大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和系统

本发明属于大气信道无线激光通信技术领域，涉及一种大气信道通信激光的初始空间 相干度自适应控制方法和系统。

大气信道无线激光通信技术在“最后一公里”接入、局域/城域网扩展、应急指挥通信、 快速通信组网等领域有着广泛的应用前景，是当前通信领域中的一个研究热点。大气湍流 造成激光信号强度起伏，导致链路误码率增加。在大气信道无线激光通信中，使用空间部 分相干光传输信号在一定条件下可以有效地减小大气湍流导致的激光信号强度起伏，提高 通信链路性能。因此降低通信激光的初始空间相干度可以成为抑制无线激光通信中的大气 湍流影响的一条途径。另一方面，通信激光的初始空间相干度的降低也导致光束发散更快， 造成光束横截面上的功率密度降低。因此，对通信激光的初始空间相干度进行自适应最优 控制对提高大气信道无线激光通信链路的性能有着非常重要的意义。

本发明的目的是提供一种大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和系 统，实现对大气信道无线激光通信系统中的通信激光的初始空间相干度的最优控制，以便 减小大气湍流造成的激光信号强度起伏对通信系统性能的影响。

如图1所示，本发明的大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制系统包括收发 共用光学接收天线1、凸透镜2、凸透镜3、半反半透分光片4、凸透镜5、凸透镜6、液 晶空间光调制器7、凸透镜8、光纤9、数据调制与激光信号发射单元10、凸透镜11、雪 崩光电二级管探测器12、低通滤波电路、信号采集卡、DSP数字信号处理器、信号输出卡、 数据判决电路、统计数据提取单元。

接收到的来自对方通信端机的光信号通过收发共用光学接收天线1转换为平行入射光 并入射到凸透镜2上，经凸透镜2变换后的入射光入射到凸透镜3上并被变换为平行入射 光A001，平行入射光A001经半反半透分光片4反射后入射到凸透镜11上，经凸透镜11 变换后的入射光A002入射到雪崩光电二级管探测器12上。

数据调制与激光信号发射单元10输出的发射光被耦合到光纤9的入射端，光纤9的 出射端位于凸透镜8的焦点位置处，凸透镜8将经光纤9传导的发射光变换成平行发射光 A004，平行发射光A004透射过液晶空间光调制器7并入射到凸透镜6上，经凸透镜6变 换后的发射光入射到凸透镜5上并被变换为平行发射光，经凸透镜5变换后的平行发射光 透射过半反半透分光片4并入射到凸透镜3上，经凸透镜3变换后的发射光入射到凸透镜 2上，经凸透镜2变换后的发射光入射到收发共用光学接收天线1上并发送到对方通信端 机。

雪崩光电二级管探测器12对入射光A002进行光电转换，产生的电信号分别传送到数
据判决电路的输入端和低通滤波电路的输入端，经低通滤波电路处理后的信号传送到信号
采集卡的输入端，信号采集卡对输入信号进行模数转换，将数字信号传送给DSP数字信号
处理器，DSP数字信号处理器对输入的数字信号的起伏进行统计，计算出平均值和方差
并传送到数据调制与激光信号发射单元10，由数据调制与激光信号发射单元10将平均值
和方差数据按一定的时间间隔调制到激光信号上，传送给对方通信端机。

数据判决电路输出的数据信号传送给统计数据提取单元，统计数据提取单元从通信数
据中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并传送给DSP数字信号处理器，
DSP数字信号处理器据此生成液晶空间光调制器7的控制信号A003；控制信号A003传送
到信号输出卡的输入端，经信号输出卡进行数模转换后传送到液晶空间光调制器7；液晶
空间光调制器7根据控制信号A003在透射过液晶空间光调制器7的平行发射光A004的波
前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度。

本发明的特征还在于，低通滤波电路将代表传输数据的高频信号滤除，让代表大气湍 流导致的光强起伏的低频信号通过。

本发明的特征还在于，相互通信的两个端机具有相同的结构。

本发明的特征还在于，统计数据提取单元定时地从数据判决电路输出的通信数据序列
中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并存储在数据缓存中。

本发明的特征还在于，DSP数字信号处理器的大气信道通信激光的初始空间相干度自 适应控制方法及工作步骤如下：

Step001：设置ρ为某给定初始值；

Step002：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的
像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随
机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，
κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶
空间光调制器7的像元的宽和长，
F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等
效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为
一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ减去一个给定的步长Δl_c；将二维随机相
位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，
在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step003：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送
来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step004：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的
像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随
机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，
κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶
空间光调制器7的像元的宽和长，
F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等
效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为
一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ加上一个给定的步长Δl_c；将二维随机相
位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，
在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step005：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送
来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step006：如果δ′＜δ，则ρ＝ρ+Δlc，否则ρ＝ρ‑Δlc；

Step007：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的
像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随
机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，
κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶
空间光调制器7的像元的宽和长，
F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等
效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为
一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ；将二维随机相位屏通过信号输出卡
传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004
的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step008：转Step002。

有益效果

本发明提供了一种大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和系统。本发 明能够根据大气信道的具体湍流条件，自适应地控制通信激光的初始空间相干度；在减小 大气湍流导致的激光强度闪烁和提高平均接收光功率之间实现最优折衷。将本发明应用到 地面附近的长距离大气信道无线激光通信系统中，可以大大改善通信系统的性能，扩展无 线激光通信系统的应用范围。

图1为本发明的通信端机结构示意图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明的目的是提供一种大气 信道通信激光的初始空间相干度自适应控制方法和系统，实现对大气信道无线激光通信系 统中的通信激光的初始空间相干度的最优控制，以便减小大气湍流造成的激光信号强度起 伏对通信系统性能的影响。本发明中的液晶空间光调制器7可以选择德国Holoeye公司生 产的高精度纯相位液晶空间光调制器。DSP数字信号处理器可以选择TI公司的C6000 DSP。

如图1所示，本发明的大气信道通信激光的初始空间相干度自适应控制系统包括收发 共用光学接收天线1、凸透镜2、凸透镜3、半反半透分光片4、凸透镜5、凸透镜6、液 晶空间光调制器7、凸透镜8、光纤9、数据调制与激光信号发射单元10、凸透镜11、雪 崩光电二级管探测器12、低通滤波电路、信号采集卡、DSP数字信号处理器、信号输出卡、 数据判决电路、统计数据提取单元。

接收到的来自对方通信端机的光信号通过收发共用光学接收天线1转换为平行入射光 并入射到凸透镜2上，经凸透镜2变换后的入射光入射到凸透镜3上并被变换为平行入射 光A001，平行入射光A001经半反半透分光片4反射后入射到凸透镜11上，经凸透镜11 变换后的入射光A002入射到雪崩光电二级管探测器12上。

数据调制与激光信号发射单元10输出的发射光被耦合到光纤9的入射端，光纤9的 出射端位于凸透镜8的焦点位置处，凸透镜8将经光纤9传导的发射光变换成平行发射光 A004，平行发射光A004透射过液晶空间光调制器7并入射到凸透镜6上，经凸透镜6变 换后的发射光入射到凸透镜5上并被变换为平行发射光，经凸透镜5变换后的平行发射光 透射过半反半透分光片4并入射到凸透镜3上，经凸透镜3变换后的发射光入射到凸透镜 2上，经凸透镜2变换后的发射光入射到收发共用光学接收天线1上并发送到对方通信端 机。

雪崩光电二级管探测器12对入射光A002进行光电转换，产生的电信号分别传送到数
据判决电路的输入端和低通滤波电路的输入端，经低通滤波电路处理后的信号传送到信号
采集卡的输入端，信号采集卡对输入信号进行模数转换，将数字信号传送给DSP数字信号
处理器，DSP数字信号处理器对输入的数字信号的起伏进行统计，计算出平均值和方差
并传送到数据调制与激光信号发射单元10，由数据调制与激光信号发射单元10将平均值
和方差数据按一定的时间间隔调制到激光信号上，传送给对方通信端机。

数据判决电路输出的数据信号传送给统计数据提取单元，统计数据提取单元从通信数
据中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并传送给DSP数字信号处理器，
DSP数字信号处理器据此生成液晶空间光调制器7的控制信号A003；控制信号A003传送
到信号输出卡的输入端，经信号输出卡进行数模转换后传送到液晶空间光调制器7；液晶
空间光调制器7根据控制信号A003在透射过液晶空间光调制器7的平行发射光A004的波
前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度。

本发明的特征还在于，低通滤波电路将代表传输数据的高频信号滤除，让代表大气湍 流导致的光强起伏的低频信号通过。

本发明的特征还在于，相互通信的两个端机具有相同的结构。

本发明的特征还在于，统计数据提取单元定时地从数据判决电路输出的通信数据序列
中提取对方通信端机发送来的平均值和方差数据并存储在数据缓存中。

本发明的特征还在于，DSP数字信号处理器的大气信道通信激光的初始空间相干度自 适应控制方法及工作步骤如下：

Step001：设置ρ为某给定初始值；

Step002：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的
像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随
机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，
κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶
空间光调制器7的像元的宽和长，
F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等
效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为
一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ减去一个给定的步长Δl_c；将二维随机相
位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，
在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step003：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送
来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step004：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的
像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随
机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，
κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶
空间光调制器7的像元的宽和长，
F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等
效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为
一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ加上一个给定的步长Δl_c；将二维随机相
位屏通过信号输出卡传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，
在平行发射光A004的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step005：延迟一个平均值和方差数据发送时间间隔；读取统计数据提取单元传送
来的对方通信端机发送来的平均值和方差数据；计算

Step006：如果δ′＜δ，则ρ＝ρ+Δlc，否则ρ＝ρ‑Δlc；

Step007：产生一个N×N的高斯白噪声二维矩阵R，其中N为液晶空间光调制器7的
像元行数或者列数，液晶空间光调制器7的像元行数和列数相等；按如下公式计算二维随
机相位屏

其中x＝mΔx，y＝nΔy，κ_x＝mΔκ_x，
κ_y＝nΔκ_y，m表示二维矩阵R的行号，n表示二维矩阵R的列号，Δx和Δy分别表示液晶
空间光调制器7的像元的宽和长，
F_S(κ_x，κ_y)＝2πk²ΔzΦ_n(κ_x，κ_y)，k＝2π/λ，λ为通信激光波长，Δz为液晶空间光调制器7的等
效传输厚度，κ＝(κ_x，κ_y)，C表示等效的折射率起伏方差，C为
一个给定的常数，l_c为横向相关长度，且l_c等于ρ；将二维随机相位屏通过信号输出卡
传送到液晶空间光调制器7，作为液晶空间光调制器7的控制信号，在平行发射光A004
的波前上加一个随机相位，改变平行发射光A004的空间相干度；

Step008：转Step002。