CN103098389A - 可见光通信方法及可见光通信装置 - Google Patents

Abstract

提供一种简便的可见光通信方法以及装置，所述方法以及装置在潜水员能够进行潜水的一般水质状态的水中，即使在潜水员为了防止出现减压症而停留在深度5m的安全停止位置期间，也能够与水上的船舶等进行可靠的通信。一种可见光通信方法以及其装置，作为使用具备发送机（3）和接收机（4）的能够在水中使用的可见光通信装置（1），在发送侧将发送信息调制为从调色为色温度4000～10000K、光束550～1500流明的LED发出的近似白色光后发送；在接收侧将受光的上述近似白色光解调后取得上述信息。

Description

可见光通信方法及可见光通信装置

技术领域

本发明涉及从水中向水中、从水中向水面上或者从水面上向水中进行数据通信的可见光通信方法以及可见光通信装置。

背景技术

以往，为了在水中进行数据（信息）通信，存在有利用可见光的方法。公开有为了在水中进行数据的接收和发送，在发送侧将想要发送的数据调制为可见光后向水中发送；在接收侧接收该可见光并进行解调后提取信息的方法和装置（例如，专利文献1至专利文献3）。

专利文献1:日本专利特开平4－312035号公报

专利文献2:日本专利特开2005－20422号公报

专利文献3:日本专利特开2008－304649号公报

发明内容

然而，对上述专利文献1至专利文献3所记载的利用可见光的在水中进行的可见光通信方法以及可见光通信装置而言，存在以下问题：潜水员彼此间的通信是以1～3m左右的极近距离间的平时使用为前提，并没有假定紧急情况时的使用。

即，在潜水员处于水中较深的地方、例如在深度20m的地方进行游泳或工作之际发生某种事故的情况时，即使为了立即通知该状况而向水上的船舶等迅速上浮，潜水员为了防止出现减压症也必须在深度约5m的安全停止位置待机约10分左右。此时，存在以下问题：即使要利用以往的极近距离间用的可见光通信装置进行紧急通知，也因为能够通信的距离较短，不能够将紧急通知传达到水上的船舶等。

为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种简便的可见光通信方法以及可见光通信装置，该可见光通信方法以及可见光通信装置不仅能够在平时使潜水员进行彼此间在水中的通信，在紧急情况时潜水员也能够从深度约5m的安全停止位置与水上的船舶等可靠地进行通信。

于是，本发明者对可见光的波段和在水中的特性进行了研究，结果发现，通过调整用于通信的可见光的色温度和光束，能够在水中的各种环境下极可靠且实用地进行通信，达到解决上述课题的目的。

即，如技术方案1所记载的可视光通信方法，是在发送侧和接收侧中的至少一方处于水中的可见光通信方法，其中，在发送侧将发送信息调制为从调光成色温度4000～10000K、光束550～1500流明的LED发出的近似白色光后发送，在接收侧将受光的上述近似白色光解调后提取上述信息。

此外，如技术方案2所记载的可视光通信装置，其是具备发送机和接收机的能够在水中使用的可见光通信装置，其中，发送机具备配置有LED的发光部，上述LED发出已调光成色温度4000～10000K、光束550～1500流明的近似白色光，接收机具备接收从上述发送机发出的近似白色光的光接收部。

此外，如技术方案3所记载的可视光通信装置，在根据技术方案2的可视光通信装置的基础上，上述发送机的发光部兼作水下灯的发光部。

根据本发明的可见光通信方法或者可见光通信装置，通过使用从已调光成色温度4000～10000K、光束550～1500流明的LED发出的近似白色光，可以在潜水员能够进行潜水的一般水质状态（悬浊状态）的水中确保5m以上的通信距离。由此，在发生事故等紧急情况时通过从作为安全停止位置的深度5m的水中向水上的船舶等发光，设置在水中或者水面上的光接收部能够接收光，从而立即能够进行救助请求等的通信。

此外，如果本发明的可见光通信装置的发光部兼作水下灯的发光部，则潜水员在潜水时不需要再携带本发明的发送机之外的水下灯，所以较方便。

附图说明

图1是表示关于本发明的实施方式的可见光通信装置的构成的框图。

图2是表示潜水员已装备本发明的实施方式的可见光通信装置的状态的说明图。

图3是表示本发明的实施方式的其他的可见光通信装置的说明图。

图4是表示本发明的实施方式的光接收部的入射角的说明图。

图5是本发明的实施方式的可见光通信方法的流程图。

图6是示出对水中与水面上之间的通信状态进行试验所得的结果的曲线图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但只要不违反本发明的主旨，本发明并不局限于这些实施方式。

首先，参照图1对本发明的可见光通信装置的构成进行说明。

可见光通信装置1具有包括发送机3和接收机4的装置主体2、麦克风5以及扬声器14。此外，在本实施方式中，如图2所示，装置主体2是潜水员手握持而能够使用的形状，但也可以是其他的形状，例如也可以是能够卷绕在潜水员的手臂或安装在胸部的形状。此外，在本实施方式中，麦克风5和扬声器14安装在水下面罩15上，但也可以单独将麦克风5安装在潜水员嘴附近、而将扬声器14作为耳机形状等安装。此外，如图3所示，发送机3和接收机4可以是分别独立的机体。

麦克风5采集潜水员发出的声音，将该声音变换为电信号后输出。麦克风5可以使用压电式等。

发送机3由以下部分构成：对由麦克风5输出的电信号进行放大的放大部6、使载波振荡的载波生成部7、对利用放大部6放大的电信号和上述载波进行合成使其成为发送数据然后调制该发送数据的调制部8、驱动光源的驱动部9以及以LED作为光源的发光部10。

作为利用载波生成部7振荡的载波例如可以选择模拟信号、数字信号以及脉冲信号等。从通信的可靠性等观点出发，优选脉冲信号。

调制部8对利用放大部6放大的电信号和上述载波进行合成后生成发送数据，进一步调制该发送数据。调制方式可以选择模拟调制、数字调制以及脉冲调制等。

驱动部9使调制部8生成的例如与脉冲调制后的脉冲调制信号对应的电流流向发光部10，从而使光源的LED发光。作为在驱动部9的驱动光源的驱动波形例如可以选择模拟信号、数字信号以及脉冲信号等。此外，如果在调制部8进行FM调制处理，能够直接驱动发光部10的LED，因此能够省略驱动部9。

发光部10使用LED作为光源。LED能够以高速进行闪烁因此适用于可见光通信。从发光部10发出的可见光为近似白色光。例如，能够通过将蓝色发光LED着上黄色或者罩上黄色的滤光片生成近似白色光，此外，也可以使用将蓝色发光LED适当地与绿色和/或红色发光LED组合而得到的近似白色LED。

从发光部10的LED发出的近似白色光的色温度为4000～10000K，进一步优选6000～10000K。如色温度未满4000K则成为强烈带有黄色的光在水中的通信距离变短。此外若超过10000K则成为强烈带有蓝色的光，在将发送机兼作水下灯的情况下，有时被照射物的色调会看起来与本来的色调不同，因此不优选。

此外，从LED发出的近似白色光的光束（从光源向某一方向放射的全部的光的亮度）为550～1500流明，优选550～1000流明。若未满550流明则达不到适合通信的亮度，若超过1000流明则在水中会感到非常晃眼，例如，如果在潜水员彼此进行通信时入射至受光侧的潜水员眼中，则会出现暂时的余象残留，从而在此期间使潜水员视力下降而存在危险，此外，在将发送机兼作水下灯的情况下被照射物会被观察为与本来的色调不同的色调，因此不优选。

可以通过使用色温度变换滤光片或将蓝色发光LED适当地与红色和/或绿色发光LED组合来调整从LED发出的近似白色光的色温度。此外，可以通过增减配置在发光部10的LED个数或换为规格不同的LED来进行从LED发出的近似白色光的光束的调整。

此外，发送机3能够在不进行可见光通信时作为水下灯而使用，色温度4000～10000K、光束550～1000流明的近似白色光是作为水下灯所合适的可见光，能够以自然的配色鲜明地照出水中的被照射物。

接收机4由接收从发光部10的LED发出的近似白色光并将其作为电信号输出的光接收部11、对上述电信号进行放大的放大部12以及解调上述电信号向声音变换的解调/变换部13所构成。

在光接收部11中，设置有光电二极管作为受光传感器。光电二极管所能受光的入射角优选最大为60°～80°。这里的入射角是指，光的入射方向与光电二极管的受光面的垂线之间的角度、即如图4所示的角度α。若能够受光的入射角未满60°则接收机4的光接收部11的受光范围变小，因此在进行通信时如果不使发送侧的发光部10与接收侧的光接收部11以相当程度的正确度面对则会出现不能够通信的状态因此不方便。另一方面，若能够受光的入射角超过80°则太阳光等的外光容易入射到光电二极管使光电二极管的输出饱和而产生通信噪声，接收者会听到刺耳的声音。

例如，可以通过在光接收部11安装偏振滤光器或者在光接收部11周围安装罩并适当地产生阴影来调整光电二极管的能够受光的入射角。此外，光电二极管有芯片型、密封型以及炮弹型等，但如果使用炮弹型则一般不容易产生由外光的入射导致的通信噪声所以优选使用炮弹型。

作为用于本发明的光电二极管，可以使用用于检测一般可见光的受光灵敏度为0.57～0.63A／W的光电二极管。此外，在使用受光灵敏度较高的光电二极管的情况时容易误感知所有外光而产生通信噪声，因此只要在光接收部11安装偏振滤光器或在光接收部11周围安装罩并适当地产生阴影，可以防止外光的入射。

解调/变换部13进行从被放大部12放大的电信号除去载波频率的解调处理和将得到的信号变化为模拟声音的模拟声音处理。

作为扬声器14可以适当地使用喉式扬声器、肉振动（肉传导）式扬声器以及耳机式扬声器等，因为在水中会因水而导致外耳、鼓膜的功能下降，因这一理由，为了向内耳高效地传递声音优选使用骨传导式扬声器。

接下来，参照图1的装置的构成和图5的流程图，对本发明的可见光通信方法进行说明。

首先，在图5（A）的发送动作中，水中的潜水员说出消息，麦克风5采集伴随该发声的振动音，将该振动音的振动波形变换为电信号100后输出（步骤S1）。

接着，放大部6对电信号100进行放大，输出放大电信号110（步骤S2）。载波生成部7生成载波（例如脉冲信号）120。调制部8合成放大电信号110和载波120后将其变换为发送数据130（步骤S3），进而对该发送数据进行调制后生成调制数据140（步骤S4）。

LED驱动部9使与调制数据140对应的电流150流向发光部10，从而设置在发光部10的LED将调制数据140变换为可见光信号160并进行高速闪烁，由此来发送信息（步骤S5）。

此外，载波生成部7将模拟二值设置为脉冲波，在通过移动该位置来进行FM调制的情况下能够省略LED驱动部9。

接下来，在图5（B）的接收动作中，设置在光接收部11的光电二极管接收发送来的可见光信号200，并且变换为电信号210后输出（步骤S11）。放大部12输出对电信号210进行放大后的放大电信号220（步骤S12）。解调/变换部13进行以下步骤：从放大电信号220中除去脉冲波后对发送数据进行解调，将解调后的发送数据变换为模拟声音230（步骤S13），进而向扬声器14输出（步骤S14）。

如上所述，通过使用本实施方式的可见光通信方法以及通信装置，在潜水员潜水的一般水质状态（悬浊状态）的水中，能够确保5m以上的通信距离。由此，在水中发生事故等的紧急情况时，通过潜水员从作为防止减压症的发生的安全停止位置的深度5m的水中向水上的船舶等发光，设置在水中或者水面上的光接收部能够接收到光从而能够立即进行救助请求等的通信。

实施例

（试验例1：色温度与通信距离的关系）

使用本发明的可见光通信装置1，使用色温度变换滤光片（例如，FISHEYE社制的30099等）使从发光部10发出的可见光的色温度变化为4000K、6000K以及8500K，调查适用于可见光通信的色温度与通信距离之间的关系。此时，将从发光部10发出的可见光的光束设定为1000流明。此外，试验的实施环境为深度2m、浊度0.41FTU和4.57FTU的海水中，使发送侧的发光部10与接收侧的光接收部11的、即发光部与光接收部之间的距离（水平距离）变化为4～30m从而进行试验。

发光部10的光源使用FIX LED1000DX（FISHEYE社制）。此外，光接收部11的光电二极管使用S6801（HAMAMATSU社制：受光灵敏度0.57～0.63A／W）。使用HI93703－B（HANNA社制）测定海水的浊度。此外，浊度0.41FTU是在海水中透明度较高的状态，浊度4.57FTU是由潮流引起卷起海底的砂子等导致混浊的状态，两个都是潜水员能够潜水的水质状态。在表1示出试验结果。

[表1]

由表1可知在可见光的色温度为4000～15000K的情况下，不论在海水的浊度为0.41FTU还是4.57FTU的状况下，都能够可靠地进行为了紧急通知而必须的5m距离的通信。并且可知在可见光的色温度为6000～15000K的情况下，不论在海水的浊度为0.41FTU还是4.57FTU的状况下，都能够进行30m以上距离间的通信。

（试验例2：光束与通信距离之间的关系）

通过使用本发明的可见光通信装置1用色温度变换滤光片（例如，FISHEYE社制的30099等）将从发光部10发出的可见光的色温度调整为8500K，使光束变化为250、550、1000以及1500流明，来调查适用于可见光通信的光束和通信距离之间的关系。试验的实施环境为深度2m、浊度0.41FTU和4.57FTU的海水中，使发送侧的发光部10与接收侧的光接收部11之间、即发光部及光接收部之间的距离（水平距离）变化为4～30m后进行试验。

作为发光部10的光源，250流明的光源使用UK NEW C4eLED PLUS（UNDERWATERKINETICS社制）、550流明的光源使用LE550－S（INON社制）、1000流明的光源使用FIX LED1000DX（FISHEYE社制），另外1500流明的光源使用FIX LED1000DX（FISHEYE社制）。而且，也使用与上述试验例1相同的光接收部11的光电二极管，与上述试验例1相同用HI93703－B（HANNA社制）测定浊度。此外，浊度的意义也与试验例1相同，不论是浊度0.41FTU还是4.57FTU的情况都是潜水员能够潜水的水质状态。在表2示出试验结果。

[表2]

由表2可知如果可见光的光束为550～1500流明，不论在海水的浊度为0.41FTU还是4.57FTU的状态下，都能够进行14m或14m以上距离间的通信。此外可知在可见光的光束为1500流明的情况下，在10m以内或者6m以内的近距离，潜水员会感觉非常的晃眼。

（试验例3：水中与水面上之间的通信状态）

使用本发明的可见光通信装置1，进行处于深度5m的海中的潜水员与位于船上的人之间的双方向通信的试验。作为两者的位置关系，海中的潜水员把持的装置主体2的发光部10和光接收部11是处于深度约5m的位置并朝向上方的状态，船上的人把持的装置主体2的发光部10和光接收部11处于潜水员把持的装置主体2的几乎正上方的海面上约0.5m的位置朝向下方的状态。

使用色温度变换滤光片（FISHEYE社制的30099）将从发光部10发出的近似白色光的色温度调整为8500K，将光束设置为1000流明。此外，发光部10的光源使用FIX LED1000DX（FISHEYE社制）。与试验例1和2相同地使用HI93703－B（HANNA社制）测定海水的浊度的结果为0.41FTU。浊度0.41FTU是在海水中透明度较高的状态。图6示出试验结果的曲线图。

由图6可知在从海中向船上（海面上）发送和从船上（海面上）向海中发送的情况下，即使在使发送侧的发送增益为－30dB这样相当低的状态下，在接收侧也能够用－12dB这样的一定能够接收的信号级来接收到信号。即，可知根据本发明的可见光通信装置，以良好的状态在深度5m的水中与水面上之间进行双方向通信。

附图标记的说明

1…可见光通信装置；2…装置主体；3…发送机；4…接收机；5…麦克风；14…扬声器；

Claims (3)

1.一种可见光通信方法，是在发送侧和接收侧中的至少一方处于水中的可见光通信方法，其特征在于，

在发送侧，将所发送的信息调制为由LED所发出的、被调光成色温度为4000～10000K、且光束为550～1500流明的近似白色光后发送，

在接收侧，将所接收的所述近似白色光解调并提取所述信息。

2.一种可见光通信装置，是具备发送机和接收机的能够在水中使用的可见光通信装置，其特征在于，

发送机具备配置有LED的发光部，所述发光部发出调光成色温度为4000～10000K、且光束为550～1500流明的近似白色光，

接收机具备接收从所述发送机发出的近似白色光的光接收部。

3.根据权利要求2所述的可见光通信装置，其特征在于，

所述发送机的发光部兼作水下灯的发光部。

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