CN105024753A - 深水可见光同步装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水可见光同步装置，实现自容式深水设备的海洋信息同步工作。主要是利用可见光信号作为同步信号，实现深海中海洋设备信号的同步运行。使用直接和多级中继接力相结合的方法，将可见光同步信号由专用的同步光信号发生模块传输至各个专用的光信号接收单元。光接收单元将光信号转化为电信号，传递给链中的各个设备，实现各设备的同步工作。整个系统的实现装置主要包括：同步光信号发生模块、中继转发模块、本地设备的同步接收转发模块，以及各个模块中的电源和授时模块等结构。可见光同步装置降低了海上布放、回收作业难度，存储、运输也更为简便。同时设备系统中各个设备间相互独立，有效的实现故障隔离，大大提高了系统的可靠性。

Description

深水可见光同步装置

技术领域

本发明涉及海洋测量仪器领域，尤其涉及一种深水可见光同步装置

背景技术

在海洋声学研究工作中，往往会将各种不同的自容式海洋仪器设备连接在一起，构成传感器阵列采集各种海洋信息，由于研究内容的需要，通常希望这些设备工作在同步模式，即：所有设备同时(同步)工作。传统设备中最常见的同步方法是通过设置同步信号线(同步电缆)连接实现，但是在海洋环境中，特别是在深海，由于这些自容式设备分布在不同深度，设备之间的间距一般也比较大，如果使用同步电缆连接，不仅连接方式复杂，在水下实现难度也非常大，因此按照传统的通过同步电缆连接实现同步的方式，并不适用于深水环境中的自容式海洋仪器设备。因此开展替代传统的通过同步电缆连接工作模式，发展适用于深水海洋仪器之间的新同步技术及相关装置的需求十分迫切。

目前，已知的适用于自容式海洋仪器设备之间的同步技术方案，主要通过两种方式实现：

1.磁感应方式

通过利用磁感应信号传输原理，通过连接各自容式仪器间的系留缆，实现不同海洋仪器之间同步工作的同步装置。

2.同步时钟方式

通过GPS或者北斗系统完成授时，并利用PPS信号，结合使用高精度时钟源守时的方式，实现各个自容式设备间的同步。

此外，还有部分设备采用声学同步技术，但由于海洋仪器设备阵列在水中位置极易随水流摆动，且声速传播相对较慢，因此采用声学同步这种方式不能实现多种仪器或多台仪器之间的精确同步。

总体看来，磁感应和时钟同步这两种同步方式都已开展了实际海上应用，并取得了较好的工作效果，但在应用中也暴露出一定的局限性与不足：

1.磁感应方式

1)需要专用的系留缆，传递磁感应信号；

2)锚系系统与系留缆之间的连接设计较复杂，不能直接利用现有的布放设备，需要对现有布放设备实施升级改造；

3)系留缆一旦破损，必需全部更换，使用成本较高；

4)系留缆维护，保养难度较大；

5)系留缆悬挂设备重量受限；

2.同步时钟方式

1)设备布放前需要通过专用时钟源对所使用设备的高精度时钟进行驯服，驯服时间一般不小于3小时；

2)长时间工作存在累积误差，导致同步精度下降；

3)易受外界环境因素影响，如温度、振动、电压波动等；

4)需要同步工作设备必须安装高精度时钟，而满足水声领域使用的高精度时钟通常是微型原子钟，其价格较高，且损坏率较高，使用成本较大；

5)由于高精度时钟必须保持在工作状态，无法进行休眠，因此其实际使用功耗较大。

同时，在海洋测量仪器领域方面，现有技术中虽然有部分设备通过声学通讯技术、高精度时钟技术及磁感应耦合技术等手段，实现了本地设备间的同步，但尚无将可见光技术与海洋仪器相互融合，实现各海洋仪器间或阵列系统同步运行的设计。

发明内容

本发明的目的是，提供了一种深水可见光同步装置，通过采用可见光信号进行信号的传输。从而使本地设备的同步更加的方便，同步精度更高，系统工作的可靠性更好、系统操作更加的方便。

为实现上述目的，本发明提供了一种深水可见光同步装置，包括同步光信号发生模块、本地设备的同步接收转发模块和系留缆。同步光信号发生模块和本地设备的同步接收转发模块在系留缆上固定设置，同步光信号发生模块设置在靠近系留缆顶部的位置。本地设备的同步接收转发模块设置在系留缆上、同步光信号发生模块之下的位置。同步光信号发生模块发出同步光信号，本地设备的同步接收转发模块接收同步光信号。

优选的，同步光信号发生模块和本地设备的同步接收转发模块之间的系留缆上设置有中继转发模块。中继转发模块设置在同步光信号发生模块和本地设备的同步接收转发模块之间。

优选的，中继转发模块包括水密电子仓、光学天线、光信号发生单元和电池组。光学天线、光信号发生单元和电池组设置在水密电子仓内。光学天线接收光信号并转换。光信号发生单元将转换后的信号再次发出。电池组与光信号发生单元连接。

优选的，本发明还包括一种用于深水可见光同步装置的同步光信号发生模块。包括水密电子仓、光信号发生单元、时钟单元、工作任务存储单元和电池组。光信号发生单元、时钟单元、工作任务存储单元和电池组都设置在水密电子仓内。光信号发生单元发出可见光同步信号。时钟单元和工作任务存储单元与光信号发生单元连接。电池组与光信号发生单元连接。

优选的，本发明还包括了一种用于深水可见光同步装置的中继转发模块。包括水密电子仓、光学天线、光信号发生单元和电池组。光学天线、光信号发生单元和电池组设置在水密电子仓内。光学天线接收可见光同步信号并转换。光信号发生单元将转换后的信号再次发出。电池组与光信号发生单元连接。

优选的，本发明还包括了一种用于深水可见光同步装置的用于本地设备的同步接收模块，同步接收模块还包括了转发模块。同步接收转发模块固定的设置在本地设备上。同步接收转发模块包括水密电子仓、光学天线、光信号发生单元、同步信号发生单元和电池组。光学天线、光信号发生单元、同步信号发生单元和电池组设置在水密电子仓内。光学天线接收光信号并转换。光信号发生单元将转换后的信号再次发出。同步信号发生单元与光信号发生单元连接。电池组与光信号发生单元连接。

本发明提供了一种深水可见光同步装置，通过光信号同步，利用光信号的传输完成各本地设备间的同步操作，从而使设备的同步更加的简单。同时，由于光传播速度快，因此通过光信号传输带来的传输延迟可以忽略，使各本地设备的同步更加的精确。各本地设备可通过选择使用可见光同步装置提供的信号进行同步运行或记录同步时刻等操作，从而达到更好的信号传递效果。

通过系留缆连接各光信号同步装置和本地设备，系留缆的型号可根据实际需求灵活选择。系留缆的破断力选择范围从数吨到数十吨可任意选择。同时光信号同步装置与系留缆之间无需水密连接及其它复杂的保护措施。从而大大降低传输介质的造价，也增加了设备连接的可靠性。同时，本地设备中各个设备间相互独立的，可有效的实现故障隔离，不会因某个设备的故障导致整条阵列的损坏，大大提高系统的可靠性。

光信号同步系统的信号发射端和接收端，都是光信号传输，与本地设备本身无直接关系。仅在输出同步信号时与本地设备单向通信，并且由于整个装置各模块体积均较小，所以装拆非常方便。同时用户可根据布放深度、设备间距设备数量等需求决定设备链系统中中继模块的个数，整个光信号同步装置海上布放、回收作业难度小，存储、运输简便。

附图说明

图1为本发明深水可见光同步装置基本实施方式的结构示意图；

图2为本发明同步光信号发生模块的内部结构框图；

图3为本发明中继转发模块的内部结构框图；

图4为本发明本地设备的同步接收转发模块的内部结构框图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

在海洋声学研究中，通常是将各种不同的自容式海洋仪器连接在一起，进行数据的采集。由于研究内容的需要，采集的数据往往是需要同步的，即通常希望采集数据的设备在同时工作。本发明针对这一问题，提出了一种深水可见光同步装置。通过采用可见光，将信号传递给需要工作的最近的海洋仪器。海洋仪器再将信号传递给与其相临近的其它海洋仪器，并依次传递。为了解决在传递过程中造成的信号不稳定的现象，本发明还加入了中继转发模块。由于光的传播速度很快，从而可实现信号的同步传播和设备的同步运行。

在本实施例中，所提到的海洋设备为本地设备的具体工作单元。本发明所使用的具体工作单元包括了海洋设备，但不局限于海洋设备。

图1是一种可见光同步装置基本实施方式的结构示意图。如图1所示的可见光同步装置包括：系留缆1、同步光信号发生模块5、中继转发模块6和本地设备7。在本实施例中，所提到的系留缆1为凯夫拉绳。系留缆的型号可根据实际需求灵活选择，可见光同步装置与系留缆无需水密连接及其它复杂的保护措施，从而大大降低传输介质的造价。系留缆1共分为三份，分别为两端部分和中间部分。在两端部分的一端设置了浮球3，另一端设置了配重块4。从而保证了系留缆1在水里能够伸直，其一端随着配重块4沉入水底，另一端随着浮球3向上浮。两端部分和中间部分是通过转环2连接的，中间部分用于设置工作部分。

同步光信号发生模块5、中继转发模块6和本地设备7的同步接收转发模块固定的设置在系留缆1上。同步光信号发生模块5设置在系留缆1上靠近水面的位置。本地设备7的同步接收转发模块在同步光信号发生模块5下的系留缆1上。本地设备7的具体位置根据实际需要任意设置。

在一个具体的实施例中，为了防止同步光信号发生模块5和本地设备7的同步接收转发模块之间的距离过大，导致下一个设备不能够顺利的接收到上一设备发出的信号。在同步光信号发生模块5和本地设备7的同步接收转发模块之间的系留缆1上还设置了中继转发模块6。中继转发模块6可以设置多个，也可以设置1个或不设置，中继转发模块6设置的个数是以同步光信号发生模块5和本地设备7的同步接收转发模块之间的距离决定的。为了得到不同深度的同步数据，在系留缆1上设置了多个本地设备7的同步接收模块。多个本地设备7的同步接收转发模块根据所需要获得数据的深度，将本地设备7的同步接收转发模块设置在系留缆1的不同位置。为了使每个本地设备7的同步接收转发模块能够接收到同步光信号以及将信号传递到下面的本地设备7的同步接收转发模块。为了防止相邻的两个本地设备7的同步接收转发模块或同步光信号发生模块5和本地设备7的同步接收转发模块之间的距离过大，导致下一个设备不能够顺利的接收到上一设备发出的信号。在相邻的两个本地设备7的同步接收转发模块或同步光信号发生模块5和本地设备7的同步接收转发模块之间的系留缆1上还设置了中继转发模块6。中继转发模块6可以设置多个，也可以设置1个或不设置。中继转发模块6设置的个数是以相邻两个本地设备7的同步接收转发模块或同步光信号发生模块5和本地设备7的同步接收转发模块之间的距离决定的。中继转发模块6的个数是以固定间距进行设置的。例如每相邻5米设置一个中继转发模块6，当两相邻设备的间距为4米时，不设置中继转发模块6。当两相邻设备的间距为20米时，设置3个中继转发模块6。

工作时，由设置在系留缆1最顶端的同步光信号发生模块5发出可见光同步信号，照射到相邻的中继转发模块6。中继转发模块6逐级转发至第一个本地设备7的同步接收转发模块，该本地设备7的同步接收转发模块产生触发信号，启动该海洋设备运行或作为时间标记点记录在该设备内部。同时本地设备7同步接收转发模块继续转发可见光同步信号至其余的本地设备。从而完成一次同步信号的传递。由于光传播速度很快，本地设备链长度一般不超过5000m，因此由可见光传播路程造成的同步延时可以忽略。

本发明通过系留缆1将一个同步光信号发生模块5、m个中继转发模块6、n个本地设备7旁设置的同步接收转发模块。各个设备自主工作，相互之间各自独立，不需要电缆连接。整个阵列系统中阵元的数量、布放的深度及阵形设计等方面，在实际实施时只需要通过调整系留缆1的长短就可以方便的实现。

为了实现一种深水可见光同步装置，本发明还分别提出了一种同步光信号发生模块5、一种中继转发模块6和一种用于本地设备7的同步接收转发模块。使用时，整个同步装置中包含一个同步光信号发生模块5，多个中继转发模块6和多个本地设备7的同步接收转发模块。其中，中继转发模块6的使用数量取决于整条设备链的长度，本地设备7同步接收转发模块的使用数量取决于设备链中需要同步的本地设备数量。

具体来讲，在整个本地设备链系统中，链路顶端设置一个同步光信号发生模块5，每个本地设备7分别配置一个同步接收转发模块。各设备间可根据设备间距配置一定数量的中继转发模块6，实现同步光信号可沿着整个链路系统传输。

所有模块均可方便地绑缚在系留缆1上，整条海洋仪器链系统具有机动灵活和轻便的特点。实际作业中，具体使用的本地设备数量、间距可根据实际研究需要在布放前现场调整。此外，各模块均可采用独立分离的方式实现运输和存储。

图2是本发明的同步光信号发生模块的内部结构框图。如图2所示的同步光信号发生模块，包括水密电子仓、光信号发生单元、时钟单元、工作任务存储单元和电池组。水密电子仓为通过耐腐蚀材料加工制作的具有耐压结构特性的水密外壳。水密电子仓还包括光信号发射端面，光信号发射端面为具有良好光透过率的玻璃，其中，不低于85％中心波长范围之外的光透过率为零。光信号发生单元为低功耗可见光信号发生单元。光信号发生单元为低功耗可见光信号发生单元。光信号发生单元采用低功耗单片机作为发射控制单元，光驱动电路将光驱动单元把信号加载到光源8上。光源8为可见光，在本实施例中所选用的为激光二极管，激光二极管选用的颜色为蓝色或绿色，从而使其传播的距离更远。时钟单元、工作任务存储单元均与光信号发生单元相连接。光信号发生单元设置有能与计算机相连的数据传输接口。时钟单元采用低功耗晶体振荡器为同步可见光信号发生单元提供时钟源，通过时钟输出接口与超低功耗信号发生模块相连接。时钟模块通过授时电路接口连接计算机，或利用计算机与GPS接收机连接。工作任务存储单元采用一片大容量E2PROM存储芯片实现。电池组为高能电池组，高能电池组采用多节小体积、高密度、大容量高能锂电池组合实现。并且有专用的监控电路与光信号发生单元连接。

通过与计算机、GPS接收机连接实现系统授时。具体来讲，同步光信号发生模块通过授时电路接口连接计算机。在本实施例中，采用RS232接口。计算机的一端与GPS接收机连接。计算机通过指令控制，利用GPS接收机脉冲完成对同步信号发生单元和各同步信号接收单元授时。授时完成后移除GPS接收机，计算机通过指令完成工作任务下载。任务下载成功后，整条阵列可按照设定的工作任务运行，在工作任务时刻由同步光信号发生模块发出同步光信号。同步光信号接收模块接收该信号，并将同步信号送至所连接的深水本地设备，实现整条阵列的同步运行。时钟单元采用低功耗晶体振荡器为光信号发生单元提供时钟源，通过时钟输出接口与超低功耗信号发生模块相连接。

上述实施例的同步可见光信号发生模块中，还包括控制单元。控制单元使用的单片机型号采用MSP430F149。该单片机为本发明的核心处理单元，负责按照给定的工作任务完成可见光同步信号的产生、传输和发射，并协调其它单元安全可靠运行。实时时钟选用微型串行接口DS3232M作为系统的日历时钟源，其时钟频率稳定度达到±5ppm，通过I2C总线与控制模块相连，满足水声领域的应用需求。使用E2PROM存储工作任务。高能电池组采用二节高能锂电池组合实现，工作时间按照测量时间1小时，间隔时间10小时计算，电池能源可维持1年以上。电池组有专用的监控电路可对电池组出现的异常现象进行及时处理。控制单元同计算机之间通过RS232接口连接。通过使用S-0005WPDG00型大功率绿光贴片LED模块构建同步可见光发生模块的光源8。通过使用KRA226三极管构建中继转发模块的光源驱动电路。高能电池组通过专用电源接口为其它单元供电。

图3是本发明的中继转发模块的内部结构框图。如图3所示的中继转发模块6，包括水密电子仓、光学天线9、光信号发生单元和电池组。水密电子仓为通过耐腐蚀材料加工制作的具有耐压结构特性的水密外壳，其中两端面为具有良好光透过率的玻璃，其中，不低于85％中心波长范围之外的光透过率为零。光学天线通过光电二极管将光信号转换为电信号。

光信号发生单元为低功耗可见光信号发生单元。光信号发生单元还包括放大电路、比较器电路和光驱动电路。放大电路将光学天线转换后的电信号放大。通过比较器电路进行幅度限制后，将该信号送至光驱动电路，并加载至光源8。光源8为可见光，在本实施例中所选用的为激光二极管，激光二极管选用的颜色为蓝色或绿色，从而使其传播的距离更远。电池组为高能电池组，高能电池组采用多节小体积、高密度、大容量高能锂电池组合实现，并且有专用的监控电路与光信号发生单元连接。

上述实施例的中继转发模块中，还包括控制单元。控制单元使用的单片机型号可采用MSP430F149。该单片机为本发明的核心处理单元，负责按照给定的工作任务完成幅度的限制、同步光信号的产生、传输，并协调其它单元安全可靠运行。通过使用G0606M-I的绿光敏感型硅光电二极管构建中继转发模块的光学天线9。通过使用S-0005WPDG00型大功率绿光贴片LED灯构建中继转发模块的光源8。通过使用KRA226三极管构建中继转发模块的光源驱动电路。高能电池组采用二节高能锂电池组合实现，工作时间按照测量时间1小时，间隔时间10小时计算，电池能源可维持1年以上。电池组有专用的监控电路，可对电池组出现的异常现象进行及时处理。其中，高能电池组还通过专用电源接口为其它模块供电。

图4是本发明的本地设备的同步接收转发模块内部结构框图。如图2所示的本地设备7的同步接收转发模块，包括水密电子仓、光学天线9、光信号发生单元、同步信号发生单元和电池组。

水密电子仓为通过耐腐蚀材料加工制作的具有耐压结构特性的水密外壳，其中两端面为具有良好光透过率的玻璃，其中，不低于85％中心波长范围之外的光透过率为零。光学天线9通过光电二极管将光信号转换为电信号。

光信号发生单元为低功耗可见光信号发生单元。光信号发生单元还包括了放大电路、比较器电路和光驱动电路。低功耗可见光信号发生单元通过放大电路将光学天线9转换后的电信号放大。通过比较器电路进行幅度限制后，将该信号送至光驱动电路，并加载至光源8。光源8为可见光，在本实施例中所选用的为激光二极管，激光二极管选用的颜色为蓝色或绿色，从而使其传播的距离更远。同步信号发生单元与光信号接收与发生单元相连接，光信号接收与发生单元的比较器电路进行幅度限制的同时将输出信号送给本地设备进行同步或送给本地设备记录同步时刻。电池组为高能电池组，高能电池组采用多节小体积、高密度、大容量高能锂电池组合实现，并且有专用的监控电路与低功耗可见光信号接收与发生单元连接。各模块是通过一条可承力耐腐蚀与海水接触的系留缆连接。系留缆不与各模块发生任何电气连接，各模块通过水密电子舱的紧固装置与系留缆串接工作运行。

上述实施例的同步接收转发模块还包括控制单元，控制单元接收光学天线所接收到的信号，并通过低功耗可见光发生单元将信号再次发出。同时，控制单元内还包括同步信号发生单元以及用于转换的协议，从而将再次发出的信号在转换后传输至本地设备。通过使用G0606M-I的绿光敏感型硅光电二极管构建海洋设备同步接收转发模块的光学天线9。通过使用S-0005WPDG00型大功率绿光贴片LED灯构建海洋设备同步接收转发模块的光源8。通过使用KRA226三极管构建海洋设备同步接收转发模块的光源驱动电路。过专用水密接插件与海洋设备连接，传输同步信号。高能电池组采用二节高能锂电池组合实现，工作时间按照测量时间1小时，间隔时间10小时计算，电池能源可维持1年以上；电池组有专用的监控电路可对电池组出现的异常现象进行及时处理。高能电池组通过专用电源接口为其它模块供电。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种深水可见光同步装置，其特征在于：包括同步光信号发生模块、本地设备的同步接收模块；

所述同步光信号发生模块和本地设备的同步接收模块在系留缆上固定设置，同步光信号发生模块设置在靠近系留缆顶部的位置，本地设备的同步接收模块设置在系留缆上、同步光信号发生模块之下的位置；

所述同步光信号发生模块发出同步光信号；

所述本地设备的同步接收模块接收同步光信号。

2.根据权利要求1所述的一种深水可见光同步装置，其特征在于：所述同步光信号发生模块和本地设备的同步接收模块之间的系留缆上设置有中继转发模块。

3.根据权利要求2所述的一种深水可见光同步装置，其特征在于：所述中继转发模块包括水密电子仓、光学天线、光信号发生单元和电池组；

所述光学天线、光信号发生单元和电池组设置在水密电子仓内；

所述光学天线接收光信号并转换；

所述光信号发生单元将转换后的信号再次发出；

所述电池组与光信号发生单元连接。

4.根据权利要求2所述的一种深水可见光同步装置，其特征在于：所述系留缆上设置有多个本地设备；

所述每个本地设备上分别设置了接收模块，所述接收模块还包括转发模块；

所述多个本地设备的同步接收转发模块之间设置有中继转发模块。

5.根据权利要求4所述的一种深水可见光同步装置，其特征在于：所述本地设备的同步接收转发模块包括水密电子仓、光学天线、光信号发生单元、同步信号发生单元和电池组；

所述光学天线、光信号发生单元、同步信号发生单元和电池组设置在水密电子仓内；

所述光学天线接收光信号并转换；

所述光信号发生单元将转换后的信号再次发出；

所述同步信号发生单元分别与光信号发生单元和本地设备连接；

所述电池组与光信号发生单元连接。

6.根据权利要求1所述的一种深水可见光同步装置，其特征在于：所述同步光信号发生模块包括水密电子仓、光信号发生单元、时钟单元、工作任务存储单元和电池组；

所述光信号发生单元、时钟单元、工作任务存储单元和电池组都设置在水密电子仓内；

所述光信号发生单元发出同步光信号；

所述时钟单元和工作任务存储单元与光信号发生单元连接；

所述电池组与光信号发生单元连接。

7.根据权利要求3或5所述的一种深水可见光同步装置，其特征在于：所述光学天线还包括光电二极管，光电二极管将光信号转换为电信号。

8.根据权利要求3或5所述的一种深水可见光同步装置，其特征在于：所述光信号发生单元包括放大电路、比较器电路、光驱动电路和光源；

所述放大电路将光学天线转换后的信号放大；

所述比较器电路对放大后的信号的幅度进行限制；

所述光驱动电路通过对幅度进行限制后的信号来控制光源。

9.根据权利要求3、5、6任一项所述的一种深水可见光同步装置，其特征在于：所述水密电子仓为耐腐蚀材料加工的水密外壳，所述水密电子仓还包括光信号发射端面，所述光信号发射端面为高透光的玻璃。