自由空间成像光通信系统的制作方法

专利名称：自由空间成像光通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及自由空间激光通信，特别是一种自由空间成像光通信系统，它是基于模式编码传输的光通信，区别于以往基于比特码元传输的通信方法，能极大地提高通信系统的通信速率、通信安全性和可靠性。
背景技术：
目前主要的通信传输手段有微波、光纤等。微波通信与有线通信相比，可节省大量有色金属，并不受复杂地形限制，可以较灵活地组成点、线结合的通信网络。但相对于光纤通信系统而言，其频带窄，信道容量小，误码率高，尚有许多不足。光纤通信系统的线路容量较大，不易受外界干扰，但必须有安装光缆用的公用通道，当遇到恶劣地形条件时，工程施工难度大、建设周期长，费用高。随着通信信息量的增大，扩充网络带宽资源，提高通信流量已成为当前通信事业应该面对的重要课题。光无线通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有通信容量大的优点，又不需要铺设光纤。它以激光束作为信息载体，是不需要任何有线传输媒介的通信方式，可用于空间及地面间通信，其传输特点是光束以直线传播。作为对微波通信的革命，光无线通信系统得到人们的普遍重视。
在先前的无线激光通信技术(参见G.Oppenhuser，M.Witting The EropeanSILEX projectConcept，Performance，Status and Planning SPIE vol.1218 pp27-37)采用一束高功率激光进行自由空间无线通信，它是将信号调制在该激光束上，接收端通过光强探测获取信号，其具体原理见图1。主要部件包括1-激光器；2-信号源；3-调制器；4-光发射天线；5-光接收天线；6-滤波器；7-探测器；8-信息的解调、滤波和放大系统。由于技术所限，目前的无线激光通信都采用光强度调制和直接探测来实现，此时通信速率受调制器调制速率和探测器响应速率极限等因素的限制，光通信固有的高带宽、大容量和高速率的特性并不能发挥出来，换句话说，为了在先前的光通信基础上提高通信速率，则必须对电子器件提出更高要求，这是不太现实的，即使能够实现也会大大增加系统的成本。

发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种自由空间成像光通信系统，本发明基于模式码，即以一种阵列图形作为一个码元，传输阵列对阵列的成像通信，它能克服上述在先技术的困难。另外，成像通信可以融合多种成熟的先进通信技术于一体，发掘出成像通信的潜力，体现该通信方法的先进性和灵活性。例如，如果把组成模式码的每个码元看作单独的信息通道，则成像通信就可以进行并行通信，实现空分复用的功能。而采用模式编码通信则可以提高通信的可靠性和保密性，如果把每个点光源看作象素的话，那么光源阵列就类似于电子显示屏，这样就可以传输人眼可直接识别的文字图形等。
本发明的技术解决方案如下一种自由空间成像光通信系统，包括发射端和接收端，其特征在于所述的发射端依次包括信息源、模式码编码器、光源驱动电路、阵列光源和发射光学天线，所述的接收端依次由接收光学天线、阵列探测器、模式码解码器和受信者构成，所述的发射光学天线由第一透镜、第二透镜和第三透镜组成，所述的阵列光源放在第一透镜的物方焦平面上，阵列面与光轴垂直，第二透镜和第三透镜构成共焦望远镜系统，第一透镜放置在第二透镜和第三透镜组成的望远镜的入瞳处，所有光学元件都共轴放置；所述的接收光学天线由第四透镜、第五透镜和第六透镜组成，所述的第四透镜和第五透镜构成共焦望远镜系统，第六透镜放置在第四透镜和第第五透镜组成的望远镜的出瞳处，所述的阵列探测器位于第六透镜的像方焦平面上；所述的阵列探测器接收的信息经模式码解码器解码恢复原始信息后送受信者。
所述的阵列光源的相邻两点源的出射光经发射天线后形成的夹角ω1满足关系式ω1≥1，其中1为接受端光学系统的最小分辨角，取决于第五透镜的直径D2′
所述的阵列探测器的性能满足不等式EdSURI≥Imin其中RI为阵列光敏元的响应度，为SU光敏元面积，Imin为最小响应电流，Ed为点象在探测器上的光照度。
本发明的技术效果本发明基于模式码，即以一种阵列图形作为一个码元，传输阵列对阵列的成像通信，它能克服上述在先技术的困难。另外，成像通信可以融合多种成熟的先进通信技术于一体，发掘出成像通信的潜力，体现该通信方法的先进性和灵活性。例如，如果把组成模式码的每个码元看作单独的信息通道，则成像通信就可以进行并行通信，实现空分复用的功能。而采用模式编码通信则可以提高通信的可靠性和保密性，如果把每个点光源看作象素的话，那么光源阵列就类似于电子显示屏，这样就可以传输人眼可直接识别的文字图形等。


图1为在先的无线激光通信原理图，图中1-激光器；2-信号源；3-调制器；4-光发射天线；5-光接收天线；6-滤波器；7-探测器；8-信息的解调、滤波和放大系统。
图2为本发明自由空间成像光通信系统示意图。
图中20-信息源，21-模式码编码器，22-光源驱动电路，23-阵列光源，24-发射光学天线，25-接收光学天线，26-阵列探测器，27-模式码解码器，28-受信者。
图3为模式码编码原理图。
图4为本发明光学系统示意图，图中23-阵列光源，241-第一透镜、242-第二透镜、243第三透镜组成发射天线24，251-第四透镜、252-第五透镜、253-第六透镜组成接收天线25，26-探测器阵列。
图5为本发明中功率接收原理图。
图6接收功率比例系数与光束出射角之间的关系图。
图7通信距离与收发天线口径关系。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图2，图2为本发明自由空间成像光通信系统示意图。由图可见，本发明自由空间成像光通信系统的构成，包括发射端和接收端，所述的发射端依次包括信息源20、模式码编码器21、光源驱动电路22、阵列光源23和发射光学天线24，所述的接收端依次由接收光学天线25、阵列探测器26、模式码解码器27和受信者28构成，所述的发射光学天线24由第一透镜241、第二透镜242和第三透镜243组成，所述的阵列光源23放在第一透镜241的物方焦平面上，阵列面与光轴垂直，第二透镜242和第三透镜243构成共焦望远镜系统，第一透镜241放置在第二透镜242和第三透镜243组成的望远镜的入瞳处，所有光学元件都共轴放置；所述的接收光学天线25由第四透镜251、第五透镜252和第六透镜253组成，所述的第四透镜251和第五透镜252构成共焦望远镜系统，第六透镜253放置在第四透镜251和第第五透镜252组成的望远镜的出瞳处，所述的阵列探测器26位于第六透镜253的像方焦平面上；所述的阵列探测器26接收的信息经模式码解码器27解码恢复原始信息后送受信者28。
本发明工作过程大致是信息源20产生需要传输的信息，模式码编码器21按事先规定的编码规则将信息汇编成模式码序列，并以电信号的形式送给阵列光源驱动电路22，该驱动电路22通过对阵列光源23进行扫描寻址，让某些位置的点光源发光，而其他位置的不发光。这样阵列光源23中就显示出一幅点阵模式图，其中携带有需要传递的信源信息，这幅点阵图通过发射光学天线24送往接收端。而接收端通过光学接收天线25将接收到的点阵图成像于阵列探测器26上。该阵列探测器26引起响应后将点阵光信号转换为电信号，并送入模式码解码器27。模式码解码器27按预先设定的解码程序从点阵信号中恢复出信源信息，最后送给受信者28，这就完成了一幅点阵图的传输。在发送端，每隔一个很小的时间段产生一个新点阵图，直到把所有的模式码传输完毕，这就完成了一次通信。
在前面的叙述中，我们提到了成像通信是基于模式码的通信，这里所说的模式码是指由阵列光源23中一些发光点源形成的点阵模式图。完成一次通信而发送的全部点阵图，我们称为模式码序列。每次传输的一个模式码所带的信息量取决于阵列光源23中表达信息的点阵光源的数目，例如，光源点阵规模为M×N，在不考虑纠检差错码和加密等情况下，模式码的最大信息容量为MN比特。为了用模式码来表示信息，我们需要制定编码规则。如图3所示，我们可以把传统通信中需要传输的数字序列截成长度为M的数据段，然后阵列光源23按紧邻的N个数据段中的码元来调制光源，让与码元“1”对应的光源发光，与码元“0”对应的光源不发光。由于这种通信方式属于多通道并行传输通信，因此模式码还可采用已有的并行通信编解码方式来表达信息。另外，如果把整个阵列光源23看作显示屏的话，那么阵列中的每个点源可视为像素。这些像素在显示时只有两种状态，即发光和不发光，而且发光强度都相同。因此在像素规模很大的时候，还可用该成像通信系统来直接传输文字和图形。例如在传统光通信中，用ASC II码传输字符串“ABC”时，它需用光脉冲挨个传输下面这个码元序列“000111100101110”，而用成像光通信时，可用一个点阵图直接传输字符串“ABC”，而且当像素规模还有很大冗余时还可对字符进行加密编码，例如引入伪随即噪声，这样可提高通信安全性。从上面对比可见，成像光通信的性能要比传统通信优越的多，可分辨的像素规模越大，其优越性越明显，因此在设计成像光学系统时，应该让系统的分辨率尽量高。自由空间成像光通信的关键在于把发射端的点阵图形像传输到相距很远的接收端，而且还要保证该点阵像能让探测器引起响应并分辨。这里面的关键设备是收发端的光学系统和探测器性能，它们决定了阵列光源23的规模、光源发光功率、通信距离以及模式码的传输速率等。下面我们把成像通信系统模型简化为由阵列光源、光学系统和探测器三部分组成的核心模型，给出了一个实现远距离成像的光学系统方案，然后分析了这三部分的参数选择和配合与通信系统性能的关系。
实现自由空间成象通信的光学系统，参见图4。主要部件包括阵列光源23，第一透镜241、第二透镜242、第三透镜243组成的发射天线24，第四透镜251、第五透镜252、第六透镜253组成的接收天线，阵列探测器26。发射端主要参数包括阵列光源23中点源间的最小距离Δh；第一透镜241的焦距f0；第二透镜242、第三透镜243组成望远镜系统的角放大率γ；接受端主要参数包括第四透镜251直径D2′，第四透镜251和第五透镜252组成的望远镜系统的角放大率γ′；第六透镜253的焦距f0′；阵列探测器27最小分辨线宽Δh′。如前所述，成像通信的基本要求是必须将发射端的阵列光源23通过光学系统成像于接受端的阵列探测器26上，并能被阵列探测器26分辨和响应。下面就从系统的分辨率和接受功率两个方面，来分析通信系统各光学部件参数的选择依据。在衍射受限光学系统条件下，接受端光学系统的衍射极限分辨率取决于第四透镜251的直径D2′，其最小分辨角为 而阵列探测器26的最小分辨线宽为Δh′，相对于第六透镜253，阵列探测器26的最小分辨角度为 为了让光学系统的最小分辨角能被阵列探测器26分辨，则需要满足以下关系tg0≤γ′tg1(3)由于接收端存在最小分辨角，为了让发射端传送的点阵图像能被接收端分辨，要求相邻两点源的出射光经发射天线后形成的夹角ω1必须满足以下关系ω1≥1，即arctgΔhγf0≥1.22λD′≥arctgΔh′γ′f0′---(4)]]>我们知道，一个发光物体要在成像系统的探测器上成清晰的象，除了要求成像系统有足够高的分辨率外，还要求能收集到足够的来自发光物体的辐射光功率，只有这样才能让探测器引起响应。下面就从功率发射与接收角度来分析成像通信系统。
如图5所示，在图象发送端，阵列光源23中每个点源发出的光，经过光学发射系统后变成一束与光轴存在一定夹角ω1的平行光，点源离轴越远，该夹角就越大。由于该夹角的存在，随着传输距离的变大，使得光束只能部分的进入或者完全不能进入接收望远镜，这样就造成接收端对信号接收不完全。另外，经发射望远镜出射的光，因为受望远镜孔径的限制，存在一个发散角α，随着传输距离的增加，光束中的光强会减弱。
由以上分析可知，在光功率均匀分布的情况下，进入接收天线的光功率占总发射功率的比例，就是接收平面上圆形光斑与接收天线入瞳的重叠面积与总光斑面积之比。从图5可知，与光轴成ω1角的光束在距发射端L的垂轴面上，光斑中心离轴距离为yo＝Ltgω1(5)光斑半径为R≈D22+αL---(6),]]>其中α为光束发散角α=1.22λD2---(7)]]>在x-y坐标中，光斑与接收天线入瞳的函数表达式为接收天线入瞳x2+y2≤(D2′2)2⇒|x|≤(D2′2)2-y2---(8)]]>光斑x2+(y-yo)2≤R2⇒|x|≤R2-(y-yo)2---(9)]]>两圆斑边线的交点y坐标为yo=(D2′/2)2+yo2-R22yo;0<yo<D2′2---(10)]]>其重叠面积为S=2∫yo-RyoR2-(y-yo)2dy+2∫yoD2′/2(D2′2)2-y2dy---(11)]]>积分整理可得S=(yc-yo)R2-(yc-yo)2+R2arcsin(yc-yoR)+π2(R2+D2′24)-yc(D2′2)2-yc2-D2′24arcsin2ycD2′---(12)]]>则进入接收端的光功率占点源发射的总功率之比为
K=SπR2×100%---(13)]]>假设在发射端，阵列光源23中每个点源进入光学系统的光功率为Pe，发射端光学系统的透射系数为τs，信道的透射系数为τm，接收端的透射系数为τr，则到达接收端探测器26上点源象的功率为Pd＝KτsτmτrPe(14)该光斑在探测器26上所成象的面积为Sd=π(1.22λγ′f0′D2′)2---(15)]]>则点象在探测器上的光照度为Ed=PdSd=KτsτmτrPeD2′π(1.22λγ′f0′)2---(16)]]>设探测器26阵列光敏元的响应度为RI，光敏元面积为SU，最小响应电流Imin，则为了能在探测器26上成象，必须满足下面不等式EdSURI≥Imin(17)由以上分析可知，要实现成像通信，光学系统的参数必须依据式(4)和(17)来选择。式(4)给出了可分辨两点的最小光束夹角条件，只要给定探测器26的分辨率和接受端口径的值，则发射端阵列面上两点对第一透镜241节点的最小空间角就确定了。由此可知，阵列光源23的光源阵列规模越大，则阵列中离轴最远点的出射光束与光轴的夹角ω1就越大。式(17)给出了发射端点光源要在探测器26上引起成像响应的接收功率条件。在一定的收发天线口径大小条件下，点源到达探测器的功率随光束夹角ω1的增大而减小，图6给出了对应不同光束夹角的接收功率比例系数K，从图中可以看出，随着出射光束夹角的增大，进入接收天线的功率就越小，当夹角大到一定值后，接收端就完全收不到该光束对应的点光源的像。在探测器响应度、最小响应电流和发射功率Pe确定的条件下，接收功率的最小比例系数K是确定的，此时要满足一定的通信距离L，可调节的参量只有收发天线的口径大小，图7给出了Kmin＝20％和ω1＝10时，通信距离与收发口径之间的关系图。
与传统的自由空间激光通信相同，在进行通信之前，先用信标光通过扫描捕获、瞄准、跟踪过程，使通信双方光学系统的光轴相重合，然后进入通信阶段。用一个编码器21安预先制定的编码规则产生实时变化的0、1码矩阵数字信号，并将该信号送给阵列光源驱动电路22，然后通过电路控制阵列光源23产生光学点阵图。该点阵图通过发射光学天线24送给接收端，然后光学接收天线25将点阵图放大投影到阵列探测器26上，当图象光强超过探阵列测器26的响应度时，阵列探测器26引起响应，将光信号转化为电信号送入信号放大器，最后由解码器27对放大后的信号进行解码恢复出原来信息。成像通信的核心光学系统如图4所示。在发射端，它主要包括用于产生光学图象的阵列光源23和由第一透镜241、第二透镜242、第三透镜243组成的光学系统24两部分。阵列光源23放在第一透镜241的物方焦平面上，阵列面与光轴相垂直，第二透镜242和第三透镜243构成共焦望远镜系统，即两透镜的焦平面相重合，第一透镜241放置在第二透镜242和第三透镜43组成的望远镜出瞳处，要求所有光学元件都共轴放置。接收端主要由光学接收天线25和阵列探测器26组成，其中透镜和探测器26的布置与发射端相同。
一个具体实施例的参数参见图4，选用0.85μm波长的阵列光源23，发射端第三透镜243和接收端第四透镜251的直径都为20cm，在通信距离为2000m的情况下，假设需要发射端离轴最远点光源至少有K＝20％的光功率能被接收，那么可允许的光源阵列规模为10×10点阵。如果点阵图的传输速率与传统通信中比特码的传输速率一样，取100M/s，那么使用该成像通信系统可达到的最大通信速率为10G/S。
权利要求
1.一种自由空间成像光通信系统，包括发射端和接收端，其特征在于所述的发射端依次包括信息源(20)、模式码编码器(21)、光源驱动电路(22)、阵列光源(23)和发射光学天线(24)，所述的接收端依次由接收光学天线(25)、阵列探测器(26)、模式码解码器(27)和受信者(28)构成，所述的发射光学天线(24)由第一透镜(241)、第二透镜(242)和第三透镜(243)组成，所述的阵列光源(23)放在第一透镜(241)的物方焦平面上，阵列面与光轴垂直，第二透镜(242)和第三透镜(243)构成共焦望远镜系统，第一透镜(241)放置在第二透镜(242)和第三透镜(243)组成的望远镜的入瞳处，所有光学元件都共轴放置；所述的接收光学天线(25)由第四透镜(251)、第五透镜(252)和第六透镜(253)组成，所述的第四透镜(251)和第五透镜(252)构成共焦望远镜系统，第六透镜(253)放置在第四透镜(251)和第第五透镜(252)组成的望远镜的出瞳处，所述的阵列探测器(26)位于第六透镜(253)的像方焦平面上；所述的阵列探测器(26)接收的信息经模式码解码器(27)解码恢复原始信息后送受信者(28)。
2.根据权利要求1所述的自由空间成像光通信系统，其特征在于所述的阵列光源(23)的相邻两点源的出射光经发射天线(24)后形成的夹角ω1满足关系式ω1≥1，其中1为接受端光学系统的最小分辨角，取决于第五透镜(251)的直径D′2 所述的阵列探测器(26)的性能满足不等式EdSURI≥Imin其中RI为阵列光敏元的响应度，为SU光敏元面积，Imin为最小响应电流，Ed为点象在探测器(26)上的光照度。
全文摘要
一种自由空间成像光通信系统，包括发射端和接收端，其特征在于所述的发射端依次包括信息源、模式码编码器、光源驱动电路、阵列光源和发射光学天线，所述的接收端依次由接收光学天线、阵列探测器、模式码解码器和受信者构成。本发明在发送端，利用点光源阵列作为光学图像发生器，其图像即为模式码点阵图，然后该图像经过光学系统压缩和准直后发送给接收端，接收端再通过类似的光学系统进行接收，最后将图像成像于探测器上，再经过模式解码器解码后就可以获得图像中的信息。本发明充分利用了光学成像原理和光的并行传输特性，使通信在阵列图像传输基础上来实现，可提高通信的灵活性、有效性和可靠性。
文档编号H04B10/10GK1645770SQ20051002359
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月26日 优先权日2005年1月26日
发明者潘卫清, 刘立人, 鲁伟, 赵栋 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所