[發明專利]一種基于壓縮感知的自由空間光通信系統及方法

有效

• 申請號: 201310250603.2
• 申請日: 2013-06-21
• 公開（公告）號: CN103326779A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 俞文凱;孫志斌;翟光杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: H04B10/11
• 分類號: H04B10/11
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術領域

本發明涉及自由空間光通信領域，特別涉及一種基于壓縮感知的自由空間光通信系統及方法。

背景技術

自由空間光通信是指通過調制光載體的光強以便在大氣中傳播信息，從而實現點對點的通信。自由空間光是長距離射頻的優選方案，由于光束平行度較好，在通信中具有極大的優勢，接收方為了探測到瞬時的光場信號，僅需在收集透鏡的焦平面處放置光電傳感器即可，這個光電傳感器能將光強信號正比例地轉化為電信號。在該焦平面處光場的光強分布可以用點擴散函數來表示，理想情況下，假設一個光電傳感器能將接收面上的所有光全部收集。由于是自由空間光傳輸，必將受到大氣湍流的影響，如果接收場上兩點之間的距離大于大氣相干長度，則這兩點的相位趨于不相干，這將導致焦平面上的光強分布有隨機的漲落，即收集到的光強將分布有更多的散斑。這個點擴散函數的維度越大，它在焦平面的位置就會越容易產生隨機的偏移，也就意味著小感光面積的光電探測器無法收集到所有的光，必然會有信號丟失。

針對這一問題，現有技術中的一種通常做法是采用大感光面積的探測器，但這樣做的結果是會引入大量背景噪聲，降低接收的性能。還有一種方式是增加探測維度，將點探測器換成面陣探測器來緩解由大氣湍流引起的點擴散函數的退化。目前已經有科學家提出通過主動光補償系統來收集光束的相位信息，判定哪些含有重要的信號能量，哪些沒有，以此來減少噪聲。但這種方法都需要提高探測維度，需要高速的光電探測器和前置放大器，這帶來了昂貴的成本開銷，且造成了大量的信號冗余。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的自由空間光通信系統成本高，具有大量的信號冗余等缺陷，從而提供一種采樣少、成像質量高、成本低、信噪比高、誤碼率低且簡易可靠的自由空間光通信系統與方法。

為了實現上述目的，本發明提供了一種基于壓縮感知的自由空間光通信系統，包括成像透鏡2、空間光調制器模塊、會聚收光單元、點探測器、加法器6以及算法模塊7；其中，

自由空間光1經大氣傳播到空間光調制器模塊上，形成空間光強分布，然后通過在空間光調制器模塊上加載二值隨機測量矩陣以實現隨機光強調制，經過調制后的自由空間光1被分成多路，每一路的自由空間光1依次經所述會聚收光單元聚光、經所述點探測器采集并轉換成電信號；所述加法器6對所得到的各路電信號進行計算，將計算結果輸入到所述算法模塊7，所述算法模塊7利用壓縮感知理論重建經擾動退化后的點擴散函數，實現點對點的自由空間光通信。

上述技術方案中，所述空間光調制器模塊包括級聯式結構與非級聯式結構；其中，

所述非級聯式結構中只包含一個空間光調制器，該唯一的空間光調制器位于所述成像透鏡2的焦平面上，在這一唯一的空間光調制器上加載二值隨機測量矩陣以實現對自由空間光1的隨機光強調制；

所述級聯式結構中包含2ⁿ-1個空間光調制器，其中的n表示級聯的層數，n≥2；每一層上包含有2^n-1個空間光調制器；其中，第一層的空間光調制器位于所述成像透鏡2的焦平面上，第n層中的相應兩個空間光調制器位于第n-1層中與其首尾相接的一個空間光調制器的兩個反射方向上。

上述技術方案中，在所述的非級聯式結構中，所述空間光調制器模塊包括一空間光調制器3；所述會聚收光單元包括第一會聚收光單元4-1、第二會聚收光單元4-2，所述點探測器包括第一點探測器5-1、第二點探測器5-2；其中，

所述第一會聚收光單元4-1、第二會聚收光單元4-2分別位于所述空間光調制器3的兩個反射方向上；所述第一點探測器5-1在所述第一會聚收光單元4-1之后，所述第二點探測器5-2在所述第二會聚收光單元4-2之后；所述第一點探測器5-1、第二點探測器5-2分別與所述加法器6輸入端的正負極相連。

上述技術方案中，在一所述的級聯式結構中，所述空間光調制器模塊包括第一空間光調制器3-1、第二空間光調制器3-2、第三空間光調制器3-3；所述會聚收光單元包括第一會聚收光單元4-1、第二會聚收光單元4-2、第三會聚收光單元4-3、第四會聚收光單元4-4；所述點探測器包括第一點探測器5-1、第二點探測器5-2、第三點探測器5-3、第四點探測器5-4；其中，