一种基于逆向光调制解调系统的逆向光调制解调方法

1.本发明属于激光通信技术领域，特别涉及一种基于逆向光调制解调系统的逆向光调制解调方法。


背景技术：

2.自由空间激光通信具有很多优势，但是激光的小发散角和操作复杂的特点使其在通信链路的建立和保持方面需要面对很大的挑战。在一定角度内具有定向反射能力的逆向光调制器能够免去一个终端的发射光源和跟瞄系统，而且光学逆向调制器的复杂程度、体积重量和能量消耗都远远小于激光发射接收系统，尤其适合小型无人平台的光通信应用。可以预见，逆向调制技术的应用将显著降低技术难度，拓展自由空间激光通信的应用范围，大幅降低光通信网络的构建成本，同时也使自由空间光通信的广泛应用成为可能。
3.目前报道的光学逆向调制技术方案主要集中于对光强度的调制上，通过在逆向光调制器端控制光反射路径通断的方式，将信息以“1”、“0”的二进制形式调制传递。根据报道，通断功能主要由反射光路中附加的声光调制器、电光调制器、多量子阱吸收调制器、电吸收调制器等实现，也有直接控制反射器形变实现光路通断的技术手段。这些基于光强调制的技术方案在远距离大气环境通信应用过程中，由于反射激光受到吸收、散射、湍流等大气环境干扰后，产生强度降低、方向偏移等现象，造成了接收探测器对强度误判，解调信息时出现误码。因此，如何克服大气环境对数据传输的干扰是基于光强调制方案需要解决的问题。
4.由于两束平行且彼此接近的激光在大气中传输时，在同一时间内所受到的扰动在一定范围内可以近似认为是相同的，因此两束激光的光程和波前变化量是一致的。本发明根据这一特点将逆向调制器设计为两个相邻的反射单元，在反射过程中形成两束平行且彼此接近的激光束，激光的自然束散使两束光在远场探测器位置发生重叠，而激光的相干性使得重叠位置出现相干条纹。根据相干原理可知，探测器处相干条纹的强度随两束光的相位差变化，而两束光在大气传输过程中的光程变化是一致的，相位差变化为零，相位变化量仅由逆向调制器引入。这种方法避免了大气对探测器位置上相干条纹强度的影响。目前，未见关于此种逆向光调制的相关报道。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种利用光的相干原理进行远距离空间光通信的方法，提供一种逆向光调制器及接收器装置，并提供一种相应的调制/解调方法。具有相同波长、偏振方向，且存在固定相位差的两束或多束光可以在光交叠位置产生明暗相交的相干图案，改变光束间的相位差将使相干图案发生变化。根据这一原理，只要在反射的时候将需要传递的信息转换为光的相位信息，就可以改变远处的相干图样，在探测器感光位置产生光强变化，从而将信息传递到光发射的一端。
6.本发明的技术方案为一种基于逆向光调制解调系统的逆向光调制解调方法；
7.所述逆向光调制解调系统的技术方案包括：激光器、调制光电探测器、调制中央处理器、第一相位调制单元、第二相位调制单元、第一定向反射器、第二定向反射器、解调中央处理器、第一解调光电探测器、第二解调光电探测器、第一线偏振片、第二线偏振片；
8.所述第一线偏振片放置于所述第一解调光电探测器前；
9.所述第二线偏振片放置于所述第二解调光电探测器前；
10.所述激光器与所述调制光电探测器通过光路连接；
11.所述调制中央处理器与所述调制光电探测器通过有线方式连接；所述调制中央处理器与所述第一相位控制元件通过有线方式连接；所述中央处理器与所述第二相位控制元件通过有线方式连接；所述第一定向反射器与所述第一相位控制元件通过光路连接；所述第二定向反射器与所述第二相位控制元件通过光路连接；
12.所述第一线偏振片与所述第一解调光电探测器通过光路连接；所述第二线偏振片与所述第二解调光电探测器通过光路连接；
13.所述第一解调光电探测器与所述解调中央处理器通过有线方式连接；所述第二解调光电探测器通与所述解调中央处理器过有线方式连接；
14.所述逆向光调制解调方法，具体为：
15.所述激光器发射激光触发信号至所述调制光电探测器；
16.所述调制光电探测器将激光触发信号通过光电转换至触发使能信号，将触发使能信号传输至所述调制中央处理器；
17.所述调制中央处理器根据触发使能信号确认通信请求；所述调制中央处理器将待调制信息按照数字进制转换方法转换为多进制编码，对照存储于所述调制中央处理器的多进制对应的相位控制电压对照表得到相位控制电压指令，所述调制中央处理器将相位控制电压指令分别传输至所述的第一相位调制单元、第二相位调制单元；
18.所述激光器发射激光载波分别至所述的第一相位调制单元、第二相位调制单元；
19.所述第一相位调制单元根据接收的相位控制电压指令通过电路控制方法产生电压指令所要求的电压，根据电压指令所要求的电压控制内部相位控制光学元件使激光载波e光偏振分量产生第一相位调制单元相位延迟，激光载波o光偏振分量不产生相位延迟，得到第一调制激光信号；将第一调制激光信号传输至所述第一定向反射器；
20.所述第二相位调制单元根据接收的相位控制电压指令通过电路控制方法产生电压指令所要求的电压，根据电压指令所要求的电压控制内部相位控制光学元件使激光载波e光偏振分量产生第二相位调制单元相位延迟，激光载波o光偏振分量不产生相位延迟，得到第二调制激光信号；将第二调制激光信号传输至所述第二定向反射器；
21.所述第一定向反射器将第一调制激光信号通过定向反射得到第一定向反射激光信号，第一定向反射激光信号分别射向所述的第一线偏振片、所述第二线偏振片；
22.所述第二定向反射器将第二调制激光信号通过定向反射得到第二定向反射激光信号，第一定向反射激光信号分别射向所述的第一线偏振片、所述第二线偏振片；
23.所述第一线偏振片滤除第一定向反射激光的o光偏振分量和第二定向反射激光的o光偏振分量，保留第一定向反射激光的e光偏振分量与第二定向反射激光的e光偏振分量，合成为第一激光信号传输至所述第一解调光电探测器；
24.所述第二线偏振片滤除第一定向反射激光的e光偏振分量和第二定向反射激光的
e光偏振分量，保留第一定向反射激光的o光偏振分量与第二定向反射激光的o光偏振分量，合成为第二激光信号传输至所述第二解调光电探测器；
25.所述第一解调光电探测器将滤波后第一激光信号转换为第一激光模拟电压信号，并将第一激光模拟电压信号传输给所述解调中央处理器；
26.所述第二解调光电探测器将滤波后第二激光信号转换为第二激光模拟电压信号，并将第二激光模拟电压信号传输给所述解调中央处理器；
27.所述解调中央处理器根据第一激光模拟电压信号、第二激光模拟电压信号通过相干解调方法求解出所述的第一相位调制单元和所述的第二相位调制单元产生的相位延迟之间的差值，通过与多进制对应的相位控制电压对照表对照，解算出所述调制中央处理器所传递的待调制信息。
28.所述相干解调方法流程为：
29.步骤1：解调中央处理器构建若所述第一调制单元和所述第二调制单元均产生电压时，得到的第一激光信号的光强度模型，构建若所述第一调制单元和所述第二调制单元均不产生电压时，得到的零电压第一激光信号的光强度模型，进一步构建第二激光的信号光强度模型，结合第一激光信号的光强度模型、零电压第一激光信号的光强度模型、第二激光的信号光强度模型构建综合光强度模型；
30.步骤1所述第一激光信号的光强度模型为：
[0031][0032]
式中，a为激光在e光偏振方向上的光强，m为光在传输过程中的衰减率，l1为第一定向反射激光的光程，l2为第二定向反射激光的光程，ie为若所述第一调制单元和所述第二调制单元均产生电压时第一激光信号的光强度；
[0033]
为第一相位调制单元相位延迟，具体定义如下：
[0034][0035]
其中，λ为激光波长，n
′
e1
为第一相位控制光学元件加载电压指令所要求的电压后对e光偏振分量的折射率，d1为第一相位调制单元中相位控制光学元件光路长度；
[0036]
为第二相位调制单元相位延迟，具体定义如下：
[0037][0038]
其中，n
′
e2
为第二相位控制光学元件加载电压指令所要求的电压后对e光偏振分量的折射率，d2为第二相位调制单元中相位控制光学元件光路长度；
[0039]
步骤1所述零电压第一激光信号的光强度模型为：
[0040][0041]
式中，ne为第一、第二相位控制光学元件对e光偏振分量的折射率，i
e0
为若所述第一调制单元和所述第二调制单元均不产生电压时第一激光信号的光强度；
[0042]
步骤1所述第二激光信号的光强度模型为：
[0043][0044]
式中，b为激光在o光偏振方向上的光强。
[0045]
所述的a、b、λ、ne、no、d1、d2均为已知数值；
[0046]
步骤1所述构建综合光强度模型为：
[0047]
将a、b、λ、ne、no、d1、d2分别对应代入ie、i
e0
、ie表达式相应位置，建立综合光强度模型，步骤1所述综合光强度模型为：
[0048][0049][0050][0051]
步骤2：解调中央处理器通过数值计算的方法，以m、l
1-l2、为未知数，求解综合光强度模型，得到的数值解；
[0052]
步骤3：解调中央处理器将步骤2所述的的数值解与存储于解调中央处理器的多进制对应的相位控制电压对照表对照，解出所述调制中央处理器所编码的待调制信息。
[0053]
本发明的逆向调制器具有如下特点：
[0054]
所用单元器件成熟、稳定，系统易于实现；
[0055]
抗大气干扰，通信误码率低；
[0056]
逆向反射角度大，对准要求低；
[0057]
解调方法简洁高效。
附图说明
[0058]
图1：系统结构示意图。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
本发明所涉及的光通信方式以激光为信息载体，所使用的激光要具有良好的相干性和稳定的圆偏振态输出。
[0061]
本发明的具体实施方式为一种基于逆向光调制解调系统的逆向光调制解调方法；
[0062]
本发明的系统结构示意图如图1所示，所述逆向光调制解调系统的技术方案包括：激光器、调制光电探测器、调制中央处理器、第一相位调制单元、第二相位调制单元、第一定向反射器、第二定向反射器、解调中央处理器、第一解调光电探测器、第二解调光电探测器、
第一线偏振片、第二线偏振片；
[0063]
所述第一线偏振片放置于所述第一解调光电探测器前；
[0064]
所述第二线偏振片放置于所述第二解调光电探测器前；
[0065]
所述激光器与所述调制光电探测器通过光路连接；
[0066]
所述调制中央处理器与所述调制光电探测器通过有线方式连接；所述调制中央处理器与所述第一相位控制元件通过有线方式连接；所述中央处理器与所述第二相位控制元件通过有线方式连接；所述第一定向反射器与所述第一相位控制元件通过光路连接；所述第二定向反射器与所述第二相位控制元件通过光路连接；
[0067]
所述第一线偏振片与所述第一解调光电探测器通过光路连接；所述第二线偏振片与所述第二解调光电探测器通过光路连接；
[0068]
所述第一解调光电探测器与所述解调中央处理器通过有线方式连接；所述第二解调光电探测器通与所述解调中央处理器过有线方式连接。
[0069]
所述激光器的选型为波长1.5μm，功率500mw，圆偏振固体激光器；
[0070]
所述调制光电探测器的选型为ingaas-apd光电探测器；
[0071]
所述调制中央处理器的选型为fpga现场可编程逻辑门阵列；
[0072]
所述第一相位调制单元的选型为铁电液晶相位延迟器；
[0073]
所述第二相位调制单元的选型为铁电液晶相位延迟器；
[0074]
所述第一定向反射器的选型为角锥定向反射器，通光直径6cm；
[0075]
所述第二定向反射器的选型为角锥定向反射器，通光直径6cm；
[0076]
所述解调中央处理器的选型为fpga现场可编程逻辑门阵列；
[0077]
所述第一解调光电探测器的选型为ingaas-apd光电探测器；
[0078]
所述第二解调光电探测器的选型为ingaas-apd光电探测器；
[0079]
所述第一线偏振片的选型为纳米颗粒线偏振片；
[0080]
所述第二线偏振片的选型为纳米颗粒线偏振片；
[0081]
所述逆向光调制解调方法，具体为：
[0082]
所述激光器发射激光触发信号至所述调制光电探测器；
[0083]
所述调制光电探测器将激光触发信号通过光电转换至触发使能信号，将触发使能信号传输至所述调制中央处理器；
[0084]
所述调制中央处理器根据触发使能信号确认通信请求；所述调制中央处理器将待调制信息按照数字进制转换方法转换为多进制编码，对照存储于所述调制中央处理器的多进制对应的相位控制电压对照表得到相位控制电压指令，所述调制中央处理器将相位控制电压指令分别传输至所述的第一相位调制单元、第二相位调制单元；
[0085]
所述激光器发射激光载波分别至所述的第一相位调制单元、第二相位调制单元；
[0086]
所述第一相位调制单元根据接收的相位控制电压指令通过电路控制方法产生电压指令所要求的电压，根据电压指令所要求的电压控制内部相位控制光学元件使激光载波e光偏振分量产生第一相位调制单元相位延迟，激光载波o光偏振分量不产生相位延迟，得到第一调制激光信号；将第一调制激光信号传输至所述第一定向反射器；
[0087]
所述第二相位调制单元根据接收的相位控制电压指令通过电路控制方法产生电压指令所要求的电压，根据电压指令所要求的电压控制内部相位控制光学元件使激光载波
e光偏振分量产生第二相位调制单元相位延迟，激光载波o光偏振分量不产生相位延迟，得到第二调制激光信号；将第二调制激光信号传输至所述第二定向反射器；
[0088]
所述第一定向反射器将第一调制激光信号通过定向反射得到第一定向反射激光信号，第一定向反射激光信号分别射向所述的第一线偏振片、所述第二线偏振片；
[0089]
所述第二定向反射器将第二调制激光信号通过定向反射得到第二定向反射激光信号，第二定向反射激光信号分别射向所述的第一线偏振片、所述第二线偏振片；
[0090]
所述第一线偏振片滤除第一定向反射激光的o光偏振分量和第二定向反射激光的o光偏振分量，保留第一定向反射激光的e光偏振分量与第二定向反射激光的e光偏振分量，合成为第一激光信号传输至所述第一解调光电探测器；
[0091]
所述第二线偏振片滤除第一定向反射激光的e光偏振分量和第二定向反射激光的e光偏振分量，保留第一定向反射激光的o光偏振分量与第二定向反射激光的o光偏振分量，合成为第二激光信号传输至所述第二解调光电探测器；
[0092]
所述第一解调光电探测器将滤波后第一激光信号转换为第一激光模拟电压信号，并将第一激光模拟电压信号传输给所述解调中央处理器；
[0093]
所述第二解调光电探测器将滤波后第二激光信号转换为第二激光模拟电压信号，并将第二激光模拟电压信号传输给所述解调中央处理器；
[0094]
所述解调中央处理器根据第一激光模拟电压信号、第二激光模拟电压信号通过相干解调方法求解出所述的第一相位调制单元和所述的第二相位调制单元产生的相位延迟之间的差值，通过与多进制对应的相位控制电压对照表对照，解算出所述调制中央处理器所传递的待调制信息。
[0095]
所述相干解调方法流程为：
[0096]
步骤1：解调中央处理器构建若所述第一调制单元和所述第二调制单元均产生电压时，得到的第一激光信号的光强度模型，构建若所述第一调制单元和所述第二调制单元均不产生电压时，得到的零电压第一激光信号的光强度模型，进一步构建第二激光的信号光强度模型，结合第一激光信号的光强度模型、零电压第一激光信号的光强度模型、第二激光的信号光强度模型构建综合光强度模型；
[0097]
步骤1所述第一激光信号的光强度模型为：
[0098][0099]
式中，a为激光在e光偏振方向上的光强，m为光在传输过程中的衰减率，l1为第一定向反射激光的光程，l2为第二定向反射激光的光程，ie为若所述第一调制单元和所述第二调制单元均产生电压时第一激光信号的光强度；
[0100]
为第一相位调制单元相位延迟，具体定义如下：
[0101][0102]
其中，λ为激光波长，n
′
e1
为第一相位控制光学元件加载电压指令所要求的电压后对e光偏振分量的折射率，d1为第一相位调制单元中相位控制光学元件光路长度；
[0103]
为第二相位调制单元相位延迟，具体定义如下：
[0104][0105]
其中，n
′
e2
为第二相位控制光学元件加载电压指令所要求的电压后对e光偏振分量的折射率，d2为第二相位调制单元中相位控制光学元件光路长度；
[0106]
步骤1所述零电压第一激光信号的光强度模型为：
[0107][0108]
式中，ne为第一、第二相位控制光学元件对e光偏振分量的折射率，i
e0
为若所述第一调制单元和所述第二调制单元均不产生电压时第一激光信号的光强度；
[0109]
步骤1所述第二激光信号的光强度模型为：
[0110][0111]
式中，b为激光在o光偏振方向上的光强。
[0112]
所述的a＝1、b＝1、λ＝1.5μm、ne＝1.69、no＝1.52、d1＝8.6mm、d2＝8.6mm均为已知数值；
[0113]
步骤1所述构建综合光强度模型为：
[0114]
将a、b、λ、ne、no、d1、d2分别对应代入ie、i
e0
、ie表达式相应位置，建立综合光强度模型，步骤1所述综合光强度模型为：
[0115][0116][0117][0118]
步骤2：解调中央处理器通过数值计算的方法，以m、l
1-l2、为未知数，求解综合光强度模型，得到的数值解；
[0119]
步骤3：解调中央处理器将步骤2所述的的数值解与存储于解调中央处理器的多进制对应的相位控制电压对照表对照，解出所述调制中央处理器所编码的待调制信息。
[0120]
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0121]
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。