本發(fā)明屬于無線光通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于光子計(jì)數(shù)的無線光通信接收裝置及光信號(hào)檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

無線光通信是以激光為信號(hào)載體的無線通信方式，具有傳輸速率高、抗電磁干擾、方向性好、保密性強(qiáng)、無需頻譜許可、無需架設(shè)光纖、組網(wǎng)周期短、設(shè)備輕便、搭設(shè)便捷等優(yōu)點(diǎn)。由于信道中大氣分子和氣溶膠粒子對(duì)光子的吸收、散射，以及大氣湍流導(dǎo)致空氣折射率的變化會(huì)引起光束隨機(jī)漂移、光強(qiáng)起伏、光信號(hào)衰減嚴(yán)重等現(xiàn)象發(fā)生，在遠(yuǎn)距離通信時(shí)存在通信易中斷、誤碼率高、受天氣因素制約等缺點(diǎn)。檢測(cè)弱光信號(hào)時(shí)信號(hào)常常湮沒在噪聲中，傳統(tǒng)的光電探測(cè)器無法檢測(cè)，但同時(shí)弱光信號(hào)的量子性會(huì)在一定程度上表現(xiàn)出來。通常認(rèn)為在檢測(cè)弱光信號(hào)時(shí)，其光子到達(dá)服從泊松分布。弱光光子到達(dá)探測(cè)器時(shí)輸出不連續(xù)的微弱光電流，一般的檢測(cè)手段很難能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的識(shí)別提取。單光子探測(cè)器將光電探測(cè)模塊的增益增大，將輸出的離散電信號(hào)加以放大以甄別出光信號(hào)。

隨著近年來單光子檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，單光子探測(cè)器廣泛應(yīng)用于深空通信、水下通信、散射通信、量子密鑰分發(fā)等領(lǐng)域。但單光子探測(cè)器不是一種線性探測(cè)器，主要依靠弱光光子的量子性，其輸出的是離散的計(jì)數(shù)脈沖，通過統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)來表征光信號(hào)強(qiáng)弱。即探測(cè)器探測(cè)一次只能表征信號(hào)的有無，無法表示其大小，只能通過一段時(shí)間內(nèi)輸出的總計(jì)數(shù)值來確定信號(hào)大小。因此，如何從單光子探測(cè)器輸出的計(jì)數(shù)值中提取信號(hào)比特信息成為了利用光子計(jì)數(shù)技術(shù)來探測(cè)光信號(hào)的關(guān)鍵問題。

美國(guó)國(guó)家航空與航天局研制了一種火星激光通信演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過集成多個(gè)GM-APD組成單光子探測(cè)器陣列，將收集到的信號(hào)光平均傳送給每個(gè)GM-APD。這樣就能在單個(gè)檢測(cè)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)計(jì)數(shù)值表征信號(hào)強(qiáng)弱。但此種方式需要單光子探測(cè)器陣列成本昂貴，且系統(tǒng)復(fù)雜。

2012年，Philip A.Hiskett等人通過多次重發(fā)的方案，實(shí)現(xiàn)了水下基于光子計(jì)數(shù)的無線光通信。此方案中，利用單個(gè)GM-APD檢測(cè)接收端接收到的光信號(hào)。通過在信號(hào)前端加上一個(gè)同步序列，用于同步收發(fā)兩端時(shí)鐘。并且每次重發(fā)都要進(jìn)行時(shí)鐘同步，所以此方案的通信速率受到很大限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于光子計(jì)數(shù)的無線光通信接收裝置及光信號(hào)檢測(cè)方法，用于提高接收端探測(cè)器的靈敏度，拓展無線光通信的通信距離。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種基于光子計(jì)數(shù)的無線光通信接收裝置，包括光學(xué)天線、光濾波器、可變衰減器、單光子探測(cè)器觸發(fā)電路、單光子探測(cè)器、低通濾波器和判決電路；光學(xué)天線、光濾波器、可變衰減器、單光子探測(cè)器、低通濾波器和判決電路依次連接，單光子探測(cè)器觸發(fā)電路與單光子探測(cè)器連接；

所述光學(xué)天線用于接收大氣中的光信號(hào)并將光信號(hào)耦合進(jìn)光纖；所述光濾波器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除通信波長(zhǎng)之外的背景光；所述可變衰減器控制進(jìn)入單光子探測(cè)器的光功率大小，以保護(hù)單光子探測(cè)器；所述單光子探測(cè)器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并輸出計(jì)數(shù)脈沖；所述單光子探測(cè)器觸發(fā)電路產(chǎn)生門信號(hào)觸發(fā)單光子探測(cè)器工作于門控模式；所述低通濾波器用于將單光子探測(cè)器輸出的離散計(jì)數(shù)脈沖序列轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬電信號(hào)，所述判決電路根據(jù)低通濾波器輸出的模擬電信號(hào)大小，設(shè)定判決門限對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決，得到信號(hào)比特信息。

一種基于光子計(jì)數(shù)的無線光通信接收裝置的光信號(hào)檢測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟1，光學(xué)天線接收大氣中的光信號(hào)，并將光信號(hào)耦合進(jìn)光纖，傳送給光濾波器；

步驟2，光濾波器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除大氣中的背景光；

步驟3，可變衰減器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行衰減；

步驟4，單光子探測(cè)器觸發(fā)電路產(chǎn)生固定頻率的門信號(hào)驅(qū)動(dòng)單光子探測(cè)器工作于門控模式下；

步驟5，單光子探測(cè)器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并輸出離散的計(jì)數(shù)脈沖序列表征光信號(hào)大小變化；

步驟6，低通濾波器將單光子探測(cè)器輸出的離散數(shù)字脈沖進(jìn)行濾波，轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬電信號(hào)；

步驟7，判決電路根據(jù)低通濾波器輸出的模擬電信號(hào)大小，設(shè)定判決門限進(jìn)行判決，得到信號(hào)比特信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為：

(1)相比于傳統(tǒng)的無線光通信系統(tǒng)，本發(fā)明利用單光子探測(cè)器檢測(cè)光信號(hào)，提高了系統(tǒng)的接收靈敏度，為拓展無線光通信的通信距離，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜惡劣條件下的通信提供了新的解決方案；(2)本發(fā)明提出一種利用低通濾波提取接收端信號(hào)比特信息的光子計(jì)數(shù)無線光通信接收裝置及檢測(cè)方法，大大降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)提高了系統(tǒng)通信速率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于光子計(jì)數(shù)的無線光通信接收裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為單光子探測(cè)器輸出離散計(jì)數(shù)脈沖序列波形圖。

圖3為低通濾波器輸出模擬電信號(hào)波形圖。

圖4為判決電路判決得到的比特信息波形圖。

具體實(shí)施方式

一種基于光子計(jì)數(shù)的無線光通信接收裝置，包括光學(xué)天線、光濾波器、可變衰減器、單光子探測(cè)器觸發(fā)電路、單光子探測(cè)器、低通濾波器和判決電路；光學(xué)天線、光濾波器、可變衰減器、單光子探測(cè)器、低通濾波器和判決電路依次連接，單光子探測(cè)器觸發(fā)電路與單光子探測(cè)器連接；

所述光學(xué)天線用于接收大氣中的光信號(hào)并將光信號(hào)耦合進(jìn)光纖；所述光濾波器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除通信波長(zhǎng)之外的背景光；所述可變衰減器控制進(jìn)入單光子探測(cè)器的光功率大小，以保護(hù)單光子探測(cè)器；所述單光子探測(cè)器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并輸出計(jì)數(shù)脈沖；所述單光子探測(cè)器觸發(fā)電路產(chǎn)生門信號(hào)觸發(fā)單光子探測(cè)器工作于門控模式；所述低通濾波器用于將單光子探測(cè)器輸出的離散計(jì)數(shù)脈沖序列轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬電信號(hào)，所述判決電路根據(jù)低通濾波器輸出的模擬電信號(hào)大小，設(shè)定判決門限對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決，得到信號(hào)比特信息。

進(jìn)一步的，所述單光子探測(cè)器為QCD-300型單光子探測(cè)器，包括蓋革雪崩光電二極管和比較器；

所述蓋革雪崩光電二極管用于對(duì)光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)輸出雪崩脈沖，如果接收到光子則輸出一個(gè)雪崩脈沖給比較器；反之，則不輸出雪崩脈沖；

所述比較器用于對(duì)雪崩脈沖進(jìn)行檢測(cè)，如果接收到雪崩脈沖，則輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖；反之，則不輸出計(jì)數(shù)脈沖。

進(jìn)一步的，所述光濾波器為1550nm的光纖濾波器。

進(jìn)一步的，所述單光子探測(cè)器觸發(fā)電路產(chǎn)生頻率為20MHz的門信號(hào)觸發(fā)單光子探測(cè)器工作于門控模式下。

本發(fā)明還提供一種基于光子計(jì)數(shù)的無線光通信接收裝置的光信號(hào)檢測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟1，光學(xué)天線接收大氣中的光信號(hào)，并將光信號(hào)耦合進(jìn)光纖，傳送給光濾波器；

步驟2，光濾波器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除大氣中的背景光；

步驟3，可變衰減器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行衰減，使進(jìn)入單光子探測(cè)器的光功率在安全范圍之內(nèi)；

步驟4，單光子探測(cè)器觸發(fā)電路產(chǎn)生固定頻率的門信號(hào)驅(qū)動(dòng)單光子探測(cè)器工作于門控模式下；

步驟5，單光子探測(cè)器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并輸出離散的計(jì)數(shù)脈沖序列表征光信號(hào)大小變化；

步驟6，低通濾波器將單光子探測(cè)器輸出的離散數(shù)字脈沖進(jìn)行濾波，轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬電信號(hào)；

步驟7，判決電路根據(jù)低通濾波器輸出的模擬電信號(hào)大小，設(shè)定判決門限進(jìn)行判決，得到信號(hào)比特信息。

進(jìn)一步的，步驟5具體為：

步驟5-1：蓋革雪崩光電二極管對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并輸出雪崩脈沖表征接收到光子；

步驟5-2：比較器對(duì)雪崩脈沖進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到雪崩脈沖則輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖；反之，則不輸出計(jì)數(shù)脈沖。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例

結(jié)合圖1，本發(fā)明的裝置包括光學(xué)天線、光濾波器、可變衰減器、單光子探測(cè)器觸發(fā)電路、單光子探測(cè)器、低通濾波器和判決電路。

光學(xué)天線接收大氣中的光信號(hào)并將其耦合進(jìn)光纖傳送給光濾波器；

光濾波器對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除大氣中的背景光，并將濾波之后的光信號(hào)傳送給可變衰減器；

可變衰減器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行衰減，使其處于單光子探測(cè)器的安全光功率之內(nèi)；

單光子探測(cè)器觸發(fā)電路產(chǎn)生頻率為20MHz的門信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單光子探測(cè)器工作于門控模式下；

單光子探測(cè)器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)并輸出離散的計(jì)數(shù)脈沖序列表征光信號(hào)大小，輸出波形如圖2所示。其具體過程為：蓋革雪崩光電二極管對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并將雪崩脈沖傳送給比較器；比較器判決是否接收到雪崩脈沖，如果接收到雪崩脈沖，則輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖；反之，則不輸出計(jì)數(shù)脈沖；

低通濾波器將單光子探測(cè)器輸出的離散計(jì)數(shù)脈沖序列進(jìn)行濾波，輸出連續(xù)的模擬電信號(hào)給判決電路，其輸出波形如圖3所示；

判決電路根據(jù)低通濾波器輸出的模擬電信號(hào)與判決門限相比較，判決得到信號(hào)比特信息，其輸出波形如圖4所示。

具體的判決算法如下：

由于弱光光子到達(dá)服從泊松分布，則在t₁-t₂時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生k個(gè)光電子的概率為：

其中，K(t₁,t₂)為在t₁-t₂時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)。

定義單位時(shí)間內(nèi)的信號(hào)光子到達(dá)速率為λ_s、背景光子到達(dá)速率為λ_b、暗計(jì)數(shù)率為λ_d、開門時(shí)間為t_w、探測(cè)器量子效率為η，可得單個(gè)門內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)為：

K(0,t_w)＝(ηλ_s+ηλ_b+λ_d)t_w (2)

只要單光子探測(cè)器在單個(gè)門內(nèi)接收到光子，并在其內(nèi)部產(chǎn)生至少一個(gè)光電子，就能產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖輸出。則單個(gè)門內(nèi)無計(jì)數(shù)脈沖輸出的概率和有計(jì)數(shù)脈沖輸出的概率分別為：

P₀＝exp[-K(0,t_w)]

P₁＝1-P₀＝1-exp[-K(0,t_w)] (3)

探測(cè)器在探測(cè)‘0’比特時(shí)，接收端只有背景光子和暗計(jì)數(shù)，則此時(shí)單個(gè)門內(nèi)無計(jì)數(shù)脈沖輸出的概率和有計(jì)數(shù)脈沖輸出的概率分別為：

P₀₀＝exp[-(ηλ_s+λ_d)t_w] (4)

P₀₁＝1-exp[-(ηλ_s+λ_d)t_w] (5)

同理，探測(cè)器在探測(cè)‘1’比特時(shí)，接收端有信號(hào)光子，背景光子和暗計(jì)數(shù)，探測(cè)‘1’比特時(shí)單個(gè)門內(nèi)無計(jì)數(shù)脈沖輸出的概率和有計(jì)數(shù)脈沖輸出的概率分別為：

P₁₀＝exp[-(ηλ_s+ηλ_b+λ_d)t_w] (6)

P₁₁＝1-exp[-(ηλ_s+ηλ_b+λ_d)t_w] (7)

定義比特時(shí)間內(nèi)探測(cè)器開門次數(shù)為n，比特時(shí)間內(nèi)所有門的輸出可以看成是n次獨(dú)立重復(fù)試驗(yàn)，所有門的總計(jì)數(shù)值服從二項(xiàng)分布B～(n,p)。由以上分析，可得探測(cè)‘0’比特時(shí)，比特時(shí)間內(nèi)輸出總計(jì)數(shù)值m的概率質(zhì)量函數(shù)為：

同理探測(cè)‘1’比特時(shí)，比特時(shí)間內(nèi)輸出總計(jì)數(shù)值m的概率質(zhì)量函數(shù)為：

根據(jù)計(jì)算，可得當(dāng)判決門限k_th為Pa(m)與Pb(m)兩條曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，可使系統(tǒng)誤碼率達(dá)到最低，即Pa(m)與Pb(m)大小相等時(shí)。

將計(jì)數(shù)脈沖序列經(jīng)過低通濾波器之后的波形為連續(xù)的模擬電信號(hào)，其為各個(gè)時(shí)刻上相鄰n個(gè)門輸出的計(jì)數(shù)脈沖電壓大小V與產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖概率之積，即某時(shí)刻上輸出計(jì)數(shù)脈沖電壓大小的期望值。通過計(jì)算可得最佳判決門限表達(dá)式為：

根據(jù)推導(dǎo)出的最佳判決門限表達(dá)式(10)可在判決電路中設(shè)定最佳的判決門限進(jìn)行判決，使系統(tǒng)誤碼率達(dá)到最低。

相比于傳統(tǒng)的技術(shù)本發(fā)明擁有更高的探測(cè)靈敏度，在遠(yuǎn)距離強(qiáng)衰減條件下?lián)碛袕V闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，如果對(duì)本發(fā)明的各種改動(dòng)或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形。