CN115189764B - 一种激光无线通信系统的通信距离计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光无线通信系统的通信距离计算方法，包括发送端和接收端；发送端包含多路并行的激光脉冲信号调制器，每路激光脉冲信号调制器分别通过激光器发送单光子，激光器出射对准一偏振合束器，偏振合束器通过激光准直系统发射光信号。本发明能有效实现单光子通信，信息编码在光波的光强和相位上难以被直接读出，却可以使用少量光子数以高可信度恢复光子的偏振信息；可将信号接收装置灵敏度提升到10光子量级从而延长通信距离和增大通信带宽；由于信号编码在飞行光子的偏振自由度，信号传输具有隐蔽性；由于采用激光光子作为通信媒介，相对微波通信抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光无线通信系统的通信距离计算方法。
背景技术
传统激光通信例如光纤通信具有通信速率极高，节能等优点。然而基于激光的无线通信系统发展不多。随着探测器件对光波的敏感度越来越高，目前已经在可见光、近红外和中红外出现单光子敏感度的探测器。例如基于InCaAs的单光子雪崩探测器SPAD.SPAD刷新频率高，体积小巧，技术成熟，可将单光子级别的信号通过雪崩放大效应读出为电信号。现有技术中，目前光信号通信的技术方案主要集中在光波通信，缺乏针对被探测光波敏感度进入光子数级别，适合使用少光子偏振无线通信方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光无线通信系统的通信距离计算方法，该激光无线通信系统的通信距离计算方法能有效实现单光子通信，信息编码在光波的光强和相位上难以被直接读出，却可以使用少量光子数以高可信度恢复光子的偏振信息。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种激光无线通信系统的通信距离计算方法，该系统包括发送端和接收端；发送端包含多路并行的激光脉冲信号调制器，每路激光脉冲信号调制器分别通过激光器发送单光子，激光器出射对准一偏振合束器，偏振合束器通过激光准直系统发射光信号；接收端由单光子探测器多路并行接入信号存储分析模块构成，单光子探测器数量不少于激光脉冲信号调制器；激光脉冲信号调制器为2～12路，该方法为：
设定通过聚束，准直激光发散角为2θt，则距离r处以口径R的光信号接收器接收到的激光功率为：
利用光子数与激光功率的关系：
将激光接收功率公式转化为接收光子数公式：
则可获取该无线偏分复用光子通信系统的通信距离，其中，Pt是激光脉冲功率，Ta是激光的大气投射率，ηt是光学发射系统效率，ηr是接收光学模块效率,Nt是激光接收功率，Nr是接收光子数，Δt是激光脉冲持续时间，λ是激光波长，h是普朗克常量，c是光速。
所述单光子探测器的接收端前级有偏振片。
所述激光器出射端有偏振片，偏振片数量和激光器数量一致且一一对应。
所述激光脉冲信号调制器和单光子探测器均为两路。
所述偏振合束器为光脉冲利用马赫-泽德干涉仪或者保偏2合1光纤合束器。
所述激光器为脉冲激光器。
所述偏振片的偏振方向均不相同。
所述单光子探测器的接收端前级和激光器出射端均分别有偏振片，单光子探测器的接收端前级的偏振片和激光器出射端的偏振片数量一致且成对一一对应，每对偏振片的方向一致。
本发明的有益效果在于：能有效实现单光子通信，信息编码在光波的光强和相位上难以被直接读出，却可以使用少量光子数以高可信度恢复光子的偏振信息；可将信号接收装置灵敏度提升到10光子量级从而延长通信距离和增大通信带宽；由于信号编码在飞行光子的偏振自由度，信号传输具有隐蔽性；由于采用激光光子作为通信媒介，相对微波通信抗干扰能力强；使用该系统，可以便于计算通信距离和速率。
附图说明
图1是本发明至少一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
实施例1
如图1所示的一种激光无线通信系统的通信距离计算方法，该系统包括发送端和接收端；发送端包含多路并行的激光脉冲信号调制器，每路激光脉冲信号调制器分别通过激光器发送单光子，激光器出射对准一偏振合束器，偏振合束器通过激光准直系统发射光信号；接收端由单光子探测器多路并行接入信号存储分析模块构成，单光子探测器数量不少于激光脉冲信号调制器；激光脉冲信号调制器为2～12路，该方法为：
设定通过聚束，准直激光发散角为2θt，则距离r处以口径R的光信号接收器接收到的激光功率为：
利用光子数与激光功率的关系：
将激光接收功率公式转化为接收光子数公式：
则可获取该无线偏分复用光子通信系统的通信距离，其中，Pt是激光脉冲功率，Ta是激光的大气投射率，ηt是光学发射系统效率，ηr是接收光学模块效率,Nt是激光接收功率，Nr是接收光子数，Δt是激光脉冲持续时间，λ是激光波长，h是普朗克常量，c是光速。
实施例2
基于实施例1，所述单光子探测器的接收端前级有偏振片。
实施例3
基于实施例1，所述激光器出射端有偏振片，偏振片数量和激光器数量一致且一一对应。
实施例4
基于实施例1，所述激光脉冲信号调制器和单光子探测器均为两路。
实施例5
基于实施例1，所述偏振合束器为光脉冲利用马赫-泽德干涉仪或者保偏2合1光纤合束器。
实施例6
基于实施例1，所述激光器为脉冲激光器。
实施例7
基于实施例3，所述偏振片的偏振方向均不相同。
实施例8
基于实施例1，所述单光子探测器的接收端前级和激光器出射端均分别有偏振片，单光子探测器的接收端前级的偏振片和激光器出射端的偏振片数量一致且成对一一对应，每对偏振片的方向一致。
实施例9
基于上述实施例，将信号编码在激光光子偏振自由度中，向远处单光子探测器I和II发射调制了偏振的光子。单光子探测器I和II在收到偏振光子后，将编码在光子偏振自由度的信号转化为电信号并解算出来，利用单光子探测器SPAD的驱动电路将电信号进一步放大读出，进入信号存储与处理模块。将信号编码在光子偏振自由度的原因在于，对于光子数灵敏度的探测，单光子探测器难以直接恢复光波的光强和相位信息，所以将信息编码在光波的光强和相位上难以被直接读出，却可以使用少量光子数以高可信度恢复光子的偏振信息。从而实现利用偏振控制器、偏振合束器、偏振片和单光子探测器I和II实现少光子偏振无线通信。该通信系统可将信号接收装置灵敏度提升到10光子量级从而延长通信距离和增大通信带宽。由于信号编码在飞行光子的偏振自由度，信号传输具有隐蔽性。由于采用激光光子作为通信媒介，相对微波通信抗干扰能力强。
光子具有相对独立的两个偏振自由度，x方向偏振与y方向偏振。这里我们可以采用两个独立的脉冲激光器，这两个脉冲激光器对应具有两个独立的信号发生器。需要将两个脉冲激光器做成脉冲时间尺度上的同步和相位相干。利用偏振片使脉冲激光器I输出x方向偏振基准光脉冲，使脉冲激光器II输出y方向偏振信号光脉冲。将激光器I和激光器II输出的光脉冲利用马赫-泽德干涉仪或者保偏2合1光纤合束器构成的偏振合束器进行2合1合束，合束后的光波可以表达为(或者使用一个脉冲激光器以及偏振控制器输出该光波)
Ex＝b cos(kz0-ωt),
Ey＝d(t)cos(kz0-ωt),
这里和分别是x方向和y方向单位矢量，Ex和Ey分别是x方向和y方向偏振的电磁波电场强度。波矢k和角速度ω与激光波长λ的关系为
这里c是光速，b是基准光幅度大小，信号被编码在|d(t)|2中。距离r处的单光子探测器也分为2个，即单光子探测器I和单光子探测器II，单光子探测器I和II前分别放置透振方向分别为和的偏振片。则两个单光子探测器接收到的电磁波电场强度为：
Ex′＝e(t)cos(kz0-kr-ωt),
Ey′＝f(t)cos(kz0-kr-ωt),
这里
由二维偏振空间正交性可知
这里是光子飞行过程在偏振空间的随机偏转。|e(t)|2·|cos(kz0-kr-ωt)|2和|f(t)|2·|cos(kz0-kr-ωt)|2分别正比于t时刻在距离r远的单光子探测器I和单光子探测器II探测到的光子数平均值。由于光子波长和距离已知，可以认为单光子探测器I和II分别可将|e(t)|2和|f(t)|2探测出来。利用|e(t)|2和|f(t)|2可解算出值以及被调制的信号|d(t)|2。
实施例10
基于上述实施例，使用激光波长可选择为1550nm,激光器的脉冲功率30W,重复频率3kHz,工作脉冲宽度100ns.激光器发射脉冲序列强度可调。时域基础数据传输速率可达1MByte/s.这里使用少光子偏振通信技术成倍增加信号传输距离。设定通过聚束，准直激光发散角为2θt，则距离r处以口径R的光信号接收器接收到的激光功率为
这里Pt是激光脉冲功率，Ta是激光的大气投射率，ηt是光学发射系统效率，ηr是接收光学模块效率。利用光子数与激光功率的关系
将激光接收功率公式转化为接收光子数公式
取
R＝0.2m,Ta＝0.8,
ηt＝0.9,ηr＝0.76,λ＝1550nm.
激光脉冲持续时间
Δt＝1×10-7s,
脉冲激光器I取最大功率30W输出。脉冲激光器II输出的激光脉冲以30W平均切成8份，则脉冲激光器II输出的最小非0脉冲功率为
单光子探测器镜头的典型接收信号光子数为
Nr＝20,
则可计算出该无线偏分复用光子通信系统的典型通信距离为
r＝54786km.
也就是该无线偏分复用光子通信系统典型通信距离在万公里量级，且可以进一步通过将激光光斑聚束使通信距离和通信带宽成倍提高。该典型距离下发射光斑直径为
2r·tanθt＝57km.
将该光斑利用激光准直系统指向信号接收模块位置即可。信号接收模块的位置可利用GPS定位仪以及海拔数据获得。由于将最大最大功率30W平均切成了8份，也就是1个脉冲可以有8种状态，所以该信道的带宽为10MByte/s。
Claims (8)
1.一种激光无线通信系统的通信距离计算方法，其特征在于：该系统包括发送端和接收端；发送端包含多路并行的激光脉冲信号调制器，每路激光脉冲信号调制器分别通过激光器发送单光子，激光器出射端对准一偏振合束器，偏振合束器通过激光准直系统发射光信号；接收端由单光子探测器多路并行接入信号存储分析模块构成，单光子探测器数量不少于激光脉冲信号调制器；激光脉冲信号调制器为2～12路，该方法为：
设定通过聚束，准直激光发散角为2θt，则距离r处以口径R的光信号接收器接收到的激光功率为：
利用光子数与激光功率的关系：
将激光接收功率公式转化为接收光子数公式：
则可获取该无线偏分复用光子通信系统的通信距离，其中，Pt是激光脉冲功率，Ta是激光的大气透射率，ηt是光学发射系统效率，ηr是接收光学模块效率,Nt是激光接收功率，Nr是接收光子数，Δt是激光脉冲持续时间，λ是激光波长，h是普朗克常量，c是光速。
2.如权利要求1所述的激光无线通信系统的通信距离计算方法，其特征在于：所述单光子探测器的接收端前级有偏振片。
3.如权利要求1所述的激光无线通信系统的通信距离计算方法，其特征在于：所述激光器出射端有偏振片，偏振片数量和激光器数量一致且一一对应。
4.如权利要求1所述的激光无线通信系统的通信距离计算方法，其特征在于：所述激光脉冲信号调制器和单光子探测器均为两路。
5.如权利要求1所述的激光无线通信系统的通信距离计算方法，其特征在于：所述偏振合束器为光脉冲利用马赫-泽德干涉仪或者保偏2合1光纤合束器。
6.如权利要求1所述的激光无线通信系统的通信距离计算方法，其特征在于：所述激光器为脉冲激光器。
7.如权利要求3所述的激光无线通信系统的通信距离计算方法，其特征在于：所述偏振片的偏振方向均不相同。
8.如权利要求1所述的激光无线通信系统的通信距离计算方法，其特征在于：所述单光子探测器的接收端前级和激光器出射端均分别有偏振片，单光子探测器的接收端前级的偏振片和激光器出射端的偏振片数量一致且成对一一对应，每对偏振片的方向一致。
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