CN105356946A - 一种基于空中平台的空中-水下通信系统 - Google Patents

一种基于空中平台的空中-水下通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于空中平台的空中-水下通信系统,包括空中平台搭载蓝绿光通信单元，其上的控制单元控制飞行器飞行到水下采集器或者探测器大致所在的区域，使用扫描定位单元对探测器或者采集器大致所在区域进行扫描定位，并通过控制光源的发射角，进而实现一定区域内的有效通信覆盖面积。蓝绿光通信单元发射数据请求命令信号给水下的采集器或者探测器，采集器或者探测器接收到命令请求后，将反馈信号发送给空中平台，这样就能实现空中平台与水下采集器或者探测器的通信链路的建立。本发明相比于其他固定的、有线的光通信方式，采用基于空中平台的空中-水下通信方式具有保密性好、获取数据快、成本低廉、灵活度高、实施范围广等优点。

Description

一种基于空中平台的空中-水下通信系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于空中平台的空中-水下通信系统。
背景技术
目前，我国已初步形成涵盖岸基海洋观测系统、离岸海洋观测系统以及大洋和极地观测的海洋观测网基本框架，在我国海洋防灾减灾、科学研究、国防安全等领域中发挥了重要作用。在一些敏感水域布放水听器等水下探测设备是重要的水下安防措施，其中一个重要的技术难点是如何高效采集这些水下探测设备所收集的数据。
在实现水下探测网络的数据回传过程中，现有的技术在进行传输的时候既要花费大量的人力物力财力，而且在传输过程当中需要花费的时间过长，严重影响整个网络的工作效益。
蓝绿光对海水有较强的穿透能力，且通信速率高，可达每秒数千比特以上。但在目前的技术中，蓝绿光用于很少用于作为空中平台信号载波的设备且保持较好效果。针对目前水下数据获取存在的问题，需进一步探索和研究一种基于空中平台的新颖的空中-水下通信系统，提高空中-水下通信链路容量，加快数据获取的速率，为国家海洋战略提供强有力的技术支持。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于空中平台的空中-水下通信系统，具体技术方案如下：
一种基于空中平台的空中-水下通信系统，包括水下探测器和空中平台；
所述的水下探测器上搭载传感器单元、存储器单元、水下探测器蓝绿光通信模块，传感器单元用于采集水下视频信号，存储器单元用于存储传感器单元采集的视频信号，水下探测器蓝绿光通信模块用于发送传感器单元采集的视频信号并接收空中平台的控制信号；
所述的空中平台用于在水面以上空间飞行至预设位置，其上搭载控制单元、空中平台蓝绿光通信模块、扫描定位单元、GPRS定位单元和存储器单元；
空中平台蓝绿光通信模块用于接收水下探测器蓝绿光通信模块发送的视频信号并发送控制信号；
GPRS定位单元用于定位空中平台自身所在位置；
扫描定位单元用于实现空中平台对水下探测器所在区域的扫描定位；
控制单元用于根据预设目标控制空中平台各部件的配合运行；
存储器单元用于存储蓝绿光通信单元接收的数据；
空中平台蓝绿光通信模块和水下探测器蓝绿光通信模块的信号载波均为蓝绿光。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。
所述的空中平台蓝绿光通信模块由第一ARM处理器、第一偏置驱动电路、第一蓝绿光源、第一发射端透镜组单元、第一接收端光汇聚器、第一光电探测器和第一放大滤波整形电路组成；
空中平台的各单元位置和功能连接关系是：所述第一ARM处理器根据GPRS定位单元提供的定位信息和水下探测器放置时所处的区域位置，发送控制信号给控制单元，控制空中平台飞行到水下探测器所在的区域；当飞行到所在区域后，扫描定位单元通过第一ARM处理器发出数据请求命令信号，第一偏置驱动电路将光源的工作状态调整在线性工作区，以减小信号的失真和增大光源工作带宽，并将ARM处理器输出的数据请求命令信号调制到第一蓝绿光源上，第一蓝绿光源发出光信号，光信号经过第一透镜组单元均匀扩束，形成预设的发射角度；当成功扫描到水下探测器的位置后，水下探测器将发送反馈信号，空中平台蓝绿光通信模块的第一接收端光汇聚器汇聚经过海水信道以及空气信道的光信号，第一光电探测器将其由光信号转化为电信号，经过第一放大滤波整形电路处理后，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，还原出水下探测器发出的反馈信号，再将反馈信号输出给扫描定位单元，实现通信链路的连接
所述的水下探测器蓝绿光通信模块由第二ARM处理器、第二偏置驱动电路、第二蓝绿光源、第二发射端透镜组单元、第二接收端光汇聚器、第二光电探测器和第二放大滤波整形电路组成；水下探测器各单元的位置和功能连接关系是：第二ARM处理器将传感器单元获取的数据存储到存储单元中，水下探测器蓝绿光通信模块的第二接收端光汇聚器汇聚经过空气信道和海水信道的光信号，第二光电探测器探测到上述光信号，经过第二放大滤波整形电路处理后，输出给第二ARM处理器，第二ARM处理器将接收到的信号经过处理，判断是否为数据请求命令信号，若是，发送反馈信号给第二偏置驱动电路，第二偏置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，上述光信号经过第二透镜组单元均匀扩束，形成预设的发射角度，发送反馈信号，然后第二ARM处理器将存储单元中的数据通过水下探测器蓝绿光通信模块进行发射。
所述的第一ARM处理器或第二ARM处理器采用STM32F103C8。
所述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。
所述的第一放大滤波整形电路或第二放大滤波整形电路中采用芯片TC4427和芯片74HC14串联。
所述的蓝光LED阵列产生的光源信号波长介于450~550nm之间，功率为3~5W。
本发明中的基于空中平台的空中-水下通信系统，以空中平台为载体来完成空中-水下双向通信，且水下数据通信采用蓝绿光信号作为传输介质，相比于其他固定的、有线的光通信方式，采用基于空中平台的空中-水下通信方式具有获取数据快、灵活度高、实施范围广等优点。而且采用LED、激光二极管等作为光源，可以降低系统成本，且可靠性高，该发明能够实现整个空中-水下通信链路的实时数据快速回传功能。
附图说明
图1为本发明实施例基于空中平台的空中-水下通信系统整体构成示意图；
图2为本发明实施例空中平台的结构示意图；
图3为本发明实施例水下采集器或者探测器的结构示意图。
具体实施方式
基于空中平台的空中-水下通信系统包括水下探测器1和空中平台2；
一种基于空中平台的空中-水下通信系统，包括水下探测器1和空中平台2；
所述的水下探测器1上搭载传感器单元23、存储器单元21、水下探测器蓝绿光通信模块22，传感器单元23用于采集水下视频信号，存储器单元21用于存储传感器单元23采集的视频信号，水下探测器蓝绿光通信模块22用于发送传感器单元23采集的视频信号并接收空中平台2的控制信号；
所述的传感器单元23采用支持RS232或者USB数据接口通信方式，具有耐水压、水下密封性好等特点的设备，包括摄像头、麦克风等数据获取设备。
所述的存储器单元21支持USB数据接口通信方式，存储容量可灵活选择。
所述的空中平台2用于在水面以上空间飞行至预设位置，其上搭载控制单元11、空中平台蓝绿光通信模块12、扫描定位单元13、GPRS定位单元14和存储器单元15；
空中平台蓝绿光通信模块12用于接收水下探测器蓝绿光通信模块22发送的视频信号并发送控制信号；
GPRS定位单元14用于定位空中平台2自身所在位置；
扫描定位单元13用于实现空中平台2对水下探测器1所在区域的扫描定位；
控制单元11用于根据预设目标控制空中平台各部件的配合运行；
存储器单元15用于存储蓝绿光通信单元12接收的数据；
空中平台蓝绿光通信模块12和水下探测器蓝绿光通信模块22的信号载波均为蓝绿光。
所述的空中平台蓝绿光通信模块12由第一ARM处理器121、第一偏置驱动电路122、第一蓝绿光源123、第一发射端透镜组单元124、第一接收端光汇聚器125、第一光电探测器126和第一放大滤波整形电路127组成；
空中平台2的各单元位置和功能连接关系是：所述第一ARM处理器121根据GPRS定位单元14提供的定位信息和水下探测器1放置时所处的区域位置，发送控制信号给控制单元11，控制空中平台2飞行到水下探测器1所在的区域；当飞行到所在区域后，扫描定位单元13通过第一ARM处理器121发出数据请求命令信号，第一偏置驱动电路122将光源的工作状态调整在线性工作区，以减小信号的失真和增大光源工作带宽，并将ARM处理器121输出的数据请求命令信号调制到第一蓝绿光源123上，第一蓝绿光源123发出光信号，光信号经过第一透镜组单元124均匀扩束，形成预设的发射角度；当成功扫描到水下探测器1的位置后，水下探测器1将发送反馈信号，空中平台蓝绿光通信模块12的第一接收端光汇聚器125汇聚经过海水信道以及空气信道的光信号，第一光电探测器126将其由光信号转化为电信号，经过第一放大滤波整形电路127处理后，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，还原出水下探测器1发出的反馈信号，再将反馈信号输出给扫描定位单元13，实现通信链路的连接
所述的水下探测器蓝绿光通信模块22由第二ARM处理器221、第二偏置驱动电路222、第二蓝绿光源223、第二发射端透镜组单元224、第二接收端光汇聚器225、第二光电探测器226和第二放大滤波整形电路227组成；水下探测器1各单元的位置和功能连接关系是：第二ARM处理器221将传感器单元23获取的数据存储到存储单元21中，水下探测器蓝绿光通信模块22的第二接收端光汇聚器225汇聚经过空气信道和海水信道的光信号，第二光电探测器226探测到上述光信号，经过第二放大滤波整形电路227处理后，输出给第二ARM处理器221，第二ARM处理器221将接收到的信号经过处理，判断是否为数据请求命令信号，若是，发送反馈信号给第二偏置驱动电路222，第二偏置驱动电路222将信号调制到第二蓝绿光源223上，第二蓝绿光源223发出光信号，上述光信号经过第二透镜组单元224均匀扩束，形成预设的发射角度，发送反馈信号，然后第二ARM处理器221将存储单元21中的数据通过水下探测器蓝绿光通信模块22进行发射。
本发明在空中平台蓝绿光通信模块12和水下探测器蓝绿光通信模块22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。
所述的第一ARM处理器121或第二ARM处理器221采用STM32F103C8。
所述的第一偏置驱动电路122和第二偏置驱动电路222中采用高性能的芯片THS7631和芯片LM7171串联。
所述的第一蓝绿光源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，并配以相应的驱动模块。本发明创新提出采用蓝光LED排成阵列的方式，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，得到了比传统水声同信质量更高的视频信息。
所述的第一放大滤波整形电路127或第二放大滤波整形电路227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。
所述的蓝光LED阵列产生的光源信号波长介于450~550nm之间，功率为3~5W。
以上结合图1~3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 (7)

1.一种基于空中平台的空中-水下通信系统，其特征在于，包括水下探测器（1）和空中平台（2）；
所述的水下探测器（1）上搭载传感器单元（23）、存储器单元（21）、水下探测器蓝绿光通信模块（22），传感器单元（23）用于采集水下视频信号，存储器单元（21）用于存储传感器单元（23）采集的视频信号，水下探测器蓝绿光通信模块（22）用于发送传感器单元（23）采集的视频信号并接收空中平台（2）的控制信号；
所述的空中平台（2）用于在水面以上空间飞行至预设位置，其上搭载控制单元（11）、空中平台蓝绿光通信模块（12）、扫描定位单元（13）、GPRS定位单元（14）和存储器单元（15）；
空中平台蓝绿光通信模块（12）用于接收水下探测器蓝绿光通信模块（22）发送的视频信号并发送控制信号；
GPRS定位单元（14）用于定位空中平台（2）自身所在位置；
扫描定位单元（13）用于实现空中平台（2）对水下探测器（1）所在区域的扫描定位；
控制单元（11）用于根据预设目标控制空中平台各部件的配合运行；
存储器单元（15）用于存储蓝绿光通信单元（12）接收的数据；
空中平台蓝绿光通信模块（12）和水下探测器蓝绿光通信模块（22）的信号载波均为蓝绿光。
2.如权利要求1所述的基于空中平台的空中-水下通信系统，其特征在于，所述的空中平台蓝绿光通信模块（12）由第一ARM处理器（121）、第一偏置驱动电路（122）、第一蓝绿光源（123）、第一发射端透镜组单元（124）、第一接收端光汇聚器（125）、第一光电探测器（126）和第一放大滤波整形电路（127）组成；
空中平台（2）的各单元位置和功能连接关系是：所述第一ARM处理器（121）根据GPRS定位单元（14）提供的定位信息和水下探测器（1）放置时所处的区域位置，发送控制信号给控制单元（11），控制空中平台（2）飞行到水下探测器（1）所在的区域；当飞行到所在区域后，扫描定位单元（13）通过第一ARM处理器（121）发出数据请求命令信号，第一偏置驱动电路（122）将光源的工作状态调整在线性工作区，以减小信号的失真和增大光源工作带宽，并将ARM处理器（121）输出的数据请求命令信号调制到第一蓝绿光源（123）上，第一蓝绿光源（123）发出光信号，光信号经过第一透镜组单元（124）均匀扩束，形成预设的发射角度；当成功扫描到水下探测器（1）的位置后，水下探测器（1）将发送反馈信号，空中平台蓝绿光通信模块（12）的第一接收端光汇聚器（125）汇聚经过海水信道以及空气信道的光信号，第一光电探测器（126）将其由光信号转化为电信号，经过第一放大滤波整形电路（127）处理后，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，还原出水下探测器（1）发出的反馈信号，再将反馈信号输出给扫描定位单元（13），实现通信链路的连接。
3.如权利要求1所述的基于空中平台的空中-水下通信系统，其特征在于，所述的水下探测器蓝绿光通信模块（22）由第二ARM处理器（221）、第二偏置驱动电路（222）、第二蓝绿光源（223）、第二发射端透镜组单元（224）、第二接收端光汇聚器（225）、第二光电探测器（226）和第二放大滤波整形电路（227）组成；水下探测器（1）各单元的位置和功能连接关系是：第二ARM处理器（221）将传感器单元（23）获取的数据存储到存储单元（21）中，水下探测器蓝绿光通信模块（22）的第二接收端光汇聚器（225）汇聚经过空气信道和海水信道的光信号，第二光电探测器（226）探测到上述光信号，经过第二放大滤波整形电路（227）处理后，输出给第二ARM处理器（221），第二ARM处理器（221）将接收到的信号经过处理，判断是否为数据请求命令信号，若是，发送反馈信号给第二偏置驱动电路（222），第二偏置驱动电路（222）将信号调制到第二蓝绿光源（223）上，第二蓝绿光源（223）发出光信号，上述光信号经过第二透镜组单元（224）均匀扩束，形成预设的发射角度，发送反馈信号，然后第二ARM处理器（221）将存储单元（21）中的数据通过水下探测器蓝绿光通信模块（22）进行发射。
4.如权利要求2或3所述的基于空中平台的空中-水下通信系统，其特征在于，所述的第一ARM处理器（121）或第二ARM处理器（221）采用STM32F103C8。
5.如权利要求2或3所述的基于空中平台的空中-水下通信系统，其特征在于，所述的第一蓝绿光源（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。
6.如权利要求2或3所述的基于空中平台的空中-水下通信系统，其特征在于，所述的第一放大滤波整形电路（127）或第二放大滤波整形电路（227）中采用芯片TC4427和芯片74HC14串联。
7.如权利要求5所述的基于空中平台的空中-水下通信系统，其特征在于，所述的蓝光LED阵列产生的光源信号波长介于450~550nm之间，功率为3~5W。
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