一种应用于混沌介质中的光无线通信装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线光通信技术，特别是一种应用于混浊介质中的光无线通信装置及 其方法。
【背景技术】
[0002] 光无线通信，包括自由空间光通信（free space optica]_-communication,FSOWr 可见光通信(vis化Ie Ii曲t communication，VLC)，具有频谱宽，传输速率高，无需频谱认 证，抗电磁干扰，保密性强，易于部署等优点，在军事和商业领域都得到了广泛的应用和关 注。目前，光无线通信主要是点对点的传输方式，即发射端由单一端口的光电转换模块发射 经过编码的光脉冲，接收端桶探测器通过望远系统获得该脉冲，并通过后端计算模块解码 实现通信。光无线通信的传输质量主要受限于传输信道中的吸收、散射、端流W及噪声(包 括背景噪声和器件噪声）。对于混浊介质(例如:恶劣天气，海水等等），弹道光子和蛇形光子 的数量极少，在大量散射光子、大气端流(光强闪烁、抖动）和噪声的影响下，光无线通信链 接往往会中断（误码率过高）。研究人员提出了多种方式来降低运些影响，包括孔径平均 (Andrews L C.Aperture-averaging factor for optical scintillations of plane and S地erical waves in the atmos曲ere[J].J0SAA.1992,9(4):597-600.)、自适应光学 (Zocchi F E.Asimple analytical model of adaptive optics for direct detection free-space optical communication!! J]. Optics communications . 2005,248(4): 359-374.)、纠错编码（Chatzidiamantis N D ,Karagiannidis G K,Uysal !.Generalized maximum-likelihood sequence detection for photon-counting free space optical systems[J] .Communications, IE邸 Transactions on.2010,58( 12) :3381-3385.)和轨道 角动量法（Alzubi J A,Alzubi 0 A,Chen T !.Forward Error Correction Based On Algebraic-Geometric Theory[M]. Springer ,2014.)等技术，但运些方法主要针对较弱的 信道干扰来降低误码率，实现成本高昂，并不利于无线通信的实际应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种应用于混浊介质中的光无线通信装置及其方法，能够 有效抑制混浊介质对光无线通信的影响，实现低误码率的通信。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种应用于混浊介质中的光无线通信装置及 其方法，包括锁模激光器、激光扩束镜、光阔、分光棱镜、液晶空间光调制器、望远镜、高速光 电二极管、数字采集模块和计算机，所述锁模激光器输出端的中屯、轴线上依次放置激光扩 束镜、光阔、分光棱镜和液晶空间光调制器，所有光学中屯、吻合;液晶空间光调制器与望远 镜的光轴相交;高速光电二极管放置在望远镜的后焦面上;高速光电二极管的信号输出端 通过同轴电缆与数字采集模块的模拟输入端连接，该数字采集模块的输出端与计算机网络 端口连接，上传数据采集结果。
[0005] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)能够有效抑制混浊介质对光无线通信的 影响，实现低误码率的通信。（2)利用空间二阶相关运算，降低噪声对信号解码的影响，使得 接收端并不需要窄带光学滤波器。（3)功耗低、体积小，适合快速部署。
[0006] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0007] 图1是本发明应用于混浊介质中的光无线通信装置示意图。
[0008] 图2(a)、图2(c)是用于验证本发明的实验待传输信号图。
[0009] 图2(b)、图2(d)是经过混浊介质后本发明的重建信号图。
[0010] 图3是本发明100次实验的误码率。
【具体实施方式】
[0011] 结合图1，本发明应用于混浊介质中的光无线通信装置，包括锁模激光器1、激光扩 束镜2、光阔3、分光棱镜4、液晶空间光调制器5、望远镜6、高速光电二极管7、数字采集模块8 和计算机9，锁模激光器1、激光扩束镜2、光阔3、分光棱镜4、液晶空间光调制器5构成发射 端，望远镜6、高速光电二极管7、数字采集模块8和计算机9构成接收端。在发射端上，锁模激 光器1输出端的中屯、轴线上依次放置激光扩束镜2、光阔3、分光棱镜4和液晶空间光调制器 5，所有光学中屯、吻合;液晶空间光调制器5与望远镜6的光轴相交;高速光电二极管7放置在 望远镜的后焦面上。高速光电二极管7的信号输出端通过同轴电缆与数字采集模块8的模拟 输入端连接，该数字采集模块8的输出端与计算机9网络端口连接，上传数据采集结果。锁模 激光器1发射的激光光斑经激光扩束镜2扩束与光阔3的空间滤波后照亮液晶空间光调制器 5的调制面，并通过分光棱镜4将空间光调制器5调制面的图案发射出去。经过望远镜6的聚 焦，高速光电二极管7将聚焦在感光面的光信号转换为电信号，数字采集模块8将电信号转 换为数字信号并上传到计算机9中。
[0012] 本发明的激光扩束镜2与锁模激光器1输出端的距离为激光扩束镜2输入负透镜的 一倍焦距。激光扩束镜3和液晶空间光调制器5之间的距离调节至使得液晶空间光调制器5 上的光斑约为其调制面的1.2~1.3倍。高速光电二极管7的感光面与望远镜6的距离为望远 镜6的焦距。
[0013] 结合图1，本发明应用于混浊介质中的光无线通信方法，步骤如下：
[0014] 第一步，信号的编码。将待传输的一维信号转换为二维信号，并通过随机散斑图案 对待传输二维信号进行编码。信号的编码步骤如下：由于一般待传输信号是一维的，可W通 过一定的排列机制将一维信号转化为二维信号，即待传输信号图案。液晶空间光调制器上 的发射图案V是用随机散斑图案对待传输信号图案进行编码，编码方法为
[0015] V = H-XI (1)
[0016] 其中H和I分别是随机散斑图案和待传输信号图案，? X表示点乘。锁模激光器发 射的激光光斑经激光扩束镜扩束与光阔的空间滤波后照亮液晶空间光调制器的调制面，并 通过分光棱镜将空间光调制器调制面的发射图案V发射出去。
[0017] 第二步，混浊介质对信号的扰动处理。利用散射矩阵对信号在混浊介质中的信号 传输进行处理，通过单像素探测器收集通过混浊介质的光信号的能量和，平均各传输通道 的交叉干扰，得到其接收端信号与发射端信号关系的表达式。
[0018] 混浊介质对信号的扰动处理步骤如下:在某一时刻，或者短曝光时间内，用传输矩 阵K表示混浊介质的吸收和散射，传输矩阵K是一个S X n维的圆高斯复矩阵，矩阵中元素 kij， i = l，2, . . .，s，j = l，2, . . .，n表示为输入光场的第j个输入通道到输出光场的第i个输出通 道的复传输系数。S和n分别是输出光场和输入光场的模数。利用传输矩阵K对发射端光场E 进行线性变换，得到一个新的光场护，即
[0019] E' =KE (2)
[0020] 然后计算接收端高速光电二极管感光面的光强为
(3)
[0022] 其中，Ti= Sslkij I2和T2= Sskijkij'分别是自相关项functionl和互相关项 functions的系数。eo为气端流引起的随机噪声。Ej之类的是代表E中第j个数值，Ej*代表E的 共辆中第j个数值，*是共辆符号。由于光子在混浊介质中的吸收、散射是随机的，则第j个输 入通道到第i个输出通道与第j/个输入通道到第i个输出通道是相互独立的，那么互相关项 是不同输入通道在桶探测器表面的平均。而每个输入通道对所有输出通道影响的和是近似 相同的，所W互相关项相对于自相关项是可W忽略的，而自相关系数Tl可W近似为常数入， 即
(斗）
[0024] 即经过扰动处理，对于任意