專利名稱：一種基于米氏散射的無(wú)線光散射通信裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光在大氣中發(fā)生米氏散射的無(wú)線光散射通信裝置及方法，該裝置降低了無(wú)線光通信系統(tǒng)中對(duì)光學(xué)天線對(duì)準(zhǔn)精度的要求，能在遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)快速建立起非視距通信鏈路，實(shí)現(xiàn)高效的散射光通信。
背景技術(shù)：
無(wú)線光通信技術(shù)是一種利用激光為載體，大氣為傳輸介質(zhì)，基于光傳輸?shù)亩叹嚯x點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信方式，也稱為自由空間光通信技術(shù)(Free Space Optic，F(xiàn)SO)。FSO技術(shù)不占用無(wú)線電頻率資源，抗電磁干擾能力強(qiáng)，保密性好，安裝便捷，使用方便，目前已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，目前FSO技術(shù)的工作方式必須采用LOS (Line Of Sight)鏈路，這要求通信鏈路上沒有障礙物，在開通之前必須實(shí)現(xiàn)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，然后才能實(shí)現(xiàn)正常的通信，這為實(shí)際的使用帶來(lái)一定的困難和不便，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)性。散射通信是利用電磁波在傳輸介質(zhì)中的散射效應(yīng)而進(jìn)行信息傳播的一種通信方式。光波是一種電磁波，其傳播時(shí)交變的電磁場(chǎng)會(huì)與介質(zhì)分子相互作用，使分子中電子成為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的偶極振子。根據(jù)電磁理論，振動(dòng)著的偶極子是個(gè)次波源，可以像一根天線一樣向各個(gè)方向輻射電磁波，這就是光散射的起因。為了解決無(wú)線光通信在使用上的局限性，在上世紀(jì)末期，有研究人員提出了利用光與大氣發(fā)生瑞利散射來(lái)實(shí)現(xiàn)非視距光散射通信，即紫外散射光通信。大氣中包含大量的各種氣體分子，這些尺寸很小的氣體分子與光發(fā)生瑞利散射。根據(jù)瑞利散射的理論，散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比，而紫外光的波長(zhǎng)較短，因此紫外光通過(guò)瑞利散射可以更容易實(shí)現(xiàn)全方位的散射通信，而無(wú)須實(shí)現(xiàn)通信前對(duì)準(zhǔn)。但是按照紫外光通信的工作原理，可供系統(tǒng)選擇的適合通信用的短波長(zhǎng)光電器件目前發(fā)展還不成熟，同時(shí)瑞利散射的特點(diǎn)決定了散射光在各個(gè)散射方向上的強(qiáng)度相差不大，因此紫外光通信的傳輸距離較短，通常小于I公里。因此，為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的光散射通信，必須另辟蹊徑，尋找新的通信機(jī)理。本發(fā)明公開的這種新的無(wú)線光散射通信方法，其工作機(jī)理是基于光與大氣的米氏散射。大氣中除了包含大量的氣體分子之外，還包含有許多的煙、霧、塵埃、霾、小水滴等較大尺寸的氣溶膠粒子。光與尺寸較小的氣體分子發(fā)生瑞利散射，而與尺寸較大的氣溶膠粒子發(fā)生米氏散射。根據(jù)大氣散射理論，當(dāng)光照射到大氣中的分子和氣溶膠粒子上時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射，從而使能量重新分布，散射后的能量會(huì)因散射粒子的不同而隨角度變化呈不同分布。米氏散射的光強(qiáng)分布比較復(fù)雜，其特點(diǎn)是散射能量主要集中在前向方向上，且強(qiáng)度比瑞利散射大的多，米氏散射的強(qiáng)度變化不像瑞利散射那樣對(duì)波長(zhǎng)敏感。這種特點(diǎn)使得米氏散射可以被長(zhǎng)距離光散射通信利用，同時(shí)這一特性也使得系統(tǒng)可以選擇較長(zhǎng)波長(zhǎng)光作為工作波長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明的目的是提供一種基于米氏散射的無(wú)線光散射通信裝置及方法，其實(shí)現(xiàn)的裝置包括光發(fā)送設(shè)備和光接收設(shè)備，其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離散射通信的機(jī)理是通過(guò)大氣氣溶膠粒子的米氏散射。技術(shù)方案:大氣中的粒子對(duì)于紅外光等波長(zhǎng)光主要表現(xiàn)出米氏散射特性。信號(hào)光在大氣信道中傳輸時(shí)與這些尺寸和波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)奈⒘０l(fā)生碰撞，表現(xiàn)出較強(qiáng)的米散射特性。對(duì)于非視距光散射通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，米氏散射是實(shí)現(xiàn)非視距散射通信的工作原理，信號(hào)光子與微粒間的散射作用強(qiáng)弱取決于米氏散射相函數(shù)和散射系數(shù)，這兩者又取決于微粒的尺度分布、粒子濃度以及散射媒介對(duì)給定波長(zhǎng)光源的復(fù)折射系數(shù)。本發(fā)明的基于米氏散射的無(wú)線光散射通信裝置包括光發(fā)送設(shè)備和光接收設(shè)備，其中:光發(fā)送設(shè)備中，第一接口模塊、調(diào)制模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、光源、光學(xué)發(fā)射天線順序連接，第一控制模塊分別接驅(qū)動(dòng)電路、微調(diào)平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接光源，微調(diào)平臺(tái)的輸出端接光學(xué)發(fā)射天線；光接收設(shè)備中，接收天線、光闌、光學(xué)濾光、光檢測(cè)器、前置放大、主放大器、均衡器、解調(diào)模塊、第二接口模塊順序連接，第二控制模塊的輸出端分別接微調(diào)平臺(tái)、光闌，微調(diào)平臺(tái)的輸出端接接收天線。該光散射通信裝置基于大氣粒子的米氏散射建立非視距通信鏈路，利用光與大氣中尺寸較大的氣溶膠粒子發(fā)生的米氏散射實(shí)現(xiàn)非視距光散射通信，在遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)建立起非視距鏈路，實(shí)現(xiàn)快速、高效的散射光通信，具體為:發(fā)送端的信息通過(guò)第一接口模塊送入調(diào)制模塊，進(jìn)行信道調(diào)制和信道編碼，然后送往信號(hào)預(yù)處理模塊，該模塊根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理；多個(gè)大功率激光器組成光源，并由驅(qū)動(dòng)模塊提供高速大電流驅(qū)動(dòng)，之后，由光學(xué)發(fā)射天線對(duì)光束進(jìn)行整形；第一控制模塊根據(jù)鏈路優(yōu)化的結(jié)果控制光發(fā)送端的波長(zhǎng)選擇，并控制微調(diào)平臺(tái)以尋找最優(yōu)鏈路；在接收端，第二控制模塊根據(jù)最優(yōu)鏈路設(shè)計(jì)，指示微調(diào)平臺(tái)調(diào)整光學(xué)接收天線收集光信號(hào)，通過(guò)光闌的空間濾波以及光學(xué)濾光，送往光檢測(cè)器；光檢測(cè)器將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)前置放大、主放大器，送往均衡器及解調(diào)模塊將強(qiáng)背景噪聲下的嚴(yán)重失真信號(hào)恢復(fù)成原始數(shù)據(jù)并通過(guò)第二接口模塊輸出。有益效果:本發(fā)明公開一種新的基于米氏散射的無(wú)線光散射通信裝置及方法。以往的光散射通信都是基于光與大氣中氣體分子的瑞利散射實(shí)現(xiàn)的，其通信距離一般較短。本發(fā)明提出基于光與大氣中氣溶膠粒子的米氏散射實(shí)現(xiàn)光散射通信，系統(tǒng)所需元器件可選擇常用波段光電器件，并且利用米氏散射前向散射光更強(qiáng)的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離非視距光散射通信。相應(yīng)裝置包括光發(fā)送設(shè)備和光接收設(shè)備，系統(tǒng)中由光發(fā)送端發(fā)出光信號(hào)，通過(guò)大氣中氣溶膠粒子的散射，在接收端檢測(cè)散射光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)通信。本發(fā)明降低了無(wú)線光通信系統(tǒng)中對(duì)光學(xué)天線對(duì)準(zhǔn)精度的要求，能在遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)快速建立起非視距通信鏈路，實(shí)現(xiàn)光散射通信。


圖1是米氏散射及瑞利散射相函數(shù)對(duì)比圖，
圖2是基于米氏散射的無(wú)線光通信系統(tǒng)應(yīng)用示意圖，圖3是基于米氏散射的無(wú)線光通信系統(tǒng)框圖。其中有:第一接口模塊1、調(diào)制模塊2、信號(hào)預(yù)處理模塊3、光源4、驅(qū)動(dòng)電路5、第一控制模塊6、微調(diào)平臺(tái)7、光學(xué)發(fā)射天線8，光學(xué)接收天線9、微調(diào)平臺(tái)10、光闌11、光學(xué)濾光
12、光檢測(cè)器13、前置放大14、主放大器15、均衡器16、解調(diào)模塊17、第二接口模塊18、第二控制模塊19。
具體實(shí)施例方式圖1是米氏散射及瑞利散射相函數(shù)對(duì)比圖，由圖中可見米氏散射的前向散射光強(qiáng)度非常大，這有助于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的非視距光散射通信。圖2是基于米氏散射的無(wú)線光通信系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。其中發(fā)送端發(fā)射光信號(hào)，光在大氣中與尺寸較大的氣溶膠粒子發(fā)生米氏散射，接收端檢測(cè)散射光信號(hào)，并通過(guò)光學(xué)組件以及信號(hào)處理模塊將原始信號(hào)恢復(fù)回來(lái)。圖3是基于米氏散射的無(wú)線光通信系統(tǒng)框圖。第一接口模塊I采用CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重組，調(diào)制模塊2采用CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)線路碼調(diào)制，信號(hào)預(yù)處理模塊3采用DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)預(yù)處理，光源4采用發(fā)光二極管或者激光器，驅(qū)動(dòng)電路5采用驅(qū)動(dòng)芯片SN75452，第一控制模塊6采用51系列單片機(jī)，微調(diào)平臺(tái)7采用微調(diào)架，光學(xué)發(fā)射天線8采用凸透鏡，接收天線9采用大孔徑菲涅爾透鏡，微調(diào)平臺(tái)IO采用微調(diào)架，光闌11采用小孔徑光闌，光學(xué)濾光12米用光學(xué)濾光片，光檢測(cè)器13采用光電倍增管，前置放大14采用低噪聲放大器，主放大器15采用高增益放大器，均衡器16采用DSP實(shí)現(xiàn)均衡，解調(diào)模塊17CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)線路碼調(diào)制，第二接口模塊18CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重現(xiàn)，第二控制模塊19采用51系列單片機(jī)。該裝置包括光發(fā)送設(shè)備和光接收設(shè)備，其中，光發(fā)送設(shè)備中，第一接口模塊1、調(diào)制模塊2、信號(hào)預(yù)處理模塊3、光源4、光學(xué)發(fā)射天線8順序連接，第一控制模塊6分別接驅(qū)動(dòng)電路5、微調(diào)平臺(tái)7，驅(qū)動(dòng)電路5的輸出端接光源4，微調(diào)平臺(tái)7的輸出端接光學(xué)發(fā)射天線8 ；光接收設(shè)備中，接收天線9、光闌11、光學(xué)濾光12、光檢測(cè)器13、前置放大14、主放大器15、均衡器16、解調(diào)模塊17、第二接口模塊18順序連接，第二控制模塊19的輸出端分別接微調(diào)平臺(tái)10、光闌11，微調(diào)平臺(tái)10的輸出端接接收天線9?；诿资仙⑸涞臒o(wú)線光散射通信裝置的通信方法基于大氣粒子的米氏散射建立非視距通信鏈路，利用光與大氣中尺寸較大的氣溶膠粒子發(fā)生的米氏散射實(shí)現(xiàn)非視距光散射通信，在遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)建立起非視距鏈路，實(shí)現(xiàn)快速、高效的散射光通信，具體為:發(fā)送端的信息通過(guò)第一接口模塊I送入調(diào)制模塊2，進(jìn)行信道調(diào)制和信道編碼，然后送往信號(hào)預(yù)處理模塊3，該模塊根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理；多個(gè)大功率激光器組成光源4，并由驅(qū)動(dòng)模塊5提供高速大電流驅(qū)動(dòng)，之后，由光學(xué)發(fā)射天線8對(duì)光束進(jìn)行整形；第一控制模塊6根據(jù)鏈路優(yōu)化的結(jié)果控制光發(fā)送端的波長(zhǎng)選擇，并控制微調(diào)平臺(tái)7以尋找最優(yōu)鏈路；在接收端，第二控制模塊19根據(jù)最優(yōu)鏈路設(shè)計(jì)，指示微調(diào)平臺(tái)10調(diào)整光學(xué)接收天線9收集光信號(hào)，通過(guò)光闌11的空間濾波以及光學(xué)濾光12，送往光檢測(cè)器13 ;光檢測(cè)器將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)前置放大14、主放大器15，送往均衡器16及解調(diào)模塊17將強(qiáng)背景噪聲下的嚴(yán)重失真信號(hào)恢復(fù)成原始數(shù)據(jù)并通過(guò)第二接口模塊18輸出。
權(quán)利要求
1.一種基于米氏散射的無(wú)線光散射通信裝置，其特征是該裝置包括光發(fā)送設(shè)備和光接收設(shè)備，其中， 光發(fā)送設(shè)備中，第一接口模塊(I)、調(diào)制模塊(2)、信號(hào)預(yù)處理模塊(3)、光源(4)、光學(xué)發(fā)射天線(8)順序連接，第一控制模塊(6)分別接驅(qū)動(dòng)電路(5)、微調(diào)平臺(tái)(7)，驅(qū)動(dòng)電路(5)的輸出端接光源(4)，微調(diào)平臺(tái)(7)的輸出端接光學(xué)發(fā)射天線(8)； 光接收設(shè)備中，接收天線(9)、光闌(11)、光學(xué)濾光(12)、光檢測(cè)器(13)、前置放大(14)、主放大器(15)、均衡器(16)、解調(diào)模塊(17)、第二接口模塊(18)順序連接，第二控制模塊(19)的輸出端分別接微調(diào)平臺(tái)(10)、光闌(11)，微調(diào)平臺(tái)(10)的輸出端接接收天線(9)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的基于米氏散射的無(wú)線光散射通信裝置的通信方法，其特征在于該光散射通信裝置基于大氣粒子的米氏散射建立非視距通信鏈路，利用光與大氣中尺寸較大的氣溶膠粒子發(fā)生的米氏散射實(shí)現(xiàn)非視距光散射通信，在遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)建立起非視距鏈路，實(shí)現(xiàn)快速、高效的散射光通信，具體為: 發(fā)送端的信息通過(guò)第一接口模塊(I)送入調(diào)制模塊(2)，進(jìn)行信道調(diào)制和信道編碼，然后送往信號(hào)預(yù)處理模塊(3)，該模塊根據(jù)信道估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理；多個(gè)大功率激光器組成光源(4 )，并由驅(qū)動(dòng)模塊(5 )提供高速大電流驅(qū)動(dòng)，之后，由光學(xué)發(fā)射天線(8 )對(duì)光束進(jìn)行整形；第一控制模塊(6)根據(jù)鏈路優(yōu)化的結(jié)果控制光發(fā)送端的波長(zhǎng)選擇，并控制微調(diào)平臺(tái)(7)以尋找最優(yōu)鏈路； 在接收端，第二控制模塊(19)根據(jù)最優(yōu)鏈路設(shè)計(jì)，指示微調(diào)平臺(tái)(10)調(diào)整光學(xué)接收天線(9)收集光信號(hào)，通過(guò)光闌(11)的空間濾波以及光學(xué)濾光(12)，送往光檢測(cè)器(13);光檢測(cè)器將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)前置放大(14)、主放大器(15)，送往均衡器(16)及解調(diào)模塊(17)將強(qiáng)背景噪聲下的嚴(yán)重失真信號(hào)恢復(fù)成原始數(shù)據(jù)并通過(guò)第二接口模塊(18)輸出ο
全文摘要
本發(fā)明公開一種新的基于米氏散射的無(wú)線光散射通信裝置及方法。以往的光散射通信都是基于光與大氣中氣體分子的瑞利散射實(shí)現(xiàn)的，其通信距離一般較短。本發(fā)明提出基于光與大氣中氣溶膠粒子的米氏散射實(shí)現(xiàn)光散射通信，系統(tǒng)所需元器件可選擇常用波段光電器件，并且利用米氏散射前向散射光更強(qiáng)的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非視距光散射通信。相應(yīng)裝置包括光發(fā)送設(shè)備和光接收設(shè)備，系統(tǒng)中由光發(fā)送端發(fā)出光信號(hào)，通過(guò)大氣中氣溶膠粒子的散射，在接收端檢測(cè)散射光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)通信。本發(fā)明降低了無(wú)線光通信系統(tǒng)中對(duì)光學(xué)天線對(duì)準(zhǔn)精度的要求，能在遠(yuǎn)距離的兩點(diǎn)快速建立起非視距通信鏈路，實(shí)現(xiàn)光散射通信。
文檔編號(hào)H04B10/11GK103209024SQ20131004255
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者汪井源, 陳亦望, 王榮, 徐智勇, 朱勇, 韋毅梅, 孫學(xué)金, 張寶富, 蒲濤 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)