一种激光通信湍流信道补偿系统和方法

1.本发明涉及激光通信技术领域，具体涉及一种激光通信湍流信道补偿系统和方法。


背景技术：

2.激光通信相比于传统的微波通信，具有带宽高、束散角小、抗电磁干扰等特点，由于激光通信具有更高的传输速率，更好的通信保密性等优势。因此激光通信被广泛的应用于通信领域中。
3.激光在自由空间中传输，由于自由空间中大气一直处于运动状态，因此需要考虑大气湍流的影响，大气湍流主要会造成两方面的影响：一是由于大气折射率的随机起伏而引起的接收光强的随机起伏，被称作光强闪烁效应；二是由于接收处的光斑中心发生的随机偏移，被称作光束漂移效应，因此大气湍流会在指向抖动基础上进一步影响激光信号的传输。在空间激光通信系统中，当光束穿过大气层时，接收端的信号光强将发生随机变化，从而对整个系统的通信性能造成较大的影响。
4.空间激光通信在大气中传输过程中受到湍流的扰动会产生光斑畸变、光强起伏，导致接收功率抖动、通信系统误码率增加。现有技术中通常通过增加发射光功率，这样可抑制部分湍流对通信链路的影响，然而当激光功率较强时，探测器将饱和甚至发生不可逆的损伤。此外，随着链路距离的增加，激光束散角在湍流信道传输后呈几何扩展增加，通信链路进性能将进一步恶化。采用激光束散角调控方法可在动态补偿湍流信道扰动的同时控制接收端探测器的输入功率，进而提高湍流信道条件下激光通信系统的稳定性。目前控制激光束散角的方法大多采用机械结构改变透镜组焦距，操作繁琐、响应时间慢且需要掌握每个透镜焦距的参数改变透镜间的相对距离，导致束散角控制系统体积重量难以压缩，无法与现有激光通信端机有效结合。
5.上述问题是目前亟待解决的。


技术实现要素：

6.本发明要克服现有技术的上述至少一个缺点，一方面，提供了一种激光通信湍流信道补偿系统，所述系统包括：接收光学系统、液晶波片、波控器、液晶光调制器、分光棱镜、相机、通信接收机以及计算机；所述接收光学系统用于将接收到的载波光信号发送至液晶波片；所述波控器用于控制所述液晶波片改变所述载波光信号的偏振态；所述液晶波片用于将所述载波光信号发送至所述液晶光调制器；所述液晶光调制器用于改变所述载波光信号的波前相位分布；所述分光棱镜用于接收所述液晶光调制器发送的载波光信号并将其分成两部分分别发送至所述相机和所述通信接收机；所述相机用于将所述载波光信号发送至所述计算机；所述通信接收机用于将所述载波光信号发送至所述计算机；所述计算机用于控制所述波控器和所述液晶光调制器修正所述载波光信号的数据参数。
7.可选的，所述接收光学系统还用于：经过湍流信道传输的载波光信号通过所述接
收光学系统汇聚至所述液晶波片上。
8.可选的，所述波控器还用于：控制所述液晶波片改变所述载波光信号的偏振态与所述液晶光调制器的偏振态相匹配。
9.可选的，所述液晶光调制器还用于：基于所述计算机控制所述液晶光调制器改变所述载波光信号的波前相位分布。
10.可选的，所述分光棱镜还用于：将所述载波光信号分别投射至所述相机的靶面上和所述通信接收机的探测器上。
11.可选的，所述相机还用于：将基于所述载波光信号探测到的光斑图像发送至所述计算机中。
12.可选的，所述通信接收机还用于：所述通信接收机对所述载波光信号进行解调，同时探测接收所述载波光信号的光功率和功率抖动，发送至所述计算机。
13.可选的，所述载波光信号的数据参数包括：所述数据参数包括光斑的尺寸、畸变、激光束散角、平均光功率和功率抖动方差中的一种或其组合。
14.可选的，所述计算机还用于：通过解析所述相机和所述通信接收机发送的数据后，生成驱动信号分别控制所述波控器和液晶光调制器。
15.另一方面，本发明还提供了一种激光通信湍流信道补偿方法，所述方法包括：接收光学系统将接收到的载波光信号发送至液晶波片；波控器控制所述液晶波片改变所述载波光信号的偏振态；液晶波片将所述载波光信号发送至所述液晶光调制器；液晶光调制器改变所述载波光信号的波前相位分布；分光棱镜接收所述液晶光调制器发送的载波光信号并将其分成两部分分别发送至所述相机和所述通信接收机；相机将所述载波光信号发送至所述计算机；通信接收机将所述载波光信号发送至所述计算机；计算机控制所述波控器和所述液晶光调制器修正所述载波光信号的数据参数。
16.本发明的有益效果是：本发明提供一种激光通信湍流信道补偿系统，包括：接收光学系统、液晶波片、波控器、液晶光调制器、分光棱镜、相机、通信接收机以及计算机；所述接收光学系统用于将接收到的载波光信号发送至液晶波片；所述波控器用于控制所述液晶波片改变所述载波光信号的偏振态；所述液晶波片用于将所述载波光信号发送至所述液晶光调制器；所述液晶光调制器用于改变所述载波光信号的波前相位分布；所述分光棱镜用于接收所述液晶光调制器发送的载波光信号并将其分成两部分分别发送至所述相机和所述通信接收机；所述相机用于将所述载波光信号发送至所述计算机；所述通信接收机用于将所述载波光信号发送至所述计算机；所述计算机用于控制所述波控器和所述液晶光调制器修正所述载波光信号的数据参数。可动态灵活反馈激光信号空域和时域的扰动，同时补偿湍流信道产生的光斑畸变、降低接收功率抖动，从而提高激光通信链路在湍流信道中传输的稳定性，降低通信系统误码率，并且可广泛应用于地-地、星-地等大气激光通信系统中。
附图说明
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
18.图1是本发明实施例所提供的一种激光通信湍流信道补偿系统结构图。
19.图2是本发明一个实施例所述的灰度图示意图。
20.图3是本发明实施例所提供的一种激光通信湍流信道补偿方法流程图。
21.附图标记如下：
22.接收光学系统-1；
23.液晶波片-2；
24.波控器-3；
25.液晶光调制器-4；
26.分光棱镜-5；
27.相机-6；
28.通信接收机-7；
29.计算机-8。
具体实施方式
30.在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
31.应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。
32.现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
33.实施例1
34.请参阅图1，本发明实施例所提供的一种激光通信湍流信道补偿系统，所述系统包括：接收光学系统1、液晶波片2、波控器3、液晶光调制器4、分光棱镜5、相机6、通信接收机7以及计算机8。
35.为了便于理解，本发明的总体发明构思为：接收光学系统1接收到的载波光信号进入到液晶波片2，波控器3控制液晶波片2改变载波光信号的偏振态，入射到液晶光调制器4上；经过液晶波片2的光束偏振态与液晶光调制器4偏振态选择相匹配，通过计算机8控制液晶调制器4改变光束的波前相位分布，进而改变光束的束散角，进一步的补偿湍流信道引入的畸变后入射到分光棱镜5；分光棱镜5将光束分成两部分，一部分送入相机6中，另一部分入射到通信接收机7中；相机6将探测到的光斑图像传送到计算机8中，计算光斑的尺寸和束散角，作为驱动信号动态修改液晶光调制器4的参数，动态改变激光束散角；通信接收机7对接收到的载波光信号进行解调，同时探测接收光信号的功率，反馈给计算机8，计算机8将功率反馈作为驱动信号控制波控器3，调控入射光功率。通过偏振态调控入社功率。
36.具体实施方式如下：
37.作为示例，所述接收光学系统1用于将接收到的载波光信号发送至液晶波片2。
38.可选的，经过湍流信道传输的载波光信号通过所述接收光学系统1汇聚至所述液
晶波片2上。其中，液晶波片2选用镀有c波段增透膜、延迟量50nm～λ/2的液晶延迟器。
39.需要说明的是，液晶波片的选择在此处不作限制，相关技术人员可以基于实际需求选择不同规格的液晶波片。
40.作为示例，所述波控器3用于控制所述液晶波片2改变所述载波光信号的偏振态。
41.可选的，波控器3控制所述液晶波片2改变所述载波光信号的偏振态与所述液晶光调制器4的偏振态相匹配。
42.可选的，波控器3预先为液晶波片2设置一个与液晶光调制器4的偏振态相匹配的偏振态，该载波光信号的偏振态并非是最终的偏振态，而使作为一个初始值，经过后续的相应处理会对该初始值进行不断的修正，以使得最后修正好的载波光信号的偏振态能够更好的满足需求。其中，波控器选用输出电压
±ꢀ
10v、输出电流15ma、基频2khz的电压控制器。
43.需要说明的是，波控器的选择在此处不作限制，相关技术人员可以基于实际需求选择不同规格的波控器。
44.作为示例，所述液晶波片2用于将所述载波光信号发送至所述液晶光调制器4。
45.可选的，液晶光调制器4适用波段为近红外波段、帧频大于1khz。
46.作为示例，所述液晶光调制器4用于改变所述载波光信号的波前相位分布。
47.可选的，所述计算机8控制所述液晶光调制器4改变所述载波光信号的波前相位分布。
48.可选的，计算机8预先通过控制液晶光调制器4改变该液晶光调制器4接收到的液晶波片2发送的载波光信号的波前相位分布，进而改变光束的束散角，进一步的补偿湍流信道引入的畸变。计算机8在此处通过控制液晶光调制器4 改变的载波光信号的波前相位分布并非是最终的结果，此处只是为载波光信号的波前相位分布进行的初步变化，基于后续的操作还会对该波前相位分布进行不断的自动修正，以使得最后修正的波前相位分布满足需求。
49.作为示例，所述分光棱镜5用于接收所述液晶光调制器4发送的载波光信号并将其分成两部分分别发送至所述相机6和所述通信接收机7。
50.可选的，所述分光棱镜5将所述载波光信号分别投射至所述相机6的靶面上和所述通信接收机7的探测器上。
51.可选的，分光棱镜的分光比可以为5：99，通信接收机探测器靶面直径可以选为50μm。
52.作为示例，所述相机6用于将所述载波光信号发送至所述计算机8。
53.可选的，所述相机6将基于所述载波光信号探测到的光斑图像发送至所述计算机8中。
54.可选的，机6将基于所述载波光信号探测得到光斑的空间分布后，将其发送至所述计算机8中。
55.作为示例，所述通信接收机7用于将所述载波光信号发送至所述计算机8。
56.可选的，所述通信接收机7对所述载波光信号进行解调，同时探测接收所述载波光信号的光功率和功率抖动，发送至所述计算机。
57.作为示例，所述计算机用于控制所述波控器和所述液晶光调制器修正所述载波光信号的数据参数。
58.可选的，所述数据参数包括光斑的尺寸、畸变、激光束散角、平均光功率和功率抖动方差中的一种或其组合。
59.可选的，所述计算机8通过解析所述相机6和所述通信接收机7发送的数据后，生成驱动信号分别控制所述波控器3和液晶光调制器4。
60.可选的，相机6将探测到的光斑图像传送到计算机8中，计算光斑的尺寸和束散角，作为驱动信号动态修改液晶光调制器4的参数，动态改变激光束散角。如图2所示，为计算机发送给液晶光调制器4的灰度图，具体地，计算机将一个灰度图给液晶光调制器4,液晶光调制器4基于接收到的灰度图进行计算，进而基于计算结果改变载波光信号的波前相位分布。波前相位分布改变了就会导致光束的束散角也改变，进一步的就会补偿湍流信道引入的畸变。
61.可选的，通信接收机7对接收到的载波光信号进行解调，同时探测接收光信号的功率，如光功率和功率抖动，反馈给计算机8，计算机8解析后，计算平均功率和功率抖动方差，作为驱动信号控制波控器3，动态调整液晶波片2的相位延迟量，抑制湍流信道引入的功率抖动。
62.上述方法在载波光信号经过大气传输后，到达接收端的相机和通信接收机，通过相机光斑形状反馈至液晶调制器改变光束波前相位，矫正湍流信道产生的光斑畸变；通过通信接收机的功率反馈控制液晶波片，抑制湍流信道产生的功率抖动。进而可动态灵活反馈激光信号空域和时域的扰动，同时补偿湍流信道产生的光斑畸变、降低接收功率抖动，从而提高激光通信链路在湍流信道中传输的稳定性，降低通信系统误码率，并且可广泛应用于地-地、星-地等大气激光通信系统中。
63.实施例2
64.请参阅图3，本实施例提供了一种激光通信湍流信道补偿方法，所述方法包括：
65.s310：接收光学系统将接收到的载波光信号发送至液晶波片。
66.作为示例，所述接收光学系统将接收到的载波光信号发送至液晶波片包括：经过湍流信道传输的载波光信号通过接收光学系统汇聚至液晶波片上。
67.s320：波控器控制所述液晶波片改变所述载波光信号的偏振态。
68.作为示例，所述波控器控制所述液晶波片改变所述载波光信号的偏振态包括：控制液晶波片改变载波光信号的偏振态以使其与液晶光调制器的偏振态相匹配。
69.s330：液晶波片将所述载波光信号发送至所述液晶光调制器。
70.作为示例，所述液晶波片将所述载波光信号发送至所述液晶光调制器包括：液晶波片将经过波控器控制后的载波光信号发送至所述液晶光调制器。
71.s340：液晶光调制器改变所述载波光信号的波前相位分布。
72.作为示例，所述液晶光调制器改变所述载波光信号的波前相位分布包括：所述计算机控制所述液晶光调制器改变所述载波光信号的波前相位分布。
73.s350：分光棱镜接收所述液晶光调制器发送的载波光信号并将其分成两部分分别发送至所述相机和所述通信接收机。
74.作为示例，所述分光棱镜接收所述液晶光调制器发送的载波光信号并将其分成两部分分别发送至所述相机和所述通信接收机包括：所述分光棱镜将所述载波光信号分别投射至所述相机的靶面上和所述通信接收机的探测器上。
75.s360：相机将所述载波光信号发送至所述计算机。
76.作为示例，所述相机将所述载波光信号发送至所述计算机包括：所述相机将基于所述载波光信号探测到的光斑图像发送至所述计算机中。
77.s370：通信接收机将所述载波光信号发送至所述计算机。
78.作为示例，所述通信接收机将所述载波光信号发送至所述计算机包括：所述通信接收机对所述载波光信号进行解调，同时探测接收所述载波光信号的光功率和功率抖动，发送至所述计算机。
79.s380：计算机控制所述波控器和所述液晶光调制器修正所述载波光信号的数据参数。
80.作为示例，所述计算机控制所述波控器和所述液晶光调制器修正所述载波光信号的数据参数包括：所述计算机通过解析所述相机和所述通信接收机发送的数据后，生成驱动信号分别控制所述波控器和液晶光调制器。其中，所述数据参数包括光斑的尺寸、畸变、激光束散角、平均光功率和功率抖动方差中的一种或其组合。
81.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。