[發(fā)明專利]基于光束整形的無線光通信系統(tǒng)和方法

在審

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• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113078955A
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發(fā)明（設計）人: 楊海寧;聶杰文;田蕾
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學
• 主分類號: H04B10/516
• 分類號: H04B10/516;H04B10/54;H04B10/548;H04B13/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 秦秋星

本發(fā)明提出了一種基于光束整形的無線光通信系統(tǒng)和方法，在水下光通信系統(tǒng)的光發(fā)射模塊中引入光束整形單元，對光束進行振幅和或相位調(diào)制，改變光場能量分布，可以實現(xiàn)抗干擾、自聚焦的光束傳輸，提高了光束傳輸性能，進而提高水下光通信的信噪比。該系統(tǒng)的可移植性和拓展性較強，不僅可以應用于水下環(huán)境，在光信號在自由空間等其他環(huán)境中也可以顯著改善傳輸性能。

技術領域

本發(fā)明涉及通信技術領域，尤其涉及一種基于光束整形的無線光通信系統(tǒng)和方法。

背景技術

海洋占據(jù)了地球三分之二的面積，是人類探索和研究的前沿領域之一，水下無線通信在海洋探索中起著重要作用。目前水下無線通信的實現(xiàn)主要有三種技術，分別是水聲通信、射頻通信和水下光通信。其中水聲通信是應用最廣泛，由于聲波信號在水下衰減較小，可以實現(xiàn)千米級的傳輸距離，但是聲波限制了通信帶寬只能達到10kbps量級，難以滿足日益增長的水下高密度數(shù)據(jù)量、高速傳輸?shù)男枰４送猓暡▊鞑ニ俣容^慢，導致水聲通信鏈路的延遲很高，以及水聲通信還面臨安全性、保密性等諸多缺陷，因此水聲通信的應用面臨一定的限制。射頻通信具有較高帶寬(可達MHz量級)，同時也具有較低延時，然而射頻信號在海水中衰減很高導致其在水下的有效通信距離只能達到數(shù)米。相較于前兩者，水下光通信由于其高帶寬、低延遲、高能效、高保密性等特點吸引了越來越多的關注。雖然海水對激光有一定的吸收導致其傳播距離也限制在百米量級，但是也足以滿足相當?shù)男枨螅⑶夜馔ㄐ艓挊O高，可以實現(xiàn)Gbps量級的水下無線通信，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖1展示了一種典型水下光通信系統(tǒng)，包括信號發(fā)射端、光發(fā)射模塊和信號接收端。

信號發(fā)射端包括信號發(fā)生模塊、信號調(diào)制生成模塊以及光源模塊。信號發(fā)生模塊產(chǎn)生待發(fā)送的信號序列；信號調(diào)制生成模塊以合適的調(diào)制方式對信號進行調(diào)制，光源模塊將調(diào)制信號調(diào)制到激光光束上發(fā)射到后續(xù)模塊中。

光發(fā)射模塊包括一系列光學透鏡組。光發(fā)射模塊是通過光學透鏡組對激光束進行準直擴束等操作，提高它的有效傳輸距離。

信號接收端包括光電轉(zhuǎn)換模塊和信號解調(diào)及處理模塊。光電轉(zhuǎn)換模塊將外界的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，以便下一級模塊處理；信號解調(diào)及處理模塊將接收到的信號進行解調(diào)和數(shù)據(jù)分析。

信號發(fā)射端運行流程如下：首先產(chǎn)生信號序列，對其進行信號調(diào)制，將信號調(diào)制到光源模塊上轉(zhuǎn)換成光信號，發(fā)射攜帶調(diào)制信號的光束(一般是高斯光束)。

光發(fā)射模塊運行流程如下：光源輸出的光束通過光學透鏡組，完成光束準直及擴束，射入信道，進行無線傳輸。

信號接收端運行流程如下：光電轉(zhuǎn)換模塊將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，對轉(zhuǎn)換后的電信號輸出到解調(diào)解碼等信號處理，進而得到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

光束從發(fā)射端射出，經(jīng)過光發(fā)射模塊實現(xiàn)光學調(diào)整后射入水中，在水中傳輸一段距離后由接收端接收信號并進行處理。

現(xiàn)有技術方案一個主要不足在于，在光發(fā)射模塊中僅采取透鏡組等對光束進行擴束準直，沒有改變光源發(fā)出的光束的基本性質(zhì)，即存在隨著傳播距離的增加，光束持續(xù)擴散的特性，對于常用的高斯光束來說，當光束傳播逐漸遠離束腰時，光斑的半徑不斷地增大，中心范圍內(nèi)的光場能量越來越小，以及其波陣面易受湍流等干擾的影響，導致接收端收到的有效功率很低，因而通信系統(tǒng)的信噪比難以提高，這進而顯著限制了通信距離和通信速率的提高。

發(fā)明內(nèi)容

技術問題：

本發(fā)明提出了一種針對用于水下光通信系統(tǒng)的光發(fā)射模塊的光束整形方法，對光束進行調(diào)制整形，彌補傳統(tǒng)光束的不足，實現(xiàn)更高的傳輸性能和增加更多的功能。

在傳統(tǒng)的光發(fā)射模塊中，引入一個光束整形功能模塊對傳輸光束的空間相位、幅度等進行調(diào)制實現(xiàn)光束整形，進而改善光束傳輸特性，如抑制光束發(fā)散、增強抗干擾能力等，從而提高通信系統(tǒng)的信噪比，進一步提升通信系統(tǒng)性能(傳輸速率和傳輸距離)。

技術方案：