基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空间激光通信领域。具体的说，涉及基于Stokes参量识别的偏振调制 空间激光通信方法、发射终端以及接收终端。
【背景技术】
[0002] 通信数据传输需求的日益增加对网络传输速率提出了更高的要求。在无线通信领 域，空间激光通信由于具有通信速率高、光束指向性好、体积和功耗小等优点，已成为无线 通信的重要发展趋势。现有空间激光通信系统中光信号的调制方法大都基于光波的强度调 制或相位调制。强度调制方法结构简单、易于实现，然而抗大气衰减和大气湍流效应较差。 相位调制方法虽然可以在一定程度上提高通信接收系统的探测灵敏度，改善系统的信道适 应性，但结构复杂，成本较高。另一方面，光波在大气中传输时偏振度的变化较小，这使得基 于偏振调制的空间激光通信在大气信道适应性方面具有明显的优越性。
[0003] 偏振调制空间激光通信方法是以光波的不同偏振态表示通信数据，在接收端通过 对光波偏振态进行检测和识别，完成信息的传递。现有的偏振通信方法大都以光波的正交 线偏振态或圆偏振态分别表示通信逻辑进行数据传递的，参见【赵新辉，姚勇，孙云旭等， "一种新的自由空间光通信调制方式--圆偏振位移键控"，光学学报，2008年12月】。由于 大气处于运动状态，偏振光经过大气时虽然偏振度变化较小，但偏振态会有微小的变动，这 将影响通信系统的可靠性和有效性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方 法、发射终端以及接收终端，以增强偏振调制空间激光通信系统的大气信道可靠性、有效性 和适应性。
[0005] 本发明是这样实现的：
[0006] 1.技术原理
[0007] 不论是偏振光、部分偏振光还是自然光，其偏振特性均可以用Stokes参量[S0 S1 S2 S3]进行表征。左旋圆偏振光、右旋圆偏振光和自然光的Stokes参量S左旋、S右旋和S _ 分别为：
[0008] S左旋= [S0 S1 S 2 S3]=I0[1 0 0 -1]
[0009] S右旋=[S0 S1 S 2 S3] =I0[I 0 0 1]
[0010] S 自然=[S0 S1 S 2 S3] =I0 [1 0 0 0]
[0011] 式中1(1表不光强。Stokes分量S3表不光波中右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量 光强之差。当光波为左旋圆偏振光时，Stokes分量S 3=-Itl ;当光波为右旋圆偏振光时，S3=Itl ; 当光波为自然光时，S3=0。
[0012] 左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在大气中传输时，受大气扰动的影响，一方面偏振 度会有微小的降低；另一方面，偏振态通常会分别变为左旋椭圆偏振和右旋椭圆偏振。换言 之，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过大气传输后，其Stokes参量可以分别看成是少量自 然光与左旋椭圆偏振光或右旋椭圆偏振光的线性叠加，即：
[0013] S左旋传输后=S自然光+S左旋椭圆偏振光
[0014] S右旋传输后=S自然光+S右旋椭圆偏振光
[0015] 式中Smfts5jg和分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过大气传输后的 斯托克斯参量，S Uglifmssot S _|分别为传输后光波中左旋椭圆偏振光、右旋 椭圆偏振光和自然光分量的斯托克斯参量。对于左旋椭圆偏振光，-Ic)〈S3〈0 ;对于右旋椭圆 偏振光，(KS3Otl ;对于自然光时，S3=0。因此，左旋圆偏振光经过大气传输后，Stokes分量 S3〈0 ;右旋圆偏振光经过大气传输后，Stokes分量S3>0。
[0016] 这样，在通信发射端对激光的偏振态进行调制，以左旋圆偏振光和右旋圆偏振光 作为通信逻辑"1"和在接收端，检测光波偏振特性的Stokes分量S 3，通过判别S3的正 负可以完成通信数据的识别。
[0017] 2.技术方案
[0018] 一种基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信方法，其特殊之处在于，包括 以下步骤：
[0019] (1)激光器产生通信激光；
[0020] (2)将步骤（1)中的通信激光转换为线偏振光；
[0021] (3)在通信数据电信号的控制下，对步骤（2)得到的线偏振光进行偏振调制，用偏 振调制后的激光作为通信光信号：
[0022] 当通信数据电信号为高电平时将其调制为左旋圆偏振光，当通信数据电信号为低 电平时将其调制为右旋圆偏振光；
[0023] (4)将步骤（3)调制得到的通信光信号发射到大气信道中；
[0024] (5)通信光信号在大气信道中传输；
[0025] ( 6 )采集经过步骤（5 )后的通信光信号；
[0026] (7)对步骤（6)中采集得到的通信光信号的偏振态进行转换，分别将左旋圆偏振态 和右旋圆偏振态转换为两个偏振方向正交的线偏振态；
[0027] (8)将步骤（7)中经过偏振态转换后的通信光信号分离为偏振方向正交的两束线 偏振光；
[0028] (9)对步骤（8)分离得到的两束线偏振光分别进行光电转换，并对转换得到的电信 号进行差分运算，差分运算输出的电压信号与通信光信号Stokes分量S 3的大小成正比，以 此完成对通信光信号Stokes分量S3的测量；
[0029] (10)利用信号处理装置对步骤（9)测量到的Stokes分量S3进行判决，当S 3〈0时， 信号处理装置输出的通信数据电信号为高电平；当S3X)时，信号处理装置输出的通信数据 电信号为低电平。
[0030] 优选的，上述步骤（3)中对线偏振光进行偏振调制是在线偏振光的光路上设置偏 振调制器来实现的。
[0031] 优选的，上述步骤（7)中，通信光信号经过通信接收终端四分之一波片将左旋圆偏 振态和右旋圆偏振态转换为两个偏振方向正交的线偏振态。
[0032] 优选的，上述步骤（8)中，将步骤（7)经过偏振态转换后的通信光信号分离为偏振 方向正交的两束光，是通过在接收终端四分之一波片后接入偏振分光器件，并使接收终端 四分之一波片的本征轴和偏振分光器件本征轴夹角为45°来实现的。
[0033] 优选的，上述步骤（9)中，对步骤（8)分离得到的两束线偏振光分别进行光电转 换，并对转换得到的电信号进行差分运算是通过平衡光电探测器实现的。
[0034] 优选的，上述步骤（3)中，也可以这样偏振调制：当通信数据电信号为高电平时将 线偏振光调制为右旋圆偏振光，当通信数据电信号为低电平时将线偏振光调制为左旋圆偏 振光；则在步骤（10)利用信号处理装置对步骤（9)测量到的Stokes分量S 3进行判决时，若 S3〈〇,表示信号处理装置输出的通信数据电信号为低电平，若S3>0,表示信号处理装置输出 的通信数据电信号为高电平。
[0035] 基于Stokes参量识别的偏振调制空间激光通信发射终端，其特殊之处在于，包括 激光器以及依次设置在激光器输出光路上的起偏器、偏振调制器和光学发射天线，激光器 输出光垂直射入起偏器，起偏器的输出光垂直射入偏振调制