CN106452585A - 一种基于蓝绿光源的高速水下通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体公开一种基于蓝绿光源的高速水下通信系统。本发明使用高效率氮化镓基LED或者激光光源，发光波长为450 nm或者520nm左右；发射机包括信号的采集、模数转换、压缩和放大、直流驱动电源、蓝绿光源和相应散热封装装置、发射天线、以及防水装置；接收机包括信号接收天线、自动对准模块、探测器、信号放大和解压缩、数模转换、信号恢复以及防水装置。本发明通过加入接收端自动对准模块，可以实现短距离和长距离高速水下通信，具有带宽高、数据传输速率高、保密性高、耗能低和时延短的优势。

Description

一种基于蓝绿光源的高速水下通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于蓝绿光源的高速水下通信系统。

背景技术

海洋资源是当前世界各国争夺的重要资源，潜艇、无人水下航行器和水下传感器等水下设备在探索和争夺海洋资源中起到关键作用。目前水下通信设备常用水声通信、超/甚低频无线电通信和蓝绿可见光光通信。水声通信的传输距离比较远，但是带宽低，受多径干扰影响严重，误码率高，保密性差；超/甚低频无线电通信也存在频带窄、通信容量小、通信频率低、通信速率太低的问题；水下蓝绿光通信是近年来水下通信的热点，波长在400nm至580nm之间的光波在海水中衰减比较小，称为“蓝绿窗口”。

近年来，基于氮化镓基材料的蓝绿光LED和激光器的效率得到大幅度提高，也具有很高的光电调制带宽，基于氮化镓基光电器件的水下通信尚需要进一步的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于蓝绿光源的高速水下通信系统。

本发明提供的基于蓝绿光源的高速水下通信系统，使用高效率氮化镓基蓝绿光LED（蓝光和绿光LED发光光源）或者激光器作为光源，通过加入接收端自动对准模块，可以实现短距离和长距离高速水下通信，具有带宽高、数据传输速率高、保密性高、耗能低和时延短的优势。

本发明提供的基于蓝绿光源的高速水下通信系统，其结构参见图1所示，其包括发射机和接收机两个部分，其中：

发射机包括信号采集模块1、模数转换模块2、压缩和放大模块3、直流驱动电源4、蓝绿光源5、散热封装装置6、发射天线7、以及防水装置8；

接收机包括信号接收天线9、光电传感器10、步进电机11、光电探测器12、信号放大和解压缩模块13、数模转换模块14、信号恢复模块15以及防水装置16。

所述的信号采集模块1，用以收集或者输入相关信号；收集或者输入相关信号即信源包括模拟信号（如语音、视频、传感器等）或数字信号；

所述的模数转换模块2，当信源为语音、视频、传感器等的模拟信号时，用于将模拟信号转换为数字信号；当信源为数字信号，则不需要模数转换；

所述的压缩和放大模块1，用于对来自信号采集模块1或模数转换模块2的信号数据进行压缩，以降低所需数据速率，并放大信号，用OOK、PAM或者QAM调制方法，通过偏置器直接调制蓝绿光源5；

所述的直流驱动电源4，通过恒定的电压或者电流驱动蓝绿光源5；

所述的蓝绿光源5，为峰值波长在450nm或者520nm左右的LED或者激光光源，例如可使用典型尺寸为1mm的大功率LED或者50μm的微米LED；

所述的散热封装装置6，用于封装蓝绿光源5，其使用散热铝基板和金属散热底座来散热，提高蓝绿光源5（大功率LED或激光器）的可靠性；其中，封装电路的阻抗与光源的阻抗匹配，以提高可用带宽和通信速度。

所述的发射天线7，用于发射蓝绿光源5，发射天线7采用曲面透镜，可调整LED和激光光源的发射光角度，透镜和光源的间距通过机械螺纹或者电机调节，对于短距离（如几米内）通信，光源发散角可以比较大，对于较长距离（如百米以上）通信，发散角需要尽可能小；

所述的信号接收天线9，用于接收发射天线7发射的光信号；为了收集更多的光，信号接收天线9采用抛物线曲面透镜，并将接收到的光聚焦到光电探测器12上；

所述的光电传感器10和步进电机11组成自动对准系统，用于控制光电探测器12正对发射光源；其中，光电传感器10接收光信号，并通过光电流反馈电信号给步进电机11；步进电机11控制光电探测器12在垂直方向上和水平方向上的转动，实现自动对准；

所述的光电探测器12为PIN或者APD，PIN价格比较便宜，适用于需要控制成本的场合，APD灵敏度高，适用于高速长距离通信场合；

所述的信号放大和解压缩模块12，用于对光电探测器12接收到的信号进行放大和解压缩；

所述的数模转换模块13，将经信号放大和解压缩模块12处理的数字信号转换为语音、视频、传感器等模拟信号，信源若为数字信号则不需要数模转换；

所述的信号恢复模块15，用于还原语音、视频、传感器等模拟信号或者数字信号；

接收机和发射机均使用防水装置，即接收机和发射机的外壳是防水的。

潜水员、水下机器人、潜艇等可以同时装备发射机和接收机，则可以实现双向通信。

本发明通过加入接收端自动对准模块，可以实现短距离和长距离高速水下通信，具有带宽高、数据传输速率高、保密性高、耗能低和时延短的优势。

附图说明

图1为本发明中提供的水下通信的发射机和接收机的示意图。

图中标号：发射机部分，1为信号采集模块，2为模数转换模块，3为压缩和放大模块，4为直流驱动电源，5为蓝绿光源，6为散热封装装置，7为发射天线，8为防水装置8；接收机部分，9为信号接收天线，10为光电传感器，10为步进电机，12为光电探测器，13为信号放大和解压缩模块，14为数模转换模块，15为信号恢复模块，16为防水装置16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。下面结合通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

本发明的水下通信装置包括发射机和接收机，下面主要介绍单向通信：

（1）发射机包括信号采集模块1、模数转换模块2、压缩和放大模块3、直流驱动电源4、蓝绿光源5、散热封装装置6、发射天线7、以及防水装置8；

使用信号采集模块1所采集的信号若为语音、视频、传感器等的模拟信号，需要经过模数转换2，若为数字信号则不需要模数转换，然后通过编码压缩3来降低所需数据速率，来适合长距离通信；

所述的光源使用直流驱动4，信号经过适当放大3，用OOK、PAM或者QAM调制方法，直流驱动和信号通过偏置器驱动和调制光源，将电信号转化为光信号；

蓝绿光源5使用峰值波长在450nm左右的LED光源，目前450nm左右的LED器件具有较高效率，相对于绿光LED，具有节能和散热效果更好的优势，是水下可见光通信较佳选择，由于具备较高的效率，可以在同样的驱动电功率下达到更高的输出光功率，提高通信速度和距离；耗散的热量较少，有利于增加光源器件的寿命，同时也可以用更大的电流驱动来输出更高光功率。LED的成本比激光器低，但是发光的准直性比较差，在水中衰减比较严重，对于长距离通信，可采用发光峰值波长在450nm左右的激光器；

LED或者激光器光源使用散热铝基板和金属散热底座来散热，保证器件的在大功率输出情况下的可靠性，同时封装电路的阻抗与光源的阻抗匹配，提高可用带宽和通信速度，来适用于大功率、长距离和高速水下通信；

发射天线7使用曲面透镜，来调整LED和激光光源的发射光角度，透镜和光源的间距通过机械螺纹或者电机调节，对于几米内的短距离通信，光源发散角可以比较大，对于百米的较长距离通信，发散角尽可能小，光学天线是影响通信传输距离和速度的关键因素；

曲面透镜可以与防水装置8的外壳分离设计，一般情况下，外壳的透光率小于100%，也可以将曲面透镜和外壳结合在一起，进一步减少外壳对输出光功率的削弱。

（2）接收机包括信号接收天线9、光电传感器10和步进电机11、探测器12、信号放大和解压缩模块13、数模转换模块14、信号恢复15以及防水装置16；

所述的信号接收天线9为了收集更多的光，使用抛物线曲面透镜聚焦接收光，并使用光电自动对准系统使探测器正对发射光源，透镜可以与防水装置16的外壳结合进一步提高接收的信号功率；

所述的接收机自动对准系统使用四个光电传感器10，光电传感器接收到光信号，将光电流反馈给控制电路，电路对信号进行处理后，使用步进电机11控制探测器在垂直方向上和水平方向上的转动，实现自动对准，这大大提高了使用蓝绿光源进行水下长距离高速通信的实用性；

所述的接收端探测器12为PIN或者APD，PIN价格比较便宜，适用于需要控制成本的场合，APD灵敏度高，适用于高速长距离通信场合；

所述的用于自动对准系统的光电传感器10需要安装在通信用的光电探测器12附近，保证对准的效果；

经过对探测器转换后的电信号的放大和解压缩、数模转换，接收到语音、视频、传感器等模拟信号；

潜水员、水下机器人、潜艇等可以同时装备发射机和接收机，则可以实现双向通信，即本发明适合单向和双向通信链路。

本发明通过加入接收端自动对准模块，可以实现短距离和长距离高速水下通信，具有带宽高、数据传输速率高、保密性高、耗能低和时延短的优势。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于蓝绿光源的高速水下通信系统，其特征在于，包括发射机和接收机两个部分，其中：

发射机包括信号采集模块、模数转换模块、压缩和放大模块、直流驱动电源、蓝绿光源、散热封装装置、发射天线以及防水装置；

接收机包括信号接收天线、光电传感器、步进电机、光电探测器、信号放大和解压缩模块、数模转换模块、信号恢复模块以及防水装置；

所述的信号采集模块，用以收集或者输入相关信号；收集或者输入相关信号即信源包括模拟信号和数字信号；

所述的模数转换模块，当信源为模拟信号时，用于将模拟信号转换为数字信号；当信源为数字信号，则不需要模数转换；

所述的压缩和放大模块，用于对来自模数转换模块的信号数据进行压缩，以降低所需数据速率，并放大信号，用OOK、PAM或者QAM调制方法，通过偏置器直接调制蓝绿光源；

所述的直流驱动电源，通过恒定的电压或者电流驱动蓝绿光源；

所述的蓝绿光源，为峰值波长在450nm或者520nm左右的LED或者激光光源；

所述的散热封装装置，用于封装蓝绿光源，其使用散热铝基板和金属散热底座来散热，提高蓝绿光源的可靠性；其中，封装电路的阻抗与光源的阻抗匹配，以提高可用带宽和通信速度；

所述的发射天线，用于发射蓝绿光源，发射天线采用曲面透镜，可调整LED和激光光源的发射光角度；

所述的信号接收天线，用于接收发射天线发射的光信号；信号接收天线采用抛物线曲面透镜，并将接收到的光聚焦到光电探测器上；

所述的光电传感器和步进电机组成自动对准系统，用于控制光电探测器正对发射光源；其中，光电传感器接收光信号，并通过光电流反馈电信号给步进电机；步进电机控制光电探测器在垂直方向上和水平方向上的转动，实现自动对准；

所述的信号放大和解压缩模块，用于对光电探测器接收到的信号进行放大和解压缩；

所述的数模转换模块，将经信号放大和解压缩模块处理的数字信号转换为语音、视频、传感器的模拟信号，信源若为数字信号则不需要数模转换；

所述的信号恢复模块，用于还原语音、视频、传感器的模拟信号或者数字信号；

接收机和发射机均使用防水装置，即接收机和发射机的外壳是防水的。

2.根据权利要求1所述的基于蓝绿光源的高速水下通信系统，其特征在于，所述的光电探测器12为PIN或者APD。