施例利用上述系统实现水下无线相干光通信方法的步骤包括：
S01.在发射端1，需要发射数字信号时，将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号，然后基于光学非线性倍频方法将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段，再将转换后光信号进行整形后发射输出；
S02.在接收端2，接收到水下传输的蓝绿波段的光信号时，采用零差相干光探测方法将接收的光信号转换为电信号，然后对电信号进行解调以得到所需的通信信息。
本实施例中，步骤S01中将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号的步骤包括：
S101.将激光器出射的光通过光纤送入偏振控制器输入端，调节偏振控制使得偏振角度与相位调制器一致，将偏振控制器输出信号通过光纤送入相位调制器111调制光输入端；
S102.由相位调制器111分别接入需发射的数字信号以及通过光纤送入的光信号，经过相位调制将需发射的数字信号调制到激光器发射的激光的相位上，输出相位调制后光信号。
在具体应用实施例中，当需要发送数字信号时，首先将1064nm激光器出射的光通过光纤送入偏振控制器输入端，调节偏振控制使得偏振角度与相位调制器一致，偏振控制器输出端通过光纤送入相位调制器111调制光输入端；相位调制器111的光输入端与偏振控制器输出端通过光纤相连，需要发射的高速数字信号通过同轴电缆送入微波放大器112信号输入端，通过微波放大器112放大20～30dB，输出的放大信号通过同轴电缆送入相位调制器111调制信号输入端口，实现将数字信号调制到1064nm激光的相位上。
本实施例步骤S01中基于光学非线性倍频方法将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段的步骤包括：
S111.将经过相位调制的光信号通过光纤放大器进行光功率放大；
S112.将光功率放大后光信号经过准直再以自由空间光的方式发射出去；
S113.将准直输出的光信号入射到PPLN倍频晶体中，PPLN倍频晶体安装在温控装置内，且波导方向与光的入射方向在同一光轴，通过PPLN倍频晶体将入射的光信号转换为波长在蓝绿波段的光信号输出。
本实施例中，步骤S02采用零差相干光探测方法将接收的光信号转换为电信号的步骤包括：
S201.接收经过水下传输后蓝绿波段的光信号，与同波段的本地振荡激光同时垂直入射至90°光混频器进行相干混频，输出相对相差为0°、180°、90°和270°的四路光信号；
S202.将0°和180°两路光、90°和270°两路光分别由进行探测接收并放大，形成同相支路和正交支路以分别输出同相分量与正交分量；
S203.将正交支路输出的正交分量与部分同相支路的同相分量相乘得到鉴相信号，部分同相支路的同相分量输出进行解调以得到所需的通信信息；
S204.将鉴相信号经过放大后滤除其中的高频信号再反馈给本地振荡激光器。
以下以在具体应用实施例中采用本发明上述方法实现水下无线相干光通信为例，对本发明进行进一步说明。如图2、4所示，本实施例构建水下无线相干光通信系统，包括一个高波长稳定度的1064nm单纵模激光器，一个伪二进制序列发生器，一个偏振控制器，一个1064nm波段的相位调制器，一个微波放大器，一个掺镱光纤放大器，一个光纤准直器，一个温度控制器，一个加热及固定装置和1个响应1064nm的PPLN晶体，一个光学接收天线，一个高波长稳定度的532nm单纵模激光器，一个90°光混频器，两个基于光电倍增管(PMT)的平衡探测器，一个解调器，一个乘法器以及一个环路滤波器。1064nm的激光经红外波段相位调制器调制后其相位携带了传输信息，调制后的红外光经光纤放大器、光纤准直器进入PPLN晶体实现倍频以产生相位携带了传输信息的高功率532nm激光。
在发送端1，通过将需要传输的数字信号由伪二进制序列发生器产生，再通过微波放大器112信号进行放大，通过数字信号处理将需要传输的数字信号转换为相位调制器所需的调制信号Vin。激光器产生的高波长稳定度的1064nm激光，该激光作为相位携带调制编码信号的载波(激光器优选为分布式反馈激光器，易于实现稳定的单模运转)；相位调制器，用于将调制编码信号调制到1064nm激光的相位上，信号调制采用二进制相移键控调制方案，将相位正弦变化的输入电场Ein调制为包含反转相位的Eout以实现将二进制信息调制到激光相位上；掺镱光纤放大器用于将已调制的1064nm激光功率放大以增加发射端光功率；光纤准直器用于将掺镱光纤放大器尾纤输出口的高功率激光变成准直光输出，以便会聚入非线性晶体中；PPLN晶体用于将输入的高功率1064nm激光转换为高功率532nm激光，为达到最佳光学转换效率，需优化PPLN的温度以及对输入光的会聚程度；光束整形器用于将输出的高功率、已调制532nm激光准直，以便在水下长距离传输。
在接收端2，光学接收天线,用于收集发散且微弱的信号光；本地振荡激光器用于产生本地振荡光，该激光的频率w2保持和信号光频率w1相同，以实现零差探测；90°光混频器用于将信号光和本地振荡光相干混频，使四个输出端口的相对相位差分别是0°、90°、180°、270°；平衡探测器用于将90°光混频器输出的0°和180°两路光、90°和270°两路光信号转换为电信号，其中的直流分量相等，各自相减后得到两个相干信号，该两个信号相对相位差为90°；乘法器用于将同相通道和正交通道的信号相乘得到中频信号，该信号包含本地振荡光和信号光的相位差信号；环路滤波器用于滤除中频信号中的中频分量和高频噪声，得到本地振荡光和信号光的相位差信号，选择适当的环路滤波器参数可以降低噪声带宽；解调器用于将同向支路电信号解调得到调制编码信号。
基于上述水下无线相干光通信系统，本实施例实现水下无线相干光通信的详细步骤为：
步骤1：水下光信号发射以及相干调制
步骤1.1：1064nm激光器出射的光通过光纤送入偏振控制器输入端，调节偏振控制使得偏振角度与相位调制器一致，偏振控制器输出端通过光纤送入相位调制器调制光输入端；
步骤1.2：相位调制器光输入端与偏振控制器输出端通过光纤相连，需要发射的高速数字信号通过同轴电缆送入微波放大器信号输入端，通过微波放大器放大20～30dB，输出放大信号通过同轴电缆送入相位调制器调制信号输入端口，实现将数字信号调制到1064nm激光的相位上。
步骤2：光学倍频处理
步骤2.1：经过相位调制的光信号通过保偏光纤送入掺镱光纤放大器进行光功率放大，再通过保偏光纤送入光纤准直器，光纤准直器将光纤中的光信号准直后以自由空间光的方式发射出去；
步骤2.2：准直输出的1064nm的光信号入射到PPLN晶体，PPLN晶体安装在加热和固定装置内，且波导方向与光的入射方向在同一光轴，为达到较高的转换效率，PPLN晶体应在温度控制器的控制下达到波长转换所需特定温度，1064nm光信号经过PPLN晶体后会转换为532nm的绿光信号输出，此时的绿光相位仍携带需要传输的数字信号。
步骤3：水下光信号接收与相干光探测
步骤3.1：经过水下传输后的532nm信号光由光学接收天线会聚和准直，与波长同为532nm的本地振荡激光同时垂直入射90°光混频器进行相干混频，输出相对相差为0°、180°、90°和270°的四路光信号，0°和180°两路光、90°和270°两路光分别由两个平衡探测器进行探测接收并放大，形成同相支路和正交支路；
步骤3.2：正交支路的电信号与部分同相支路的电信号经过乘法器相乘，得到鉴相信号，鉴相信号经过放大，然后由环路滤波器滤除其中的高频信号，滤波器输出的信号，即本地振荡光和信号光的相位差，经过驱动电路来驱动本地振荡激光器上的压电陶瓷，同时调节本地振荡激光器的频率，使得信号光和本地振荡激光的频率快速拉近，实现本地振荡光与信号光稳定的频率与相位锁定；
步骤3.3：在相位锁定的情况下，部分同相支路输出的电信号由解调器解调出传输的数字信号。
与传统水下无线光通信系统中广泛采用的强度调制/直接探测方案相比，本发明上述相干光通信方案能够有效提升接收机的灵敏度达20dB，以及提升系统的传输距离和通信速率。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种水下无线相干光通信系统，包括发射端(1)，其特征在于，所述发射端(1)包括依次连接的相干调制模块(101)、光学倍频模块(102)以及光束整形发射模块(103)，所述相干调制模块(101)用于将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号，所述光学倍频模块(102)用于将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段，所述光束整形发射模块(103)用于将转换后光信号进行整形后发射输出。
2.根据权利要求1所述的水下无线相干光通信系统，其特征在于，所述相干调制模块(101)包括相位调制器(111)以及分别与所述相位调制器(111)连接的激光器(112)以及微波放大器(113)，所述微波放大器(113)的输入端接入需发射的数字信号，输出端输出放大后数字信号，所述相位调制器(111)分别接入所述激光器(112)发射的激光以及所述微波放大器(113)输出的放大后数字信号，经过所述相位调制器(111)将需发射的数字信号调制到所述激光器(112)发射的激光的相位上，输出相位调制后光信号。
3.根据权利要求2所述的水下无线相干光通信系统，其特征在于，所述光学倍频模块(102)包括相互连接的光信号处理单元(121)以及光波长转换单元(122)，所述光信号处理单元(121)用于将所述相干调制模块(101)输出的调制后光信号进行功率放大以及准直处理后输出，所述光波长转换单元(122)用于将准直处理后光信号的波长转换至蓝绿波段后输出，所述光波长转换单元(122)包括周期极化铌酸锂PPLN倍频晶体，所述PPLN倍频晶体安装于一温控装置内，所述PPLN倍频晶体的波导方向与输入光信号的入射方向在同一光轴，通过所述PPLN倍频晶体将调制后红外激光的波长转换到蓝绿波段。
4.根据权利要求3所述的水下无线相干光通信系统，其特征在于，所述光信号处理单元(121)包括相互连接的光纤放大器(1211)以及光纤准直器(1212)，所述光纤放大器(1211)接入所述相干调制模块(101)输出的调制后光信号进行功率放大，通过保偏光纤送入所述光纤准直器(1212)，由所述光纤准直器(1212)将光纤中的光信号准直后以自由空间光的方式发射出去。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的水下无线相干光通信系统，其特征在于，还包括用于接收水下传输的蓝绿波段的光信号进行解调的接收端(2)，所述接收端(2)包括依次连接的光信号接收模块(201)、相干探测模块(202)以及信息解调模块(203)，所述光信号接收模块(201)用于接收水下传输的蓝绿波段的光信号，所述相干探测模块(202)用于将接收的光信号转换为电信号，所述信息解调模块(203)用于对电信号进行解调以得到所需的通信信息。
6.根据权利要求5所述的水下无线相干光通信系统，其特征在于，所述相干探测模块(202)包括依次连接的90°光混频器单元(221)、平衡探测器单元(222)、乘法器单元(223)以及环路滤波器(224)，所述环路滤波器(224)的输出端连接至本地振荡激光器的输入端，所述90°光混频器单元(221)的输入端分别接入光信号接收模块(201)接收到的光信号以及本地振荡激光器产生的本地振荡光，经过90°相干混频后，输出相对相差为0°、180°、90°和270°的四路光信号，0°和180°两路光、90°和270°两路光分别由所述平衡探测器单元(222)中两个平衡探测器进行探测接收并放大后，形成同相支路和正交支路以分别输出同向分量、正交分量，所述正交支路输出的正交分量以及部分所述同相支路输出的同向分量经所述乘法器单元(223)进行相乘得到鉴相信号，部分所述同相支路输出的同向分量输出给所述信息解调模块(203)以进行信息解调，所述鉴相信号经所述环路滤波器(224)滤除所述鉴相信号中的高频信号后反馈给本地振荡激光器。
7.一种水下无线相干光通信方法，其特征在于，步骤包括：
在发射端，需要发射数字信号时，将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号，然后基于光学非线性倍频方法将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段，再将转换后光信号进行整形后发射输出；
在接收端，接收到水下传输的蓝绿波段的光信号时，采用零差相干光探测方法将接收的光信号转换为电信号，然后对电信号进行解调以得到所需的通信信息。
8.根据权利要求7所述的水下无线相干光通信方法，其特征在于，所述将需发射的数字信号进行相干调制到红外光载波上形成红外激光信号的步骤包括：
将激光器出射的光通过光纤送入偏振控制器输入端，调节偏振控制使得偏振角度与相位调制器一致，将偏振控制器输出信号通过光纤送入相位调制器(111)调制光输入端；
由所述相位调制器(111)分别接入需发射的数字信号以及通过光纤送入的光信号，经过相位调制将需发射的数字信号调制到激光器发射的激光的相位上，输出相位调制后光信号。
9.根据权利要求7所述的水下无线相干光通信方法，其特征在于，所述基于光学非线性倍频方法将调制后红外激光信号的波长转换到蓝绿波段的步骤包括：
将经过相位调制的光信号通过光纤放大器进行光功率放大；
将光功率放大后光信号经过准直后以自由空间光的方式发射出去；
将准直输出的光信号入射到PPLN倍频晶体中，所述PPLN倍频晶体安装在温控装置内，且波导方向与光的入射方向在同一光轴，通过所述PPLN倍频晶体将入射的光信号转换为波长在蓝绿波段的光信号输出。
10.根据权利要求7～9中任意一项所述的水下无线相干光通信方法，其特征在于，所述采用零差相干光探测方法将接收的光信号转换为电信号的步骤包括：
接收经过水下传输后蓝绿波段的光信号，与同波段的本地振荡激光同时垂直入射至90°光混频器进行相干混频，输出相对相差为0°、180°、90°和270°的四路光信号；
将0°和180°两路光、90°和270°两路光分别由进行探测接收并放大，形成同相支路和正交支路以分别输出同相分量与正交分量；
将正交支路输出的正交分量与部分同相支路的同相分量相乘得到鉴相信号，部分同相支路的同相分量输出进行解调以得到所需的通信信息；
将所述鉴相信号经过放大再滤除其中的高频信号后反馈给本地振荡激光器。
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