基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

结构光场编译码通信研究进展

结构光场是一类对光波空间结构进行剪裁的特殊光场。广义的结构光场包括具有空间变化的幅度、相位、偏振分布和空间阵列分布的光场。结构光场因其独特性而在光学操控、显微、成像、计量、传感、非线性光学、天文学、量子科学和光通信等领域获得了广泛应用。基于结构光场的光通信技术包括复用通信和编译码通信。本文回顾了结构光场编译码通信的研究进展,全面综述了结构光场的产生方法以及不同空间模式(轨道角动量模式、无衍射贝塞尔模式、线偏振模式、矢量模式、空间阵列)、不同编码方式(直接模式编码、高速映射)和不同应用场景(光子芯片、自由空间、光纤)的结构光场的编译码通信,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。结构光场编译码通信开发了光场空间域维度资源,有望为解决光通信新容量危机和实现光通信可持续扩容提供潜在的解决方案。     

可见光通信系统的非线性失真抑制研究北大核心CSCD

发光二极管的非线性特性是引起光信号出现非线性失真的一个重要因素,针对该问题,采用人工神经网络在接收端对信号的非线性失真进行抑制,进而降低可见光通信系统的误码率。将发光二极管的输入电信号与接收端转换后的电信号组成成对数据,将成对数据集送入神经网络进行训练,学习信号在电光转换、信道传输及光电转换过程中的非线性失真特性,通过神经网络对信号的非线性失真进行估计与抑制。此外,在训练过程中采用分布估计算法搜索神经网络的超参数集,以降低训练难度。实验结果表明,该方法在不同的信道环境下均能有效地改善可见光通信的性能。     

水下无线光动态通信技术与实验研究

受水下湍流及水体生物的影响,通信发射光源易产生指向的不确定性,严重增加水下无线光通信的建链难度。针对这一问题,设计了一种基于伺服系统的水下无线光通信系统,该系统基于二维光电转台实现捕获不确定区域扫描,结合CMOS相机实现通信光轴的大视场捕获,最终实现水下无线光通信链路建立。通过实验验证了方案的可行性并对通信单元及伺服单元进行性能测试。实验结果表明,所搭建的系统能够在8.2 s内完成通信光斑的捕获对准,并在通信误码率为1×10-6的情况下,实现50 Mbps的峰值通信速率。     

利用双反射镜控制实现无线光通信光束对准

针对远距离无线光通信中光束跟踪受长距离大气传输不确定因素影响大的问题,提出了一种利用双反射镜的无线光系统结构。针对双反射镜到接收端的短轴跟踪控制设计了滤光片转盘模块,通过给反射光斑施加频率扰动的方式来实现对相机探测面上双光斑的辨别,并以探测面上双光斑的重叠情况作为判别光束对准的依据。对于存在偏移的重叠双光斑图像,提出多光斑/重叠光斑中心提取的思路,利用最小二乘法椭圆拟合实现重叠光斑的分割,并对无重叠、较少重叠以及较多重叠三种情况下的光斑图像进行分割实验。研究结果显示,在光斑重叠的场景下,光斑中心定位与实际位置之间的标准差小于0.5 pixel,因此所采用的算法在重叠光斑的分离方面具有很好的效果。     

基于神经网络的可见光通信系统信道估计方法

针对现有的非对称限幅光正交频分复用（ACO-OFDM）可见光通信（VLC）系统中信道估计方法存在导频数量过大、精度低、估计效率不高的问题,提出一种基于深度神经网络（DNN）的VLC信道估计方法。利用梯度集中化（GC）方法进行模型优化,并采用端到端的方式跟踪信道信息并恢复失真信号。仿真结果表明：所提方法的误码率（BER）和均方误差（MSE）性能均优于传统方法;在使用较少的导频和省略循环前缀（CP）进行信道估计时,所提方法具有更强的鲁棒性。此外,在DNN训练过程中引入GC方法,可以加快网络的收敛速度,提高其优化能力。     

海洋湍流外尺度对高斯光束传输特性的影响

针对功率谱反演法模拟的海洋湍流相位屏中缺乏外尺度对光学特性影响的模型,基于Nikishov海洋湍流功率谱模型,提出一种指数型外尺度的Nikishov谱的修正模型,并通过功率谱的收敛性质及标准化光谱对该模型进行验证。相比于已有的包含外尺度参量的功率谱模型,该修正谱形式较为简单,便于分离变量,可在后续的研究中基于波动光学理论借助超几何函数对光学参量理论公式进行推导。基于该功率谱修正模型建立复合海水信道湍流相位屏仿真模型,针对功率谱反演法生成的相位屏存在低频信息不足的缺陷采用低频次谐波进行补偿,通过光线追踪的蒙特卡洛统计方法分析了湍流外尺度对高斯光束光学特性以及信号时域扩展特性的影响。波动理论数值计算与基于相位屏的仿真结果一致表明：在弱湍流条件下,海洋湍流外尺度对准直高斯光束光束扩展、质心漂移特性的影响较大,对光强闪烁的影响较小;海洋湍流外尺度对时域展宽影响较小,湍流影响下的信号时域扩展与传输距离近似呈现二次函数关系。     

基于伪随机噪声序列相干光正交频分复用系统的定时同步算法

针对传统定时同步算法的副峰干扰和低信噪比(SNR)下定时不稳定的问题,提出了一种基于伪随机噪声(PN)序列的定时同步算法。根据PN序列良好的延迟相关性和对称相关性,重新设计了训练序列的结构,并优化了定时度量函数的计算方法。仿真结果表明,改进算法的定时度量估计曲线只存在一个峰值,消除了副峰干扰。在循环前缀为四分之一符号长度与低SNR的情况下,仍可实现准确和稳定的定时。     

低复杂度室内超密集可见光通信网络频谱资源分配算法

针对室内超密集可见光通信网络多小区资源分配算法中存在的吞吐性能与算法复杂度之间的矛盾,提出一种吞吐性能近似最优且复杂度低的资源分配算法。通过建立各小区资源分配问题的最优化模型,得出该问题是凸优化问题的结论;在合理近似处理后,推导了终端资源分配归一化比例因子的解析式,在此基础上提出一种资源分配算法;算法复杂度分析表明本文算法具有多项式复杂度,低于经典最优化内点法。仿真表明,相比于请求速率占比分配法,本文算法的吞吐量性能提升了57%,服务质量满意度性能提升了67%。     

无限包层Bragg光纤的传输模式研究

分析得到了横向电场分量和磁场分量所满足的耦合方程,对于介质折射率的不连续处,采用严格的边界条件来处理。基于全矢量模型,使用有限差分法编写了复模式的求解器,并将其应用于Bragg光纤的模式求解和分析。绘制出了Bragg光纤模式谱图,分类分析了在无限包层情况下Bragg光纤模式的基本特性。