本發(fā)明涉及一種自由空間光通信中大氣湍流干擾的抑制方法，更具體地說涉及一種軌道角動(dòng)量態(tài)復(fù)用自由空間光通信的大氣湍流干擾抑制方法，研究?jī)?nèi)容屬于通信信號(hào)處理中的光通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum,OAM)態(tài)復(fù)用系統(tǒng)已經(jīng)成為自由空間光(Free-Space Optical,FSO)通信的研究熱點(diǎn)之一。OAM態(tài)是光子角動(dòng)量的一種，與波函數(shù)的空間分布有關(guān)。與光子自旋角動(dòng)量(Spin Angular Momentum,SAM)不同，對(duì)于單個(gè)光子，理論上OAM可獲得無窮多值的特征狀態(tài)，且不同OAM態(tài)間相互正交。OAM態(tài)復(fù)用系統(tǒng)能極大地提升頻帶利用率。

然而，自由空間光通信系統(tǒng)不可避免地受到空間環(huán)境的影響，特別是大氣湍流對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生的影響。由于OAM態(tài)本質(zhì)是一空間分布函數(shù)，基于OAM態(tài)的復(fù)用通信系統(tǒng)不可避免受到大氣湍流的影響。大氣湍流不僅影響單路OAM態(tài)，而且導(dǎo)致不同路OAM態(tài)之間產(chǎn)生串?dāng)_。2014年Ren等人提出利用Shark-Hadman波前校正方法抑制大氣湍流對(duì)OAM光的干擾(Ren Y,Xie G,Huang H,et al.Adaptive optics compensation of multiple orbital angular momentum beams propagating through emulated atmospheric turbulence[J].Optics letters,2014,39(10):2845-2848.)，2015年Xie等人提出用一種波前相位校正方法，改善了大氣湍流信道下，OAM態(tài)復(fù)用通信系統(tǒng)的性能(Xie G,Ren Y,Huang H,et al.Phase correction for a distorted orbital angular momentum beam using a Zernike polynomials-based stochastic-parallel-gradient-descent algorithm[J].Optics letters,2015,40(7):1197-1200.)，2016年發(fā)明人鄒麗提出一種利用多用戶檢測(cè)的方法抑制大氣湍流的干擾(Zou L,Wang L,Zhao S M,et al.Turbulence mitigation scheme based on multiple-user detection in orbital–angular-momentum multiplexed system[J].Chinese Physics B,2016.25(11):114215.)。然而這些方法單純地把大氣湍流做為一種僅僅影響OAM光的相位參數(shù)量的噪聲干擾來對(duì)待，極力想去掉這個(gè)噪聲干擾。然而，大氣湍流干擾遠(yuǎn)不是單純的引起OAM光的相位參數(shù)量改變的噪聲，它會(huì)同時(shí)引起OAM光的光強(qiáng)的改變，并且大氣湍流會(huì)引起信道衰落特性，這些因素以上論文都沒有考慮。本發(fā)明把大氣湍流干擾看成是OAM復(fù)用光傳輸經(jīng)過大氣湍流衰落信道的干擾，利用空間分集方法抑制大氣湍流干擾，從而提升系統(tǒng)通信質(zhì)量，因而具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種自由空間光通信中大氣湍流干擾的抑制方法，步驟如下：

第1步、OAM光作為調(diào)制載波，將用戶信號(hào)s_k(t)加載到OAM光上進(jìn)行發(fā)送，k∈[1,N]，t代表時(shí)刻，各路OAM光互相正交；

第2步、對(duì)N路用戶信號(hào)的OAM光進(jìn)行合成，得到OAM態(tài)復(fù)用光；

第3步、所述OAM態(tài)復(fù)用光分別通過M個(gè)大氣湍流信道，受大氣湍流干擾；

第4步、對(duì)每一路OAM態(tài)復(fù)用光進(jìn)行解復(fù)用和OAM態(tài)轉(zhuǎn)換，得到用戶可接收信號(hào)y_mk(t)，其中，k∈[1,N]，m∈[1,M]；

第5步、利用空間分集合并方法去除各用戶信號(hào)之間串?dāng)_，獲得接收端恢復(fù)的用戶信號(hào)

本發(fā)明還具有進(jìn)一步的特征：

1、步驟1中，使用方位角指數(shù)各異的LG光作為OAM光進(jìn)行OAM態(tài)轉(zhuǎn)換，得到的OAM光為其中，

${\mathrm{LG}}_{l_k}(r,\mathrm{\θ})=\sqrt{\frac{2p!}{\mathrm{\π}(p+|l_k\left|\right)!}}\frac{1}{w_0}{\[\frac{\sqrt{2}r}{w_0}\]}^{\left|l_k\right|}\×L_p^{l_k}\[\frac{2r^2}{w_0^2}\]\exp \[\frac{-r^2}{w_0^2}\]\exp (-{\mathrm{il}}_k\mathrm{\θ})$

其中l(wèi)_k為第k路用戶信號(hào)對(duì)應(yīng)LG光的方位角指數(shù)，p為輻射指數(shù)，w₀是高斯光束的束腰半徑，r是光波傳播的輻射半徑，θ是光波傳播的輻射角，是Laguerre多項(xiàng)式。

2、第2步中，OAM態(tài)復(fù)用光的光強(qiáng)為OAM光的光圈同軸疊加，得到的復(fù)用OAM態(tài)信號(hào)表示為U_MUX(r,θ,t)，

$U_{MUX}(r,\mathrm{\θ},t)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right){\mathrm{LG}}_{l_k}(r,\mathrm{\θ}).$

3、第3步中，受大氣湍流干擾后的OAM復(fù)用光信號(hào)輸出為

其中為第m個(gè)信道對(duì)應(yīng)的大氣湍流相位屏，n_m(t)為第m個(gè)信道對(duì)應(yīng)的高斯白噪聲信號(hào)，m∈[1,M]。

4、第4步中，將OAM復(fù)用光和LG光求內(nèi)積，得到N路含有相關(guān)性的信號(hào)y_mk(t)，是的共軛復(fù)數(shù)。

此外，本發(fā)明還提出了一種實(shí)現(xiàn)上述方法的空間分集抑制OAM復(fù)用大氣湍流干擾模型，其特征在于組成包括：

N個(gè)OAM態(tài)轉(zhuǎn)換器，用于將N路用戶信號(hào)加載至OAM光，各路OAM光互相正交；

1個(gè)OAM態(tài)復(fù)用器，用于將N路OAM光進(jìn)行合成，得到OAM態(tài)復(fù)用光；

M個(gè)大氣湍流信道，用于分別對(duì)OAM態(tài)復(fù)用光進(jìn)行大氣湍流干擾空間分集；

M個(gè)OAM態(tài)解復(fù)用器，用于對(duì)經(jīng)過大氣湍流干擾的OAM態(tài)復(fù)用光進(jìn)行解復(fù)用，分別得到N路OAM光；

M個(gè)OAM態(tài)轉(zhuǎn)換器，分別解調(diào)對(duì)應(yīng)的N路信道的OAM光，得到用戶可接收信號(hào)y_mk(t)，其中，k∈[1,N]，m∈[1,M]；

1個(gè)OAM態(tài)空間分集合并接收機(jī)，利用空間分集合并方法去除各用戶信號(hào)之間串?dāng)_，獲得接收端恢復(fù)的用戶信號(hào)

其中，大氣湍流信道采用Kolmogorov大氣湍流模型。將大氣湍流等效為多個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的相位屏，相鄰兩個(gè)相位屏之間等間隔。

本發(fā)明首先將高斯光通過空間光調(diào)制器轉(zhuǎn)換成OAM光，做為調(diào)制載波，將用戶信息加載到OAM光上進(jìn)行發(fā)送，再將多路加載信息的OAM光合并傳輸經(jīng)過不同的大氣湍流信道，大氣湍流采用一種Kolmogorov大氣湍流模型，將大氣湍流等效為多個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的相位屏，相鄰兩個(gè)相位屏之間等間隔。其次，在接收端對(duì)每個(gè)大氣湍流信道的輸出多路發(fā)生扭曲變形的OAM光進(jìn)行解復(fù)用和解調(diào)。由于該多路信號(hào)傳輸模型中發(fā)送端多路OAM光分別經(jīng)過不同的大氣湍流信道，各信道間大氣湍流衰落特性類似于多天線衰落信道模型，因此采用空間分集技術(shù)抑制大氣湍流干擾，接收端經(jīng)過解復(fù)用和解調(diào)的用戶信息再通過空間分集合并技術(shù)最大限度恢復(fù)各用戶的有用信號(hào)，降低了系統(tǒng)接收信號(hào)受大氣湍流干擾的影響，提高了系統(tǒng)可靠性。因此，本發(fā)明為自由空間軌道角動(dòng)量態(tài)復(fù)用光通信的實(shí)用化提供了參考。

綜上，本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明將OAM復(fù)用信號(hào)經(jīng)過不同大氣湍流信道傳輸，各路光信號(hào)干擾看成大氣湍流衰落影響，可用空間分集模型處理。

2、本發(fā)明利用空間分集合并技術(shù)，在接收端消除用戶之間的相互干擾，達(dá)到提高接收信號(hào)正確性的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的一種空間分集抑制OAM復(fù)用大氣湍流干擾模型。

圖2為本發(fā)明經(jīng)過和不經(jīng)過空間分集的QPSK星座圖。

圖3為本發(fā)明接收誤碼率隨大氣湍流變化數(shù)值仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明提出的一種空間分集抑制OAM大氣湍流干擾模型，該模型如圖1所示從左至右依次包括：

N個(gè)OAM態(tài)轉(zhuǎn)換器，用于將N路用戶信號(hào)加載至OAM光，各路OAM光互相正交；

1個(gè)OAM態(tài)復(fù)用器，用于將N路OAM光進(jìn)行合成，得到OAM態(tài)復(fù)用光；

M個(gè)大氣湍流信道，用于分別對(duì)OAM態(tài)復(fù)用光進(jìn)行大氣湍流干擾空間分集；

M個(gè)OAM態(tài)解復(fù)用器，用于對(duì)經(jīng)過大氣湍流干擾的OAM態(tài)復(fù)用光進(jìn)行解復(fù)用，分別得到N路OAM光；

M個(gè)OAM態(tài)轉(zhuǎn)換器，分別解調(diào)對(duì)應(yīng)的N路信道的OAM光，得到用戶可接收信號(hào)y_mk(t)，其中，k∈[1,N]，m∈[1,M]；

1個(gè)OAM態(tài)空間分集合并接收機(jī)，利用空間分集合并方法去除各用戶信號(hào)之間串?dāng)_，獲得接收端恢復(fù)的用戶信號(hào)

本發(fā)明實(shí)施例基于空間分集技術(shù)的軌道角動(dòng)量態(tài)復(fù)用自由空間光通信中的大氣湍流干擾抑制方法，步驟如下：

第1步、OAM光作為調(diào)制載波，將用戶信號(hào)S_k(t)加載到OAM光上進(jìn)行發(fā)送，k∈[1,N]，t代表時(shí)刻，各路OAM光互相正交。本步驟中，使用方位角指數(shù)各異的LG光作為OAM光進(jìn)行OAM態(tài)轉(zhuǎn)換，得到的OAM光為其中，

${\mathrm{LG}}_{l_k}(r,\mathrm{\θ})=\sqrt{\frac{2p!}{\mathrm{\π}(p+|l_k\left|\right)!}}\frac{1}{w_0}{\[\frac{\sqrt{2}r}{w_0}\]}^{\left|l_k\right|}\×L_p^{l_k}\[\frac{2r^2}{w_0^2}\]\exp \[\frac{-r^2}{w_0^2}\]\exp (-{\mathrm{il}}_k\mathrm{\θ})$

其中l(wèi)_k為第k路用戶信號(hào)對(duì)應(yīng)LG光的方位角指數(shù)，p為輻射指數(shù)，w₀是高斯光束的束腰半徑，r是光波傳播的輻射半徑，θ是光波傳播的輻射角，是Laguerre多項(xiàng)式。l_k為OAM光拓?fù)浜?，l_k越大，對(duì)應(yīng)OAM光強(qiáng)光圈半徑越大。所得OAM光強(qiáng)見OAM態(tài)轉(zhuǎn)換器輸出光環(huán)顯示。

第2步、對(duì)N路用戶信號(hào)的OAM光進(jìn)行合成，得到OAM態(tài)復(fù)用光。本步驟中步中，OAM態(tài)復(fù)用光的光強(qiáng)為OAM光的光圈同軸疊加，見OAM態(tài)復(fù)用器輸出所示光環(huán)疊加圖。得到的復(fù)用OAM態(tài)信號(hào)表示為U_MUX(r,θ,t)，

$U_{MUX}(r,\mathrm{\θ},t)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{s}_k\left(t\right){\mathrm{LG}}_{l_k}(r,\mathrm{\θ}).$

第3步、所述OAM態(tài)復(fù)用光分別通過M個(gè)大氣湍流信道，受大氣湍流干擾，得到OAM復(fù)用空間分集傳輸模型。假設(shè)有M個(gè)大氣湍流信道，受大氣湍流影響，同時(shí)還含有高斯白噪聲影響的每一信道OAM復(fù)用光信號(hào)輸出為

其中，為第m個(gè)信道對(duì)應(yīng)的大氣湍流相位屏，n_m(t)為第m個(gè)信道對(duì)應(yīng)的高斯白噪聲信號(hào)，m∈[1,M]。

第4步、將經(jīng)過空間分集傳輸?shù)慕邮諒?fù)用信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用和OAM態(tài)轉(zhuǎn)換，得到用戶可接收信號(hào)y_mk(t)，其中，k∈[1,N]，m∈[1,M]。本步驟中，對(duì)復(fù)用信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用和OAM態(tài)轉(zhuǎn)換，其仿真過程可用一步計(jì)算得到：

將OAM復(fù)用光和LG光求內(nèi)積，得到N路含有相關(guān)性的信號(hào)y_mk(t)，是的共軛復(fù)數(shù)。

第5步、利用空間分集合并方法去除各用戶信號(hào)之間串?dāng)_，獲得接收端恢復(fù)的用戶信號(hào)

為了驗(yàn)證本發(fā)明所提出的一種基于空間分集技術(shù)的軌道角動(dòng)量態(tài)復(fù)用自由空間光通信中的大氣湍流干擾抑制方法，現(xiàn)通過數(shù)值仿真進(jìn)行驗(yàn)證。本數(shù)值仿真使用的光源波長(zhǎng)為λ＝1550nm，光束腰半徑w₀＝0.035m，大氣湍流由10個(gè)隨機(jī)相位屏等間距模擬傳輸1000米，湍流內(nèi)尺度l₀＝0.001m，外尺度L₀＝50m，OAM態(tài)復(fù)用光方位角指數(shù)選取l＝+1,+2,+3,+4。

圖2、圖3所示分別為使用空間分集技術(shù)和沒有使用空間分集技術(shù)下，系統(tǒng)QPSK信號(hào)星座圖和系統(tǒng)接收誤碼率隨大氣湍流指數(shù)結(jié)構(gòu)常數(shù)變化數(shù)值仿真圖。研究結(jié)果表明，利用空間分集方法可明顯提升QPSK信號(hào)的星座圖質(zhì)量，同時(shí)在信噪比等于20dB時(shí)，中等強(qiáng)度湍流和弱湍流下，使用空間分集技術(shù)比沒有使用空間分集技術(shù)，系統(tǒng)接收誤碼率低，性能好；在大氣湍流指數(shù)結(jié)構(gòu)常數(shù)時(shí)，使用空間分集技術(shù)比沒有使用空間分集技術(shù)，系統(tǒng)接收誤碼率性能提升3個(gè)數(shù)量級(jí)，即使是在中等湍流時(shí)，系統(tǒng)接收誤碼率性能還能提升1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，其它方法基本都無法做到這一程度。因此，使用空間分集技術(shù)方法可顯著提升OAM復(fù)用自由空間光通信系統(tǒng)可靠性能。

除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。