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。     

室内可见光通信系统的光源布局优化及性能分析

在基于白光发光二极管(LED)的室内可见光通信系统中,考虑墙面的一次反射,研究了不同LED拓扑方式下的布局方案。通过调整拓扑分布提出了方阵+圆环布局模型,该模型可以降低系统的功耗,在满足室内照明的要求下,通过功率分配实现了照度和接收面信噪比的动态范围压缩。仿真分析了基于功率分配的方阵+圆环布局模型的照度分布、接收功率分布、信噪比分布及误码率性能,仿真结果表明:方阵+圆环布局所用光源数虽然比传统方阵布局减少了48个,但性能仍得到了改善。给出了室内可见光通信链路系统带宽、误码率、距离与信噪比的关系,可为用户搭建VLC链路提供参考。     

基于现场可编程门阵列和大功率LED阵列光源的小型化水下无线光通信系统的研究与实现

针对水下无线通信高速率、远距离、低成本和小型化设备的实用需求,本文设计研制了一种高鲁棒性的基于现场可编程门阵列(FPGA)和大功率LED阵列的小型化水下无线光通信系统。其光发射机的光源采用45 W大功率LED阵列,基于FPGA实现高阶调制与编码,并设计了准直光学发射天线有效减少光束发散角,大幅度延长了传输距离。在光接收端,设计了一种基于3 mm大孔径雪崩光电二极管(APD)的自动增益控制放大和FPGA解调与信号处理的光接收机,降低了光通信系统对准的严苛要求。该系统可实现30 Mbps开关键控(OOK)信号和正交幅度调制(QAM)信号(16QAM信号)的12 m水下信道实时传输,二者的误码率(BER)分别为2.467×10^-4和3.467×10^-3。此外,该系统还实现了22 Mbps的非归零(NRZ)-OOK整形信号12 m水下+30 m空气的跨介质传输(总长度为42 m),BER为3.619×10^-4。最后,实现了12 m水下信道中接收机偏离主光轴40°之内22 Mbps OOK信号的有效接收,提高了系统的鲁棒性。     

海洋矿物质颗粒对水下量子通信信道性能的影响

海洋矿物质颗粒是影响光子在水下传输的重要因素之一.为了研究海洋矿物质颗粒对水下量子通信信道性能的影响,建立了海洋矿物质颗粒群密度、传输距离与链路衰减的关系模型并进行了仿真.针对退极化信道,研究了矿物质颗粒群密度和传输距离与信道容量、信道误码率的关系并进行了仿真.仿真结果表明,当传输距离为50 m时,随着矿物质颗粒群密度的增大,链路衰减由0.098 dB增加到2.92 dB,链路效率由6.2×10-6减小到2.7×10-7.当矿物质颗粒群密度为1.0×104 m-3时,随着传输距离的增加,信道容量由0.97逐渐减小到0.6,误码率呈指数增大.由此可见,消光效应造成的影响在传输过程中不可忽略,在实际通信过程中,应根据环境情况及时调整传输设备的参数,保证通信质量.     

水表面波扰动对无线光通信影响

在水下无线光通信(UOWC)中,光传输可能会发生在近水面,此时水表面波扰动对通信性能的影响不可忽视。在实验室环境下搭建了近水面UOWC系统,应用风扇控制产生水表面波扰动场景,研究水表面波扰动对通信性能的影响。采用不归零开关键控(NRZ-OOK)调制,研究速率为500 Mbit/s的伪随机信号在10 m自来水信道传输过程中,输入光强和水表面波扰动对信号误码率(BER)的影响。研究表明:光信号在近水面传输时,系统的BER与输入光强的大小密切相关。水表面波扰动对通信质量影响显著,不仅与光传输链路中水表面波扰动的区域范围有关,还与水表面波扰动的深度有关,而且BER随扰动的范围和深度呈现某种特定的统计规律。该规律对近水面光链路、水-空链路及空-水链路的无线光通信系统的接收、跟踪和瞄准装置设计与优化具有一定指导意义。     

基于多重降质复合信道的UWOC系统误码率性能研究

针对海水信道吸收、散射、气泡和湍流效应等对水下无线光通信系统性能的影响,建立融合多重降质效应的水下无线光复合信道模型。基于Mie散射理论计算水下微气泡群的体散射函数、散射系数和散射相函数。湍流信道模型采用混合指数广义伽玛分布进行建模。随后,将复合信道对信号的衰减以及湍流噪声等效传递至光信号,推导出了复合信道在通断键控调制方式下误码率的封闭表达式。此外,研究了湍流强度、气泡数量、链路距离和海水水质等参数对误码率性能的影响。研究结果显示,随着链路距离的延伸,误码率线性增长,表现出退化趋势;港口海水因其较高浊度和丰富的悬浮颗粒,难以保证系统通信的可靠性。此外,气泡的存在和链路距离的扩展同样会显著加剧误码率的恶化。     

基于210km实地通信链路的高稳定性光学频率信号传递

利用西安和咸阳之间的电信省级骨干光纤网构建了210km的光学频率信号传递测试链路,链路损耗为0.23dB/km。实验中采用可搬运、基于光纤干涉仪、线宽约为200 Hz的激光器作为光源,利用两台低噪声双向掺铒光纤放大器(EDFA)补偿光纤链路损耗和增加光信号的传输距离,放大器平均增益控制在15dB左右,以防止激射。通过测量和分析不同情况下光纤链路的附加相位噪声,可观测到铁路震动引起的规律性干扰。当噪声抑制系统在锁定状态时,链路的相位噪声被抑制了23dB,在剔除铁路干扰时段数据后,获得的210km实地通信链路的秒级频率稳定度达到了1.51×10-14,万秒频率稳定度达到了5×10-17。利用210km通信链路进行了光学频率信号的远程传递测试,分析了限制频率稳定度的主要影响因素,并针对现行光纤布设方式提出了补充要求。该研究为基于通信链路的高精度光学频率信号的传递与比对提供理论支撑。     

实现均匀照明的LED系统设计方法

针对医用无影灯的应用要求,提出了一种利用非球面透镜实现对目标平面均匀照明的方法。基于能量守恒定律得到光源出射角与目标面之间的关系,利用Zemax的宏语言编写优化操作数使透镜优化满足上述关系,在非序列模式中对结果进行模拟和优化,并分别对透镜的前表面三种情况进行模拟,提出并模拟了LED球面阵列,并分析了角度及距离的偏移对照明均匀度的影响。结果表明,1m距离处实现了直径为25cm的平面内的均匀照明,均匀度(平均照度/最大照度)达到96%以上;球面阵列的设计可以满足无影灯的光分布要求,照明深度达到1m。     

紫外光通信用日盲型LED研究进展

紫外光通信在激光雷达、战术通信、航空航天内部安全通讯和片上集成通信等领域有着重要应用前景。传统的紫外光通信LED光源的调制带宽窄、输出光功率低和制造工艺复杂等缺点限制了它在长距离、高速率通信和片上集成通信领域的广泛应用。实验表明，增加单个器件发光面积可提升光输出功率，但增加的器件电容对带宽提升是不利的，因此紫外光通信LED未来的重要研究方向是提升并优化带宽的同时增加器件的光功率密度。UVC Micro-LED器件有着光提取效率高、时间常数小、载流子寿命短、调制速率快及工作电流密度高等出色性能，因此在通讯领域受到科研界和工业界的广泛青睐。本文总结了紫外LED、特别是UVC MicroLED的相关研究进展，并重点介绍了它们在光通信及其片上集成互联方面的应用。研究发现，对UVC MicroLED及其阵列制备与性能提升加强研究，是未来提升自由空间和片上互联紫外通信系统性能的最佳解决方案之一。     

室内可见光多维CAP空间调制

针对室内可见光通信（VLC）光链路发射源（LED器件）有限的调制带宽问题,基于多维无载波幅度相位调制（CAP）技术,提出一种频带利用率高效的光空间调制方案（OSM-CAP）。OSM-CAP系统将输入信息序列分成两部分,一部分进行空域映射即空间调制,其结果用来选择激活的LED;另一部分进行信号域映射,即CAP调制。其中,CAP调制采用序列二次规划算法求取的时域正交多维CAP滤波器组实现。对于采用强度调制/直接检测（IM/DD）的VLC系统,该CAP信号还将进行单极化处理,文中提出两种相应的解决方案,即采用添加直流偏置（OSM-DCO/CAP方案）和零值位置极性编码（OSM-U/CAP方案）。基于朗伯体辐射模型,且可见光背景噪声建模为加性高斯白噪声,推导了OSM-DCO/CAP、OSM-U/CAP调制方案的误码率理论解,仿真验证了其准确性。在5 m×5 m×3 m的室内场景下,探讨了无载波幅度相位调制维度以及接收机个数、发射机间距、收发平面距离以及链路遮挡情况等信道参数对系统性能的影响。结果表明,星座调制阶数相同时,CAP调制维度越高,误码性能越好;接收机个数增多、发射机间距加大以及收发平面距离减小与系统可靠性存在正相关关系;链路存在遮挡情况时,会提高信道间的差异性,改善系统性能。     

TIR透镜优化设计在LED微投影显示系统中的应用

发光二极管（lighting emitting diode,LED）取代传统光源作为投影仪,特别是微投影显示系统的光源是一种趋势。采用由非球面构成的TIR透镜代替锥形光管和CPC集光器,并通过整个系统最终在目标屏上形成的照明效果为依据,对TIR透镜的内部结构尺寸参数进行优化设计,采用经过优化设计的TIR 透镜作为对LED光源所发光束进行收集整形的光学元件,克服了在传统投影显示系统中经常出现的锥形光管或复合抛物面集光器 (compound parabolic concentrator,CPC) 给整个系统所带来的光学体积大的缺点。以单片式LCOS（liquid crystal on silicon）结构为基础,利用RGB LED时序方式进行混色,设计了一套LED微投影显示系统,并通过光线追迹程序对其光学性能进行模拟评估。结果表明：在考虑时序混色方式影响的情况下,整体系统光能效率为2.38%,系统光学体积仅为125cm3,达到了对系统结构简单紧凑的设计要求。     

基于Skew-Ray追迹法的均匀准直照明TIR透镜设计

依据LED点光源模型发光特性,以特定尺寸圆目标屏获得均匀准直照明为目标,采用Skew-Ray追迹法描述光线和设计TIR透镜,其中将透镜全反射区域进行简化处理,主要通过折射区域的双自由曲面相互配合控制光线实现照明目标。经过对透镜设计结果与1mm×1mm的LED扩展光源模型的组合进行非序列光线追迹模拟,模拟结果表明在距离光源2m范围内特定尺寸目标屏所获得光能利用率至少可达到79.6%,同时目标屏在近场和远场处照明均匀度可分别达到95.9%和83.9%,若以±1°作为光线准直半角标准,目标屏准直光线百分比可分别达到88.6%和73.8%。     

基于蒙特卡罗法的水下激光光幕探测性能研究

为了提高水下激光光幕的探测性能, 根据水下光束传播规律, 构建了水下激光光幕探测模型, 基于蒙特卡罗模拟方法对水下激光光幕探测性能进行研究。基于水下激光光幕探测模型, 利用MATLAB软件进行仿真, 分析海水衰减系数、初始功率及传输距离对水下激光光幕传输的影响。仿真结果表明:海水的衰减系数越小, 水下激光光幕传输率受到的影响越小。海水参数和传输距离一定时, 随着初始功率的增加, 只会影响到达探测端的最终功率, 但对传输率影响不大。当海水衰减系数一定, 传输距离为1 m时, 其传输率约为15%且变化稳定; 当传输距离增加到30 m时, 传输率在5%以下。     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

海洋气泡对水下量子通信性能的影响

随着水下无线通信的发展,关于海洋环境量子通信的研究也逐渐成为热点。其中,研究海洋气泡对光量子在水下传输的影响具有重要意义。为了研究海洋气泡对水下量子通信信道性能的影响,根据海洋气泡的粒径分布模型,研究了气泡的散射特性,并根据气泡的消光系数,分析了不同条件参数对链路衰减、纠缠度、信道容量以及信道误码率的影响,并进行了仿真实验。结果表明：气泡浓度和传输距离的增大,使链路衰减和误码率增加,对于幅值阻尼信道、退极化信道和比特翻转信道,其信道容量均有所减小;随着气泡半径的增大、深度的减小,信道纠缠度降低。由此可见,海洋气泡对量子通信性能的影响不可忽略,在实际应用中为了保障水下量子通信的传输效率,应适当调节水下量子通信相关参数,减小海洋气泡环境对通信系统的影响。     

基于自由曲面透镜的三基色LED照明系统研究

基于三基色发光二极管(light emitting diode，LED)与方棒的投影照明系统具有色域宽、体积小的优点，但三基色LED和方棒配合使用时，存在投影亮度不高的问题。首先基于光学扩展量匹配原则选择了LED光源，然后设计了一组自由曲面的准直透镜和收集透镜。仿真结果表明:准直透镜出射光线集中在±7.5°内，方棒出射端±30°内的能量利用率为51.7%。实际加工并测试了设计的自由曲面准直透镜和收集透镜。测试结果表明:采用本文设计的没有镀减反增透膜的透镜组，投影机出射亮度比原使用镀了增透减反膜的透镜的系统高1.6%。预计设计的透镜镀减反增透膜后投影机出射亮度有望提升9.8%。     

月地光通信的链路设计(英文)

光通信技术可以满足未来深空探测对较大带宽的需求,因此光通信技术具有很好的应用前景.本文主要对月地光通信的链路进行了设计,从而实现月地通信链路中数据的大容量传输.首先,文中对月地光通信系统链路中主要参数设计进行仿真分析,主要包括信号光的接收功率、链路容量,以及收发天线增益和信息空间损耗的近似计算.另外还对脉冲位置调制下的信息传输效率和带宽利用率进行了仿真分析.结果表明,收发天线的直径和信息帧的时隙数对通信的影响较大,在通信的过程中需要对其进行优化设计,并且光源波长的选择也要合理.因此,本文的研究对实际的月地光通信链路设计具有一定的理论指导意义.     

电接口以太网传输大气激光通信系统的研制

介绍了基于电接口的大气激光通信系统的工作原理及各部分的组成，测试了光学天线的天线效率以及准直发散角的大小(天线效率约为35％，准直发散角为1.3mrad)，并对系统进行了光功率链路的估算。计算结果表明：所设计的系统完全可以满足2km内大气传输的要求。在此基础上研制出基于电接口的通过以太网传输的大气激光通信系统。该系统由激光器收发子系统、光学天线子系统以及媒体传输子系统组成，其中为了避免大气湍流，光学天线采用了双路发射、双路接收的形式。此系统可以实现计算机和以太网之间以及2台计算机之间的通信。工作速率为10Mb/s和100Mb/s自适应，工作距离为500m。     

量子点LED用于可见光通信的调制带宽研究进展

可见光通信(Visible light communication,VLC)作为无线通信领域中与无线射频通信互补的一种空间通信技术,近年来吸引了众多研究人员的关注.除了通信链路的电路设计、调制模式之外,调制带宽是照明光源能否实现高质量VLC的关键因素.区别于传统有机LED、聚合物LED及以GaN/InGaN为代表的无机...     

用于头盔显示液晶像源的透镜薄膜设计与制备

LED已经成为头盔液晶显示的主流背光光源,为了提升LED主视角亮度,减小背光模块的体积,对双自由曲面透镜进行了扁平化设计,形成透镜薄膜,仿真结果表明光线透过透镜薄膜后,存在中心亮度升高、光斑缩小的问题。采用反馈优化方法修改了双自由曲面透镜设计时的能量分布,并重新设计了透镜薄膜,仿真结果表明优化后的光斑尺寸从2.3 mm增加到7.1 mm。采用无掩模直写光刻技术制备了两层透镜薄膜,分别包含一个扁平化后的自由曲面。对包含和不包含透镜薄膜的背光模块进行了测试,测试结果表明:包含透镜薄膜的背光模块平均亮度比不包含的提升了18.1%,设计的透镜薄膜可有效提升LED背光亮度,减小背光模块体积。