一种基于光子灯笼的相干接收系统及方法与流程

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于光子灯笼的相干接收系统及方法。

背景技术：

空间光通信技术，相比于传统的无线通信技术，具有两方面优势，一是保密性强，只有在光束传播的直线上，信息才能被截获；二是频谱范围大，带宽资源丰富，无需经过授权就可以使用。空间光通信技术在卫星宽带数据传输、军事保密通联、空中交通管制和网络无缝覆盖等领域的应用前景广阔。通信质量是空间光通信技术的研究重点，大气干扰效应会使光信号的功率和相位产生畸变，导致通信质量下降，其中湍流大气会导致激光出现光束漂移、扩展，影响光束耦合,使得光束无法顺利耦合入光纤中,光束中的各个模式也无法被分集接收,从而无法实现可靠的通信。

针对大气干扰效应中的湍流大气对光信号产生的影响，为了提高湍流条件下自由空间光到单模光纤的耦合效率，以及提高空间光通信相干接收性能，现有技术采用基于单路耦合的相干接收方法，采用多种途径提高空间光到单模光纤的耦合效率，通常采用单模光纤和多模光纤。单模光纤只能接收单一模式的光信号，并将接收到的单一模式光信号传输给相干接收机，对于单模光信号而言，相干接收机易于实现高效相干接收，但单模光纤的芯径太小，强湍流大气下，光的耦合效率低；采用多模光纤相干接收时，多模光纤的芯径大，强湍流大气下，耦合效率较高，但是多模光纤输出光的模式包括多模光信号、少模光信号、单模光信号、模式混杂，相干接收机对多种模式混杂的光信号难以实现单模光信号的相干接收。

综上，基于单路耦合的接收方法无法同时提高湍流条件下自由空间光的耦合效率和空间光通信相干接收性能。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种基于光子灯笼的相干接收系统及方法，通过引入光子灯笼，将多个模式的光输出为多路的单模光信号，以实现在湍流条件下,既能提高空间光的耦合效率，又能实现多种模式混杂时的相干接收。具体技术方案如下：

为达到上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于光子灯笼的相干接收系统，包括：接收天线、光子灯笼、相干接收机：

所述接收天线，用于接收自由空间光，将所述自由空间光进行耦合；

所述光子灯笼，用于接收耦合后的自由空间光，将所述耦合后的自由空间光转换成多路单模光信号，并传输所述多路单模光信号；

所述相干接收机，用于接收所述多路单模光信号，将所述多路单模光信号进行相干合路，得到一路光信号。

所述接收天线包括：耦合透镜，用于将所述自由空间光进行耦合。

所述光子灯笼，具体用于将所述耦合后的自由空间光中的多种模式光转换成多路单模光信号。

所述相干接收机，具体用于将所述多路单模光信号依次进行相干混频、平衡接收、数模转换、数字信号处理技术处理。

第二方面，本发明还提供了一种基于光子灯笼的相干接收方法，应用于如上所述的基于光子灯笼的相干接收系统，所述方法包括：

接收天线接收自由空间光，将所述自由空间光进行耦合；

光子灯笼接收耦合后的自由空间光，将所述耦合后的自由空间光转换成多路单模光信号，并传输所述多路单模光信号；

相干接收机接收所述多路单模光信号，将所述多路单模光信号实现相干合路，得到一路光信号。

所述将所述自由空间光进行耦合，包括：所述自由空间光通过耦合透镜进行耦合。

所述光子灯笼，将所述耦合后的自由空间光转换成多路单模光信号，包括：将所述耦合后的自由空间光中的多种模式光转换成多路单模光信号。

所述相干接收机接收所述多路单模光信号之后，所述方法包括：将所述多路单模光信号依次进行相干混频、平衡接收、数模转换、数字信号处理技术处理。

本发明实施例提供的基于光子灯笼的相干接收系统及方法，通过引入光子灯笼，将多个模式的光输出为多路的单模光信号，以实现在湍流条件下,既能提高空间光的耦合效率，又能实现多种模式混杂时的相干接收。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的系统结构示意图；

图2为本发明实施例中应用光子灯笼的结构示意图；

图3为本发明实施例的相干接收机对于一路光信号单位接收处理框图；

图4为本发明实施例对于多路单模光信号的相干接收框图；

图5为本发明实施例的一种整体结构示意图；

图6为本发明实施例提供的基于光子灯笼的相干接收方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

空间光通信技术，相比于传统的无线通信技术，具有两方面优势，一是保密性强，只有在光束传播的直线上，信息才能被截获；二是频谱范围大，带宽资源丰富，无需经过授权就可以使用。空间光通信技术在卫星宽带数据传输、军事保密通联、空中交通管制和网络无缝覆盖等领域的应用前景广阔。通信质量是空间光通信技术的研究重点，大气干扰效应会使光信号的功率和相位产生畸变，导致通信质量下降，其中湍流大气会导致激光出现光束漂移、扩展，影响光束耦合,使得光束无法顺利耦合入光纤中,光束中的各个模式也无法被分集接收,从而无法实现可靠的通信。

针对大气干扰效应中的湍流大气对光信号产生的影响，为了提高湍流条件下自由空间光到单模光纤的耦合效率，以及提高空间光通信相干接收性能，现有技术采用基于单路耦合的相干接收方法，采用多种途径提高空间光到光纤的耦合效率，通常采用单模光纤和多模光纤。单模光纤只能接收单一模式的光信号，并将接收到的单一模式光信号传输给相干接收机，对于单模光信号而言，相干接收机易于实现高效相干接收，但单模光纤的芯径太小，强湍流大气下，光的耦合效率低；采用多模光纤相干接收时，多模光纤的芯径大，强湍流大气下，耦合效率较高，但是多模光纤输出光的模式包括多模光信号、少模光信号、单模光信号、模式混杂，相干接收机对多种模式混杂的光信号难以实现单模光信号的相干接收。所以基于单路耦合的接收方法无法同时提高湍流条件下自由空间光的耦合效率和空间光通信相干接收性能。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于光子灯笼的相干接收系统，以下分别进行详细说明。

第一方面，本发明提供了一种基于光子灯笼的相干接收系统，图1为本发明实施例的系统结构示意图，该系统包括：接收天线101、光子灯笼102、相干接收机103；其中，

接收天线101，用于接收自由空间光，将自由空间光进行耦合；

自由空间光通信，是以大气为介质,以激光为载波来传输信息的通信方式。对于光信号接收端的接收天线，应该尽可能多的接收包含目标信号在内的自由空间光，然后将自由空间光耦合到滤波器或者其他光信号处理端。本发明实施例中的接收天线101的作用就是接收自由空间光，并将自由空间光耦合。自由空间光中含有多种模式的光，耦合后的自由空间光仍然含有多种模式。

光子灯笼102，用于接收耦合后的自由空间光，将耦合后的自由空间光转换成多路单模光信号，并传输多路单模光信号；

光子灯笼102是一种光学器件，是将多根单模光纤紧密对称的分布在折射率略低于光纤包层的玻璃套管里，然后对整个套管进行拉锥处理得到的器件。该器件可以实现将多个模式的光输出为多个单模光。

本发明实施例中光子灯笼102接收由接收天线101耦合后的自由空间光，由于光子灯笼102器件的功能，耦合后的自由空间光仍然含有多种模式，光子灯笼102会将耦合后的自由空间光中的多种模式，输出为多路单模光信号。光子灯笼102的输出端连接有多根单模光纤，多路单模光信号通过多根单模光纤传输。

使用光子灯笼102进行模式耦合，可以提高光的耦合效率，不同于传统的利用单模光纤进行耦合，光子灯笼102可以进一步提高中强湍流条件下的空间光通信系统的传输距离和通信容量，有利于后续实现光的相干接收。

相干接收机103，用于接收多路单模光信号，将多路单模光信号进行相干合路，得到一路光信号。

相干接收机103是一种相干接收设备，它的工作原理是利用载波相位信息去检测并接收信号。本发明实施例中的相干接收机103由多个器件组成，每个单模光纤接收端都有一个相干接收设备。光子灯笼102的输出端为多路单模光纤，对于光子灯笼102输出的每一路单模光信号都进行相干接收处理，将多路单模光信号进行合路，得到一路光信号，这一路光信号就是有效信号。

本发明实施例提供的基于光子灯笼102的相干接收系统，通过引入光子灯笼102，可以实现将多个模式的光输出为多路的单模光信号，以实现在湍流条件下，提高空间光的耦合效率，对于光子灯笼102输出的每一路单模光信号，相干接收机103都能进行相干接收处理，能实现多种模式混杂时的相干接收。

具体的，接收天线101包括：耦合透镜，用于将自由空间光进行耦合；

在光学上，接收天线101也可以是一个耦合透镜，耦合透镜可以将自由空间光聚焦到光纤内。使用耦合透镜将自由空间光耦合到光子灯笼的多模端，可以提高会聚效果，使自由空间光耦合得更精准。

具体的，光子灯笼102，用于将耦合后的自由空间光中的多种模式光转换成多路单模光信号；

图2为本发明实施例中应用光子灯笼102的结构示意图，图中少模光纤201，在接收天线101和光子灯笼102的多模输入端之间连接有少模光纤201，少模光纤201在原理上并不是必需的，但是在实际情况中，增加这一段少模光纤201便于收集聚焦的光斑，并且利于集成。因为光子灯笼102作为一个器件，长度是有限的，并且不能弯曲，因此在实际情况中，与光子灯笼102多模端相匹配的少模光纤201是必要的。图中光子灯笼器件202的输出端是单模光纤203，并且由多路单模光纤203组成。

由于耦合后的自由空间光中含有多种模式，光子灯笼202可以将耦合后的自由空间光中的多模光纤转换成多路单模光信号，对于其中的单模光纤不具有转换作用，但是可以直接输出多路单模光信号，虽然没有提高自由空间光到单模光纤203的耦合效率，但是有利于后续的相干接收，而对于自由空间光中的多模光纤，光子灯笼202既能提高空间光的耦合效率，又能实现多种模式混杂时的相干接收。

具体的，相干接收机103，用于将多路单模光信号依次进行相干混频、平衡接收、数模转换、数字信号处理技术处理；

参见图3，图3为本发明实施例相干接收机103对于一路光信号单位接收处理框图；

经过模式转换后的进入多路单模光纤的光信号分别与本振光分别依次进行相干混频、平衡接收、模拟数字转换后送入数字信号处理器中进行数字信号处理。多路光实时采样示波器也可以实现上述过程，数字信号处理算法可以在计算机中离线处理，能够快速验证算法的可行性。与传统的单路接收技术相比，多路接收可支持基于数字信号处理的灵活相干合路和信道损伤补偿。

以一路光信号的处理为例，从光子灯笼202单模光纤输出端输出的单模信号，通过混频器301，与本地产生的信号，也就是本振光进行混频，混频使用较高功率的本振光为信号光提供增益，保证接收机获得较高的灵敏度和足够的放大量；混频后再将这路光信号通过平衡接收机302进行平衡接收，平衡接收的目的是为了提高接收信号的质量；平衡接收处理之后，为了得到一路数字信号，需要将模拟信号通过数模转换器303转换成数字信号，需要进行模数转换的处理；在转换成一路数字信号之后，通过数字信号处理器304，运用数字信号处理算法和将该信号送入相干接收设备305中进行处理，得到一路有效的光信号，其中包含着我们所需的有效信息。

当有多路光信号时，参见图4，图4为本发明实施例对于多路单模光信号的相干接收框图；

如上述对于一路单模光信号的处理方法相同，对于多路单模光信号分别依次进行与本振光相干混频、平衡接收、模拟数字转换后送入数字信号处理器中进行数字信号处理。通过多个混频器402，与本地产生的信号，也就是本振光进行混频，混频使用较高功率的本振光为信号光提供增益，保证接收机获得较高的灵敏度和足够的放大量；混频后再将这路光信号通过多个平衡接收机403进行平衡接收，平衡接收的目的是为了提高接收信号的质量；平衡接收处理之后，为了得到多路数字信号，需要将模拟信号通过数模转换器404转换成数字信号，需要进行模数转换的处理；在转换成多路数字信号之后，通过数字信号处理器405，运用数字信号处理算法和将该信号送入相干接收机406中进行相干处理，得到一路有效的光信号，其中包含着有效信息。

图5为本发明实施例的一种整体结构示意图；

图中，耦合透镜501将自由空间光聚焦到少模光纤502内，通过少模光纤502将接收到的光耦合到光子灯笼503的多模端，经过光子灯笼503的输出端多路单模光纤504输出多路单模信号，相干接收机对多路单模光纤504进行相干接收处理，相干接收处理方法如图4所示，此处不再赘述。

本发明实施例提供的基于光子灯笼102的相干接收系统，通过引入光子灯笼102，可以实现将多个模式的光输出为多路的单模光信号，以实现在湍流条件下，提高空间光的耦合效率，对于光子灯笼102输出的每一路单模光信号，相干接收机103都能进行相干接收处理，能实现多种模式混杂时的相干接收。

第二方面，本发明还提供了一种基于光子灯笼的相干接收方法，应用于如上第一方面所述的基于光子灯笼的相干接收系统，包括：

参见图6，图6为本发明实施例提供的基于光子灯笼的相干接收方法的流程图：

步骤601，接收天线101接收自由空间光，将自由空间光进行耦合；

步骤602，光子灯笼102接收耦合后的自由空间光，将耦合后的自由空间光转换成多路单模光信号，并传输多路单模光信号；

步骤603，相干接收机103接收多路单模光信号，将多路单模光信号实现相干合路，得到一路光信号。

本发明实施例提供的基于光子灯笼102的相干接收方法，通过引入光子灯笼102，可以实现将多个模式的光输出为多路的单模光信号，以实现在湍流条件下,提高空间光的耦合效率，对于光子灯笼102输出的每一路单模光信号，相干接收机103都能进行相干接收处理，能实现多种模式混杂时的相干接收。

需要说明的是，本发明实施例的方法是应用上述系统的方法，则上述系统的所有实施例均适用于该方法，且均能达到相同或相似的有益效果。

具体的，将自由空间光进行耦合，包括：自由空间光通过耦合透镜进行耦合。

具体的，光子灯笼，将耦合后的自由空间光转换成多路单模光信号，包括：将耦合后的自由空间光中的多种模式光转换成多路单模光信号。

具体的，相干接收机接收多路单模光信号之后，包括：将多路单模光信号依次进行相干混频、平衡接收、数模转换、数字信号处理技术处理。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。