CN102510306B - 大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和***，属于大气信道无线激光通信技术领域。本发明利用从对方通信端机发送来的信号均值和方差数据，来产生二维随机相位屏；以二维随机相位屏作为控制信号来控制液晶空间光调制器为发射的通信激光的波前加一个随机相位，实现对通信激光的初始空间相干度的最优控制。利用本发明可以显著减小大气湍流对无线激光通信***的影响，提高通信***性能。

Description

大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和***

技术领域

本发明属于大气信道无线激光通信技术领域，涉及一种大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和***。

背景技术

大气信道无线激光通信技术在“最后一公里”接入、局域/城域网扩展、应急指挥通信、快速通信组网等领域有着广泛的应用前景，是当前通信领域中的一个研究热点。大气湍流造成激光信号强度起伏，导致链路误码率增加。在大气信道无线激光通信中，使用空间部分相干光传输信号在一定条件下可以有效地减小大气湍流导致的激光信号强度起伏，提高通信链路性能。因此降低通信激光的初始空间相干度可以成为抑制无线激光通信中的大气湍流影响的一条途径。另一方面，通信激光的初始空间相干度的降低也导致光束发散更快，造成光束横截面上的功率密度降低。因此，对通信激光的初始空间相干度进行自适应最优控制对提高大气信道无线激光通信链路的性能有着非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和***，实现对大气信道无线激光通信***中的通信激光的初始空间相干度的最优控制，以便减小大气湍流造成的激光信号强度起伏对通信***性能的影响。

如图1所示，本发明的大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制***包括收发共用光学接收天线1、凸透镜2、凸透镜3、半反半透分光片4、凸透镜5、凸透镜6、液晶空间光调制器7、凸透镜8、光纤9、数据调制与激光信号发射单元10、凸透镜11、雪崩光电二级管探测器12、低通滤波电路、信号采集卡、DSP数字信号处理器、信号输出卡、数据判决电路、统计数据提取单元。

接收到的来自对方通信端机的光信号通过收发共用光学接收天线1转换为平行入射光并入射到凸透镜2上，经凸透镜2变换后的入射光入射到凸透镜3上并被变换为平行入射光A001，平行入射光A001经半反半透分光片4反射后入射到凸透镜11上，经凸透镜11变换后的入射光A002入射到雪崩光电二级管探测器12上。

数据调制与激光信号发射单元10输出的发射光被耦合到光纤9的入射端，光纤9的出射端位于凸透镜8的焦点位置处，凸透镜8将经光纤9传导的发射光变换成平行发射光A004，平行发射光A004透射过液晶空间光调制器7并入射到凸透镜6上，经凸透镜6变换后的发射光入射到凸透镜5上并被变换为平行发射光，经凸透镜5变换后的平行发射光透射过半反半透分光片4并入射到凸透镜3上，经凸透镜3变换后的发射光入射到凸透镜2上，经凸透镜2变换后的发射光入射到收发共用光学接收天线1上并发送到对方通信端机。

雪崩光电二级管探测器12对入射光A002进行光电转换，产生的电信号分别传送到数据判决电路的输入端和低通滤波电路的输入端，经低通滤波电路处理后的信号传送到信号采集卡的输入端，信号采集卡对输入信号进行模数转换，将数字信号传送给DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器对输入的数字信号的起伏进行统计，计算出平均值和方差并传送到数据调制与激光信号发射单元10，由数据调制与激光信号发射单元10将平均值和方差数据按一定的时间间隔调制到激光信号上，传送给对方通信端机。

数据判决电路输出的数据信号传送给统计数据提取单元，统计数据提取单元从通信数据中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并传送给DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器据此生成液晶空间光调制器7的控制信号A003；控制信号A003传送到信号输出卡的输入端，经信号输出卡进行数模转换后传送到液晶空间光调制器7；液晶空间光调制器7根据控制信号A003在透射过液晶空间光调制器7的平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度。

本发明的特征还在于，低通滤波电路将代表传输数据的高频信号滤除，让代表大气湍流导致的光强起伏的低频信号通过。

本发明的特征还在于，相互通信的两个端机具有相同的结构。

本发明的特征还在于，统计数据提取单元定时地从数据判决电路输出的通信数据序列中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并存储在数据缓存中。

本发明的特征还在于，DSP数字信号处理器的大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法及工作步骤如下：

Step001：设置ρ为某给定初始值；

Step002：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶空间光调制器7的像元的宽和长， F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ减去一个给定的步长Δl_c；将二维随机相位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step003：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step004：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶空间光调制器7的像元的宽和长， F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ加上一个给定的步长Δl_c；将二维随机相位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step005：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step006：如果δ′＜δ，则ρ＝ρ+Δl_c，否则ρ＝ρ-Δl_c；

Step007：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶空间光调制器7的像元的宽和长， F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ；将二维随机相位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step008：转Step002。

有益效果

本发明提供了一种大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和***。本发明能够根据大气信道的具体湍流条件，自适应地控制通信激光的初始空间相干度；在减小大气湍流导致的激光强度闪烁和提高平均接收光功率之间实现最优折衷。将本发明应用到地面附近的长距离大气信道无线激光通信***中，可以大大改善通信***的性能，扩展无线激光通信***的应用范围。

附图说明

图1为本发明的通信端机结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明的目的是提供一种大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和***，实现对大气信道无线激光通信***中的通信激光的初始空间相干度的最优控制，以便减小大气湍流造成的激光信号强度起伏对通信***性能的影响。本发明中的液晶空间光调制器7可以选择德国Holoeye公司生产的高精度纯相位液晶空间光调制器。DSP数字信号处理器可以选择TI公司的C6000DSP。

如图1所示，本发明的大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制***包括收发共用光学接收天线1、凸透镜2、凸透镜3、半反半透分光片4、凸透镜5、凸透镜6、液晶空间光调制器7、凸透镜8、光纤9、数据调制与激光信号发射单元10、凸透镜11、雪崩光电二级管探测器12、低通滤波电路、信号采集卡、DSP数字信号处理器、信号输出卡、数据判决电路、统计数据提取单元。

接收到的来自对方通信端机的光信号通过收发共用光学接收天线1转换为平行入射光并入射到凸透镜2上，经凸透镜2变换后的入射光入射到凸透镜3上并被变换为平行入射光A001，平行入射光A001经半反半透分光片4反射后入射到凸透镜11上，经凸透镜11变换后的入射光A002入射到雪崩光电二级管探测器12上。

数据调制与激光信号发射单元10输出的发射光被耦合到光纤9的入射端，光纤9的出射端位于凸透镜8的焦点位置处，凸透镜8将经光纤9传导的发射光变换成平行发射光A004，平行发射光A004透射过液晶空间光调制器7并入射到凸透镜6上，经凸透镜6变换后的发射光入射到凸透镜5上并被变换为平行发射光，经凸透镜5变换后的平行发射光透射过半反半透分光片4并入射到凸透镜3上，经凸透镜3变换后的发射光入射到凸透镜2上，经凸透镜2变换后的发射光入射到收发共用光学接收天线1上并发送到对方通信端机。

雪崩光电二级管探测器12对入射光A002进行光电转换，产生的电信号分别传送到数据判决电路的输入端和低通滤波电路的输入端，经低通滤波电路处理后的信号传送到信号采集卡的输入端，信号采集卡对输入信号进行模数转换，将数字信号传送给DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器对输入的数字信号的起伏进行统计，计算出平均值和方差并传送到数据调制与激光信号发射单元10，由数据调制与激光信号发射单元10将平均值和方差数据按一定的时间间隔调制到激光信号上，传送给对方通信端机。

数据判决电路输出的数据信号传送给统计数据提取单元，统计数据提取单元从通信数据中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并传送给DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器据此生成液晶空间光调制器7的控制信号A003；控制信号A003传送到信号输出卡的输入端，经信号输出卡进行数模转换后传送到液晶空间光调制器7；液晶空间光调制器7根据控制信号A003在透射过液晶空间光调制器7的平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度。

本发明的特征还在于，低通滤波电路将代表传输数据的高频信号滤除，让代表大气湍流导致的光强起伏的低频信号通过。

本发明的特征还在于，相互通信的两个端机具有相同的结构。

本发明的特征还在于，统计数据提取单元定时地从数据判决电路输出的通信数据序列中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并存储在数据缓存中。

本发明的特征还在于，DSP数字信号处理器的大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法及工作步骤如下：

Step001：设置ρ为某给定初始值；

Step002：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶空间光调制器7的像元的宽和长， F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ减去一个给定的步长Δl_c；将二维随机相位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step003：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step004：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶空间光调制器7的像元的宽和长， F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ加上一个给定的步长Δl_c；将二维随机相位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step005：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step006：如果δ′＜δ，则ρ＝ρ+Δl_c，否则ρ＝ρ-Δl_c；

Step007：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶空间光调制器7的像元的宽和长， F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ；将二维随机相位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step008：转Step002。

Claims (1)

1.一种大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法，其特征在于，***结构和实施方法如下：

提供一种大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法，实现对大气信道无线激光通信***中的通信激光的初始空间相干度的最优控制，以便减小大气湍流造成的激光信号强度起伏对通信***性能的影响；

本方法的大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制***包括收发共用光学接收天线1、凸透镜2、凸透镜3、半反半透分光片4、凸透镜5、凸透镜6、液晶空间光调制器7、凸透镜8、光纤9、数据调制与激光信号发射单元10、凸透镜11、雪崩光电二级管探测器12、低通滤波电路、信号采集卡、DSP数字信号处理器、信号输出卡、数据判决电路、统计数据提取单元；

接收到的来自对方通信端机的光信号通过收发共用光学接收天线1转换为平行入射光并入射到凸透镜2上，经凸透镜2变换后的入射光入射到凸透镜3上并被变换为平行入射光A001，平行入射光A001经半反半透分光片4反射后入射到凸透镜11上，经凸透镜11变换后的入射光A002入射到雪崩光电二级管探测器12上；

数据调制与激光信号发射单元10输出的发射光被耦合到光纤9的入射端，光纤9的出射端位于凸透镜8的焦点位置处，凸透镜8将经光纤9传导的发射光变换成平行发射光A004，平行发射光A004透射过液晶空间光调制器7并入射到凸透镜6上，经凸透镜6变换后的发射光入射到凸透镜5上并被变换为平行发射光，经凸透镜5变换后的平行发射光透射过半反半透分光片4并入射到凸透镜3上，经凸透镜3变换后的发射光入射到凸透镜2上，经凸透镜2变换后的发射光入射到收发共用光学接收天线1上并发送到对方通信端机；

雪崩光电二级管探测器12对入射光A002进行光电转换，产生的电信号分别传送到数据判决电路的输入端和低通滤波电路的输入端，经低通滤波电路处理后的信号传送到信号采集卡的输入端，信号采集卡对输入信号进行模数转换，将数字信号传送给DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器对输入的数字信号的起伏进行统计，计算出平均值和方差并传送到数据调制与激光信号发射单元10，由数据调制与激光信号发射单元10将平均值和方差数据按一定的时间间隔调制到激光信号上，传送给对方通信端机；

数据判决电路输出的数据信号传送给统计数据提取单元，统计数据提取单元从通信数据中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并传送给DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器据此生成液晶空间光调制器7的控制信号A003；控制信号A003传送到信号输出卡的输入端，经信号输出卡进行数模转换后传送到液晶空间光调制器7；液晶空间光调制器7根据控制信号A003在透射过液晶空间光调制器7的平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

低通滤波电路将代表传输数据的高频信号滤除，让代表大气湍流导致的光强起伏的低频信号通过；相互通信的两个端机具有相同的结构；统计数据提取单元定时地从数据判决电路输出的通信数据序列中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并存储在数据缓存中；DSP数字信号处理器的大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法及工作步骤如下：

Step001：设置ρ为某给定初始值；

Step002：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶空间光调制器7的像元的宽和长， $\mathrm{\Δ\κ}=\sqrt{{\mathrm{\Δ\κ}}_x{\mathrm{\Δ\κ}}_y},{\mathrm{\Δ\κ}}_x=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{N\Δx}},{\mathrm{\Δ\κ}}_y=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{N\Δy}},$ F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ减去一个给定的步长Δl_c；将二维随机相位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step003：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step004：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶空间光调制器7的像元的宽和长， $\mathrm{\Δ\κ}=\sqrt{{\mathrm{\Δ\κ}}_x{\mathrm{\Δ\κ}}_y},{\mathrm{\Δ\κ}}_x=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{N\Δx}},{\mathrm{\Δ\κ}}_y=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{N\Δy}},$ F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ加上一个给定的步长Δl_c；将二维随机相位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step005：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step006：如果δ′＜δ，则ρ＝ρ+Δl_c，否则ρ＝ρ-Δl_c；

Step007：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶空间光调制器7的像元的宽和长， $\mathrm{\Δ\κ}=\sqrt{{\mathrm{\Δ\κ}}_x{\mathrm{\Δ\κ}}_y},{\mathrm{\Δ\κ}}_x=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{N\Δx}},{\mathrm{\Δ\κ}}_y=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{N\Δy}},$ F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ；将二维随机相位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step008：转Step002。