阅读说明：本技术 一种波束灵活控制的多用户激光通信系统及方法 (multi-user laser communication system and method with flexibly controlled wave beams ) 是由 谭庆贵 蒋炜 李小军 梁栋 王迪 朱忠博 禹旭敏 朱舸 于 2019-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种波束灵活控制的多用户激光通信系统及方法,其中,该系统包括：多波束光学相控阵天线、多波长光发射模块和多波长光接收模块；其中,多波长光发射模块输出数字调制的光信号,并将此光信号送入多波束光学相控阵天线,多波束光学相控阵天线将数字调制的光信号发射出去；多波束光学相控阵天线接收光信号,并将光信号发送给多波长光接收模块,多波长光接收模块将光信号解调,获得数字信号。本发明具有体积小、集成度高、多波束灵活控制的优点。(The invention discloses a multi-user laser communication system and a method for flexibly controlling wave beams, wherein the system comprises: the multi-wavelength optical system comprises a multi-beam optical phased array antenna, a multi-wavelength light transmitting module and a multi-wavelength light receiving module; the multi-wavelength light emitting module outputs a digitally modulated light signal and sends the light signal to the multi-beam optical phased array antenna, and the multi-beam optical phased array antenna emits the digitally modulated light signal; the multi-beam optical phased array antenna receives the optical signal and sends the optical signal to the multi-wavelength optical receiving module, and the multi-wavelength optical receiving module demodulates the optical signal to obtain a digital signal. The invention has the advantages of small volume, high integration level and flexible multi-beam control.)

一种波束灵活控制的多用户激光通信系统及方法

技术领域

本发明属于卫星激光通信技术领域，尤其涉及一种波束灵活控制的多用户激光通信系统及方法。

背景技术

近年来空间激光通信技术得到快速发展，国外成功建立了星间、星地高速激光通信演示验证系统。随着空间激光通信技术的发展，星间激光通信链路向空间激光通信网络发展，这需要实现一个用户与多个用户之间的通信。目前研究的光学相控阵天线主要实现波束扫描控制，没有收发一体化的光学相控阵天线激光通信终端，从而使得集成度低、体积大，波束不易灵活控制。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种波束灵活控制的多用户激光通信系统及方法，具有体积小、集成度高、多波束灵活控制的优点。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种波束灵活控制的多用户激光通信系统，包括：多波束光学相控阵天线、多波长光发射模块和多波长光接收模块；其中，多波长光发射模块输出数字调制的光信号，并将此光信号送入多波束光学相控阵天线，多波束光学相控阵天线将数字调制的光信号发射出去；多波束光学相控阵天线接收光信号，并将光信号发送给多波长光接收模块，多波长光接收模块将光信号解调，获得数字信号。

上述波束灵活控制的多用户激光通信系统中，所述多波束光学相控阵天线包括光发射信号移相器、光接收信号移相器、N个光偏振分路器和N个天线单元；其中，光发射信号移相器包括M个1×N光分路器、M×N个发射光移相器和N个M×1光合路器；光接收信号移相器包括M个N×1光合路器、N×M个接收光移相器和N个1×M光分路器；多波长光发射模块的M路输出端口和多波束光学相控阵天线的M个1×N光分路器的输入接口连接，多波长光发射模块输出M路不同波长的光信号，并将每路光信号发送给相对应的1×N光分路器，每路光信号经1×N光分路器分为N路第一光信号，每路第一光信号发送给相对应的发射光移相器，然后通过N个发射光移相器对这N路第一光信号分别进行移相，移相后的N路第一光信号分别送入相对应的M×1光合路器，N个M×1光合路器输出的移相后的第一光信号经相对应的光偏振分路器分别送入N个天线单元，N个天线单元形成M个波束发射出去；N个天线单元接收光学多波束相控阵天线信号，每个天线单元将接收到的光学多波束相控阵天线信号经相对应的光偏振分路器发射到相对应的1×M光分路器，形成N路接收光信号，每路接收光信号经相对应的接收光移相器移相后送入相对应的N×1光合路器，形成M路合束信号，M路合束信号送入多波长光接收模块，多波长光接收模块分别对M路合束信号进行解调，得出电信号。

上述波束灵活控制的多用户激光通信系统中，发射光移相器的移相量由以下公式得出：其中，k_r＝w_r/c，k_r波数，c为光速，d为两个相邻天线单元的间距，N为天线单元的个数，w_r为第一光信号的光波频率，θ为天线主瓣波束指向角。

上述波束灵活控制的多用户激光通信系统中，接收光移相器的移相量φ_n'由以下公式得出：φ_n'＝-Nk_r'd sinθ；其中，k_r'＝w_r'/c，k_r'为波数，c为光速，d为两个相邻天线单元的间距，N为天线单元的个数，w_r'为接收光信号的光波频率，θ为天线主瓣波束指向角。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种波束灵活控制的多用户激光通信方法，所述方法包括如下步骤：多波长光发射模块输出M路不同波长的光信号，并将每路光信号发送给相对应的1×N光分路器，每路光信号经1×N光分路器分为N路第一光信号，每路第一光信号发送给相对应的发射光移相器，然后通过N个发射光移相器对这N路第一光信号分别进行移相，移相后的N路第一光信号分别送入相对应的M×1光合路器，N个M×1光合路器输出的移相后的第一光信号经相对应的光偏振分路器分别送入N个天线单元，N个天线单元形成M个波束发射出去；N个天线单元接收多波束相控阵天线信号，每个天线单元将接收到的多波束相控阵天线信号经相对应的光偏振分路器发射到相对应的1×M光分路器，形成N路接收光信号，每路接收光信号经相对应的接收光移相器移相后送入相对应的N×1光合路器，形成M路合束信号，M路合束信号送入多波长光接收模块，多波长光接收模块分别对M路合束信号进行解调，得出电信号。

上述波束灵活控制的多用户激光通信方法中，发射光移相器的移相量由以下公式得出：其中，k_r＝w_r/c，k_r波数，c为光速，d为两个相邻天线单元的间距，N为天线单元的个数，w_r为第一光信号的光波频率，θ为天线主瓣波束指向角。

上述波束灵活控制的多用户激光通信方法中，接收光移相器的移相量φ_n'由以下公式得出：φ_n'＝-Nk_r'd sinθ；其中，k_r'＝w_r'/c，k_r'为波数，c为光速，d为两个相邻天线单元的间距，N为天线单元的个数，w_r'为接收光信号的光波频率，θ为天线主瓣波束指向角。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过采用多波长光发射/接收模块、光复路/合路器(波分复用器)和偏振分束器相结合实现了多用户光链路的产生和收发信号的共用；

(2)本发明通采用共用天线单元，发射光移相器和接收光移相器分离的技术，实现了多波束的灵活控制和激光通信终端的收发合一设计。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的波束灵活控制的多用户激光通信系统的框图；

图2是本发明实施例提供的天线阵波束偏转指向示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的波束灵活控制的多用户激光通信系统的框图。如图1所示，该波束灵活控制的多用户激光通信系统包括：多波束光学相控阵天线、多波长光发射模块和多波长光接收模块；其中，

多波长光发射模块输出数字调制的光信号，并将此光信号送入多波束光学相控阵天线，多波束光学相控阵天线将数字调制的光信号发射出去；

多波束光学相控阵天线接收光信号，并将光信号发送给多波长光接收模块，多波长光接收模块将光信号解调，获得数字信号。

所述多波束光学相控阵天线包括光发射信号移相器、光接收信号移相器、N个光偏振分路器和N个天线单元；其中，

光发射信号移相器包括M个1×N光分路器、M×N个发射光移相器和N个M×1光合路器；

光接收信号移相器包括M个N×1光合路器、N×M个接收光移相器和N个1×M光分路器；

多波长光发射模块的M路输出端口和多波束光学相控阵天线的M个1×N光分路器的输入接口连接，多波长光发射模块输出M路不同波长的光信号，并将每路光信号发送给相对应的1×N光分路器，每路光信号经1×N光分路器分为N路第一光信号，每路第一光信号发送给相对应的发射光移相器，然后通过N个发射光移相器对这N路第一光信号分别进行移相，移相后的N路第一光信号分别送入相对应的M×1光合路器，N个M×1光合路器输出的移相后的第一光信号经相对应的光偏振分路器分别送入N个天线单元，N个天线单元形成M个波束发射出去；

N个天线单元接收多波束相控阵天信号，每个天线单元将接收到的多波束相控阵天信号经相对应的光偏振分路器发射到相对应的1×M光分路器，形成N路接收光信号，每路接收光信号经相对应的接收光移相器移相后送入相对应的N×1光合路器，形成M路合束信号，M路合束信号送入多波长光接收模块，多波长光接收模块分别对M路合束信号进行解调，得出电信号。

发射光移相器的移相量由以下公式得出：

其中，k_r＝w_r/c，k_r波数，c为光速，d为两个相邻天线单元的间距，N为天线单元的个数，w_r为第一光信号的光波频率，θ为天线主瓣波束指向角。

接收光移相器的移相量φ_n'由以下公式得出：

φ_n'＝-Nk_r'd sinθ；

其中，k_r'＝w_r'/c，k_r'为波数，c为光速，d为两个相邻天线单元的间距，N为天线单元的个数，w_r'为接收光信号的光波频率，θ为天线主瓣波束指向角。

本实施例还提供了一种波束灵活控制的多用户激光通信方法，该方法包括如下步骤：

多波长光发射模块输出M路不同波长的光信号，并将每路光信号发送给相对应的1×N光分路器，每路光信号经1×N光分路器分为N路第一光信号，每路第一光信号发送给相对应的发射光移相器，然后通过N个发射光移相器对这N路第一光信号分别进行移相，移相后的N路第一光信号分别送入相对应的M×1光合路器，N个M×1光合路器输出的移相后的第一光信号经相对应的光偏振分路器分别送入N个天线单元，N个天线单元形成M个波束发射出去；

N个天线单元接收多波束相控阵天线信号，每个天线单元将接收到的多波束相控阵天线信号经相对应的光偏振分路器发射到相对应的1×M光分路器，形成N路接收光信号，每路接收光信号经相对应的接收光移相器移相后送入相对应的N×1光合路器，形成M路合束信号，M路合束信号送入多波长光接收模块，多波长光接收模块分别对M路合束信号进行解调，得出电信号。

具体的，

(1)多波长光发射模块的M路输出端口和多波束光学相控阵天线的M个1×N光分路器的输入接口连接，将多波长光发射模块输出的M路光信号送入多波束光学相控阵天线。多波长光发射模块采用波分复用技术，多用户数字信号分别调至到不同波长上，输出M路不同波长光信号。

(2)对于每一路不同波长光信号，首先经1×N光分路器分为N路，然后通过N个光移相器对这N路光信号分别进行移相，移相后的光信号分别送入N个M×1光合路器，N个M×1光合路器输出的移相后的光信号分别送入N个天线单元；

(3)对于M路不同波长的光信号，分别经各自的1×N光分路器和N路光移相器后，送入N个M×1光合路器，N个M×1光合路器输出的光信号，经N个收发偏振分束器，分别送入N个天线单元。其中每个天线单元都接收到到M路光波长分光后的光信号；对于每一路波长信号，对应一个波束，分别由N个天线单元形成；

(4)N个天线单元形成M个波束，分别对这些波束独立灵活控制，将多个波长输出的光信号经由M个波束发射出去；

(5)对于接收光信号，与发射光束传输路径相反，多波长光学相控阵天线接收到的多波束相控阵天信号分别由N个天线单元接收，对于每一个波束，依次送入后续偏振分束器和N个1×M光分路器，形成N路光信号；

(6)N路光信号分别送入N路光移相器，这N路光移相器分别和M个N×1光合路器连接；N路信号分别移相后送入M个N×1光合路，形成M路合束信号，对于每个M路合路器，输入的是同波长的光信号；其中光移相量和光发射相移量一致。

(7)M个N×1光合路器合路后的光信号送入多波长光接收模块，分别对多波长光信号进行解调，恢复出电信号。

(8)在步骤(3)和步骤(6)中的所述的相移控制方法，采用相控阵天线波束移相控制技术，其示意图由图2给出。每一个波束的偏转角度和每个波束的移相控制单元相移一一对应。光束和天线单元的关系确定后，根据每个波束偏转角度，计算出每个移相器的移相量，实现波束偏转控制。对于多波束光学相控阵天线形成的M个波束中的任何一个波束，首先根据其波束指向需求，计算出其对应的每一个移相器的移相量

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。