[發明專利]海洋湍流條件下基于POV光的模分調制和復用通信方法

有效

• 申請號: 202011635740.4
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112821959B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 王平;王煒;聶元昊;龐維娜;李爽
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B10/80
• 分類號: H04B10/80;H04J14/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發明公開了一種海洋湍流條件下基于POV光的模分調制和復用通信方法，基于ABCD光學系統，建立類POV光在自由空間中的衍射模型，得到POV光的遠場分布表達式；進而得到經海洋湍流擾動的OAM探測概率譜的數學表達式；選定適合于湍流海洋無線光通信的POV光的波參數；擇選適合于模擬POV光在多層相位屏中傳輸的相位功率譜函數和相位屏間隔；計算POV光的瞬時衰減和轉移因子；構建基于POV光的模分調制和信道復用通信模型。該方法將POV光應用于受限于海洋湍流的基于模分調制和信道復用技術的UWOC系統，對比基于傳統渦旋光的UWOC通信系統具有優越的通信性能。

技術領域

本發明屬于水下無線光通信技術領域，具體為一種在海洋湍流作用下，采用光束半徑恒定的POV光束，進行模分調制和信道復用通信的方法。

背景技術

水下無線光通信(Underwater Wireless Optical Communication，UWOC)，是以激光為載波，以海水為傳輸介質實現雙向通信的新型視距傳輸通信技術。由于其頻帶寬，傳輸速度高，抗干擾能力強，保密性強以及體積小等優點而具有實現高速大容量通信的潛力。同時，軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)是渦旋光子的一種屬性，為光波承載信息提供了一個不同于幅度、相位、頻率和載波的新自由度，可以進一步提高UWOC鏈路中的通信系統容量。然而，當攜帶OAM的渦旋光經過海洋，它的波前相位將受損于海洋湍流中的折射率變動，從而影響基于OAM的UWOC系統性能。為了克服這一障礙，科研人員從OAM探測概率的角度入手，研究了多種光源對海洋湍流引起的性能衰退的抗性。如部分相干拉蓋爾高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光、貝塞爾高斯(Bessel-Gaussian，BG)光、厄密特高斯光和洛梅爾高斯光等。這些光束均有一個典型特點：光束半徑隨著拓撲荷(topological charge，TC)的變化而變化。這一性質將對渦旋光在通信中的應用造成諸多限制，而半徑恒定的完美渦旋光(perfect optical vortex，POV)的提出解決了這個難題。

進來年，人們展開了許多針對POV光在自由空間和大氣湍流中的研究。其中，Zhu等用POV光作為載波，結合正交頻分復用技術，傳輸了16進制的正交振幅調制信號。后續工作中，他們將單載波擴展為2條鏈路，實驗驗證了POV在OAM復用(OAM divisionmultiplexing，OAMDM)通信中的可行性。Li等提出了基于POV光的2維OAM鍵控調制(OAMshift keying，OAMSK)方案，驗證了POV在調制通信中的可行性。關于POV光在海洋湍流中研究較少，Karahroudi等在2018年使用POV光作為載波在水缸中傳輸開關調制信號，實驗驗證了POV光在水中傳輸的可行性。

目前的問題在于：基于POV光的海洋無線通信系統，例如模分的OAMDM和OAMSK，尚未見報道。因此，海洋湍流條件下，基于POV光的模分調制和信道復用的通信研究實屬當前十分重要的研究方向。

發明內容

本發明的目的在于建立POV光在湍流影響下的海水中的傳播模型，并基于該模型，分析光學參數對OAM探測概率譜的影響，擇選適合于POV在海洋湍流中傳輸的波參數，進而計算POV光的瞬時衰減和轉移因子，并代入到受限于海洋湍流的UWOC通信系統中，構建適用于POV光的模分調制和信道復用的通信方法。

本發明是通過下述技術方案來實現的。

基于POV光的模分調制與復用的海洋無線光通信系統方法，包括下述步驟：

1)基于ABCD光學系統，建立類POV光在自由空間中的衍射模型，得到POV光的遠場分布表達式；

2)根據POV光的遠場分布表達式，得到經海洋湍流擾動的OAM探測概率譜的數學表達式；根據OAM探測概率譜的計算結果，選定適合于湍流海洋無線光通信的POV光的波參數；