[发明专利]基于光束整形的无线光通信系统和方法

说明书

本发明提出了一种基于光束整形的无线光通信系统和方法，在水下光通信系统的光发射模块中引入光束整形单元，对光束进行振幅和或相位调制，改变光场能量分布，可以实现抗干扰、自聚焦的光束传输，提高了光束传输性能，进而提高水下光通信的信噪比。该系统的可移植性和拓展性较强，不仅可以应用于水下环境，在光信号在自由空间等其他环境中也可以显著改善传输性能。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于光束整形的无线光通信系统和方法。

背景技术

海洋占据了地球三分之二的面积，是人类探索和研究的前沿领域之一，水下无线通信在海洋探索中起着重要作用。目前水下无线通信的实现主要有三种技术，分别是水声通信、射频通信和水下光通信。其中水声通信是应用最广泛，由于声波信号在水下衰减较小，可以实现千米级的传输距离，但是声波限制了通信带宽只能达到10kbps量级，难以满足日益增长的水下高密度数据量、高速传输的需要。此外，声波传播速度较慢，导致水声通信链路的延迟很高，以及水声通信还面临安全性、保密性等诸多缺陷，因此水声通信的应用面临一定的限制。射频通信具有较高带宽(可达MHz量级)，同时也具有较低延时，然而射频信号在海水中衰减很高导致其在水下的有效通信距离只能达到数米。相较于前两者，水下光通信由于其高带宽、低延迟、高能效、高保密性等特点吸引了越来越多的关注。虽然海水对激光有一定的吸收导致其传播距离也限制在百米量级，但是也足以满足相当的需求，并且光通信带宽极高，可以实现Gbps量级的水下无线通信，具有极大的发展潜力。

图1展示了一种典型水下光通信系统，包括信号发射端、光发射模块和信号接收端。

信号发射端包括信号发生模块、信号调制生成模块以及光源模块。信号发生模块产生待发送的信号序列；信号调制生成模块以合适的调制方式对信号进行调制，光源模块将调制信号调制到激光光束上发射到后续模块中。

光发射模块包括一系列光学透镜组。光发射模块是通过光学透镜组对激光束进行准直扩束等操作，提高它的有效传输距离。

信号接收端包括光电转换模块和信号解调及处理模块。光电转换模块将外界的光信号转换为电信号，以便下一级模块处理；信号解调及处理模块将接收到的信号进行解调和数据分析。

信号发射端运行流程如下：首先产生信号序列，对其进行信号调制，将信号调制到光源模块上转换成光信号，发射携带调制信号的光束(一般是高斯光束)。

光发射模块运行流程如下：光源输出的光束通过光学透镜组，完成光束准直及扩束，射入信道，进行无线传输。

信号接收端运行流程如下：光电转换模块将接收到的光信号转换为电信号，对转换后的电信号输出到解调解码等信号处理，进而得到传输的数据。

光束从发射端射出，经过光发射模块实现光学调整后射入水中，在水中传输一段距离后由接收端接收信号并进行处理。

现有技术方案一个主要不足在于，在光发射模块中仅采取透镜组等对光束进行扩束准直，没有改变光源发出的光束的基本性质，即存在随着传播距离的增加，光束持续扩散的特性，对于常用的高斯光束来说，当光束传播逐渐远离束腰时，光斑的半径不断地增大，中心范围内的光场能量越来越小，以及其波阵面易受湍流等干扰的影响，导致接收端收到的有效功率很低，因而通信系统的信噪比难以提高，这进而显著限制了通信距离和通信速率的提高。

发明内容

技术问题：

本发明提出了一种针对用于水下光通信系统的光发射模块的光束整形方法，对光束进行调制整形，弥补传统光束的不足，实现更高的传输性能和增加更多的功能。

在传统的光发射模块中，引入一个光束整形功能模块对传输光束的空间相位、幅度等进行调制实现光束整形，进而改善光束传输特性，如抑制光束发散、增强抗干扰能力等，从而提高通信系统的信噪比，进一步提升通信系统性能(传输速率和传输距离)。

技术方案：