用于水下无线光通信的光学天线的设计方法、应用方法

本发明涉及水下无线光通信，具体涉及一种用于水下无线光通信的光学天线的设计方法、应用方法。

背景技术：

1、水下无线光通信由于其高带宽和低延迟特性，在海洋探测、数据采集和海底通信中得到广泛应用。然而，水下环境的复杂性，如水质变化、水流扰动和光在水中的衰减，限制了水下无线光通信系统的性能。水下无线光通信具有高速率，低延迟的优势，而且可以达到百米量级的通信距离。同时，由于光束方向性高并且波长短、绕射衍射能力低，水下无线光通信有更强的保密性。此外，水下无线光通信设备还具有体积小、功耗低、成本低的优点。因此，水下无线光通信常被视为水下无线通信中极具前景的传输方案。

2、在水下无线光通信系统中，传统的光学天线面临着光信号损失和对环境变化敏感的问题。水下无线光通信传输环境复杂，其中可能会有很多不利的因素影响通信性能。首先，光波在水体中由于吸收和散射的影响，会经历比较大的衰减，长距离传输的光信号会变得十分微弱。其次，海洋中水体在不断地循环流动，造成了海水中温度和湿度的不均匀分布，这种不均会导致水体对光线折射的不均匀，从而形成湍流影响光信号的传播。此外，船舶尾流、海洋生物活动、水底沼气、水下作业、雨滴海浪等都可能在水下引入气泡，无线光信号在气泡的干扰下可能会被衰减或者偏离收发端对准的方向。综上，复杂的水下环境给水下无线光通信带来了很多困难，同时也给其中的同步问题带来很多挑战。目前的水下无线光通信系统光学天线还未见专门针对湍流气泡或收发端双动态场景的设计。鉴于光学天线在水下无线光通信系统中的重要作用，优化其结构和设计方法十分有意义。因此，本发明结合水下信道动态性特点，提出水下无线光通信系统的新型光学天线及其设计方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种用于水下无线光通信的光学天线的设计方法、应用方法，提供了动态出入射光强度与方向下的水下无线光通信收发端光学天线设计方法，采用自由曲面灵活的空间布局和设计自由度，进行能够逼近自适应光学的天线设计，同时兼顾针对水下多用户无线光通信的抗干扰性能。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，光学天线包括多个天线单元，每个天线单元包括至少一个具有自由曲面的光学元件；光学元件被配置为以宽视场角模拟自适应光学天线的性能，每个光学元件被设计用于在特定视角上补偿光信号在水下传播时产生的波前畸变。

4、进一步地，使用数学分布模型描述水下光信号的预期概率分布，以所述预期概率分布的逆概率分布密度来调整光学天线中每个天线单元的方向和灵敏度；通过波前随机游动模型的概率分布平均，补偿光信号在水下传播时产生的波前畸变，设计光学元件的自由曲面。

5、进一步地，所述数学分布模型采用高斯分布或者泊松分布。

6、进一步地，不同光学元件的自由曲面对入射平行光的汇聚点分布在同一个平面上。

7、进一步地，所述光学元件包括能够使波长为440纳米至550纳米的光信号具有80％至95％透光率的材料，如石英玻璃和蓝宝石。

8、进一步地，所述光学元件表面覆盖有用于减少光的反射损失并提高传输效率的抗反射涂层。

9、一种用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，利用上述光学天线的设计方法所设计的光学天线的空分特性，对水下抗动态干扰的无线光通信进行微小区划分；所述光学天线能够发生形变，基于可形变的光学天线进行自适应光束调整，抑制多用户干扰；利用光学天线内的图像传感器结合深度学习方法进行高维非线性光干扰信道估计，将估计结果反馈给可形变的光学天线。

10、进一步地，每个光学天线具有透明窗口，所述透明窗口通过机械装置控制。

11、进一步地，所述深度学习方法用于分析光学天线内不同光学元件的信号，对信号进行优化处理和定位。

12、一种用于水下无线光通信的光学天线的应用方法，使用上述光学天线的设计方法所设计出的光学天线，进行光信号的发送和接收。

13、与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

14、本发明从面向水下无线光探测平面信号到达方向与强度的动态变化问题，突破基于光学天线设计和结构优化，达到对于自适应光学天线性能的逼近。

15、本发明针对水下无线光通信中的多用户干扰问题，提出了可形变光学天线的设计方法和结构。

技术特征：

1.一种用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，其特征在于：光学天线包括多个天线单元，每个天线单元包括至少一个具有自由曲面的光学元件；光学元件被配置为以宽视场角模拟自适应光学天线的性能，每个光学元件被设计用于在特定视角上补偿光信号在水下传播时产生的波前畸变。

2.根据权利要求1所述的用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，其特征在于，使用数学分布模型描述水下光信号的预期概率分布，以所述预期概率分布的逆概率分布密度来调整光学天线中每个天线单元的方向和灵敏度；通过波前随机游动模型的概率分布平均，补偿光信号在水下传播时产生的波前畸变，设计光学元件的自由曲面。

3.根据权利要求2所述的用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，其特征在于，所述数学分布模型采用高斯分布或者泊松分布。

4.根据权利要求1所述的用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，其特征在于，不同光学元件的自由曲面对入射平行光的汇聚点分布在同一个平面上。

5.根据权利要求1所述的用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，其特征在于，所述光学元件包括能够使波长为440纳米至550纳米的光信号具有80％至95％透光率的材料。

6.根据权利要求1所述的用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，其特征在于，所述光学元件表面覆盖有用于减少光的反射损失并提高传输效率的抗反射涂层。

7.一种用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，其特征在于，利用权利要求1至6中任一项光学天线的设计方法所设计的光学天线的空分特性，对水下抗动态干扰的无线光通信进行微小区划分；所述光学天线能够发生形变，基于可形变的光学天线进行自适应光束调整，抑制多用户干扰；利用光学天线内的图像传感器结合深度学习方法进行高维非线性光干扰信道估计，将估计结果反馈给可形变的光学天线。

8.根据权利要求7所述的用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，其特征在于，每个光学天线具有透明窗口，所述透明窗口通过机械装置控制。

9.根据权利要求7所述的用于水下无线光通信的光学天线的设计方法，其特征在于，所述深度学习方法用于分析光学天线内不同光学元件的信号，对信号进行优化处理和定位。

10.一种用于水下无线光通信的光学天线的应用方法，使用权利要求1至9中任一项所述的光学天线的设计方法所设计出的光学天线，进行光信号的发送和接收。

技术总结本发明涉及水下无线光通信技术领域，公开了一种用于水下无线光通信的光学天线的设计方法、应用方法；其中设计方法包括：水下接收端动态到达光强与到达角情况下的逼近自适应光学天线设计方法，以及可形变光学天线设计方法。从水下无线光信号收发光学天线自适应优化的角度来解决水下无线光通信系统在复杂动态信道中的抗多用户干扰问题。技术研发人员：李上宾,刘伟杰,黄诺,金美玉,龚晨,徐正元受保护的技术使用者：中国科学技术大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13