[发明专利]基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及自由空间光通信领域，特别涉及一种基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统及方法。

背景技术

自由空间光通信以大气作为传输媒介来进行光信号的传送，它结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，与激光通信相比，自由空间光通信使用的激光频率高，方向性强，可用的频谱宽，无需申请频率使用许可；与光纤通信相比，自由空间光通信造价低，施工简便、迅速。美国是世界上发展空间光通信最早的国家，主要研究部门有美国宇航局（NASA）和美国空军（AirForce）等。NASA早在上世纪70年代初进行二氧化碳激光器和Nd YAG激光器空间通信系统的研究，主要用于高码率的低轨卫星间光链路和低码率的深空光中继。欧洲空间局也进行了星间激光通信系统，与1989年开始实施半导体激光通信链路实验SILEX，建立和测试星际激光通信系统。

现有技术中的自由空间光通信系统也存在着以下缺点：

1）传输距离有限。自由空间光通信是一种视距技术，传输距离与信号质量的矛盾突出。

2）传输质量受大气的影响严重。

3）对准困难。

4）人眼的安全问题限制了激光的发射功率。

5）采样冗余。

6）孔径受到激光束斑大小的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的自由空间光通信系统中采样冗余、孔径大小受限等缺陷，从而提供一种基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于压缩感知与稀疏孔径的自由空间光通信系统，包括稀疏孔径单元、自由空间准直单元、光束变换单元、束斑合成透镜13、空间光调制器映射透镜14、第七反射镜15、空间光调制器模块、会聚收光单元、点探测器、加法器19和计算模块20；其中，所述稀疏孔径单元包括至少三个子望远镜透镜，所述自由空间准直单元包括至少三个准直透镜，所述光束变换单元包括至少三个反射镜组；

所述一子望远镜透镜、一准直透镜、一反射镜组形成一条光路，各条光路上入射的光信号分别投射到所述束斑合成透镜13上，该透镜用于实现稀疏孔径直接成像，然后通过所述空间光调制器映射透镜14、第七反射镜15将所述稀疏孔径直接成像映射到所述空间光调制器模块，所述空间光调制器模块根据随机光学调制矩阵对稀疏孔径成像光场做随机调制，随机调制后的光经由会聚收光单元收集，再由点探测器采集，并将采集到的光信号转换成有效电信号；所述加法器19对所得到的各路电信号进行计算，将计算结果输入到所述计算模块20；上述过程重复多次后，所述计算模块20利用压缩感知理论重建经扰动退化后的点扩散函数，实现点对点的自由空间光通信。

上述技术方案中，所述空间光调制器模块包括级联式结构与非级联式结构；其中，

所述非级联式结构中只包含一个空间光调制器，该唯一的空间光调制器位于所述空间光调制器映射透镜14的焦平面上，在这一唯一的空间光调制器上加载二值随机测量矩阵以实现对自由空间光的随机光强调制；

所述级联式结构中包含2ⁿ-1个空间光调制器，其中的n表示级联的层数，n≥2；每一层上包含有2^n-1个空间光调制器；其中，第一层的空间光调制器位于所述空间光调制器映射透镜14的焦平面上，第n层中的相应两个空间光调制器位于第n-1层中与其首尾相接的一个空间光调制器的两个反射方向上。

上述技术方案中，在所述的非级联式结构中，所述的空间光调制器模块只包含一个空间光调制器，所述的会聚收光单元、点探测器各有两个，所述的两个会聚收光单元分别位于该唯一的空间光调制器的两路反射方向上；所述两个点探测器分别位于所述两个会聚收光单元之后，所述两个点探测器分别与所述加法器19输入端的正负极相连。

上述技术方案中，在一所述的级联式结构中，所述空间光调制器模块包括第一空间光调制器16-1、第二空间光调制器16-2、第三空间光调制器16-3；所述会聚收光单元包括第一会聚收光单元17-1、第二会聚收光单元17-2、第三会聚收光单元17-3、第四会聚收光单元17-4；所述点探测器包括第一点探测器18-1、第二点探测器18-2、第三点探测器18-3、第四点探测器18-4；