基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法

1.本发明属于量子精密测量、量子通信和微波光子学的交叉学科，具体是指基于里德堡天线和光生微波振荡器实现激光通信信号和微波通信信号的全物理转换、根据星间、星地通信链路实况和信道需求切换通信模式、实现多星协同电光混合通信的方法，尤其涉及一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.光波波段比微波波段频率高5-6个数量级，对应电磁场在波动性和粒子性方面的差异使其对应的通信系统具有迥乎不同的特性。激光通信具有准直性强、带宽容量大、抗电磁压制等优势，但需要在通信双方通过跟踪瞄准系统建立稳定光学链路的前提下才能正常运行；微波通信具有随遇可接入能力，毋须保持通信双方严格的信道对准，但通信速率局限于ghz量级(取决于载波波长)且易受电磁环境影响。对于多星协同通信网络而言，在不同的轨道条件、气象状况、业务需求下，微波通信和激光通信各具优势。因此，构建电光混合通信链路、根据实际链路状况灵活切换载波类型、最大化提升通信效能，具有重要意义。
3.当前微波通信系统和激光通信系统之间的互通互联采用的是信息接口，即通过光电探测器提取激光通信信号数据信息
→
利用电控微波源产生微波通信信号、通过微波探测器提取微波通信信号
→
利用电控激光器产生激光通信信号，在信息接口中始终伴随携带明文信息的电学信号存在，操作步骤复杂且存在信息泄露出口。


技术实现要素：

4.基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题：如何实现激光通信和微波通信在物理场层面的高效通联，满足星地-星间多种通信模式切换需求。
5.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法，包括发送方和接收方，利用里德堡原子天线接收微波通信信号，将强度调制信息转移为能级劈裂调制信息、频移调制信息和激光光场的强度调制信息，经转换为标准自由空间激光通信信号，利用参量放大器对激光通信信号进行波长转换、功率放大，泵浦受激布里渊散射微腔产生微波振荡，经功率放大器和码型变换处理转换为标准微波通信信号，根据发送方和接收方通信双方位置合理调配信道资源，根据信道情况和业务需求选择各段通信载波，通过物理层互转换接口实现电光混合通信。
6.优选的，激光器产生激光光场，与铯原子能级相互作用制备里德堡态。
7.优选的，将强度调制信息转移为能级劈裂调制信息、频移调制信息和激光光场的强度调制信息后经非线性波长转换或码型变换方式转换为标准自由空间激光通信信号。
8.优选的，对微波通信信号进行延时和滤波处理，使其符合标准微波源输出信号格式。
9.一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法，包括发送方和接收方，包括：
10.s101、微波通信信号向激光通信信号的转换，利用里德堡原子天线接收微波通信信号，将强度调制信息转移为能级劈裂调制信息、频移调制信息和激光光场的强度调制信息，并转换为标准自由空间激光通信信号；
11.s102、激光通信信号向微波通信信号的转换，利用参量放大器对激光通信信号进行波长转换、功率放大，泵浦受激布里渊散射微腔产生微波振荡，并转换为标准微波通信信号；
12.s103、多星协同电光混合通信及业务适配，根据通信双方位置合理调配信道资源，根据信道情况和业务需求选择各段通信载波，通过物理层互转换接口实现电光混合通信。
13.一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法，包括发送方和接收方，方法包括：
14.s201、作为发送方的地面目标从过境窗口内选择最近的一颗通信卫星，通过最小跳数的通信卫星转发，将待发送信息传递给作为接收方的地面目标，对所有链路进行信道评估并确认各段的通信模式；
15.s202、发送方根据评估的最优通信模式完成通信过程，利用里德堡天线实现激光通信信号到微波通信信号的物理层转换，利用光生微波系统实现微波通信信号到激光通信信号的物理层转换；
16.s203、当多星协同电光混合通信工作于全光模式、全电模式或双信号模式时，沿用传统激光通信、微波通信的转换方式。
17.优选的，对所有链路进行信道评估并确认各段的通信模式可以使用激光通信、微波通信或同时使用两者。
18.优选的，通过星间中继为超远距离地面目标建立电光混合通信链路，包括全光通信模式、全电通信模式、电光单链路混合通信模式以及电光双链路混合通信模式。
19.一种实现上述基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法的系统，包括发送方和接收方以及激光器、参量放大器，还包括微波通信信号向激光通信信号转换模块、激光通信信号向微波通信信号转换模块以及多星协同电光混合通信及业务适配模块，其中，
20.微波通信信号向激光通信信号转换模块，用于利用里德堡原子天线接收微波通信信号，将强度调制信息转移为能级劈裂调制信息、频移调制信息和激光光场的强度调制信息，并转换为标准自由空间激光通信信号；
21.激光通信信号向微波通信信号转换模块，用于利用参量放大器对激光通信信号进行波长转换、功率放大，泵浦受激布里渊散射微腔产生微波振荡，并转换为标准微波通信信号；
22.多星协同电光混合通信及业务适配模块，用于根据通信双方位置合理调配信道资源，根据信道情况和业务需求选择各段通信载波，通过物理层互转换接口实现电光混合通信。
23.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
24.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
26.1、本发明提出一种基于多物理场互作用的多星协同通信方法，能够弥补高速移动、信道恶化、电磁干扰等极端条件下产生的通信失能。
27.2、本发明利用里德堡原子天线固有的“微波输入-光场输出”特性和光生微波系统固有的“光场输入、微波输出”特性，为微波和光波波段电磁场互转换提供了有效手段，压缩了传统通信网络接口中微博探测、光电探测、信息处理、电光转换等步骤；
28.3、本发明提出的通信方法不受信息处理系统速率平静的限制，规避了因为信息处理系统过载而导致的通信网络拥塞，大幅推进全球覆盖的多物理场异构卫星通信网络建设进程。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1示出了本发明基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信工作原理示意图。
具体实施方式
31.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
32.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
33.本发明提供了一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法的实施例，建立多星协同、星地互联通信网络，各节点之间可以通过激光通信链路或微波通信链路互联；当通信双方经过星间转发和星地传输实现通信且通信过程涉及两种不同的链路时，利用里德堡原子天线在电磁场作用下产生的能级劈裂、光谱变化、光强变化，结合码型变换将微波通信信号直接转换为激光通信信号，利用光生微波系统在强光泵浦情况下产生的能量转换和微波振荡，结合码型变换将激光通信信号直接转换为微波通信信号，实现多星协同电光混合通信。
34.本发明提供了一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法的实施例，包括发送方和接收方，利用里德堡原子天线接收微波通信信号，将强度调制信息转
移为能级劈裂调制信息、频移调制信息和激光光场的强度调制信息，经转换为标准自由空间激光通信信号，利用参量放大器对激光通信信号进行波长转换、功率放大，泵浦受激布里渊散射微腔产生微波振荡，经功率放大器和码型变换处理转换为标准微波通信信号，根据发送方和接收方通信双方位置合理调配信道资源，根据信道情况和业务需求选择各段通信载波，通过物理层互转换接口实现电光混合通信。
35.在一些实施例中，激光器产生激光光场，与铯原子能级相互作用制备里德堡态。
36.在一些实施例中，将强度调制信息转移为能级劈裂调制信息、频移调制信息和激光光场的强度调制信息后经非线性波长转换或码型变换方式转换为标准自由空间激光通信信号。
37.在一些实施例中，对微波通信信号进行延时和滤波处理，使其符合标准微波源输出信号格式。
38.在一些实施例中，对所有链路进行信道评估并确认各段的通信模式可以使用激光通信、微波通信或同时使用两者。
39.在一些实施例中，通过星间中继为超远距离地面目标建立电光混合通信链路，包括全光通信模式、全电通信模式、电光单链路混合通信模式以及电光双链路混合通信模式。
40.本发明提供一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法的实施例，包括：
41.s101、微波通信信号向激光通信信号的转换，利用里德堡原子天线接收微波通信信号，将强度调制信息转移为能级劈裂调制信息、频移调制信息和激光光场的强度调制信息，经非线性波长转换、码型变换等转换为标准自由空间激光通信信号；
42.s102、激光通信信号向微波通信信号的转换，利用参量放大器对激光通信信号进行波长转换、功率放大，泵浦受激布里渊散射微腔产生微波振荡，经功率放大器和码型变换等转换为标准微波通信信号；
43.s103、多星协同电光混合通信及业务适配，根据通信双方位置合理调配信道资源，根据信道情况和业务需求选择各段通信载波，借助上述物理层互转换接口实现“全程信息不落地、全程无电路参与”的电光混合通信功能。
44.本发明提供一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法的实施例，包括发送方和接收方，所述方法包括：
45.s201、作为发送方的地面目标从过境窗口内选择最近的一颗通信卫星，通过最小跳数的通信卫星转发，将待发送信息传递给作为接收方的地面目标，对所有链路进行信道评估并确认各段的通信模式；
46.s202、发送方根据评估的最优通信模式完成通信过程，利用里德堡天线实现激光通信信号到微波通信信号的物理层转换，利用光生微波系统实现微波通信信号到激光通信信号的物理层转换；
47.s203、当多星协同电光混合通信工作于全光模式、全电模式或双信号模式时，沿用传统激光通信、微波通信的转换方式。
48.本发明提供一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法的实施例，包括：
49.s301、作为发送方的地面目标从过境窗口内选择最近的一颗通信卫星，通过最小
跳数的通信卫星转发，将待发送信息传递给作为接收方的地面目标，对所有链路进行信道评估并确认各段的通信模式(使用激光通信、微波通信或同时使用两者)；
50.s302、发送方根据评估的最优通信模式完成通信过程，利用里德堡天线实现激光通信信号到微波通信信号的物理层转换，利用光生微波系统实现微波通信信号到激光通信信号的物理层转换；
51.s303、当多星协同电光混合通信工作于全光模式、全电模式或双信号模式时，沿用传统激光通信、微波通信的转换方式。
52.本发明提供一种实现上述基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法的系统实施例，包括发送方和接收方以及激光器、参量放大器，还包括微波通信信号向激光通信信号转换模块、激光通信信号向微波通信信号转换模块以及多星协同电光混合通信及业务适配模块，其中，
53.微波通信信号向激光通信信号转换模块，用于利用里德堡原子天线接收微波通信信号，将强度调制信息转移为能级劈裂调制信息、频移调制信息和激光光场的强度调制信息，并转换为标准自由空间激光通信信号；
54.激光通信信号向微波通信信号转换模块，用于利用参量放大器对激光通信信号进行波长转换、功率放大，泵浦受激布里渊散射微腔产生微波振荡，并转换为标准微波通信信号；
55.多星协同电光混合通信及业务适配模块，用于根据通信双方位置合理调配信道资源，根据信道情况和业务需求选择各段通信载波，通过物理层互转换接口实现电光混合通信。
56.如图1所示，展示了一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信系统实施例。多星协同电光混合通信系统，其功能描述如下：
57.(1)激光器产生波长为852nm和509nm的激光光场，与铯原子能级相互作用制备里德堡态；
58.(2)里德堡原子天线接收无线通信信号，无线通信信号对应电磁场强度时变信息被复刻在852nm激光光场上，激光光场频移与无线通信信号强度正相关；
59.(3)通过光学干涉将852nm频移调制信号转换为强度调制信号；
60.(4)基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应，可将852nm强度调制信号转换为808nm强度调制信号；
61.(5)通过光学放大、码型转换等操作，将808nm强度调制信号转换为标准自由空间激光通信信号。
62.(6)基于四波混频效应、光学频率下转换效应或非线性差频效应等光学非线性效应，可将808nm强度调制信号转换为1550nm强度调制信号，利用光学放大器在尽可能保持信噪比的前提下提升平均功率；
63.(7)将1550nm强度调制信号泵浦非线性光学微腔或单行载流子光电二极管产生微波振荡光场能量转换为微波能量，产生类激光输出的微波信号输出，同时，在增益开关效应的影响下，只有强度超过阈值的时间窗才能产生微波信号，则光纤通信信号的强度调制信息被复制为微波通信信号；
64.(8)对微波通信信号进行延时、滤波等操作，使其符合标准微波源输出信号格式。
65.如图1所示，图中还展示了一种通过星间中继为超远距离地面目标建立电光混合通信链路的方法，典型工作模式有四种：
66.(1)全光通信模式，地面台站a利用激光通信链路将激光通信信号发送给通信卫星b，由b、c、d三颗通信卫星上的光学中继将激光通信信号转发给地面台站e；
67.(2)全电通信模式，地面台站a利用微波通信链路将微波通信信号发送给通信卫星b，由b、c、d三颗通信卫星上的通信中继将微波通信信号转发给地面台站e；
68.(3)电光单链路混合通信模式，地面台站a利用微波或激光通信链路将微波或激光通信信号发送给通信卫星b，b
→
c、c
→
d、d
→
e的转发过程可选择微波或激光通信的任意一种。
69.(4)电光双链路混合通信模式，地面台站a同时利用微波通信链路和激光通信链路将微波和激光通信信号发送给通信卫星b，b
→
c、c
→
70.d、d
→
e的转发过程可选择微波或激光通信的任意一种，也可以同时采用两种；同时采用两种通信模式受到的信息可以互相校验，降低误码率。
71.微波通信模式的优选条件可归纳为：节点之间因为光学衰减较强或难以跟踪瞄准。激光通信模式的优选条件可归纳为：节点之间因为强电磁干扰或业务数据量超过微波通信带宽。当上述两个限制条件都不满足时，可优选双链路混合通信模式，提升单位时间内的通信带宽、或通过冗余传输提升通信可靠性、或通过拆解分离等密码编译手段提升通信安全性。
72.本发明提供了一种基于里德堡原子和光生微波的多星协同电光混合通信方法的实施例，利用激光光场与碱金属能级的互作用制备里德堡态，利用里德堡原子在电磁场作用下产生的能级劈裂、光谱变化将无线通信信号变换为激光通信信号；利用激光通信信号泵浦非线性光学微腔或单行载流子光电二极管产生微波振荡，将激光通信信号转换为无线通信信号；根据星地、星间通信链路情况和业务需求合理选择通信载波，实现高效多星协同电光混合通信。
73.在一些实施例中，多星协同通信中通信卫星能够在卫星轨道上运行，在地面目标的过境窗口内能够与地面进行稳定通信，通信卫星之间可以进行稳定通信，各节点可以同时存在通过跟踪瞄准系统建立的激光通信链路和通过定向天线建立的微波通信链路，通信卫星依托的空间平台包括但不限于低轨卫星、火箭末子级和临近空间飞行器，不限定运动轨迹、测控方式、部署数量、过境时间以及具体的多星协同方式，不限定自由空间激光通信的工作波长、编码方式、跟踪瞄准方式，不限定微波通信的工作频段、编码方式、信号增强方式。
74.在一些实施例中，里德堡原子天线主要通过激光泵浦碱金属原子，将其激发至接近电离水平的里德堡态，里德堡原子感受到电磁信号并产生频率漂移，通过干涉测量手段可建立输出光强与电磁信号强度的对应关系，以此实现能够接近海森堡极限的探测精度与灵敏度。不限定里德堡天线系统结构、原子成分、泵浦方式、探测方式、工作带宽、调谐范围、器件结构、系统参数等。
75.在一些实施例中，光生微波系统利用强光泵浦非线性光学微腔或单行载流子光电二极管，基于受激布里渊散射效应或光学混频实现微波的振荡输出，在增益开关效应的影响下，光生微波的强度调制信息与泵浦光场一致。不限定非线性介质结构参数、不限定单行
载流子光电二极管结构参数。
76.在一些实施例中，信号转换通过里德堡原子天线和光生微波系统实现激光通信信号和微波通信信号的高效转换，转换过程不涉及传统光电探测、传统微波探测、信息处理系统、传统微波信号源、传统激光信号源等传统信号转换步骤，凡涉及“全程信息不落地、全程无电路参与”的电光混合通信都属于本发明权利要求范围。
77.本发明还提供一种计算机可读存储介质的实施例，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
78.本发明还提供一种计算机程序的实施例，该程序被处理器执行时实现上述方法。
79.与现有技术相比，本发明具有以下优势：
80.首先，本发明提出一种基于多物理场互作用的多星协同通信方法，能够弥补高速移动、信道恶化、电磁干扰等极端条件下产生的通信失能。
81.其次，本发明利用里德堡原子天线固有的“微波输入-光场输出”特性和光生微波系统固有的“光场输入、微波输出”特性，为微波和光波波段电磁场互转换提供了有效手段，压缩了传统通信网络接口中微博探测、光电探测、信息处理、电光转换等步骤；
82.此外，本发明提出的通信方法不受信息处理系统速率平静的限制，规避了因为信息处理系统过载而导致的通信网络拥塞，大幅推进全球覆盖的多物理场异构卫星通信网络建设进程。
83.为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本技术时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
84.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
85.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
86.本技术可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本技术，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
87.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
88.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
89.在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
90.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
91.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
92.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
93.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
94.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。