本发明涉及混沌激光通信领域，特别是一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统。
背景技术
混沌现象是非线性系统中出现的确定性的、类随机的过程，即在确定性非线性系统中不需要附加任何随机因素亦可出现类似随机行为。根据混沌序列对初始条件的敏感性，可用于多址通信；它的类噪声特性使混沌信号能够隐藏有用信息，可提高通信系统的保密性；它的可以准确再生的特性，可以用于混沌掩盖和信号恢复。而光纤通信系统具有速率高、容量大、中继距离远、抗电磁干扰等诸多优点。混沌激光通信将混沌与光纤通信结合，通过光学混沌产生高带宽的混沌激光载波，可以实现高速率、远距离的保密通信。
在激光器谐振腔中,把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模,即横截面上光强的分布。我们可以利用横模的不同状态进行信息传递。传统的混沌通信系统中多采用色散小、单色性好的基横模(即零阶模，tem00)，控制其强度、相位来进行信息的传输，因此系统对发射端和接收端的同步程度要求很高。同时，基横模遵从高斯分布，这使得试图隐藏在混沌中的信号面对窃取时具有既定的形状目标。此外，基横模在器件与器件之间、器件与光纤之间的耦合损耗较高。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：
为了提高混沌系统的保密性，降低耦合损耗，降低误码率，本发明提出了一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统，包括发射模块和接收模块；
所述发射模块用于将由两种模式激光组成的信号光与混沌载波耦合，形成叠加信号并发射；
所述接收模块用于接收、解调所述叠加信号，并探测同一截面不同位置的功率，进一步识别信号模式。
如前所述的一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，所述发射模块包含：第一激光器、第二激光器、光探测器、耦合器、掺铒光纤放大器和马赫曾德电光调制器；其中，第一激光器用于发射信号光，输出端连接耦合器的一个输入端；第二激光器连接马赫曾德电光调制器的输入端，所述马赫曾德电光调制器的输出端连接耦合器的另一个输入端；所述耦合器的输出端分为两路，一路连接掺铒光纤放大器的输入端，所述掺饵光纤放大器的输出端连接自由空间；另一路连接光探测器后，连接至所述马赫曾德电光调制器的电极，形成回路。
如前所述的一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，所述第一激光器和第二激光器模式同步。
如前所述的一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，第一激光器和第二激光器为垂直腔面发射激光器(vcsel)。
如前所述的一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，所述接收模块包括：探测器阵列和计算机；所述探测器阵列用于对经自由空间传输后的叠加信号进行检测，再将检测数据传输给计算机；所述计算机用于处理所述检测数据。
如前所述的一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，接收模块所述探测器阵列由十字型排布的探测器组成，中央的探测器用于探测高阶模的第一峰值，四周的探测器用于探测第二峰值。
如前所述的一种基于一阶横模的二进制空间混沌激光通信系统，进一步地，接收模块所述探测器阵列中的探测器为雪崩二极管。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.现有的激光通信技术往往采用基模高斯光，而高阶模组成的多模通信系统在传输过程中具有更易耦合的特点，有利于降低耦合损耗，提高效率和精确程度。
2.本发明提出的信号探测方式、解调方式、模式识别方式与传统的光通信和混沌激光通信中的方式差别较大。相对基横模而言，不同的高阶模具有不同的特征形状，在较大的误差范围内也能被识别。因此混沌系统对发射端和接收端的同步程度要求降低，传输的稳定性得到提高。
3.本发明中，由于发射功率、频率相同，经远场传输后的tem10模与tem01模的中心峰值相等，只有特征形状不同，故此时通过传统的峰值功率探测方式无法解调还原传输的数字信号，提高了混沌激光通信的安全性和保密性。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是实施例中探测器阵列的设计图；
图3为一阶横模tem10经远场传输后的仿真图；
图4为一阶横模tem01经远场传输后的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
图1是本发明的系统结构图。如图1所示，所述发射模块包含：第一激光器11、第二激光器12、光探测器16、耦合器14、掺铒光纤放大器15和马赫曾德电光调制器13；其中，第一激光器11用于发射信号光，输出端连接耦合器14的一个输入端；第二激光器12连接马赫曾德电光调制器13的输入端，所述马赫曾德电光调制器13的输出端连接耦合器14的另一个输入端；所述耦合器14的输出端分为两路，一路连接掺铒光纤放大器15的输入端，所述掺饵光纤放大器15的输出端连接自由空间；另一路连接光探测器16后，连接至所述马赫曾德电光调制器13的电极，形成回路。
所述接收模块包括：探测器阵列21和计算机22；所述探测器阵列21用于对经自由空间传输后的叠加信号进行检测，再将检测数据传输给计算机22；所述计算机22用于处理所述检测数据。
利用该系统进行信息传输时，数字信号0和1的信息由第一激光器11发送。具体方式是，第一激光器11发射两种模式的激光，发射tem10模，标识数字信号1；发射tem01模，标识数字信号0。然后利用马赫曾德调制器13的非线性特征，产生混沌载波。此时，用于发射信号光的第一激光器和用于产生载波的第二激光器须模式同步，这样可以排除通过模式检测直接滤出信号波的可能性，进而提高通信的安全系数。本实施例中，所述第一激光器和第二激光器均采用垂直腔面发射激光器(vcsel)，其具有短脉冲、高重复频率的横模锁定功能。耦合器用于耦合信号光和混沌载波。掺铒光纤放大器15则用于对信号进行放大。
接收模块中，探测器阵列用于接收信号。信号光经光纤放大器放大后，传输至自由空间，由于受大气效应的影响，其会产生一定的指向误差。又由于夫琅禾费衍射，经远场传输后的tem10和tem01模与输入端有较大差异，两者均包含一个一级中心峰和两个二级峰，其中，由于发射功率相同，tem10模和tem01模的中心峰值相同，此时若采取传统的峰值功率探测法则无法解调出传输的数字信号；但由于tem10模的二级峰值在x方向，tem01模的二级峰值在y方向，故可通过二级峰值探测法解调出传输的数字信号0和1(如图3、图4所示)。因此本实施例中，接收端的探测器阵列为十字形，用于对经自由空间传输后的激光信号进行模式识别，若x方向的探测器能检测到二级峰值，则计算机检测出tem10模，若y方向的探测器能探测到二级峰值，则计算机检测出tem01模。计算机根据模式识别的结果恢复二进制数字信号。
图2为本实施例中探测器阵列的设计图，其中apd1-5分别是apd子阵列，用于提高探测的精准度。
运用本系统进行信息传输时，具体地有以下步骤：
步骤一、确定第一激光器发送信号光的频率和模式：
步骤二、同步：调整第二激光器，直到混沌载波与信号光横纵模式同步；
步骤三、编码：调整第一激光器，发送二进制数字信号1时输出tem10模，发送二进制信号0时输出tem01模；
步骤四、识别：探测器阵列接收叠加信号，并对信号光进行模式识别；
步骤五、经过计算机处理，恢复数字信号0和1。
具体的，由仿真可知，经远场传输后，光斑由mm量级变为km量级，对于tem10和tem11两种模式，其中央峰值在光斑中心处，二级峰值在光斑中心大约500m处，故可在二级光斑位置设计十字交叉的光接收器apd，若apd阵列在x方向能探测到二级谷峰，则判定此为tem10模，若apd阵列在y方向能探测到二级谷峰，则判定此时传输的为tem01模。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。