CN103095380A

CN103095380A - 水下无线光通信装置及其方法

Info

Publication number: CN103095380A
Application number: CN2013100044838A
Authority: CN
Inventors: 丁阳; 周洪亮; 张振华; 张宏建
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-01-06
Filing date: 2013-01-06
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明公开了一种水下无线光通信装置及其方法。它包括顺次连接的滤光片、硅光电二极管、光电接收单元、主控单元、光调制驱动单元、绿光光源，主控单元与上位机相连。将光发射端与接收端集成在同一电路内以实现双工光通信。所述硅光电二极管用于将光信号转换为微弱的电信号；所述光电接收单元将微弱的光电流信号进行放大，转换为可被主控单元处理的电平信号；所述主控单元对数据进行储存和处理，并与上位机进行通信；所述光调制驱动单元对光源的电流以及温度进行控制以保证正常工作状态，并将信号调制到绿光光源上。本发明中的光学通信装置能够灵活地运用于各种水下数据传输场合，为水下通信提供一种新的解决方案。

Description

水下无线光通信装置及其方法

技术领域

本发明属于无线光学通信技术领域，尤其涉及一种水下无线光通信装置及其方法。

背景技术

随着世界人口数量的增加和陆地资源的紧缺，进入21世纪后人们将更多精力投入到海洋、河流资源的开发与利用上。由于人类活动对生态环境的影响，导致水华、赤潮等污染事件时有发生，促使相关部门加大了对于各项水参数质预警和监测的力度。

在水中传播的各种波中，以纵波(声波)的衰减最小，因而声纳技术和水声信息传输技术被广泛采用和关注。对电磁波这种横波而言，由于海水是良导体，趋肤效应将严重影响电磁波在海水中的传输，以致在陆地上广为使用的无线电波在水下几乎无法应用。目前，水下无线通信广泛采用的方式为声学通信技术，水声通信技术具有通信距离远、通信可靠性高等优点，但是，水下声学通信也有诸多的局限性：水声信道传输延时长、传输速率低。水中声波的传播速度约为1500m/s,比光速低了太多，其数据传输速率随着距离增大而降低。可用带宽有限。水下声学通信中的传输带宽是时变的，一般水下链路的容量比陆地上的无线链路的容量低很多，如果再考虑多址接入、信道衰落、噪声和干扰等不利因素的影响，实际可获得的链路容量比理想的无线传输速率还要低许多。功耗高、体积大。由于其波长相对较长，所以其耗能大，对于在水下的设备来说其能源补给是困难的。

1963年, S.A.Sullian 及S.Q.Dimtley 等人在研究光波在海洋中的传播特性时,发现海水对450～550纳米波段内蓝绿光的衰减要比其他光波段的小很多，证实了在海洋中亦存在一个类似于大气中存在的透光窗口。依据上述物理现象，利用工作在蓝绿光波段的激光器, 可研制出基于新物理机理的水下目标探测、控制、通信等装备, 为解决长期以来困扰人类的对水下目标探测、水下通信、水质监测、水样采集等难题带来了新的希望。

当前对于无线光学通信的研究大都用于大气空间内的激光通信场合，应用场合有一定的局限，不满足于水下无线光学通信的要求，需要做出改进和完善。首先，大气激光通信和水下激光通信要选取不同的光源。在大气中，通常选用对大气透过率最高的红外激光。而在水下，蓝绿光具有传输距离远，传输速率快、带宽大、隐蔽性好等特点，是未来水下通信的发展方向。所以用蓝绿光进行通信比传统通信手段拥有诸多的优越性。当前所采用的激光通信装置以脉冲激光器为主，脉冲激光器体积大、成本高，安装极为不便，不适合普通的水下数据传输。光学通信装置缺少实际电路元器件的选择和对于连接方式的说明。

基于目前水下无线光学通信研究存在的问题，有必要进一步探索和研究一种新的光学通信装置，以及具体的水下无线光学通信方法，降低无线光通信装置的成本，增强方法的可行性和实用性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的水下无线光学通信方法存在的不足，提供一种水下无线光通信装置及其方法。

水下无线光学通信装置包括顺次连接的滤光片、硅光电二极管、光电接收单元、主控单元、光调制驱动单元、绿光光源，主控单元与上位机相连；所述光电接收单元的电路为：电阻R1的一端接硅光电二极管的正极，电阻R1的另一端接地，光电二极管的负极接+5V电源，电阻R2的一端接地，电阻R2的另一端与运放A1的反向输入端相连，电阻R3的一端与运放A1的反向输入端相连，电阻R3的另一端与运放A1的输出端相连，电容C1的一端与运放A1的输出相连，电容C1的另一端与电容C2的一端和电阻R7的一端相连，电容C2的另一端与电阻R4的一端、运放A2的同相输入端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端与电阻R6一端、运放A2的反向输入端相连，电阻R6的另一端与电阻R7的另一端、电阻R8的一端、运放A2的输出端相连，电阻R8的另一端与电阻R9的一端、电容C4的一端相连，电阻R9的另一端与电容C3的一端、运放A3的同相输入端相连，电容C3的另一端和电阻R10的一端接地，电阻R10的另一端与电阻R11的一端、运放A3的反向输入端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端、运放A3的输出端口相连。

所述的光调制驱动单元的电路为：电阻R13的一端与LED的正极、驱动器MAX16832C的CS脚相连，电阻R13的另一端与驱动器MAX16832C的GND脚、驱动器MAX16832C的PGND脚接地，电容C5的一端与驱动器MAX16832C的IN脚相连，电容C5的另一端接地，LED的负极与电感L的一端相连，电感L的另一端与二极管D1的正极、驱动器MAX16832C的LX脚相连，二极管D1的负极与电阻R13的另一端相连，电容C6的一端与电阻R13的一端、驱动器MAX16832C的TEMP脚相连，电阻R14的另一端与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端与电容C6的另一端接地。所述的LED为波长为532纳米的绿光光源。所述的主控单元采用超低功耗MSP430F149单片机。

水下无线光学通信方法是：上位机将待传输信息通过RS-232串口发送至主控单元，主控单元将信息转换为数字电平信号并输入至光调制驱动单元，光调制驱动单元将信号调制到绿光光源的光束上，并控制绿光光束载波的相位、幅值、频率参数，使相位、幅值、频率参数按照电信号的规律变化，硅光电二极管接收到在水中的透过性好，波长为532纳米的绿光光源传输的光信号后，将光信号转换为微弱电信号，并输入光电接收单元放大至标准电平信号，然后输入主控单元还原为传输的原始信息，通过RS-232串口发送至上位机进行显示。

本发明中的光学通信装置能够灵活地运用于各种水下数据传输场合，具有体积小、功耗低、成本低的特点，为水下通信提供一种新的解决方案。

附图说明

图1是水下无线光学通信装置电路框图；

图2是本发明的光电接收单元的电路原理图；

图3是本发明的光调制驱动电路原理图；

图4是水下无线光学通信方法的传输示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，水下无线光学通信装置包括顺次连接的滤光片、硅光电二极管、光电接收单元、主控单元、光调制驱动单元、绿光光源，主控单元与上位机相连；所述光电接收单元的电路为：电阻R1的一端接硅光电二极管的正极，电阻R1的另一端接地，光电二极管的负极接+5V电源，电阻R2的一端接地，电阻R2的另一端与运放A1的反向输入端相连，电阻R3的一端与运放A1的反向输入端相连，电阻R3的另一端与运放A1的输出端相连，电容C1的一端与运放A1的输出相连，电容C1的另一端与电容C2的一端和电阻R7的一端相连，电容C2的另一端与电阻R4的一端、运放A2的同相输入端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端与电阻R6一端、运放A2的反向输入端相连，电阻R6的另一端与电阻R7的另一端、电阻R8的一端、运放A2的输出端相连，电阻R8的另一端与电阻R9的一端、电容C4的一端相连，电阻R9的另一端与电容C3的一端、运放A3的同相输入端相连，电容C3的另一端和电阻R10的一端接地，电阻R10的另一端与电阻R11的一端、运放A3的反向输入端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端、运放A3的输出端口相连。所述的LED为波长为532纳米的绿光光源。所述的主控单元采用超低功耗MSP430F149单片机。

经过论证和仿真，波长为532nm的绿光在水中衰减最小，衰减系数为0.0417

。所以光源采用绿光LED模块，LED的工作电压为3.3V，最大电功率可达1W，光源散射角为

Figure 2013100044838100002DEST_PATH_IMAGE002

，光信号覆盖范围广，便于通信端口的对准，却导致光的品质下降无法满足远距离高速信号的传输。因此，可以通过多个LED的串联来解决，以增大光源的光强和光传输距离。

硅光电二极管G0606在反偏的工作状态下具有良好地光电转换效率，在5V的偏转电压下只有15nA的暗电流，对于波长为532nm的绿光有90%的转换率。其前置滤光片对于波长532±10nm的光透过率为85%，中心波长（532nm）100nm范围之外的光透过率为零，能够很好地滤除环境噪声光的影响。

光电信号处理单元采用德州仪器公司的高速、低噪声仪表运放OPA725，采用±5V开关电源供电，光电二极管的微弱电流信号经过采样电阻R1转换为电压信号，同时接入放大单元A1的反相端。A1为同相放大电路，放大倍数由电阻R2和R3决定。输入输出关系为：

(1)

A2、A3组成二阶带通滤波电路，截止频率为

。其中A2为二阶高通滤波电路，根据R4、R5以及C1、C2的值可以得出高通截止频率为100Hz。A3为二阶低通滤波电路，根据R6、R7以及C3、C4的值可以得出低通截止频率为10MHz。

如图3所示，所述的光调制驱动单元的电路为：电阻R13的一端与LED的正极、驱动器MAX16832C的CS脚相连，电阻R13的另一端与驱动器MAX16832C的GND脚、驱动器MAX16832C的PGND脚接地，电容C5的一端与驱动器MAX16832C的IN脚相连，电容C5的另一端接地，LED的负极与电感L的一端相连，电感L的另一端与二极管D1的正极、驱动器MAX16832C的LX脚相连，二极管D1的负极与电阻R13的另一端相连，电容C6的一端与电阻R14的一端、驱动器MAX16832C的TEMP脚相连，电阻R14的另一端与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端与电容C6的另一端接地。

如图4所示，水下无线光学通信方法是：主控单元将信息转换为数字电平信号并输入至光调制驱动单元，光调制驱动单元将信号调制到绿光光源的光束上，并控制绿光光束载波的相位、幅值、频率参数，使相位、幅值、频率参数按照电信号的规律变化，硅光电二极管接收到在水中的透过性好，波长为532纳米的绿光光源传输的光信号后，将光信号转换为微弱电信号，并输入光电接收单元放大至标准电平信号，然后输入主控单元还原为传输的原始信息。

发射端硅光电二极管和LED光源是同轴的；相对应的接收端上的LED光源和硅光电二极管也是同轴的，只要发射端光源对准了接收端的光电二极管，那么就保证了接收端的光源也一定对准了发射端的光电二极管。根据无线光学通信的双工通信协议，每个数据帧尾都有表明结束的帧，如果接收端收到表明结束的帧，会返回一个确认数据传输完成的帧。如果发射端没有收到返回的确认帧，则表示该数据帧丢失，发射端需要在调整方向对准后重新发送传输请求，直至收到该帧数据的返回确认帧。

Claims

1.一种水下无线光学通信装置，其特征在于包括顺次连接的滤光片、硅光电二极管、光电接收单元、主控单元、光调制驱动单元、绿光光源，主控单元与上位机相连；所述光电接收单元的电路为：电阻R1的一端接硅光电二极管的正极，电阻R1的另一端接地，光电二极管的负极接+5V电源，电阻R2的一端接地，电阻R2的另一端与运放A1的反向输入端相连，电阻R3的一端与运放A1的反向输入端相连，电阻R3的另一端与运放A1的输出端相连，电容C1的一端与运放A1的输出相连，电容C1的另一端与电容C2的一端和电阻R7的一端相连，电容C2的另一端与电阻R4的一端、运放A2的同相输入端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端与电阻R6一端、运放A2的反向输入端相连，电阻R6的另一端与电阻R7的另一端、电阻R8的一端、运放A2的输出端相连，电阻R8的另一端与电阻R9的一端、电容C4的一端相连，电阻R9的另一端与电容C3的一端、运放A3的同相输入端相连，电容C3的另一端和电阻R10的一端接地，电阻R10的另一端与电阻R11的一端、运放A3的反向输入端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端、运放A3的输出端口相连。

2.如权利要求1所述的一种水下无线光学通信装置，其特征在于，所述的光调制驱动单元的电路为：电阻R13的一端与LED的正极、驱动器MAX16832C的CS脚相连，电阻R13的另一端与驱动器MAX16832C的GND脚、驱动器MAX16832C的PGND脚接地，电容C5的一端与驱动器MAX16832C的IN脚相连，电容C5的另一端接地，LED的负极与电感L的一端相连，电感L的另一端与二极管D1的正极、驱动器MAX16832C的LX脚相连，二极管D1的负极与电阻R13的另一端相连，电容C6的一端与电阻R13的一端、驱动器MAX16832C的TEMP脚相连，电阻R14的另一端与电阻R15的一端相连，电阻R15的另一端与电容C6的另一端接地。

3.如权利要求1所述的一种水下无线光学通信装置，其特征在于，所述的LED为波长为532纳米的绿光光源。

4.如权利要求1所述的一种水下无线光学通信装置，其特征在于，所述的主控单元采用超低功耗MSP430F149单片机。

5.一种使用如权利要求1所述装置的水下无线光学通信方法，其特征在于，上位机将待传输信息通过RS-232串口发送至主控单元，主控单元将信息转换为数字电平信号并输入至光调制驱动单元，光调制驱动单元将信号调制到绿光光源的光束上，并控制绿光光束载波的相位、幅值、频率参数，使相位、幅值、频率参数按照电信号的规律变化，硅光电二极管接收到在水中的透过性好，波长为532纳米的绿光光源传输的光信号后，将光信号转换为微弱电信号，并输入光电接收单元放大至标准电平信号，然后输入主控单元还原为传输的原始信息，通过RS-232串口发送至上位机进行显示。