二级级联式室内可见光通信光学接收天线设计

针对室内可见光通信系统的传统光学接收天线无法同时满足高增益和大视场的问题, 设计了一种二级级联式光学天线. 通过分析信噪比、通信速率与接收天线视场角的关系, 发现视场角为40°–60°的光学天线最适用于室内可见光通信系统. 通过光学仿真软件TracePro的模拟及计算, 给出了所设计的二级级联式光学天线的增益随信号光入射角的变化关系. 结果表明, 相较于传统接收天线, 二级级联式光学天线具有更好的光学性能, 视场角为菲涅耳透镜单独接收时的4 倍. 利用Matlab对二级级联式光学天线竖直向上时的接收功率分布进行仿真, 结果显示探测器接收到的信号功率提升效果明显, 平均值较直接探测时增大了7 dBm, 进一步证实该二级级联式光学天线适用于室内可见光通信系统.     

用于移动可见光通信的球面型可变焦光学接收天线

针对可见光通信环境的复杂多样性以及传统光学接收天线应用的局限性,设计了一种可变焦光学天线作为移动可见光通信系统的接收天线。通过引入直角反射棱镜折叠空间光路的方法减小天线的厚度,且该天线各透镜面型均为球面,较大地节约了系统成本。仿真分析结果显示:系统的变倍比为2.5倍,视场角可以在16°~42°之间连续变化,最大增益可达16.2,系统尺寸为18 mm×6 mm,探测面照度均匀且相对照度较高,满足通信应用。最后,在5 m×5 m×3 m的通信环境中对变焦天线和定焦天线在不同应用场景下的接收性能进行了对比分析。分析结果表明,变焦光学接收天线满足大视场高增益要求的同时,在系统的稳定性、移动性和环境适用性方面明显优于定焦光学天线,非常适于可见光通信应用。     

平板型聚光器作为可见光通信中光学天线的设计与性能分析

针对室内可见光通信中光学天线存在的视场小、接收面光能分布不均匀,以及低功率光源条件下接收功率低的问题,设计了作为可见光通信系统光学天线的平板型聚光器,推导出适用于平板型聚光系统的光学增益理论公式。在一个(5×5×3)m房间中对平板型聚光器作为光学天线的接收功率分布进行仿真,得到直射和非直射链路信道下视场角为50°的平板型聚光器接收房间内各位置的光功率比直接探测时分别提升了16.2411dBm和16.4956dBm。     

一种X射线聚焦光学及其在X射线通信中的应用

基于栅控脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信已经实现了实验室语音通信验证,并对通信系统的误码率性能进行了分析,为探索未来X射线深空应用打下了坚实的基础.针对目前X射线通信面临的信号发散角大、通信距离短、难以实现工程化应用的情况,迫切需要对X射线通信天线系统进行深入研究.为了提高信号增益、增大X射线通信的距离,提出了多层嵌套式X射线聚焦光学作为X射线通信的"收发天线",理论分析了X射线聚焦光学用于X射线通信"收发天线"的可行性,分析了X射线聚焦光学的理论基础与结构设计,对"发射天线"发散角、"接收天线"有效面积与焦斑尺寸、信号增益等性能做了探讨.结果表明:在信号发射端,"天线"的发散角为3 mrad左右,发射增益23 d B;在信号接收端,"接收天线"的有效面积5700 mm2@1.5 keV,焦斑直径为4.5 mm,接收增益为25 d B,通信系统总的增益可达48 d B.     

基于室内可见光通信技术的新型两级光学接收天线设计与分析

针对室内可见光通信系统的应用需求,设计了一种新型两级光学接收天线.根据复合抛物面聚光器光学增益随视场增大而减小的聚光特性,将复合抛物面聚光器截面基准曲线旋转设计得到具有一定旋转角与厚度的透镜壁复合抛物面聚光器.进一步结合透镜壁复合抛物面聚光器和半球透镜的优势设计了一种新型两级光学接收天线,在增益保持的情况下视场角增大了近20~?.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间,通过Trace Pro建立光学天线的分析模型,Matlab软件对室内可见光通信系统进行信道建模.计算结果表明,采用这种新型两级光学接收天线,与直接接收的情况相比,平均接收功率增幅为757.2%,是复合抛物面聚光器的5.62倍;信噪比平均值增幅为28.07%,是复合抛物面聚光器的1.67倍;光学增益为11.49,是复合抛物面聚光器的2.81倍.且光斑半径仅为2.5 mm,较复合抛物面聚光器减小了近37.5%,使得能量集中均匀分布,进一步证实该新型两级光学接收天线适用于室内可见光通信系统.     

多光谱可见光通信信道串扰分析

在可见光通信领域, 通过波分复用技术可以增加信道个数, 从而提高系统通信容量. 然而发光二极管(LED)的辐射光谱具有一定线宽, 当信道个数增加, 信道间隔将变小, 尽管有滤光片的通道选择, 但LED的辐射光谱会出现重叠从而产生信道串扰. 本文基于LED光谱重叠现象分析了多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰问题. 首先结合LED的物理机制和实际LED的光谱形状对其光谱进行建模; 然后根据光谱重叠现象和可见光通信信道推导出信道串扰公式; 最后利用不同中心波长的LED在两通道可见光通信系统中验证了信道串扰公式的正确性. 仿真和实验结果表明, 当两信道的信道间隔大于28 nm时, 两信道之间的信道串扰不超过-13.6 dB. 对多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰分析对未来可见光通信增加信道数量有一定指导作用.     

双色散二维阿达玛变换光谱仪

设计了一种双色散二维调制的阿达玛变换光谱仪,利用光栅在水平方向的谱级色散和棱镜在垂直方向的谱线色散进行二维分光。与传统的二维光谱CCD探测方法不同,该设计独辟蹊径,采用面阵数字微镜对二维光谱进行阿达玛调制,并利用单点式检测器进行光信号的检测。理论计算及光学仿真表明,与传统的二维光谱探测仪器相比,该光谱仪不仅具有高的分辨率,同时还具有很高的信噪比。     

级联EDFA光纤传输系统级间损耗的优化

本文首先推导了给定传输距离条件下,单信道级联EDFA接收信噪比的一般表达式.分析表明,单信道情况下,EDFA的间隔越小,增益越低,信噪比越高.在此基础上,提出了“满足最小接收信噪比要求”的优化准则.对波分复用系统,我们提出了“使最小信噪比最大”的优化准则.实际模拟的结果证明了方法的可行性.采用此法可同时使信这间信噪比差别达到最小.     

空间带电粒子对X射线通信信噪比的影响

针对空间粒子环境对X射线通信系统的影响,分析了空间带电粒子,尤其是高能电子与X射线通信的收发天线——多层嵌套式X射线聚焦光学相互作用产生荧光X射线的过程;使用蒙特卡洛软件MCNP仿真了电子与聚焦光学相互作用,产生荧光X射线光子的量子效率;建立了电子枪与多层嵌套式X射线聚焦光学相互作用的数学模型并搭建相关实验平台,使用具有高能量分辨率的硅漂移探测器实测了荧光X射线的数量和能量分布,计算了荧光X射线光子对X射线通信系统信噪比的影响.实验与计算结果表明:在入射电子流量为1×108 cps/cm2/s量级,能量1~20keV时,X射线通信系统的信噪比优于15.1dB.多层嵌套式X聚焦光学可以有效地滤除空间电子对X射线通信的干扰,提高信号增益.     

基于2D微电子机械系统(MEMS)镜全向激光雷达光学系统设计

为了满足全向激光探测的需求,提出一种基于2DMEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号,6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°,其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°,发散度小于0.2mrad;接收视场内的激光波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1mm,接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20 W的激光束在工作距离100 m内的回波功率≥1 nW,结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。     

一种新颖的由分插复用器构成的双向WDM网络

提出了一种新颖的双向波分复用网络结构,由多个分插复用器通过单模光纤连接而成。其中,分插复用器是基于声光效应和光纤布拉格光栅的反射特性制成的。由理论分析和实验得到的结果表明,该器件可实现一定数量信道的光信号的双向分插复用。这种双向波分复用光网络可按要求进行设计,使具有某种特征波长的光信号在设定位置的分插复用器中实现分插复用,使其按所设计的光路在波分复用网络中传输。     

阵列波导光栅波分复用/解复用器光谱响应效率的理论模型

基于单模光波导的本征模场分布,瑞利－索末菲衍射积分公式和天线原理的互易定理,给出耦合器中两个非接触平面光波导耦合特性的描述.基此,根据等光程差不等振幅多光束干涉的光场叠加原理,推导出新颖的阵列波导光栅波分复用/解复用器的光谱响应效率的解析函数表达式,这些表达式可为快速精确分析阵列波导光栅波分复用/解复用器的特性提供理论基础.同时,介绍了一个计算阵列波导光栅波分复用/解复用器特性的例子,给出其光谱响应度和信号通道串扰.     

基于多径分集的啁啾扩频正交频分复用水声通信系统

针对传统正交频分复用系统在具有复杂多途和深度频率选择性衰落特点的水声信道中性能下降的问题,提出了啁啾扩频正交频分复用水声通信方案.该方案对原信息码扩频,子载波变为相同调频斜率、不同中心频率、频带相互重叠的正交啁啾信号.经过水声相干多途信道后在接收端解扩,使多个途径信号在频域上拓展,多径信号彼此分离.结合虚拟时间反转镜技术,聚焦多途信道能量,完成信道多径分集接收,不仅可以抑制频率选择性衰落的影响,还充分利用信道多径分集增益提高系统性能.通过仿真研究和湖试验证,表明该方案具有较好的有效性和可靠性.     

室内可见光通信复合光学接收端设计与分析

本文提出了一种适用于室内可见光通信的新型光学接收端的设计.根据复合抛物面聚光器的聚光特性,将光电探测器与复合抛物面聚光器耦合作为接收子单元,并将这些接收子单元按照特定的几何关系嵌入一个半球面中,得到角度分集型的复合光学接收端,达到水平方向360°,垂直方向180°的大视场.对每个接收单元接收到的光能量,低传输数据时进行相加求和作为最终的接收功率,高数据速率时取各个子单元的最大值作为接收功率.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间中,通过MATLAB对室内可见光通信系统建模仿真.计算结果表明,采用这种复合型光学接收端后,两种不同处理算法下的接收功率相对于直接接收分别提高了11.85和7.47 dB,增益分别为15.31和5.98.信噪比较高,两种情况下的平均值分别为79.17和72.26 dB,且接收信噪比分布平缓,波动较小.这说明采用本文设计的光学接收端,不仅能够得到较大的接收端视场角,同时获得较高的增益和接收功率,以及稳定的接收信噪比,避免了室内可见光通信系统中通信盲区的存在,保证了室内通信性能的稳定性.     

体相位全息光栅式波分复用器的研究

利用体相位全息光栅的优良特性,研制光栅式密集型波分复用器(DWDM)。准直后的信道波长通过体相位全息光栅两次衍射,在焦面上实现信道波长的分复用。阐述了体相位全息光栅的独特结构特点,给出了体相位全息光栅式密集型光波分复用器件的原理图,计算出各个信道的位置及间隔,用Zemax仿真出设计模型。相比于薄膜滤光片式器件而言,具有许多独特的优良特性,能够实现更密集更多信道数量的分复用。     

基于光纤布拉格光栅波/时分复用传感网络研究

在频率和时域网络中光纤布拉格光栅(FBG)传感网络的资源极其丰富,但单一的复用组网技术只能利用其一方面的资源,网络资源的利用率不高。为了充分利用传感网络资源,提出了一种新型的基于波分复用(WDM)/时分复用(TDM)的网络复用技术的光纤传感网络设计方案。首先将光纤带宽利用阵列波导光栅(AWG)进行波分复用,然后对波分复用的每一信道进行时分复用。在此基础上分析了网络中的散粒噪声和信道串扰对测量结果的影响。充分利用了光信号在频率和时域上的信息,使传感网络具有了寻址和解调数百个光栅信号的潜在能力。该网络可实现超大容量传感,提高带宽利用率,降低成本,具有很好的应用前景。     

自适应功率分配可见光MIMO信道容量研究

可见光通信（VLC）系统通常采用多阵列光源布局方式来兼顾照明与通信双重功能,因此需要使用多输入多输出（MIMO）技术进行多天线协同传输来实现高速率通信。然而传统MIMO系统中采用平均功率分配来实现空间复用,无法充分体现MIMO多天线协调传输的优势。根据每组收发天线信道状态的差异,设计了一种低计算复杂度的快速迭代注水算法,可实现依据信道特征自适应的分配信息,从而提高系统的信道容量。仿真结果表明:在相同信噪比情况下注水算法自适应功率分配系统比等功率分配系统的信道容量提高了1.25 bit/Hz左右。     

半导体光放大器引起的串扰及其抑制技术

由于半导体光放大器(SOA)的增益饱和效应,在波分复用系统中.每个信道的增益受到复用的其它信道的影响.SOA引起的各信道之间的串扰严重限制了其应用.理论研究了SOA增益饱和效应引起的信道间串扰.数值模拟了多路信道复用时系统的误码率随复用信道数和光功率的变化情况,发现随着复用信道数的增加SOA增益饱和引起的信道间串扰越来越严重.对SOA中串扰的抑制方法进行了理论和实验研究.数值模拟发现连续光注入可以抑制输出功率的波动,从而减小误码率,当复用10个信道时,连续光注入可以使功率代价减小2 dB;实验验证了两信道的40 Gb/s系统中,注入连续光可以减少SOA引起的信道间串扰.     

一种DCSK通信系统的延迟合并接收方案

提出一种多径衰落信道下DCSK通信系统的延迟合并接收方案. 理论分析和仿真结果证实了该方案的误码性能. 结果表明，和原DCSK通信系统相比，使用了延迟合并接收方案的DCSK通信系统误码性能有所提高；不同接收路径延迟对应的误码性能基本相同；各接收路径采用等增益合并方式时误码性能最好；其理论上限随着接收路径数增加而逐渐降低.     

基于LED可见光波分复用的音频传输演示仪

利用LED高频率闪烁的响应特性,设计了一种基于LED可见光波分复用的音频传输演示仪。波分复用是让不同波长的可见光同时加载不同信号,通过同一信道传输信息的通信技术。本装置实现了可见光通信技术和波分复用技术的结合,可以大大提高可见光通信的效率。装置亦可用于课堂演示。