基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方法.pdf

本发明提供一种基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方法。该方法首先在通信发射终端对激光通信信号进行偏振标记，使其偏振态为左旋圆偏振或右旋圆偏振；然后在通信接收终端对带有偏振标记的光信号进行识别，并剔除接收信号中的背景光噪声。本发明能够有效的去除自由空间激光通信信号中的背景光噪声，并且器件成熟，结构简单，降低了推广难度。

1.  一种基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方法，其特征在于： 包括以下步骤：
1】产生通信光信号；
2】将步骤1】产生的通信光信号的偏振状态转换为线偏振，使得通信光 信号具有线偏振特征；
3】将步骤2】产生的具有线偏振特征的通信光信号转换为具有圆偏振特 征的通信光信号；
4】将具有圆偏振特征的通信光信号发射到自由空间信道中；
5】具有圆偏振特征的通信光信号在自由空间信道中传输；
6】接收具有圆偏振特征的通信光信号；
7】将接收的具有圆偏振特征的通信光信号转换为线偏振特征的通信光信 号；
8】将线偏振特征的通信光信号分离为偏振方向正交的两束光，其中一束 光包含通信光信号和背景噪声光，另一束只包含背景噪声光，且两束光中背 景噪声光的光强相等；
9】对步骤8】分离得到的两束光分别进行光电转换，并对转换得到的电 信号进行差分运算，差分得到的电信号中背景光噪声被滤除。

2.  根据权利要求1所述的基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方 法，其特征在于：步骤3】中将具有线偏振特征的通信光信号转换为具有圆 偏振特征的通信光信号，是通过在具有线偏振特征的通信光信号后接入发射 终端四分之一波片，并使发射终端四分之一波片本征轴方向与线偏振方向夹 角为45°来实现的。

3.  根据权利要求1所述的基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方 法，其特征在于：步骤7】将接收的具有圆偏振特征的通信光信号转换为线 偏振特征的通信光信号，是通过在有圆偏振特征的通信光信号后面接入接收 终端四分之一波片实现的。

4.  根据权利要求3所述的基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方 法，其特征在于：步骤8】将线偏振特征的通信光信号分离为偏振方向正交 的两束光，是通过在接收终端四分之一波片后接入偏振分光器件，并使接收 终端四分之一波片的本征轴和偏振分光器件本征轴夹角为45°来实现的。

5.  根据权利要求4所述的基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方 法，其特征在于：步骤9】中，进行光电转换，并对转换得到的电信号进行 差分运算，差分得到的电信号中背景光噪声被滤除，是通过平衡光电探测器 实现的。

6.  根据权利要求1所述的基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方 法，其特征在于：步骤2】是利用起偏器将通信光信号偏振态转换为线偏振。

7.  根据权利要求1所述的基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方 法，其特征在于：步骤1】产生通信光信号的具体过程为：利用通信数据电 信号控制电光调制器，对激光器输出的光强进行调制，当电信号为高电平时， 电光调制器有激光输出，对应通信逻辑“1”，当电信号为低电平时，电光调 制器无激光输出，对应通信逻辑“0”。

8.  基于偏振标记的自由空间激光通信发射终端，其特征在于：包括激光 器以及依次设置在激光器输出光路上的电光调制器、起偏器、发射终端四分 之一波片和光学发射天线，激光器输出光垂直射入电光调制器，电光调制器 的输出光垂直射入起偏器，起偏器输出光垂直射入发射终端四分之一波片。

9.  基于偏振标记的自由空间激光通信接收终端，其特征在于：包括光学 接收天线以及依次设置在光学接收天线输出光路上的接收终端四分之一波 片、偏振分光器件和平衡光电探测器，光学接收天线输出光垂直射入接收终 端四分之一波片，接收终端四分之一波片的输出光垂直射入偏振分光器件， 偏振分光器件输出的两束光分别垂直射入平衡光电探测器的两个接收面。

基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方法
技术领域
本发明属于空间激光通信领域。具体的说，涉及到空间激光通信的光学 去噪方法、发射终端以及接收终端。
背景技术
自由空间激光通信由于具有方向性好、通信容量大、体积和功耗小等优 点已成为无线通信领域的重要研究课题。由于受到日光、月光、星光等背景 噪声光的影响，通信接收终端探测信号中夹杂着很强的背景光噪声。这将增 大通信的误码率，降低通信质量。现有技术中常采用光学滤波的方法消除背 景光噪声的影响，即只允许通信光波长范围内的光信号进入接收终端的光电 探测系统。目前，工程中常见的光学滤波器件有滤光片、干涉滤波器和双折 射滤波器等。
滤光片是一种光学镜片，在通信波段具有很高的透过率，但对于其它波 段的透过率较低。干涉滤波器常用Fabry-Perot干涉仪作为滤波结构，利用多 光束干涉的原理滤除背景噪声。双折射滤波器主要是利用偏光干涉原理进行 滤波的，按照结构的不同可以分为Lyot-Ohman滤波器和Solc滤波器。
以上三种光学滤波方法虽然在一定程度上可以滤除与通信波段波长不 同的背景光噪声，但对于波长与滤波器中心波长相同的背景光却无法滤除。 另外，光学滤波器的透射带宽越窄，光波透过率越小，这不利于长距离传输、 强背景噪声下自由空间通信光信号的检测。
发明内容
本发明的目的在于克服上述光学去噪方法的不足，提供一种基于偏振标 记的自由空间激光通信光学去噪方法、发射终端以及接收终端。
本发明是这样实现的：
1.技术原理
光是一种电磁波。通信用光波一般具有相干性好、偏振度高的特点；而 自由空间中的背景光具有相干性差的特点，其偏振度一般为0。另外，光波 在自由空间中传输时，偏振态几乎不发生变化。
因此，对于自由空间激光通信，在通信发射终端控制出射光的偏振态， 使其具有特定的偏振态特征，例如左旋圆偏振态或右旋圆偏振态。这样，到 达通信接收终端的通信光将具有不同于背景噪声光的偏振标记特征，这样就 可以通过对偏振识别的方法从强背景噪声中检测出通信光信号。
偏振识别过程可以通过偏振分束和差分检测的方式实现。具体的说首先 将具有特定偏振标记特征的信号光通过四分之一波片转换为线偏振标记信号 光，然后利用偏振分束器件将通信接收终端的接收光分为两束。线偏振标记 的通信光只存在于其中一束当中，该束光可以表示为（信号光+背景噪声光 /2），其光强I_A可以表示为：

式中I_信号光和I_{背景噪声光}分别为信号光和背景噪声光的光强。
与此同时，另一束光中不包含通信信号，光强I_B可以表示为：

这样通过利用差分检测的方法对两束光相减，得到的光强I为：

从而去除了信号中的背景光噪声。
2.技术方案
一种基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方法，其特殊之处在 于：包括以下步骤：
1】产生通信光信号；
2】将步骤1】产生的通信光信号的偏振状态转换为线偏振，使得通信光 信号具有线偏振特征；
3】将步骤2】产生的具有线偏振特征的通信光信号转换为具有圆偏振特 征的通信光信号；
4】将具有圆偏振特征的通信光信号发射到自由空间信道中；
5】具有圆偏振特征的通信光信号在自由空间信道中传输；
6】接收具有圆偏振特征的通信光信号；
7】将接收的具有圆偏振特征的通信光信号转换为线偏振特征的通信光信 号；
8】将线偏振特征的通信光信号分离为偏振方向正交的两束光，其中一束 光包含通信光信号和背景噪声光，另一束只包含背景噪声光，且两束光中背 景噪声光的光强相等；
9】对步骤8】分离得到的两束光分别进行光电转换，并对转换得到的电 信号进行差分运算，差分得到的电信号中背景光噪声被滤除。
优选的，上述步骤3】中将具有线偏振特征的通信光信号转换为具有圆 偏振特征的通信光信号，是通过在具有线偏振特征的通信光信号后接入发射 终端四分之一波片，并使发射终端四分之一波片本征轴方向与线偏振方向夹 角为45°来实现的。
优选的，上述步骤7】将接收的具有圆偏振特征的通信光信号转换为线 偏振特征的通信光信号，是通过在有圆偏振特征的通信光信号后面接入接收 终端四分之一波片实现的。
优选的，上述步骤8】将线偏振特征的通信光信号分离为偏振方向正交 的两束光，是通过在接收终端四分之一波片后接入偏振分光器件，并使接收 终端四分之一波片的本征轴和偏振分光器件本征轴夹角为45°来实现的。
优选的，上述步骤9】对步骤8】分离得到的两束光分别进行光电转换， 并对转换得到的电信号进行差分运算，差分得到的电信号中背景光噪声被滤 除，是通过平衡光电探测器实现的。
优选的，上述步骤2】是利用起偏器将通信光信号偏振态转换为线偏振。
优选的，上述步骤1】产生通信光信号的具体过程为：利用通信数据电 信号控制电光调制器，对激光器输出的光强进行调制，当电信号为高电平时， 电光调制器有激光输出，对应通信逻辑“1”，当电信号为低电平时，电光调 制器无激光输出，对应通信逻辑“0”；反之亦可。
基于偏振标记的自由空间激光通信发射终端，其特殊之处在于：包括激 光器以及依次设置在激光器输出光路上的电光调制器、起偏器、发射终端四 分之一波片和光学发射天线。激光器输出光垂直射入电光调制器，电光调制 器的输出光垂直射入起偏器，起偏器输出光垂直射入发射终端四分之一波片。
基于偏振标记的自由空间激光通信接收终端，其特殊之处在于：包括光 学接收天线以及依次设置在光学接收天线输出光路上的接收终端四分之一波 片、偏振分光器件和平衡光电探测器。光学接收天线输出光垂直射入接收终 端四分之一波片，接收终端四分之一波片的输出光垂直射入偏振分光器件， 偏振分光器件输出的两束光分别垂直射入平衡光电探测器的两个接收面。
本发明具有以下优点：
1.由于对通信光信号进行了圆偏振标记，使其具有不同于背景噪声光的 特点，有利于从强背景噪声中筛选出有用光信号。
2.本发明所采用的圆偏振标记方法，通信发射和接收终端的起偏和检偏 器件的偏振方向无需对准，极大的降低了系统复杂度和使用难度。
3.由于采用平衡光电探测器对经过偏振分束后的接收光信号进行检测， 包含与通信波段相同的噪声光在内的所有背景光噪声均可以被滤除 掉。
4.结构简单，易于实现。本发明所用器件均有成熟产品，并且发射和接 收终端结构简单，易于实现和推广。
附图说明
图1是本发明的原理示意图；
图2.1是通信发射终端示意图；
图2.2是通信发射终端参考坐标系；
图3.1是通信接收终端示意图；
图3.2是通信接收终端参考坐标系；
图4是平衡光电探测器原理示意图。
具体实施方式
本发明可以通过以下实施例进行说明：
实施例：基于左旋圆偏振标记的1550nm波段自由空间通信。
参照图1。按照如下步骤完成基于左旋圆偏振标记的1550nm波段自由 空间通信。
1】产生通信光信号。参照图2.1，在通信发射终端利用通信数据电信号 控制1550nm波段的电光调制器对激光器输出的光强进行调制，激光器输出 光垂直射入电光调制器，当电信号为高电平时，电光调制器有激光输出，对 应通信逻辑“1”，当电信号为低电平时，电光调制器无激光输出，对应通信 逻辑“0”；或者当电信号为高电平时，电光调制器无激光输出，对应通信逻 辑“0”，当电信号为低电平时，电光调制器有激光输出，对应通信逻辑“1”。
2】将步骤1】产生的通信光信号的偏振状态转换为线偏振，使得通信光 信号具有线偏振特征。参照图2.1，在电光调制器后面接入一个起偏器，电光 调制器的输出光垂直射入起偏器，使得电光调制器输出的激光偏振态转换为 线偏振。参照图2.2，在与线偏振光传输方向垂直的平面内建立通信发射终端 参考坐标系xOy，使得线偏振方向与通信发射终端参考坐标系x轴正向夹角 为45°。沿通信发射终端参考坐标系x轴和y轴方向对线偏振光进行分解， 光场用琼斯矩阵表示为：
E → 1 = I 0 2 1 1 ]]>
式中I₀表示光强。
3】将步骤2】产生的具有线偏振特征的通信光信号转换为具有左旋圆偏 振特征的通信光信号。参照图2.1，在起偏器后面接入一个1550nm波段的发 射终端四分之一波片，起偏器输出光垂直射入发射终端四分之一波片。参照 图2.2，发射终端四分之一波片中两个本征偏振模分量o光和e光的偏振方向 分别与通信接收终端参考坐标系的x轴和y轴方向一致。且e光和o光的相 位延迟为这样，完成了信号光的左旋圆偏振标记。在通信发射终端参考 坐标系下光场表示为：

4】将具有左旋圆偏振特征的通信光信号发射到自由空间信道中。参照图 1，在发射终端四分之一波片后面接入光学发射天线，将带有左旋圆偏振标记 的通信光波发射到自由空间信道中。
5】具有圆偏振特征的通信光信号在自由空间信道中传输。参照图1，从 光学发射天线出射的通信光信号在自由空间信道中传输。
6】接收具有圆偏振特征的通信光信号。参照图1，通信光信号经过自由 空间传输后到达通信接收终端，利用光学接收天线采集通信光信号。受自由 空间信道的影响，信号光光强减小，且接收光中参杂有背景噪声光。因此接 收光强I可以表示为：
I=I_噪声+I_信号
式中I_噪声和I_信号分别表示噪声光分量和信号光分量的光强。并且信号光仍 为左旋圆偏振光，而背景噪声光为自然光。
I_信号=αI₀
式中α表征接收光中的信号光强与通信发射终端出射光强的比值，且 0<α<1。
7】通信光偏振态的转换。参照图3.1，光学接收天线后面接入1550nm 波段的接收终端四分之一波片，光学接收天线输出光波垂直入射到接收终端 四分之一波片。参照图3.2，在接收终端四分之一波片所在平面内建立通信接 收终端坐标系x’Oy’，使得接收终端四分之一波片的两个本征偏振模分量o 光和e光与通信接收终端参考坐标系x’轴正向夹角分别为45°和135°，且e 光与o光的相位延迟差为
在通信接收终端参考坐标系下，入射到接收终端四分之一波片上的接收 光中的信号光分量琼斯矩阵可以表示为：

在接收终端参考坐标系下，经过接收终端四分之一波片后，接收光中的 信号光分量表示为：
E &RightArrow; 1 = 2 2 - 2 1 2 2 2 2 1 0 0 exp ( j π 2 ) 2 2 2 2 - 2 2 2 2 αI 0 2 1 exp ( - j π 2 ) = αI 0 0 exp ( - j π 4 ) ]]>
接收光中的背景噪声光分量经过接收终端四分之一波片后偏振特性保持 不变，依然是自然光。
8】将线偏振特征的通信光信号分离为偏振方向正交的两束光，其中一束 光包含通信光信号和背景噪声光，另一束只包含背景噪声光，且两束光中背 景噪声光的光强相等。参照图3.1，接收终端四分之一波片后面接入偏振分光 器件。接收终端四分之一波片与偏振分光器件的本征轴夹角为45°，且接收 终端四分之一波片的输出光垂直射入偏振分光器件。将通信光中的两个正交 线偏振分量分离为线偏振A光和线偏振B光。参照图3.2，线偏振A光的偏 振方向与通信接收终端参考坐标系y’轴方向一致，线偏振B光的偏振方向与 通信接收终端参考坐标系x’轴方向一致。则线偏振A光和线偏振B光的光强 I_A和I_B分别为


9】对步骤8】分离得到的两束光分别进行光电转换，并对转换得到的电 信号进行差分运算，差分得到的电信号中背景光噪声被滤除。参照图3.1，偏 振分光器件后面接入平衡光电探测器。参照图4，在平衡光电探测器中，首 先光电探测器A和光电探测器B分别对线偏振光A和线偏振光B进行光电 转换，得到电压U₁和U₂；然后对电压U₁和U₂做差分，得到输出电信号U= U₁-U₂。即

式中R为平衡光电探测器的电压响应度，因此电压U与通信发射终端出 射光信号的变化规律一致，即为接收端输出的通信数据电信号，其中不含有 背景光噪声。
上述步骤3】所述的发射终端四分之一波片中两个本征偏振模分量o光 和e光的相位延迟也可为此时为右旋圆偏振标记。
上述通信过程中所需器件均有成熟产品。因此上述实施例表明，本发 明所提供的基于偏振标记的自由空间激光通信光学去噪方法是可行的，并且 能够有效的去除自由空间激光通信接收信号中的背景光噪声。