本发明涉及电磁遥测领域，具体涉及一种电磁遥测系统及方法。
背景技术
遥测是将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的技术。遥测技术是一个集成性能好的，具有良好的跟踪性能、遥控性能的一种新型的技术，其应用很广泛。是利用传感技术、通信技术和数据处理技术，将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的一门综合性技术。
现有的电磁遥测存在数据传输效率低、带宽利用率低的技术问题，因此，提供一种效率高的电磁遥测系统及方法就很有必要。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在数据传输效率低、带宽利用率低的技术问题。提供一种新的电磁遥测系统，该电磁遥测系统具有数据传输效率高、带宽利用率高的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种电磁遥测系统包括测量端和接收端；测量端包括用于感知遥测参数的n个传感器，与传感器一对一连接的变换器，所有变换器汇接后连接有发射机；接收端包括与发射机匹配的接收机，以及与接收机连接的数据处理装置，与数据处理装置连接的显示输出单元；
所述发射机包括中央处理单元，与中央处理单元连接的多个发射通道；每个发射通道均和中央处理单元通过通信控制接口连接；
所述发射通道包括时延编码器，与时延编码器连接的nω×n复选耦合器，与nω×n复选耦合器的n路输出端一一连接的多阶幅度电光转换模块，与多阶幅度电光转换模块一一连接的光相位调制器，所有光相位调制器汇接后共同连接有波分复用器，所述波分复用器连接有光纤；发射通道上还设置有温度检测单元和计时单元，温度检测装置和计时装置均连接到中央处理单元；
所述接收通道包括与光纤连接的波分解复用器，与波分解复用器连接的x型光耦合器，与x型光耦合器连接的n路光相位解调器，与光相位解调器一一对应连接的多阶幅度光电转换模块，与多阶幅度光电转换模块一一对应连接的延时器，与延时器连接的加法器，与加法器连接的滤波器，与滤波器连接的阈值判决单元；
发射通道和接收通道均设置有标识单元，中央处理单元根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个发射通道和其中一个接收通道进行遥测数据传输。
本发明的工作原理：全寿命周期费用由发射通道或接收通道的净值(即设备资产原值计提折旧后的剩余价值)、运行费用和维护费用组成。由于发射通道和接收通道都是越用越旧，故净值会逐年降低。在运行费用上，由于激光模发射通道和接收通道使用过程中，运行效率会逐年减小，故在输入功率一定的情况下，效率会降低，导致运行费用增加。在维护费用上，越旧的出现错误的概率会越来越大，所以维护成本会逐年增加。
因此，当设备处于第一时段时，设备净值最大，运行费用最小，维护费用最小；当设备处于第二时段时，设备净值适中，运行费用适中，维护费用适中；当设备处于第三时段时，设备净值最小，运行费用最大，维护费用最大。因此，定义权值设置选取随时间变化递减。相应地，定义处于第一寿命周期时间段的激光模块的效率为ρ1，处于第二寿命周期时间段的激光模块效率为ρ2，处于第三寿命周期时间段的激光模块效率为ρ3，每小时的额定能耗为β，为定值。最终按照以上标准选择一个最优的发射通道或者接收通道进行使用。
本发明的发射通道和接收通道在时域上进行电时域延时编解码，避免了多路光开关、ase光源、光强度调制器、光阈值器等极其昂贵的光器件，降低了成本和设备复杂度；时域上的延时编解码后进行了频域的相位编解码，是二维ocdma，相对一般的一维电域编解码提高了数据容量；在接收通道上采用零差相干接收技术，本振光与信号光混频后的信号幅度有所增加，有效的提升了接收机的灵敏度，另外可以配合dsp算法进行算法补偿，进一步提高接收机的接收灵敏度；本发明使用fpga模块作为中央处理单元进行硬件编程，提高了编解码的可重构性，并且采用电光组合编解码。
同时通过非相干ocdma在频域编码时用的是不同的波长来携带每一路的信息，相干ocdma编解码系统中用的是不同的相位来携带信息，例如在非相干系统中，用的是三个波段来处理变换器信息，在相干系统里，每两路变换器数据用的是一个波长，每个波长的相位调制是正交的，在地址码相同的情况下，相同的数量相干系统比非相干系统能够节省下一半的传输带宽，变换器量更大。
上述方案中，为优化，进一步地，所述发射通道还包括加密装置，加密装置包括真随机数生成器，伪随机数生成器及字典；真随机数生成器、伪随机数生成器通过字典共同连接有流密码生成装置；所述字典为同步的真随机数所构成；同步的真随机数由真随机数同步单元完成同步。
进一步地，所述真随机数同步单元包括同步物理随机源，与同步物理随机源依次连接的光电转换模块，a/d转换模块及延时异或单元；所述同步物理随机源包括带有外反馈腔的第一半导体激光器和第二半导体激光器，还包括第三半导体激光器，第三半导体激光器也具有外反射腔，三个半导体激光器的外反射腔不同；第一半导体激光器位于发射机，第二半导体激光器位于接收机；所述伪随机数生成装置包括密钥分发模块，与密钥分发模块连接的zuc程序单元；所述密钥分发模块用于给zuc程序单元提供密钥；所述zuc程序单元用于将密钥分发模块提供的密钥作为种子执行zuc算法获得随机数序列。
进一步地，选择发射通道和接收通道时：连续工作时长作为第一优先级判断标准；实时温度作为第二优先级判断标准；工作总时长作为第三优先级判断标准。
本发明还提供一种电磁遥测方法，所述电磁遥测方法基于前述的电磁遥测系统，方法包括：
步骤一，定义变换器的光地址码集为
步骤二，中央处理器根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个发射通道工作；
步骤三，发射通道将n个变换器的比特信号复制成nω份，并根据n个变换器对应的光地址码，将每个变换器发送的比特信号的每个复制体进行相应的时延，得到n个多阶幅度信号；
步骤四，nω×n复选耦合器将步骤三的n个多阶幅度信号送入多阶幅度电光转换模块，光相位调制器将叠加后的信号进行相位调制得到光传输信号，并通过波分复用器将光传输信号发送到光纤中；
步骤五：中央处理器根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个接收通道工作，接收通道通过光纤接收到光传输信号，光相位解调器对光信号进行相位解调，多阶幅度光电转换模块将解调出的光信号转换为电信号，延时器进行反向延时后按照对应顺序进行加法运算，得到叠加后的电信号，电信号通过滤波后进行阈值判断得到数据电信号；
步骤六，接收机通过将数据电信号转换为遥测参数显示出来，完成遥测测量。
进一步地，所述步骤三包括：
步骤31，根据变换器的光地址码集
步骤32，延时编码器根据每个变换器分配的地址码{(x0，y0)，(x1，y1)，(x2，y2)，...，(xω-1，yω-1)}，将各个变换器的第1，2，3...ω路叠加，将各个变换器信号的第1，2，3...ω路信号分别延时y0ε，y1ε，y2ε，...yωε个比特信号，得到每个变换器的延时信号x(t+y0ε)，x(t+y1ε)，x(t+y2ε)，…，x(t+yω-1ε)，其中β为比特信号的比特数；
步骤33，nω×n复选耦合自步骤32中的任意确定两个变换器对应的地址码，并根据地址码选定对应的延时信号用于叠加，得出各个变换器在0到n-1个加法器上的多阶幅度电信号；
进一步地，所述步骤四包括：
步骤41：光频域相位编码器根据每个变换器对应的地址码{(x0，y0)，(x1，y1)，(x2，y2)，...，(xω-1，yω-1)}，将各个变换器的第1，2，3...ω路叠加后的多阶幅度电信号两两分组，每一组转换成波长相同相位不同的多阶幅度光信号，不同分组之间的波长不同；其中，每一分组转换出的多阶幅度光信号的相位值相差为90°；
步骤42：光频域相位编码器将步骤41中的多阶幅度光信号送入波分复用器中进行复用得到光传输信号；
步骤43：波分复用器将光传输信号发送到光纤中。
进一步地，步骤五包括：
步骤51：所述波分解复用器接收光传输信号，将光传输信号分成n路光信号后，根据每个变换器分配的地址码{(x0，y0)，(x1，y1)，(x2，y2)，...，(xω-1，yω-1)}，将波分解复用器输出的不同波长的光信号送入对应的光相位解调器检测出光解调信号；
光相位解调器采用相干接收检测模块，相干接收检测模块的本振光信号的初始相位为
步骤52：通过多阶幅度光电转换模块将每一路的光解调信号转换成电信号后送入相应的延时器，根据每个变换器对应的地址码{(x0，y0)，(x1，y1)，(x2，y2)，...，(xω-1，yω-1)}，延时器将各个变换器的第1，2，3...ω路信号分别延时{(l-y0-1)(l-y1-1)，...(l-yω-1-1)}个单位。
进一步地，所述步骤二包括：
步骤1，预定义发送通道的连续工作时长阈值为tmax，将连续工作时长tctn≥tmax的发送通道挑出剔除；
步骤2，预定义发送通道的最高工作温度tmax，将实时温度ts≥tmax的发送通道挑出排除，将ts＜tmax的所有发送通道的实时温度ts对应的发送通道挑出剔除；
步骤2，预定义发送通道的设备生命-寿命-效率成本函数曲线，将发送通道工作总时长tall带入到所述设备生命-寿命-效率成本函数曲线得出权值h(t)；
步骤3，中央处理单元根据权值h(t)选择出一个发送通道作为激光发射模块。
进一步地，所述设备生命-寿命-效率成本函数曲线是根据发送通道净值成本、实时效率及维修成本与工作总时长tall之间的关系拟合而成的函数曲线h(t)：
其中，α1＞α2＞α3，α1+α2+α3＝1。
本发明采用伪随机数与真随机数相结合的方式，基于zuc算法和同步的物理随机数发生器，实现了灵活、高速、高安全性流密码产生。而且，通过伪随机数与真随机数模加所产生的流密码，所具有的误码率相对同步物理随机数误码率放大的有限，不会影响其适用性。
字典cd：字典cd是由同步的真随机数所构成的。字典cd具有和s相同的长度，字典cd根据真随机数以及其产生速率做定期的更新，即物理随机数每产生n×n比特的二进制数，就完全替换字典cd原有的状态。由于字典cd中的元素都是来源于真正的随机数，所以更新前后不存在固定的变化关系。此外不同于状态s的是，字典cd可能存在相同的元素。字典cd的存在是为了能够使得真随机数在长生速率比较低的情况下匹配到高速率的伪随机数，从而产生高速的流密码。流密码的生成模块：流密码code的生成模块主要是将zuc算法所产生的伪随机数与真随机数相结合。
本发明的有益效果：本发明通过采用拟合全寿命周期曲线选择生命效率高的发射通道和接收通道，并通过温度选择选择最优的发射通道和接收通道实现了低运行成本，高效率的数据传输。本发明的发射通道和接收通道在时域上进行电时域延时编解码，在频域上采用光频域编解码实现了简单可行、重构性好、大容量、速率高的电磁遥测系统的数据传输。同时采用相干ocdma编解码系统，采用的是不同的相位来携带信息，每个波长的相位调制是正交的，在地址码相同的情况下，相同的数量相干系统比非相干系统能够节省下一半的传输带宽，变换器量更大，实现了更大的带宽利用比。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，实施例1中的电磁遥测系统示意图。
图2，实施例1中的发射通道和接收通道示意图。
图3，实施例1中的加密装置示意图。
图4，函数曲线h(t)示意图。
图5，真随机数同步单元示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种电磁遥测系统，如图1，所述电磁遥测系统包括测量端和接收端；测量端包括用于感知遥测参数的n个传感器，与传感器一对一连接的变换器，所有变换器汇接后连接有发射机；接收端包括与发射机匹配的接收机，以及与接收机连接的数据处理装置，与数据处理装置连接的显示输出单元；数据处理装置和显示输出单元均采用现有电磁遥测系统中的模块。
发射机包括中央处理单元，与中央处理单元连接的多个发射通道；每个发射通道均和中央处理单元通过通信控制接口连接；如图2，发射通道包括时延编码器，与时延编码器连接的nω×n复选耦合器，与nω×n复选耦合器的n路输出端一一连接的多阶幅度电光转换模块，与多阶幅度电光转换模块一一连接的光相位调制器，所有光相位调制器汇接后共同连接有波分复用器，所述波分复用器连接有光纤；发射通道上还设置有温度检测单元和计时单元，温度检测装置和计时装置均连接到中央处理单元；
所述接收通道包括与光纤连接的波分解复用器，与波分解复用器连接的x型光耦合器，与x型光耦合器连接的n路光相位解调器，与光相位解调器一一对应连接的多阶幅度光电转换模块，与多阶幅度光电转换模块一一对应连接的延时器，与延时器连接的加法器，与加法器连接的滤波器，与滤波器连接的阈值判决单元；
发射通道和接收通道均设置有标识单元，中央处理单元根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个发射通道和其中一个接收通道进行遥测数据传输。
本实施例的传感器，变换器、温度检测装置和计时装置均采用现有技术中的元件设备，本实施例不再赘述，本实施例着重叙述发明改进点部分，未叙述到的均采用的是现有技术。本实施例的中央处理单元采用fpga，另外可采用arm处理器等可编程逻辑器件或者是更高规模的处理器。
本实施例的阈值判决器采用的是逻辑元件依据现有的技术进行设计的，需要说明的是本领域普通技术人员均能够按需设计阈值判决装置，此处不再赘述。
其中，如图3，所述发射通道还包括加密装置，加密装置包括真随机数生成器，伪随机数生成器及字典；真随机数生成器、伪随机数生成器通过字典共同连接有流密码生成装置；所述字典为同步的真随机数所构成；同步的真随机数由真随机数同步单元完成同步。
如图4，所述真随机数同步单元包括同步物理随机源，与同步物理随机源依次连接的光电转换模块，a/d转换模块及延时异或单元；所述同步物理随机源包括带有外反馈腔的第一半导体激光器和第二半导体激光器，还包括第三半导体激光器，第三半导体激光器也具有外反射腔，三个半导体激光器的外反射腔不同；第一半导体激光器位于发射机，第二半导体激光器位于接收机；
所述伪随机数生成装置包括密钥分发模块，与密钥分发模块连接的zuc程序单元；所述密钥分发模块用于给zuc程序单元提供密钥；所述zuc程序单元用于将密钥分发模块提供的密钥作为种子执行zuc算法获得随机数序列。
以n＝8bit为例对实施例中的加密装置予以进一步说明。第三半导体激光器工作在以1550nm为中心附近，与第一半导体激光器与第二半导体激光器之间的频率偏差为5.8ghz。具体系统参数为第三半导体激光器与sls的工作电流均为26.46ma。第三半导体激光器的反馈时间和强度分别为3ns和，第三半导体激光器注入到sls的强度和延时分别为和0ns。该条件下，第一半导体激光器与第二半导体激光器自身的反馈时间和强度分别为2ns和。为了验证可行性，对第一半导体激光器与第二半导体激光器之间的同步性能进行了研究。
第一半导体激光器和第二半导体激光器的短时输出强度比较匹配时，第一半导体激光器和第二半导体激光器所产生的混沌激光信号同步良好。
为了定量的研究其同步质量，对二者互相关函数进行了评估，二者的相关系数在迟滞时间为0ns时接近1，第一半导体激光器与第二半导体激光器具有非常高的同步质量。此外还对第三半导体激光器与第一半导体激光器之间的相关函数进行了估算，其在迟滞时间为0ns时具有最高的相关系数接近0.6。
如果进一步的降低第三半导体激光器到第一半导体激光器/2的注入强度，该相关系数可以进一步减小。
当第三半导体激光器与第一半导体激光器之间的相关函相关系数为0.6时，从注入信号即第三半导体激光器的输出信号上获得物理随机数的误码率约为0.23。考虑到实际截获过程中所出现的同步误差、采样时钟抖动、时钟失配等情况，从第三半导体激光器输出的混沌激光信号中截获同步物理随机数的误码率要比0.23高很多。所以第三破解方不能够从注入信号中截获有用的信息，保密性进一步增强。
本实施例的伪随机数生成器采用zuc流密码生成器，zuc流密码生成器是现有的，包括密钥分发模块，与密钥分发模块连接的zuc程序单元；所述密钥分发模块用于给zuc程序单元提供密钥；所述zuc程序单元用于将密钥分发模块提供的密钥作为种子执行zuc算法获得随机数序列。其中，zuc算法包括密钥初始化算法和伪随机数生成算法。基于zuc流密码生成器是现有的，本实施例不在赘述。
在选择发射通道和接收通道时，本实施例是按照如下优先级进行依次挑选的：选择发射通道和接收通道时：连续工作时长作为第一优先级判断标准；实时温度作为第二优先级判断标准；工作总时长作为第三优先级判断标准。
本实施例还提供一种电磁遥测方法，方法包括：
步骤一，定义变换器的光地址码集为
步骤二，中央处理器根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个发射通道工作；
步骤三，发射通道将2个变换器的比特信号复制成3份，并根据2个变换器对应的光地址码，将每个变换器发送的比特信号的每个复制体进行相应的时延，得到3个多阶幅度信号；
步骤四，6×3复选耦合器将步骤三的3个多阶幅度信号送入多阶幅度电光转换模块，光相位调制器将叠加后的信号进行相位调制得到光传输信号，并通过波分复用器将光传输信号发送到光纤中；
步骤五：中央处理器根据计时单元的计时参数与温度检测单元的温度参数选择其中一个接收通道工作，接收通道通过光纤接收到光传输信号，光相位解调器对光信号进行相位解调，多阶幅度光电转换模块将解调出的光信号转换为电信号，延时器进行反向延时后按照对应顺序进行加法运算，得到叠加后的电信号，电信号通过滤波后进行阈值判断得到数据电信号；
步骤六，接收机通过将数据电信号转换为遥测参数显示出来，完成遥测测量。
具体地，变换器1发送的比特信号在时域上表示为t1(t)，所述变换器2发送的比特信号在时域上表示为t2(t)，且变换器1和变换器2分别选用和作为光地址码，下面就以变换器1和变换器2的数据传输过程来说明本实施例的发射通道和接收通道中的编解码过程：
s1，电时域时延编解码模块的时延编解码器根据每个变换器分配到的光地址码集
s2，延时编码器根据变换器1的光地址码{(0，1)，(1，3)，(2，5)}，将变换器1的三份信号分别延时β、3β、5β，得到变换器1时延编码信号t1(t+β)、t1(t+3β)和t1(t+5β)；根据变换器2的光地址码，将变换器2的三份信号分别延时2β、4β、6β，得到变换器2时延编码信号t2(t+2β)，t2(t+4β)，t2(t+6β)；
s3，6×3复选耦合器将时延后的信号按照延时长短顺序进行排序，将每个变换器的排序号相同的延时信号进行叠加，即t1(t+β)和t2(t+2β)被送入加法器∑a0中得到叠加信号{t1(t+β)+t2(t+2β)}；t1(t+3β)和t2(t+4β)被送入加法器∑a1中得到叠加信号{t1(t+3β)+t2(t+4β)}；t1(t+5β)和t2(t+6β)被送入加法器∑a2中得到叠加信号{t1(t+5β)+t2(t+6β)}，得到的三组叠加后的多阶幅度信号；
s4，6×3复选耦合器将所述三组多阶幅度信号送入光频域编码器中，光频域相位编码器根据变换器1的光地址码和变换器1的光地址码{(0，1)，(1，3)，(2，5)}，将变换器1和变换器2的第1、2、3路叠加后的多阶幅度电信号两两分组，每一组转换成相同波长和不同相位的多阶幅度光信号，不同组之间的波长不同，即加法器∑a0输出的电信号送入第一电光转换模块中，加法器∑a1输出的电信号送入第二电光转换模块中，加法器∑a2输出的电信号送入第三电光转换模块中，其中第一电光转换模块和第二电光转换模块中的波长相同为λ1，第三电光转换模块的波长为λ2；
s5，转换后的光信号送入相应的相位调制器中进行不同的相位调制，根据每个变换器的地址码不同，每个相位调制器的相位偏差的值也不同，其中，第一电光转换模块输出的光信号送入相位调制器pm0中，pm0的相位偏差为0°；第二电光转换模块输出的光信号送入相位调制器pm1中，pm1的相位偏差为90°；第三电光转换模块输出的光信号送入相位调制器pm2中，pm2的相位偏差为45°；
s6，光频域相位编码器将调相后的光信号送入发射端波分复用器中合成一路信号，之后送入光纤中传输；
s7，接收通道的波分解复用器接收光信号，将光信号分成2路光信号后根据波长被送入相对应相干检测模块中，与对应相干检测模块中的通过x型光耦合器与本振光进行耦合；
s8，本振0输出的光与信号光混合后输出初始相位为0°的光信号t0’；本振1输出的光与信号光混合后输出初始相位为90°的光信号t1’；本振2输出的光与信号光混合后输出初始相位为45°的光信号t2’；本振1输出的光与信号光混合后能够输出初始相位为90°的光信号t1’，本振2输出的光与信号光混合后能够输出初始相位为45°的光信号t2’；其中，本振0输出的本振光的初始相位为90°，本振1输出的本振光的初始相位为180°，本振2输出的本振光的初始相位为135°；通过相干检测原理可以知道，本振0输出的光与信号光混合后能够输出初始相位为0°的光信号t0’；
s9，根据变换器1的光地址码{(0，1)，(1，3)，(2，5)}，延时器d7延时(l-1-1)个比特信号，得到信号t0’[t+(l-1-1)]，延时器d8延时(l-3-1)个比特信号得到信号t1’[t+(l-3-1)]，延时器d9延时(l-5-1)个比特信号得到信号t2’[t+(l-5-1)]，同样的，根据变换器2的光地址码，延时器d10延时(l-2-1)个比特信号，得到信号t0’[t+(l-2-1)]，延时器d8延时(l-4-1)个比特信号得到信号t1’[t+(l-4-1)]，延时器d9延时(l-6-1)个比特信号得到信号t2’[t+(l-6-1)]；
s10，延时后的6份多阶幅度延时电信号同时进行加法运算，得到变换器1和变换器2的多阶幅度多阶幅度延时耦合电信号为：t0’[t+(l-1-1)]+t1’[t+(l-3-1)]+t2’[t+(l-5-1)]和t0’[t+(l-2-1)]+t1’[t+(l-4-1)]+t2’[t+(l-6-1)]；
s11，该模块的数据阈值判决器对耦合后的多阶幅度延时耦合电信号进行每一脉冲阈值判决，每个变换器的耦合值一旦超过某个阈值就判为“1”，得出变换器1和变换器2的数据“1”或“0”，最后得出每个变换器的数据码流，阈值由预先定义。
其中，所述步骤二具体包括：
步骤1，预定义发送通道的连续工作时长阈值为tmax，将连续工作时长tctn≥tmax的发送通道挑出剔除；
步骤2，预定义发送通道的最高工作温度tmax，将实时温度ts≥tmax的发送通道挑出排除，将ts＜tmax的所有发送通道的实时温度ts对应的发送通道挑出剔除；
步骤2，预定义发送通道的设备生命-寿命-效率成本函数曲线，将发送通道工作总时长tall带入到所述设备生命-寿命-效率成本函数曲线得出权值h(t)；
步骤3，中央处理单元根据权值h(t)选择出一个发送通道作为激光发射模块。
详细地，所述设备生命-寿命-效率成本函数曲线是根据发送通道净值成本、实时效率及维修成本与工作总时长tall之间的关系拟合而成的函数曲线h(t)：
其中，α1＞α2＞α3，α1+α2+α3＝1。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。