CN105356925B - 一种基于中继浮标的水陆通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于中继浮标的水陆数据通信系统。该系统包括：水下运载器搭载摄像头采集水下信息，将采集到的视频信号调制到光源发送光信号，浮标底部装有光通信接收端模块，接收载有图像、视频、语音等水下运载器采集的信息的光信号，主控单元对光接收端输出的电信号经过处理，再通过无线电方式将视频信号发送给陆地基站。陆地基站通过反向链路传输控制信号，来控制水下运载器的运行。本发明以浮标为中继来完成水陆双向通信，且水下数据通信采用光信号作为载体，相比于声学技术，采用光学技术的水下通信方式具有带宽高、保密性好、成本低廉、灵活度高等优点。

Description

一种基于中继浮标的水陆通信系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于中继浮标的水陆通信系统。

背景技术

对于水下图像采集作业或水下光学观测作业来说，水下运载器在水下采集图像、视频信息，一般通过水下声学通信将数据传输给船艇，而水下声学通信技术时延较大、带宽有限；或是将采集到的数据储存在存储器里，待到岸上进行提取，此方法效率很低。可见这两种数据采集方法严重制约着大规模、高精度水下观测作业的发展。

我们知道在海水中难以采用无线电通信，而声波在海水中的损耗非常小，因此目前水下通信主要采用声通信方式，但是声波传输时旁瓣较大，方向性不强，虽然通信距离较长但通信速率较低，难于满足水下应用日渐增加的信息量传输需求。

无线光学通信已开始成为研究热点，但当前对于无线光学通信的研究大都用于大气空间中，如大气空间的无线激光通信和室内光通信等。而海水对蓝绿波段的光吸收损耗较小，蓝绿光在通过海水时，穿透能力强、工作频率高、方向性好、传输信息量大、抗干扰能力强。此外由于蓝绿光处于海水的低损耗窗口波长，使其成为深海中一种非常理想的通信方式。在水下应用无线光通信技术，研制新的水下目标探测、控制、通信设备和系统，能够解决困扰人类的水下探测、通信等难题，加快人类对海洋的认知。

本发明基于目前水下观测作业存在的问题，有必要进一步探索和研究一种新的水陆通信系统，提高水陆通信链路容量，实现水下采集的信息能够实时传输给岸上观测者，提高水下观测作业效率。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于中继浮标的水陆通信系统。

一种基于中继浮标的水陆通信系统，包括水下运载器、中继浮标和陆地基站，水下运载器采集水下的视频信号，并通过蓝绿光通信单元以蓝绿光为信号载波将视频信号发给中继浮标，中继浮标再通过无线电方式将视频信号发送给陆地基站；陆地基站通过反向链路传输控制信号，来控制水下运载器的运行；所述的蓝绿光通信单元包括设置于水下运载器上的水下运载器蓝绿光通信模块和设置于中继浮标上的中继浮标蓝绿光通信模块。

所述的水下运载器搭载摄像头、水下运载器蓝绿光通信模块和水下运载器控制单元；摄像头用于采集水下的视频信号，水下运载器蓝绿光通信模块用于将摄像头采集的视频信号发给中继浮标并接收、处理中继浮标发送的控制信号；水下运载器控制单元用于接收运载器蓝绿光通信模块处理后的控制信号，并作出相应反馈动作；

所述的中继浮标包括中继浮标无线电通信模块、主控单元和中继浮标蓝绿光通信模块，所述的中继浮标蓝绿光通信模块接收、处理水下运载器蓝绿光通信模块发送的视频信号并发送控制信号；所述中继浮标无线电通信模块用于完成中继浮标与陆地基站之间的信号传输；所述主控单元用于完成对所述中继浮标蓝绿光通信模块和所述中继浮标无线电通信模块的信号处理和通信控制。

所述的陆地基站包括陆地基站无线电通信模块、MCU处理器和上位机，所述的陆地基站无线电通信模块与中继浮标无线电通信模块配合完成信号传输；陆地基站无线电通信模块通过MCU处理器与上位机相连，完成信号传输。

所述的水下运载器蓝绿光通信模块由第一ARM处理器、第一偏压驱动电路、第一蓝绿光源、第一发射端透镜组单元、第一接收端光集中器、第一光电探测器和第一滤波放大电路组成，

水下运载器上各单元的位置和功能连接关系是：所述第一ARM处理器接收摄像头采集的视频信号，第一ARM处理器控制视频图像信号的输出，第一偏压驱动电路将光源的工作状态调在线性工作区，以减小信号的失真和增大光源工作带宽，并将第一ARM处理器输出的信号调制到第一蓝绿光源，第一蓝绿光源发出光信号，经过第一发射端透镜组单元均匀扩束，形成预设的发散角度；水下运载器蓝绿光通信模块的第一接收端光集中器汇聚经过海水信道的光信号；第一光电探测器探测到通过第一接收端光集中器的光信号，经第一滤波放大电路整形放大滤波之后，输出给第一ARM处理器，第一ARM处理器将接收到的信号经过处理，并进行时钟恢复与电平判决，还原出中继浮标发出的控制信号，再输出给水下运载器控制单元，控制水下运载器按照所述控制信号工作。

所述的中继浮标无线电通信模块由第一无线电发射单元和第一无线电接收单元组成，所述的中继浮标蓝绿光通信模块由第二偏压驱动电路、第二蓝绿光源、第二发射端透镜组单元、第二接收端光集中器、第二光电探测器和第二滤波放大电路组成，所述的主控单元采用ARM处理器；

中继浮标中各单元的位置和功能连接关系是：中继浮标蓝绿光通信模块的第二接收端光集中器汇聚经过海水信道的光信号，第二光电探测器探测到所述光信号，经过第二滤波放大电路整形放大滤波之后，输出给主控单元，主控单元将接收到的信号经过处理后输入到无线电发射单元，无线电发射单元经过调制后发出无线电信号；无线电接收单元接收空气中由陆地基站所发出的无线电信号，经过解调后输出给主控单元，主控单元将接收到的信号经过信号处理输出给第二偏压驱动电路，第二偏压驱动电路将信号调制到第二蓝绿光源上，第二蓝绿光源发出光信号，该光信号经过第二透镜组单元均匀扩束，形成预设的发散角度。

所述的陆地基站无线电通信模块由第二无线电发射单元和第二无线电接收单元组成；陆地基站各单元的位置和功能连接关系是：第二无线电接收单元接收空气中由中继浮标所发出的无线电信号，经过解调后输出给MCU处理器，MCU处理器将接收到的信号经过处理后输入给上位机，上位机按程序指令还原信息；上位机发送对水下运载器的控制指令，MCU处理器接收上位机输出的控制指令，经过处理输出给第二无线电发射单元，第二无线电发射单元经过调制后发出无线电信号。

中继浮标无线电通信模块或陆地基站无线电通信模块采用C1101模块；第一ARM处理器或主控单元采用STM32F103C8，

所述的蓝绿光通信单元中的第一蓝绿光源或第二蓝绿光源采用蓝光LED阵列，产生光源信号，作为信号的传输载波。

所述的第一滤波放大电路或第二滤波放大电路中采用芯片TC4427和芯片74HC14串联。

本发明中的基于中继浮标水陆通信系统，以浮标为中继来完成水陆双向通信，其中浮标与陆地基站之间为无线电通信链路，浮标与水下运载器之间采用无线光通信技术，相比于声学技术，采用光学技术的水下通信方式具有带宽高、传输速率高等优点，而且LED、激光二极管等作为光源，能够降低系统成本，且可靠性高，该发明能够实现整条水陆通信链路的实时数据传输，并能实现陆上对水下运载器实现水中自由控制。

附图说明

图1为本发明实施例基于中继浮标的水陆通信系统整体构成示意图；

图2为本发明实施例水下运载器的结构示意图；

图3为本发明实施例浮标的结构示意图；

图4为本发明实施例陆地基站的结构示意图。

具体实施方式

本发明以对某渔场水下养殖环境、养殖状态等实时监测为实施例，结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

一种基于中继浮标的水陆通信系统，包括水下运载器1、中继浮标2和陆地基站3，水下运载器1采集水下的视频信号，并通过蓝绿光通信单元以蓝绿光为信号载波将视频信号发给中继浮标2，中继浮标2再通过无线电方式将视频信号发送给陆地基站3；陆地基站3通过反向链路传输控制信号，来控制水下运载器的运行；所述的蓝绿光通信单元包括设置于水下运载器1上的水下运载器蓝绿光通信模块12和设置于中继浮标2上的中继浮标蓝绿光通信模块23。采用空中平台搭载蓝绿光通信系统的方式具有保密性好、机动灵活、信息容量大、时延小、抗干扰等优点，可保证与水下固定传感通信设备通信时的隐蔽与安全。

所述的水下运载器1搭载摄像头11、水下运载器蓝绿光通信模块12和水下运载器控制单元13；摄像头11用于采集水下的视频信号，水下运载器蓝绿光通信模块12用于将摄像头11采集的视频信号发给中继浮标2并接收、处理中继浮标2发送的控制信号；水下运载器控制单元13用于接收运载器蓝绿光通信模块12处理后的控制信号，并作出相应反馈动作；摄像头采用200万像素高清防水摄像头，现有水声通信无法高质量传输视频信号，采用蓝绿光通信方式可以很好的实现视频信号采集。

所述的中继浮标2包括中继浮标无线电通信模块21、主控单元22和中继浮标蓝绿光通信模块23，所述的中继浮标蓝绿光通信模块23接收、处理水下运载器蓝绿光通信模块12发送的视频信号并发送控制信号；所述中继浮标无线电通信模块21用于完成中继浮标2与陆地基站3之间的信号传输；所述主控单元用于完成对所述中继浮标蓝绿光通信模块23和所述中继浮标无线电通信模块21的信号处理和通信控制。

所述的陆地基站3包括陆地基站无线电通信模块31、MCU处理器32和上位机33，所述的陆地基站无线电通信模块31与中继浮标无线电通信模块21配合完成信号传输；陆地基站无线电通信模块31通过MCU处理器32与上位机33相连，完成信号传输。

所述的水下运载器蓝绿光通信模块12由第一ARM处理器121、第一偏压驱动电路122、第一蓝绿光源123、第一发射端透镜组单元124、第一接收端光集中器125、第一光电探测器126和第一滤波放大电路127组成，第一ARM处理器121是水下运载器1的核心部件，承担了连接摄像头11、水下运载器控制单元13和蓝绿光通信单元的信号发射和接收部件的作用，是整个运载器的控制中心，本发明中采用的信号与系统的控制算法具有很强的鲁棒性和高效性，使整个水下运载器能在陆上上位机上控制下良好运行。

水下运载器1上各单元的位置和功能连接关系是：所述第一ARM处理器121接收摄像头11采集的视频信号，第一ARM处理器121控制视频图像信号的输出，第一偏压驱动电路122中采用了高性能THS7631和LM7171芯片连接，将光源的工作状态调在线性工作区，以减小信号的失真和增大光源工作带宽，并将第一ARM处理器121输出的信号调制到第一蓝绿光源123，第一蓝绿光源123发出光信号，经过第一发射端透镜组单元124均匀扩束，形成预设的发散角度；水下运载器蓝绿光通信模块12的第一接收端光集中器125汇聚经过海水信道的光信号；第一光电探测器126探测到通过第一接收端光集中器125的光信号，经第一滤波放大电路127整形放大滤波之后，输出给第一ARM处理器121，第一ARM处理器121将接收到的信号经过处理，并进行时钟恢复与电平判决，还原出中继浮标2发出的控制信号，再输出给水下运载器控制单元13，控制水下运载器1按照所述控制信号工作。

所述的中继浮标无线电通信模块21由第一无线电发射单元211和第一无线电接收单元212组成，所述的中继浮标蓝绿光通信模块23由第二偏压驱动电路231、第二蓝绿光源232、第二发射端透镜组单元233、第二接收端光集中器234、第二光电探测器235和第二滤波放大电路236组成，所述的主控单元22采用ARM处理器；中继浮标无线电通信模块21中采用无线电射频通信方式，能够在偏远地区实现无线通信，不依赖电信部门的基站，具有很强的自主性和灵活性。

中继浮标2中各单元的位置和功能连接关系是：中继浮标蓝绿光通信模块23的第二接收端光集中器234汇聚经过海水信道的光信号，第二光电探测器235探测到所述光信号，经过第二滤波放大电路236整形放大滤波之后，输出给主控单元22，主控单元22将接收到的信号经过处理后输入到无线电发射单元211，无线电发射单元211经过调制后发出无线电信号；无线电接收单元212接收空气中由陆地基站3所发出的无线电信号，经过解调后输出给主控单元22，主控单元22将接收到的信号经过信号处理输出给第二偏压驱动电路231，第二偏压驱动电路231将信号调制到第二蓝绿光源232上，第二蓝绿光源232发出光信号，该光信号经过第二透镜组单元233均匀扩束，形成预设的发散角度。

本发明在在水下运载器蓝绿光通信模块12和中继浮标蓝绿光通信模块23中均创新性地加入了一组透镜组单元。通过实验测试，使其在相同的传输速率下，信号传输的误码率降低了15%以上。

所述的陆地基站无线电通信模块31由第二无线电发射单元311和第二无线电接收单元312组成；陆地基站3各单元的位置和功能连接关系是：第二无线电接收单元312接收空气中由中继浮标2所发出的无线电信号，经过解调后输出给MCU处理器32，MCU处理器32将接收到的信号经过处理后输入给上位机33，上位机33按程序指令还原信息；上位机33发送对水下运载器1的控制指令，MCU处理器32接收上位机输出的控制指令，经过处理输出给第二无线电发射单元311，第二无线电发射单元311经过调制后发出无线电信号。

中继浮标无线电通信模块21或陆地基站无线电通信模块31采用C1101模块；第一ARM处理器121或主控单元22采用STM32F103C8，

所述的蓝绿光通信单元中的第一蓝绿光源123或第二蓝绿光源232采用蓝光LED阵列，产生光源信号，作为信号的传输载波。本发明创新提出采用蓝光LED排成阵列的方式，并配以相应的驱动电路，大大提高了水下无线光通信的传输速率、降低了信号传输过程中的误码率、得到了一种相比传统水声通信更高质量的视频信息。

所述的第一滤波放大电路127或第二滤波放大电路236中采用芯片TC4427和芯片74HC14串联，大大增加了系统的容量，使性能更加稳定。

以上结合图1~4所述的具体实施例，对本发明的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于中继浮标的水陆通信系统，其特征在于，包括水下运载器（1）、中继浮标（2）和陆地基站（3），水下运载器（1）采集水下的视频信号，并通过蓝绿光通信单元以蓝绿光为信号载波将视频信号发给中继浮标（2），中继浮标（2）再通过无线电方式将视频信号发送给陆地基站（3）；陆地基站（3）通过反向链路传输控制信号，来控制水下运载器的运行；所述的蓝绿光通信单元包括设置于水下运载器（1）上的水下运载器蓝绿光通信模块（12）和设置于中继浮标（2）上的中继浮标蓝绿光通信模块（23）；

所述的水下运载器（1）搭载摄像头（11）、水下运载器蓝绿光通信模块（12）和水下运载器控制单元（13）；摄像头（11）用于采集水下的视频信号，水下运载器蓝绿光通信模块（12）用于将摄像头（11）采集的视频信号发给中继浮标（2）并接收、处理中继浮标（2）发送的控制信号；水下运载器控制单元（13）用于接收运载器蓝绿光通信模块（12）处理后的控制信号，并作出相应反馈动作；

所述的中继浮标（2）包括中继浮标无线电通信模块（21）、主控单元（22）和中继浮标蓝绿光通信模块（23），所述的中继浮标蓝绿光通信模块（23）接收、处理水下运载器蓝绿光通信模块（12）发送的视频信号并发送控制信号；所述中继浮标无线电通信模块（21）用于完成中继浮标（2）与陆地基站（3）之间的信号传输；所述主控单元用于完成对所述中继浮标蓝绿光通信模块（23）和所述中继浮标无线电通信模块（21）的信号处理和通信控制；

所述的陆地基站（3）包括陆地基站无线电通信模块（31）、MCU处理器（32）和上位机（33），所述的陆地基站无线电通信模块（31）与中继浮标无线电通信模块（21）配合完成信号传输；陆地基站无线电通信模块（31）通过MCU处理器（32）与上位机（33）相连，完成信号传输；

所述的水下运载器蓝绿光通信模块（12）由第一ARM处理器（121）、第一偏压驱动电路（122）、第一蓝绿光源（123）、第一发射端透镜组单元（124）、第一接收端光集中器（125）、第一光电探测器（126）和第一滤波放大电路（127）组成；水下运载器（1）上各单元的位置和功能连接关系是：所述第一ARM处理器（121）接收摄像头（11）采集的视频信号，第一ARM处理器（121）控制视频图像信号的输出，第一偏压驱动电路（122）将光源的工作状态调在线性工作区，以减小信号的失真和增大光源工作带宽，并将第一ARM处理器（121）输出的信号调制到第一蓝绿光源（123），第一蓝绿光源（123）发出光信号，经过第一发射端透镜组单元（124）均匀扩束，形成预设的发散角度；水下运载器蓝绿光通信模块（12）的第一接收端光集中器（125）汇聚经过海水信道的光信号；第一光电探测器（126）探测到通过第一接收端光集中器（125）的光信号，经第一滤波放大电路（127）整形放大滤波之后，输出给第一ARM处理器（121），第一ARM处理器（121）将接收到的信号经过处理，并进行时钟恢复与电平判决，还原出中继浮标（2）发出的控制信号，再输出给水下运载器控制单元（13），控制水下运载器（1）按照所述控制信号工作；

所述的中继浮标无线电通信模块（21）由第一无线电发射单元（211）和第一无线电接收单元（212）组成，所述的中继浮标蓝绿光通信模块（23）由第二偏压驱动电路（231）、第二蓝绿光源（232）、第二发射端透镜组单元（233）、第二接收端光集中器（234）、第二光电探测器（235）和第二滤波放大电路（236）组成，所述的主控单元（22）采用ARM处理器；中继浮标（2）中各单元的位置和功能连接关系是：中继浮标蓝绿光通信模块（23）的第二接收端光集中器（234）汇聚经过海水信道的光信号，第二光电探测器（235）探测到所述光信号，经过第二滤波放大电路（236）整形放大滤波之后，输出给主控单元（22），主控单元（22）将接收到的信号经过处理后输入到无线电发射单元（211），无线电发射单元（211）经过调制后发出无线电信号；无线电接收单元（212）接收空气中由陆地基站（3）所发出的无线电信号，经过解调后输出给主控单元（22），主控单元（22）将接收到的信号经过信号处理输出给第二偏压驱动电路（231），第二偏压驱动电路（231）将信号调制到第二蓝绿光源（232）上，第二蓝绿光源（232）发出光信号，该光信号经过第二透镜组单元（233）均匀扩束，形成预设的发散角度；

所述的陆地基站无线电通信模块（31）由第二无线电发射单元（311）和第二无线电接收单元（312）组成；陆地基站（3）各单元的位置和功能连接关系是：第二无线电接收单元（312）接收空气中由中继浮标（2）所发出的无线电信号，经过解调后输出给MCU处理器（32），MCU处理器（32）将接收到的信号经过处理后输入给上位机（33），上位机（33）按程序指令还原信息；上位机（33）发送对水下运载器（1）的控制指令，MCU处理器（32）接收上位机输出的控制指令，经过处理输出给第二无线电发射单元（311），第二无线电发射单元（311）经过调制后发出无线电信号；

所述的蓝绿光通信单元中的第一蓝绿光源（123）或第二蓝绿光源（232）采用蓝光LED阵列，产生光源信号，作为信号的传输载波。

2.如权利要求1所述的基于中继浮标的水陆通信系统，其特征在于，中继浮标无线电通信模块（21）或陆地基站无线电通信模块（31）采用C1101模块；第一ARM处理器（121）或主控单元（22）采用STM32F103C8。

3.如权利要求1所述的基于中继浮标的水陆通信系统，其特征在于，所述的第一滤波放大电路（127）或第二滤波放大电路（236）中采用芯片TC4427和芯片74HC14串联。