本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光子燈籠的相干接收系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

空間光通信技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)，具有兩方面優(yōu)勢(shì)，一是保密性強(qiáng)，只有在光束傳播的直線上，信息才能被截獲；二是頻譜范圍大，帶寬資源豐富，無(wú)需經(jīng)過(guò)授權(quán)就可以使用。空間光通信技術(shù)在衛(wèi)星寬帶數(shù)據(jù)傳輸、軍事保密通聯(lián)、空中交通管制和網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫覆蓋等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。通信質(zhì)量是空間光通信技術(shù)的研究重點(diǎn)，大氣干擾效應(yīng)會(huì)使光信號(hào)的功率和相位產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，其中湍流大氣會(huì)導(dǎo)致激光出現(xiàn)光束漂移、擴(kuò)展，影響光束耦合,使得光束無(wú)法順利耦合入光纖中,光束中的各個(gè)模式也無(wú)法被分集接收,從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠的通信。

針對(duì)大氣干擾效應(yīng)中的湍流大氣對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的影響，為了提高湍流條件下自由空間光到單模光纖的耦合效率，以及提高空間光通信相干接收性能，現(xiàn)有技術(shù)采用基于單路耦合的相干接收方法，采用多種途徑提高空間光到單模光纖的耦合效率，通常采用單模光纖和多模光纖。單模光纖只能接收單一模式的光信號(hào)，并將接收到的單一模式光信號(hào)傳輸給相干接收機(jī)，對(duì)于單模光信號(hào)而言，相干接收機(jī)易于實(shí)現(xiàn)高效相干接收，但單模光纖的芯徑太小，強(qiáng)湍流大氣下，光的耦合效率低；采用多模光纖相干接收時(shí)，多模光纖的芯徑大，強(qiáng)湍流大氣下，耦合效率較高，但是多模光纖輸出光的模式包括多模光信號(hào)、少模光信號(hào)、單模光信號(hào)、模式混雜，相干接收機(jī)對(duì)多種模式混雜的光信號(hào)難以實(shí)現(xiàn)單模光信號(hào)的相干接收。

綜上，基于單路耦合的接收方法無(wú)法同時(shí)提高湍流條件下自由空間光的耦合效率和空間光通信相干接收性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種基于光子燈籠的相干接收系統(tǒng)及方法，通過(guò)引入光子燈籠，將多個(gè)模式的光輸出為多路的單模光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)在湍流條件下,既能提高空間光的耦合效率，又能實(shí)現(xiàn)多種模式混雜時(shí)的相干接收。具體技術(shù)方案如下：

為達(dá)到上述目的，第一方面，本發(fā)明提供了一種基于光子燈籠的相干接收系統(tǒng)，包括：接收天線、光子燈籠、相干接收機(jī)：

所述接收天線，用于接收自由空間光，將所述自由空間光進(jìn)行耦合；

所述光子燈籠，用于接收耦合后的自由空間光，將所述耦合后的自由空間光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)，并傳輸所述多路單模光信號(hào)；

所述相干接收機(jī)，用于接收所述多路單模光信號(hào)，將所述多路單模光信號(hào)進(jìn)行相干合路，得到一路光信號(hào)。

所述接收天線包括：耦合透鏡，用于將所述自由空間光進(jìn)行耦合。

所述光子燈籠，具體用于將所述耦合后的自由空間光中的多種模式光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)。

所述相干接收機(jī)，具體用于將所述多路單模光信號(hào)依次進(jìn)行相干混頻、平衡接收、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理。

第二方面，本發(fā)明還提供了一種基于光子燈籠的相干接收方法，應(yīng)用于如上所述的基于光子燈籠的相干接收系統(tǒng)，所述方法包括：

接收天線接收自由空間光，將所述自由空間光進(jìn)行耦合；

光子燈籠接收耦合后的自由空間光，將所述耦合后的自由空間光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)，并傳輸所述多路單模光信號(hào)；

相干接收機(jī)接收所述多路單模光信號(hào)，將所述多路單模光信號(hào)實(shí)現(xiàn)相干合路，得到一路光信號(hào)。

所述將所述自由空間光進(jìn)行耦合，包括：所述自由空間光通過(guò)耦合透鏡進(jìn)行耦合。

所述光子燈籠，將所述耦合后的自由空間光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)，包括：將所述耦合后的自由空間光中的多種模式光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)。

所述相干接收機(jī)接收所述多路單模光信號(hào)之后，所述方法包括：將所述多路單模光信號(hào)依次進(jìn)行相干混頻、平衡接收、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于光子燈籠的相干接收系統(tǒng)及方法，通過(guò)引入光子燈籠，將多個(gè)模式的光輸出為多路的單模光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)在湍流條件下,既能提高空間光的耦合效率，又能實(shí)現(xiàn)多種模式混雜時(shí)的相干接收。當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品或方法必不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中應(yīng)用光子燈籠的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的相干接收機(jī)對(duì)于一路光信號(hào)單位接收處理框圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例對(duì)于多路單模光信號(hào)的相干接收框圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的一種整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于光子燈籠的相干接收方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

空間光通信技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)，具有兩方面優(yōu)勢(shì)，一是保密性強(qiáng)，只有在光束傳播的直線上，信息才能被截獲；二是頻譜范圍大，帶寬資源豐富，無(wú)需經(jīng)過(guò)授權(quán)就可以使用?？臻g光通信技術(shù)在衛(wèi)星寬帶數(shù)據(jù)傳輸、軍事保密通聯(lián)、空中交通管制和網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫覆蓋等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。通信質(zhì)量是空間光通信技術(shù)的研究重點(diǎn)，大氣干擾效應(yīng)會(huì)使光信號(hào)的功率和相位產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，其中湍流大氣會(huì)導(dǎo)致激光出現(xiàn)光束漂移、擴(kuò)展，影響光束耦合,使得光束無(wú)法順利耦合入光纖中,光束中的各個(gè)模式也無(wú)法被分集接收,從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠的通信。

針對(duì)大氣干擾效應(yīng)中的湍流大氣對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生的影響，為了提高湍流條件下自由空間光到單模光纖的耦合效率，以及提高空間光通信相干接收性能，現(xiàn)有技術(shù)采用基于單路耦合的相干接收方法，采用多種途徑提高空間光到光纖的耦合效率，通常采用單模光纖和多模光纖。單模光纖只能接收單一模式的光信號(hào)，并將接收到的單一模式光信號(hào)傳輸給相干接收機(jī)，對(duì)于單模光信號(hào)而言，相干接收機(jī)易于實(shí)現(xiàn)高效相干接收，但單模光纖的芯徑太小，強(qiáng)湍流大氣下，光的耦合效率低；采用多模光纖相干接收時(shí)，多模光纖的芯徑大，強(qiáng)湍流大氣下，耦合效率較高，但是多模光纖輸出光的模式包括多模光信號(hào)、少模光信號(hào)、單模光信號(hào)、模式混雜，相干接收機(jī)對(duì)多種模式混雜的光信號(hào)難以實(shí)現(xiàn)單模光信號(hào)的相干接收。所以基于單路耦合的接收方法無(wú)法同時(shí)提高湍流條件下自由空間光的耦合效率和空間光通信相干接收性能。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于光子燈籠的相干接收系統(tǒng)，以下分別進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

第一方面，本發(fā)明提供了一種基于光子燈籠的相干接收系統(tǒng)，圖1為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)包括：接收天線101、光子燈籠102、相干接收機(jī)103；其中，

接收天線101，用于接收自由空間光，將自由空間光進(jìn)行耦合；

自由空間光通信，是以大氣為介質(zhì),以激光為載波來(lái)傳輸信息的通信方式。對(duì)于光信號(hào)接收端的接收天線，應(yīng)該盡可能多的接收包含目標(biāo)信號(hào)在內(nèi)的自由空間光，然后將自由空間光耦合到濾波器或者其他光信號(hào)處理端。本發(fā)明實(shí)施例中的接收天線101的作用就是接收自由空間光，并將自由空間光耦合。自由空間光中含有多種模式的光，耦合后的自由空間光仍然含有多種模式。

光子燈籠102，用于接收耦合后的自由空間光，將耦合后的自由空間光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)，并傳輸多路單模光信號(hào)；

光子燈籠102是一種光學(xué)器件，是將多根單模光纖緊密對(duì)稱的分布在折射率略低于光纖包層的玻璃套管里，然后對(duì)整個(gè)套管進(jìn)行拉錐處理得到的器件。該器件可以實(shí)現(xiàn)將多個(gè)模式的光輸出為多個(gè)單模光。

本發(fā)明實(shí)施例中光子燈籠102接收由接收天線101耦合后的自由空間光，由于光子燈籠102器件的功能，耦合后的自由空間光仍然含有多種模式，光子燈籠102會(huì)將耦合后的自由空間光中的多種模式，輸出為多路單模光信號(hào)。光子燈籠102的輸出端連接有多根單模光纖，多路單模光信號(hào)通過(guò)多根單模光纖傳輸。

使用光子燈籠102進(jìn)行模式耦合，可以提高光的耦合效率，不同于傳統(tǒng)的利用單模光纖進(jìn)行耦合，光子燈籠102可以進(jìn)一步提高中強(qiáng)湍流條件下的空間光通信系統(tǒng)的傳輸距離和通信容量，有利于后續(xù)實(shí)現(xiàn)光的相干接收。

相干接收機(jī)103，用于接收多路單模光信號(hào)，將多路單模光信號(hào)進(jìn)行相干合路，得到一路光信號(hào)。

相干接收機(jī)103是一種相干接收設(shè)備，它的工作原理是利用載波相位信息去檢測(cè)并接收信號(hào)。本發(fā)明實(shí)施例中的相干接收機(jī)103由多個(gè)器件組成，每個(gè)單模光纖接收端都有一個(gè)相干接收設(shè)備。光子燈籠102的輸出端為多路單模光纖，對(duì)于光子燈籠102輸出的每一路單模光信號(hào)都進(jìn)行相干接收處理，將多路單模光信號(hào)進(jìn)行合路，得到一路光信號(hào)，這一路光信號(hào)就是有效信號(hào)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于光子燈籠102的相干接收系統(tǒng)，通過(guò)引入光子燈籠102，可以實(shí)現(xiàn)將多個(gè)模式的光輸出為多路的單模光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)在湍流條件下，提高空間光的耦合效率，對(duì)于光子燈籠102輸出的每一路單模光信號(hào)，相干接收機(jī)103都能進(jìn)行相干接收處理，能實(shí)現(xiàn)多種模式混雜時(shí)的相干接收。

具體的，接收天線101包括：耦合透鏡，用于將自由空間光進(jìn)行耦合；

在光學(xué)上，接收天線101也可以是一個(gè)耦合透鏡，耦合透鏡可以將自由空間光聚焦到光纖內(nèi)。使用耦合透鏡將自由空間光耦合到光子燈籠的多模端，可以提高會(huì)聚效果，使自由空間光耦合得更精準(zhǔn)。

具體的，光子燈籠102，用于將耦合后的自由空間光中的多種模式光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中應(yīng)用光子燈籠102的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中少模光纖201，在接收天線101和光子燈籠102的多模輸入端之間連接有少模光纖201，少模光纖201在原理上并不是必需的，但是在實(shí)際情況中，增加這一段少模光纖201便于收集聚焦的光斑，并且利于集成。因?yàn)楣庾訜艋\102作為一個(gè)器件，長(zhǎng)度是有限的，并且不能彎曲，因此在實(shí)際情況中，與光子燈籠102多模端相匹配的少模光纖201是必要的。圖中光子燈籠器件202的輸出端是單模光纖203，并且由多路單模光纖203組成。

由于耦合后的自由空間光中含有多種模式，光子燈籠202可以將耦合后的自由空間光中的多模光纖轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)，對(duì)于其中的單模光纖不具有轉(zhuǎn)換作用，但是可以直接輸出多路單模光信號(hào)，雖然沒(méi)有提高自由空間光到單模光纖203的耦合效率，但是有利于后續(xù)的相干接收，而對(duì)于自由空間光中的多模光纖，光子燈籠202既能提高空間光的耦合效率，又能實(shí)現(xiàn)多種模式混雜時(shí)的相干接收。

具體的，相干接收機(jī)103，用于將多路單模光信號(hào)依次進(jìn)行相干混頻、平衡接收、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理；

參見(jiàn)圖3，圖3為本發(fā)明實(shí)施例相干接收機(jī)103對(duì)于一路光信號(hào)單位接收處理框圖；

經(jīng)過(guò)模式轉(zhuǎn)換后的進(jìn)入多路單模光纖的光信號(hào)分別與本振光分別依次進(jìn)行相干混頻、平衡接收、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。多路光實(shí)時(shí)采樣示波器也可以實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，數(shù)字信號(hào)處理算法可以在計(jì)算機(jī)中離線處理，能夠快速驗(yàn)證算法的可行性。與傳統(tǒng)的單路接收技術(shù)相比，多路接收可支持基于數(shù)字信號(hào)處理的靈活相干合路和信道損傷補(bǔ)償。

以一路光信號(hào)的處理為例，從光子燈籠202單模光纖輸出端輸出的單模信號(hào)，通過(guò)混頻器301，與本地產(chǎn)生的信號(hào)，也就是本振光進(jìn)行混頻，混頻使用較高功率的本振光為信號(hào)光提供增益，保證接收機(jī)獲得較高的靈敏度和足夠的放大量；混頻后再將這路光信號(hào)通過(guò)平衡接收機(jī)302進(jìn)行平衡接收，平衡接收的目的是為了提高接收信號(hào)的質(zhì)量；平衡接收處理之后，為了得到一路數(shù)字信號(hào)，需要將模擬信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器303轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的處理；在轉(zhuǎn)換成一路數(shù)字信號(hào)之后，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器304，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理算法和將該信號(hào)送入相干接收設(shè)備305中進(jìn)行處理，得到一路有效的光信號(hào)，其中包含著我們所需的有效信息。

當(dāng)有多路光信號(hào)時(shí)，參見(jiàn)圖4，圖4為本發(fā)明實(shí)施例對(duì)于多路單模光信號(hào)的相干接收框圖；

如上述對(duì)于一路單模光信號(hào)的處理方法相同，對(duì)于多路單模光信號(hào)分別依次進(jìn)行與本振光相干混頻、平衡接收、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。通過(guò)多個(gè)混頻器402，與本地產(chǎn)生的信號(hào)，也就是本振光進(jìn)行混頻，混頻使用較高功率的本振光為信號(hào)光提供增益，保證接收機(jī)獲得較高的靈敏度和足夠的放大量；混頻后再將這路光信號(hào)通過(guò)多個(gè)平衡接收機(jī)403進(jìn)行平衡接收，平衡接收的目的是為了提高接收信號(hào)的質(zhì)量；平衡接收處理之后，為了得到多路數(shù)字信號(hào)，需要將模擬信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器404轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的處理；在轉(zhuǎn)換成多路數(shù)字信號(hào)之后，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器405，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理算法和將該信號(hào)送入相干接收機(jī)406中進(jìn)行相干處理，得到一路有效的光信號(hào)，其中包含著有效信息。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的一種整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，耦合透鏡501將自由空間光聚焦到少模光纖502內(nèi)，通過(guò)少模光纖502將接收到的光耦合到光子燈籠503的多模端，經(jīng)過(guò)光子燈籠503的輸出端多路單模光纖504輸出多路單模信號(hào)，相干接收機(jī)對(duì)多路單模光纖504進(jìn)行相干接收處理，相干接收處理方法如圖4所示，此處不再贅述。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于光子燈籠102的相干接收系統(tǒng)，通過(guò)引入光子燈籠102，可以實(shí)現(xiàn)將多個(gè)模式的光輸出為多路的單模光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)在湍流條件下，提高空間光的耦合效率，對(duì)于光子燈籠102輸出的每一路單模光信號(hào)，相干接收機(jī)103都能進(jìn)行相干接收處理，能實(shí)現(xiàn)多種模式混雜時(shí)的相干接收。

第二方面，本發(fā)明還提供了一種基于光子燈籠的相干接收方法，應(yīng)用于如上第一方面所述的基于光子燈籠的相干接收系統(tǒng)，包括：

參見(jiàn)圖6，圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于光子燈籠的相干接收方法的流程圖：

步驟601，接收天線101接收自由空間光，將自由空間光進(jìn)行耦合；

步驟602，光子燈籠102接收耦合后的自由空間光，將耦合后的自由空間光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)，并傳輸多路單模光信號(hào)；

步驟603，相干接收機(jī)103接收多路單模光信號(hào)，將多路單模光信號(hào)實(shí)現(xiàn)相干合路，得到一路光信號(hào)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于光子燈籠102的相干接收方法，通過(guò)引入光子燈籠102，可以實(shí)現(xiàn)將多個(gè)模式的光輸出為多路的單模光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)在湍流條件下,提高空間光的耦合效率，對(duì)于光子燈籠102輸出的每一路單模光信號(hào)，相干接收機(jī)103都能進(jìn)行相干接收處理，能實(shí)現(xiàn)多種模式混雜時(shí)的相干接收。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例的方法是應(yīng)用上述系統(tǒng)的方法，則上述系統(tǒng)的所有實(shí)施例均適用于該方法，且均能達(dá)到相同或相似的有益效果。

具體的，將自由空間光進(jìn)行耦合，包括：自由空間光通過(guò)耦合透鏡進(jìn)行耦合。

具體的，光子燈籠，將耦合后的自由空間光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)，包括：將耦合后的自由空間光中的多種模式光轉(zhuǎn)換成多路單模光信號(hào)。

具體的，相干接收機(jī)接收多路單模光信號(hào)之后，包括：將多路單模光信號(hào)依次進(jìn)行相干混頻、平衡接收、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)處理。

需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

本說(shuō)明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用相關(guān)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見(jiàn)即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對(duì)于裝置實(shí)施例而言，由于其基本相似于方法實(shí)施例，所以描述的比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法實(shí)施例的部分說(shuō)明即可。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。