一种基于时空无衍射光束的自由空间光传输系统及仿真方法

1.本发明涉及自由空间光传输技术领域，尤其涉及一种基于时空无衍射光束的自由空间光传输系统及仿真方法。


背景技术：

2.随着信息社会的高速发展，对通信容量的需求日益增长，传统射频通信频谱资源逐渐受限，难以满足不断增长的无线通信带宽需求。自由空间光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统，与传统射频通信相比，它具有带宽极宽、安全性高、无需频谱许可等优点，而且可以快速部署和适用于无法使用光纤电缆的应用场景。
3.然而，由于光信号在大气中传播，大气中的温度不均匀性和压力变化会造成大气湍流从而引起信道衰落，严重影响了自由空间光通信系统的通信性能。且接收端和发射端未对准导致的瞄准误差也会影响通信链路的性能。同时，光作为一种电磁波具有衍射效应，衍射造成的光束发散会使接收端不能完全接收发送端光束的能量，从而引起光束发散损耗，严重制约通信距离、提高对接收机灵敏度的要求。因此研究具有强无衍射效应的光束对于自由空间光通信领域的应用研究，具有极为重要的意义。
4.无衍射光束按照横向空间分布可以分为一维和二维结构，具有一维横向空间结构的无衍射光束主要有airy光束和具有一维横向空间结构的无衍射光束，airy光束的横向电场分布具有airy函数形式的波包；具有二维横向空间结构的无衍射光束主要有贝塞尔光束、mathieu光束、weber光束、环形airy光束等，贝塞尔光束电场沿径向具有贝塞尔函数形式的分布，mathieu光束和weber光束分别是亥姆霍兹方程在椭圆坐标系和抛物线坐标系下的解，环形airy光束是径向电场具有airy函数形式波包的光束。现有的每种无衍射光束方案都具有独特的优势，但是依然存在问题，如具有一维横向空间结构的无衍射光束，在另一横向空间维度上仍然具有很强的衍射效应，mathieu光束、weber光束和airy光束具有很强的弯曲特性，无法远距离传输。
5.中国申请号为201110388322.4的发明专利公开了基于圆环达曼光栅的贝塞尔光束产生器，其结合圆环达曼光栅和一个共焦透镜组，在聚焦物镜的后焦面内产生一种横向光斑在微米或亚微米量级、轴向焦深在10～102波长的无衍射光束，通过空间滤波的方式，所产生的贝塞尔光束质量可以进一步提高。但该现有技术的贝塞尔光束的时间和空间维度是非相关的，其脉冲光束传输时会引起时域展宽。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种基于时空无衍射光束的自由空间光传输系统及仿真方法，在发射端将脉冲位置调制格式的光信号经过时空光束转换器产生时空光束序列，利用时空光束在时间和空间维度的无衍射传播特性，降低通信链路上大气湍流、收发端错位偏移和有限孔径的影响，提升到达接收端的光信号功率，并利用光探测器将时空光束序列转化为电信号进行解调，可有效提升自由空间光传输系统在复杂环境下的传输性能。
7.本发明的技术方案是这样实现的：
8.一方面，本发明提供了一种基于时空无衍射光束的自由空间光传输系统，包括：
9.发射端，其配置为产生激光光束及对激光光束进行调制、准直处理形成高斯光束，并将高斯光束转换为无衍射时空光束；
10.接收端，其配置为接收无衍射时空光束及对其进行光电转换和信号还原，得到原始数字信息；
11.其中，所述无衍射时空光束为时间维度和空间维度互相关的无衍射光束。
12.进一步优选的，所述发射端包括：
13.激光器，其配置为产生并发射激光光束；
14.调制器，其输入端与激光器的输出端相连，其配置为通过脉冲位置调制方式将信号加载到激光光束，得到发散光束；
15.准直器，其输入端与调制器的输出端相连，其配置为将发散光束进行准直形成准直的高斯光束；
16.时空光束转换器，其输入端与准直器的输出端相连，其配置为将高斯光束进行时空转换，得到无衍射时空光束。
17.进一步优选的，所述接收端包括：
18.接收孔径，其配置为接收无衍射时空光束并将无衍射时空光束进行聚焦；
19.分束器，其配置为将聚焦的无衍射时空光束按照特定的功率比例分成两束光束，一束照射到光电探测器上用于信号处理，另一束照射到相机上用于时空光谱分析；
20.光电探测器，其配置为将无衍射时空光束进行光电转换，将光信号转换为电信号；
21.信号处理，其配置为将电信号进行信号还原，得到原始数字信息；
22.合束器，其配置为将无衍射时空光束和同频普通脉冲光束进行合束，得到干涉后的光斑；
23.相机，其配置为通过对无衍射时空光束和同频普通脉冲光束的干涉后的光斑进行监测，对干涉后的光斑进行傅里叶变换用于时空光谱特性分析，得到无衍射时空光束的无衍射特性。
24.进一步优选的，所述信号处理还配置为对原始数字信息进行分析，把电脉冲序列信号中的高电平判决为二进制符号1、低电平判决为二进制符号0，形成电脉冲序列信号的二进制数字序列，并将此二进制数字序列与发送端脉冲位置调制方式加载的信号中的数字序列进行对比，得到原始数字信息的误码率特性。
25.进一步优选的，所述无衍射时空光束的无衍射特性由光场进行表示，其光场表达式为：
[0026][0027]
式中，e表示光场，k为斜率，z为传播距离，t为时间，为纯相位项。
[0028]
进一步优选的，时空光束转换器按照高斯光束进入时的光信号传输流向依次设有相位板1、透镜、相位板2、光栅、柱透镜和相位板3，高斯光束进入时空光束转换器后经过正向传输和反向传输得到无衍射时空光束。
[0029]
进一步优选的，高斯光束的正向传输过程为：
[0030]
高斯光束经过相位板1、透镜和相位板2构成的模式分选器从(r,θ)的圆坐标空间映射到(x,y)的直角坐标空间；
[0031]
光栅和相位板3均位于柱透镜的两个焦平面上，光栅和柱透镜将高斯光束从(x,y)的直角坐标空间映射到(kx,ω)的空间-时间频率坐标空间；
[0032]
相位板3设有相位图形，通过相位图形使高斯光束的空间波矢和时间频率产生相关性。
[0033]
进一步优选的，高斯光束的反向传输过程为：
[0034]
高斯光束在相位板3处产生空间波矢和时间频率的相关性后进行反射，先后经过柱透镜和光栅，将高斯光束从(kx,ω)的空间-时间频率坐标空间解映射回(x,y)的直角坐标空间；
[0035]
然后经过模式分选器中的相位板2、透镜和相位板1，将高斯光束从(x,y)的直角坐标空间解映射回(r,θ)的圆坐标空间，得到无衍射时空光束。
[0036]
另一方面，本发明还提供一种基于时空无衍射光束的自由空间光传输仿真方法，包括：
[0037]
建立如上述任一所述系统的仿真模型，设置仿真条件和仿真参数，其中，仿真条件包括光束波长、时间采样率、网格长度、光束的束腰半径、角向指数和径向指数，仿真参数包括大气湍流强度和光束的传输距离；
[0038]
改变大气湍流强度来对高斯光束和无衍射时空光束进行第一模拟，得到第一模拟结果；
[0039]
改变光束的传输距离来对高斯光束和无衍射时空光束进行第二模拟，得到第二模拟结果。
[0040]
进一步优选的，第一模拟结果包括单个无衍射时空光束和高斯光束脉冲在接收端的横向光斑分布图和单个无衍射时空光束和高斯光束脉冲在接收端的脉冲强度一维时间分布图；
[0041]
第二模拟结果包括强湍流条件下无衍射时空光束和高斯光束在接收端的模式纯度图。
[0042]
本发明的方法相对于现有技术具有以下有益效果：
[0043]
(1)本发明提出一种基于无衍射时空光束的自由空间光传输系统，所述的时空光束具有其空间波矢与时间频率线性相关的特点，可以实现光束的无衍射效应和长距离传输；
[0044]
(2)时空光束属于脉冲光束，相比于普通脉冲光束，时空光束可以消除在长距离传输过程中的时域展宽效应；并且由于它是脉冲光束，与基于脉冲编码调制的长距离自由空间光通信系统具有良好的兼容性；
[0045]
(3)本发明提出的时空光束具有无衍射效应、光束发散角小的特征，这些特点使得时空光束在自由空间中长距离传输时能有效减少大气湍流、收发端错位偏移对光传输性能的影响，并且可以在接收端接收孔径大小有限的条件下有更高的光信号接收功率。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1为本发明实施例中无衍射时空光束的自由空间光传输系统的结构示意图；
[0048]
图2为本发明实施例中时空光束转换器的结构示意图；
[0049]
图3为本发明实施例中单个无衍射时空光束和高斯光束脉冲在接收端的横向光斑分布图；
[0050]
图4为本发明实施例中单个无衍射时空光束和高斯光束脉冲在接收端的脉冲强度一维时间分布图
‘
[0051]
图5为本发明实施例中接收端接收到的光束能量随光束的传输距离的变化示意图；
[0052]
图6为本发明实施例中强湍流条件下无衍射时空光束和高斯光束在接收端的模式纯度图。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0054]
如图1所示，一方面，本发明提供一种基于无衍射时空光束的自由空间光传输系统，包括：
[0055]
发射端，其配置为产生激光光束及对激光光束进行调制、准直处理形成高斯光束，并将高斯光束转换为无衍射时空光束；
[0056]
接收端，其配置为接收无衍射时空光束及对其进行光电转换和信号还原，得到原始数字信息；
[0057]
其中，所述无衍射时空光束为时间维度和空间维度互相关的无衍射光束。
[0058]
具体地，在本发明一实施例中，所述发射端包括：
[0059]
激光器，其配置为产生并发射激光光束；
[0060]
调制器，其输入端与激光器的输出端相连，其配置为通过脉冲位置调制方式(ppm)将信号加载到激光光束，得到发散光束；
[0061]
准直器，其输入端与调制器的输出端相连，其配置为将发散光束进行准直形成准直的高斯光束；
[0062]
时空光束转换器，其输入端与准直器的输出端相连，其配置为将高斯光束进行时空转换，得到无衍射时空光束。
[0063]
具体地，本发明一实施例中，所述接收端包括：
[0064]
接收孔径，其配置为接收无衍射时空光束并将无衍射时空光束进行聚焦；
[0065]
分束器，其配置为将聚焦的无衍射时空光束按照特定的功率比例分成两束光束，一束照射到光电探测器上，另一束照射到相机上；
[0066]
光电探测器，其配置为将无衍射时空光束进行光电转换，将光信号转换为电信号；
[0067]
信号处理，其配置为将电信号进行信号还原，得到原始数字信息；
[0068]
合束器，其配置为将无衍射时空光束和同频普通脉冲光束进行合束，得到干涉后的光斑；
[0069]
相机，其配置为通过对无衍射时空光束和同频普通脉冲光束的干涉后的光斑进行监测，对干涉后的光斑进行傅里叶变换用于时空光谱特性分析，得到无衍射时空光束的无衍射特性。
[0070]
所述信号处理还配置为对原始数字信息进行分析，把电脉冲序列信号中的高电平判决为二进制符号1、低电平判决为二进制符号0，形成电脉冲序列信号的二进制数字序列，并将此二进制数字序列与发送端脉冲位置调制方式加载的信号中的数字序列进行对比，得到原始数字信息的误码率特性。
[0071]
本实施例中，所述系统中各个模块、结构之间与输入端或输出端相连指的是电性相连。
[0072]
需要说明的是，图1中的自由空间传输指的是光束从发射端经由自由空间传输到接收端，其描述的是光传输方式。
[0073]
具体地，如图2所示，本发明一实施例中，时空光束转换器按照高斯光束进入时的光信号传输流向依次设有相位板1、透镜、相位板2、光栅、柱透镜和相位板3，高斯光束进入时空光束转换器后经过正向传输和反向传输得到无衍射时空光束。
[0074]
本实施例中，高斯光束的正向传输过程为：
[0075]
高斯光束经过相位板1、透镜和相位板2构成的模式分选器从(r,θ)的圆坐标空间映射到(x,y)的直角坐标空间；
[0076]
光栅和相位板3均位于柱透镜的两个焦平面上，光栅和柱透镜将高斯光束从(x,y)的直角坐标空间映射到(kx,ω)的空间-时间频率坐标空间；
[0077]
相位板3设有相位图形，通过相位图形使高斯光束的空间波矢和时间频率产生相关性；
[0078]
相应地，高斯光束的反向传输过程为：
[0079]
高斯光束在相位板3处产生空间波矢和时间频率的相关性后进行反射，先后经过柱透镜和光栅，将高斯光束从(kx,ω)的空间-时间频率坐标空间解映射回(x,y)的直角坐标空间；
[0080]
然后经过模式分选器中的相位板2、透镜和相位板1，将高斯光束从(x,y)的直角坐标空间解映射回(r,θ)的圆坐标空间，得到无衍射时空光束。
[0081]
需要说明的是，本实施例中的时空光束转换器能够将入射进来的高斯光束转换成一种时间维度和空间维度互相关的无衍射时空光束，该无衍射时空光束的时空特性具体指的是其空间波矢和时间频率为线性相关。高斯光束进入时空光束转换器后，按照图2中所示结构从左到右的顺序依次对脉冲高斯光束进行坐标空间的转换，最后根据相位板3上特殊的相位图形来使得转换至空间-时间频率坐标空间的高斯光束的空间波矢k和时间频率ω产生相关性。在产生了时空相关性之后，高斯光束在相位板3处进行反射，然后按照图2中所示结构从右到左的顺序进行坐标空间的解映射，直至映射回最初的(r,θ)的圆坐标空间，此时就将得到时间维度和空间维度互相关的无衍射时空光束。本发明通过该光传输系统的特殊设置，形成的无衍射时空光束能够实现光束的无衍射效应和长距离传输，其对于自由空
间光通信领域的应用具有十分重要的意义。
[0082]
需要说明的是，图2中的分束器在其中间的斜分界面是一个半透过半反射界面，该分束器通过这样一个半透过半反射界面可将一束光分成两束光，本实施例中在此处设置一个分束器的作用在于，左边输入的高斯光束进入后，将被分成两束，一束往右继续走，用于产生空间波矢和时间频率的相关性，一束向上走，此处本实施例未利用；右边将合成好的无衍射时空光束往左进入分束器，一束继续往左走，本实施例对此未利用，一束往下走输出无衍射时空光束。由于在通信领域利用分束器是必要的，这是一个基础元件，本实施例在此处设有一个分束器是为了给出一个在通信领域实际应用无衍射时空光束的方式，但其不应作为对本发明无衍射时空光束的具体限制。
[0083]
本实施例中，无衍射时空光束具有无衍射特性，其可以用光场来进行表示，为了得到光场表达式，具体的基础理论分析过程如下所示：
[0084]
在自由空间中，沿方向传播的有限时间频率带宽的光场在平面波展开的形式下表示为：
[0085][0086]
其中，为空间-时间频率谐波的复数形式，k
x
、ky、kz分别为光场在x、y、z方向上的空间波矢，ω为光场的时间频率，c为真空中光速，并满足关系式k
x2
+k
y2
+k
z2
＝(ω/c)2，为光场e在初始传播条件下的傅里叶变换，也即光场在z＝0时的时空光谱。对于时间频率为ω0的单频光束，其时空光谱带入式(1)中可以得到其光场表达式：
[0087][0088]
其中，为整体变化的相位因子、空间频率谐波的复数形式、是光场e在初始传播条件下的傅里叶变换，为了实现不引起空间展宽和时域展宽的无衍射传输，必须得引入空间波矢与时间频率具有相关性的时空光束，缩小时空光谱在波矢空间(k
x
、ky、kz)上的积分区域。一种可实现方案是使空间波矢kz为常数，即kz＝k0，此时其时空光谱带入式(2)可以得到：
[0089][0090]
其中，为空间-时间频率谐波的复数形式，为纯相位项，积分项不与传播距离z相关，d2kz/dω2＝0，因而式(3)无论是从空间上还是时间上均不引起光束的展宽效应，从而具有良好的无衍射特性。将式(3)扩展到一般形式，即空间波矢kz与时间频率ω满足线性关系：kz＝kω+k0，可以得到：
[0091][0092]
其中，e(x，y，z-t/k)为传播距离z时的光场分布，k为斜率(常数)，脉冲群速度vg＝
dω/dk
x
＝1/k。从式(4)中可以看到，不考虑纯相位项，无论时空光束的传播距离z与时间t如何变化，其光场包络与初始状态z＝0时相同，从而具备无衍射效应。
[0093]
具体地，本发明所形成的无衍射时空光束属于脉冲光束，相比于普通脉冲光束，时空光束可以消除在长距离传输过程中的时域展宽效应；并且由于它是脉冲光束，与基于脉冲编码调制的长距离自由空间光通信系统具有良好的兼容性。
[0094]
具体地，另一方面，本发明基于上述所述的光传输系统，还提供一种基于时空无衍射光束的自由空间光传输仿真方法，包括：
[0095]
建立上述所述系统的仿真模型，设置仿真条件和仿真参数，其中，仿真条件包括光束波长、时间采样率、网格长度、光束的束腰半径、角向指数和径向指数，仿真参数包括大气湍流强度和光束的传输距离；
[0096]
改变大气湍流强度来对高斯光束和无衍射时空光束进行第一模拟，得到第一模拟结果；
[0097]
改变光束的传输距离来对高斯光束和无衍射时空光束进行第二模拟，得到第二模拟结果。
[0098]
具体地，第一模拟结果包括单个无衍射时空光束和高斯光束脉冲在接收端的横向光斑分布图和单个无衍射时空光束和高斯光束脉冲在接收端的脉冲强度一维时间分布图；
[0099]
第二模拟结果包括强湍流条件下无衍射时空光束和高斯光束在接收端的模式纯度图。
[0100]
以本发明一具体实施例来对仿真过程进行说明，本实施例中对两种光束进行仿真模拟，一种是高斯光束，具体是拉盖尔-高斯光束，一种是时空光束，即上述系统所得到的无衍射时空光束：
[0101]
首先，建立上述所述的自由空间光传输系统的仿真模型，设置光束波长为1550nm，时间采样率为2
×
1011，网格长度为0.5mm，光束的束腰半径为3mm，角向指数，径向指数；在仿真模拟的过程中需要改变以形成对照效果的参数有大气湍流强度，光束的传输距离等模型参数，依据这些参数模拟出初始的拉盖尔-高斯光束与时空光束。
[0102]
本实施例分别从改变大气湍流强度和改变光束的传输距离来进行仿真模拟，具体描述为第一模拟和第二模拟。
[0103]
第一模拟过程如下：
[0104]
构造光束传输函数，将大气湍流对光束的影响等效为相位屏，运用kolmogorov湍流理论仿真模拟大气湍流，生成与光束横截面同样尺寸的相位屏；为了更真实的模拟大气湍流，将光束的传输距离分为n段，每传输一段，就将光束通过相位屏一次，重复此过程n次，得到两种光束分别经过相位屏(大气湍流)后的光场分布；将传输距离设置为100m，相位屏数量为10个，从而得到在强湍流条件下(2ω/r0＝2)单个时空光束和拉盖尔-高斯光束脉冲在接收端的横向光斑分布图，如图3所示，具体地，接收端即指的是接收端，可以看出在强湍流的信道影响下，时空光束具有更小的光束发散从而可以在接收端接收到更多的光信号功率。将经过大气湍流后两种光束单个脉冲按时间进行积分得到单个时空光束和拉盖尔-高斯光束脉冲在接收端的脉冲强度一维时间分布图，如图4所示。
[0105]
第二模拟过程如下：
[0106]
由于接收端的接收孔径大小有限，考虑此因素将接收孔径半径设置为9mm，大气湍
流强度设置为强湍流(2ω/r0＝2)，依次改变传输距离，其它参数不变，得到在有限的接收孔径大小和强湍流条件下，接收端接收到的光束能量随光束传输距离的变化，如图5所示，可以看出，在传输距离大于600m后，时空光束在接收端可以接收到的光信号功率更大。由于单个模式的拉盖尔-高斯光束在经过自由空间传输后，光束会向相邻的其他模式耦合从而在接收端得到由不同模式组成的拉盖尔-高斯光束，计算得到接收端光束的模式组成，即强湍流条件下时空光束和拉盖尔-高斯光束在接收端的模式纯度图，如图6所示，可以看出，时空光束的模式集中在光束在发射端的初始模式(角向指数l＝1，径向指数p＝1)附近，而拉盖尔-高斯光束的模式组成较为分散。
[0107]
通过对本发明所得到的无衍射时空光束进行仿真模拟，能发现该光束具有无衍射效应、光束发散角小的特征，因此在模拟中能看出其在自由空间中长距离传输时能有效减少大气湍流、收发端错位偏移对光传输性能的影响，并且可以在接收端接收孔径大小有限的条件下有更高的光信号接收功率。
[0108]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于时空无衍射光束的自由空间光传输系统，其特征在于，包括：发射端，其配置为产生激光光束及对激光光束进行调制、准直处理形成高斯光束，并将高斯光束转换为无衍射时空光束；接收端，其配置为接收无衍射时空光束及对其进行光电转换和信号还原，得到原始数字信息；其中，所述无衍射时空光束为时间维度和空间维度互相关的无衍射光束。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射端包括：激光器，其配置为产生并发射激光光束；调制器，其输入端与激光器的输出端相连，其配置为通过脉冲位置调制方式将信号加载到激光光束，得到发散光束；准直器，其输入端与调制器的输出端相连，其配置为将发散光束进行准直形成准直的高斯光束；时空光束转换器，其输入端与准直器的输出端相连，其配置为将高斯光束进行时空转换，得到无衍射时空光束。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述接收端包括：接收孔径，其配置为接收无衍射时空光束并将无衍射时空光束进行聚焦；分束器，其配置为将聚焦的无衍射时空光束按照特定的功率比例分成两束光束，一束照射到光电探测器上，另一束照射到相机上；光电探测器，其配置为将无衍射时空光束进行光电转换，将光信号转换为电信号；信号处理，其配置为将电信号进行信号还原，得到原始数字信息；合束器，其配置为将无衍射时空光束和同频普通脉冲光束进行合束，得到干涉后的光斑；相机，其配置为通过对无衍射时空光束和同频普通脉冲光束的干涉后的光斑进行监测，对干涉后的光斑进行傅里叶变换用于时空光谱特性分析，得到无衍射时空光束的无衍射特性。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述信号处理还配置为对原始数字信息进行分析，把电脉冲序列信号中的高电平判决为二进制符号1、低电平判决为二进制符号0，形成电脉冲序列信号的二进制数字序列，并将此二进制数字序列与发送端脉冲位置调制方式加载的信号中的数字序列进行对比，得到原始数字信息的误码率特性。5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述无衍射时空光束的无衍射特性由光场进行表示，其光场表达式为：式中，e表示光场，k为斜率，z为传播距离，t为时间，为纯相位项。6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，时空光束转换器按照高斯光束进入时的光信号传输流向依次设有相位板1、透镜、相位板2、光栅、柱透镜和相位板3，高斯光束进入时空光束转换器后经过正向传输和反向传输得到无衍射时空光束。7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，高斯光束的正向传输过程为：高斯光束经过相位板1、透镜和相位板2构成的模式分选器从(r,θ)的圆坐标空间映射
到(x,y)的直角坐标空间；光栅和相位板3均位于柱透镜的两个焦平面上，光栅和柱透镜将高斯光束从(x,y)的直角坐标空间映射到(kx,ω)的空间-时间频率坐标空间；相位板3设有相位图形，通过相位图形使高斯光束的空间波矢和时间频率产生相关性。8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，高斯光束的反向传输过程为：高斯光束在相位板3处产生空间波矢和时间频率的相关性后进行反射，先后经过柱透镜和光栅，将高斯光束从(kx,ω)的空间-时间频率坐标空间解映射回(x,y)的直角坐标空间；然后经过模式分选器中的相位板2、透镜和相位板1，将高斯光束从(x,y)的直角坐标空间解映射回(r,θ)的圆坐标空间，得到无衍射时空光束。9.一种基于时空无衍射光束的自由空间光传输仿真方法，其特征在于，包括：建立权利要求1-8任一所述系统的仿真模型，设置仿真条件和仿真参数，其中，仿真条件包括光束波长、时间采样率、网格长度、光束的束腰半径、角向指数和径向指数，仿真参数包括大气湍流强度和光束的传输距离；改变大气湍流强度来对高斯光束和无衍射时空光束进行第一模拟，得到第一模拟结果；改变光束的传输距离来对高斯光束和无衍射时空光束进行第二模拟，得到第二模拟结果。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，第一模拟结果包括单个无衍射时空光束和高斯光束脉冲在接收端的横向光斑分布图和单个无衍射时空光束和高斯光束脉冲在接收端的脉冲强度一维时间分布图；第二模拟结果包括强湍流条件下无衍射时空光束和高斯光束在接收端的模式纯度图。

技术总结
本发明提供一种基于时空无衍射光束的自由空间光传输系统及仿真方法，涉及自由空间光传输技术领域，所述系统包括：发射端，其配置为产生激光光束及对激光光束进行调制、准直处理形成高斯光束，并将高斯光束转换为无衍射时空光束；接收端，其配置为接收无衍射时空光束及对其进行光电转换和信号还原，得到原始数字信息；其中，所述无衍射时空光束为时间维度和空间维度互相关的无衍射光束。本发明的无衍射时空光束能够降低通信链路上大气湍流、收发端错位偏移和有限孔径的影响，有效提升自由空间光传输系统在复杂环境下的传输性能。传输系统在复杂环境下的传输性能。传输系统在复杂环境下的传输性能。


技术研发人员：杜竫 孟广率 王健
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/10/15