CN106941376A - 水中光通信装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于水中，特别是海中的光无线通信装置。由光无线通信，光强度测量，防水耐压容器三个子系统构成。采用具有红绿蓝(RGB)3芯片的全彩色型白光LED(Light Emitting diode)作为通信光源，以及L‑PPM的光强度调制方法，实现了用通信系统的物理参数对自然海水的自适应控制。系统可以在时空间浊度变化的海水信道中确保稳定高速的无线通信。又因为LED是非相干光源，所以不会对水中生物造成损伤。通信光源还可以兼作水中照明器，也可以利用一般的水中LED照明光源加调制后进行通信。

Description

水中光通信装置和系统
技术领域
本发明涉及一种具有自适应控制功能的水中光无线通信装置，属于水中光无线通信和自适应控制技术领域。
背景技术
随着现代海洋环境调查开发中，各种资源信息的图象化和相互共有化，高速大容量的水中数字无线通信技术，成为有效地取得和处理海洋环境尤其是深海环境资源信息的重要手段。
由于声波在水中是以折射的形式向远方传递的，因此传递距离比在陆地上要远。更重要的是与无线电波相比，声波对海水的衰减率较低，因此声波是现阶段最成熟有效的海中无线探测和通信的载波。但声波固有的低速性，使得当通信系统处于动态时，将产生明显的多普勒效应，从而严重地影响通信质量和数据传送的稳定性。特别是随着各种传送数据的图象化，声波的这种固有的低速性妨碍了它成为现代水中高速大容量通信的理想载波。
VLF(Very Low Frequency:～10kHz)带域的电磁波(无线电波)对纯净水有较低的衰减率。但因为海水是盐的电解液，电波对海水的衰减率明显地比对纯净水要高很多，因此电波亦很难成为海中无线通信的理想载波。
可见光波，无论对纯净水还是海水都具有十分明显的低衰减，是理想的海水透过窗口。而它固有的高速性可以很好地弥补超声波在通信容量和稳定性方面的不足。光的直线传播性还可以有效地分割空间，以保证在近距离多点通信时不会产生干涉，是值得期待的水中高速通信载波。特别是可见光LED发出的非相干光，既不会象激光那样损伤海中生物，又不失光波固有的高速性，同时还可以兼做海中作业的照明器具。
但由于海水是自然水，它的浊度、色度、透明度都是随时空间变化的。可见光对自然海水的透过和衰减率也是随着这些物理参数的改变而呈现出分光特性。为此，本发明提出了海水浊度变化自适应型的水中可见光无线通信方式。
现有技术方案
利用可见光波作为信息传送媒体的水中数字通信现阶段主要有如下方案。
方案(1)是利用海中高透过率窗口，即波长450nm附近的单色蓝光作为信息传送媒体，在较为纯净的水中实现高速通信的方法(日本太阳诱电株式会社和东洋电机株式会社共同开发，TAIYO YUDEN,News Release 2014年5月15日)。
方案(2)是用适当的误码订正符号。例如LDPC(Low Density Parity Check)码、Turbo码、RS(Reed Solomon)码等等来改善水中光传送衰减引起的低信噪比，在较为浑浊的水中实现无线通信的方法(Simpson,et.al.，“5Mbps optical wireless communicationwith error correction coding for underwater sensor nodes”，IEEE OCEANSConference,Seattle,WA,Sept.2010)。
现有方案(1)虽然实现了纯净水中的高速可见光无线通信，但海水是自然水，它的浊度是随时空间变化的。可见光对自然海水的透过和衰减率也是随海水浊度的改变而呈现出分光特性。所以该项技术难以实现在任何海域、任何时间的稳定高速通信。
现有方案(2)虽然实现了浑浊水中的可见光无线通信，但由于解码需要复杂的算法来处理，所以该项技术难以实现实时的高速通信。
发明内容
发明的目的：本发明的目的旨在解决以下问题，1)采用LED非相干光源作为通信光源以减小对海洋生物的损伤；2)用与通信光源相同的测量光源实时测量不同海域的光透过率，并给出最大透过率所对应的光波长，将此波长用于通信，确保自然海水环境下通信质量的稳定性；3)光源是具有红绿蓝(RGB)3芯片的全彩色型白光LED，各芯片所对应的光波长可以被独立控制，以实时切换通信光源的波长，确保用最大透过率所对应的光波长进行数据传送；4)采用L-PPM调制方法，并通过对L值的自适应控制确保系统的通信质量；5)采用送收一体化的通信模块，以便于双方向通信；6)可以采用一般的LED照明光源加调制后进行通信以降低成本。通过上述6个方面的控制和处理，可以在时空间浊度变化的海水信道中确保稳定高速的无线通信，且不会对水中生物造成损伤。
技术方案：如图1所示，系统由1光无线通信子系统，2光强度测量子系统，3防水耐压容器三个子系统构成。
进一步地，1光无线通信子系统由1(1)光通信模块，1(2)光信息读入接口，1(3)光信息发送光源，1(4)光信息接收器，1(5)光信息读出接口组成。
进一步地，2光强度测量子系统由2(1)光测量模块，2(2)光强度测量光源，2(3)光强度检测器组成。
进一步地，3防水耐压容器是1个可见光高透过率的防水耐压容器，确保深海环境下不受水压影响。
本发明采用通信速度自适应和波长自适应的控制方法。
通信速度自适应控制：如图2所示的L-PPM(Pulse Position Modulation with Llevels)方式直接调制光强度进行数字通信。L-PPM调制方式的传送速度(比特率)可以用Rb＝(log2L)/(L·T)表示。如果脉冲宽度T一定，则L越大，达到既定的误码率所需要的信噪比就越低(图3)。因此对于高浊度海水的通信路，可以通过对L值的自适应控制来确保系统的通信质量。
波长自适应控制原理如图4所示。光无线通信子系统1的光信息发送光源1(3)和光强度测量子系统2的光强度测量光源2(2)均采用如图5所示的RGB三芯片混光型的LED。各色芯片所发出的色光都可以独立控制。由于RGB三色混光后发出的是白色光，所以1(3)可以在通信的同时作为照明器具使用，以达到节能的效果。
光强度检测器2(3)采用如图6所示的RGB三色同时测光器。感光部的RGB各色光电二极管(Photodiode PD)按马赛克形状排列，以确保入射光的RGB成分可以被同时地高精度检测。测得的三色光强由光测量模块2(1)选择出一个最佳透过率的色光，提供给光通信模块1(1)用于数据传送。光信息接收器采用可见光波段全通型PD，以便于接收来自不同信道的可见光信号。
与现有技术相比，本发明的方法既可以实现纯净水中的高速通信，也可以通过对光波长和通信速度的自适应控制确保在自然海水中的通信质量。
现有的“误码订正符号技术”虽然可以改善不同水域中光传送衰减引起的低信噪比，但由于解码需要复杂的算法来处理，所以难以实现实时的高速通信。本发明的通信参数自适应控制方法，可以实现实时处理。
具体实施环境和方式
本发明的实施环境为纯净水和自然海水。在纯净水中可直接用450nm波长附近的蓝光，4-PPM调制方式双方向通信，红光和绿光只用于与蓝光混色产生白光照明，并且可以关闭光强度测量子系统2。实现的最佳方案如图7所示。
用于自然海水时，开启2进行波长自适应控制，并且由1(1)调节L-PPM中的L值进行通信速度自适应控制以确保稳定的通信质量。实现的最佳方案如图8所示。
但是本发明的保护范围不限于所述实施例。
通信光源不限于RGB三色，可以是任何颜色的可见光。
送收信控制模块可以一体化，也可以是分离式。
附图说明
图1为本发明所述的结构框图。
图2为本发明所述的4-PPM方式(L＝4)。
图3为本发明所述的L-PPM方式的误码率和信噪比的关系。
图4为本发明所述的波长自适应控制原理。
图5为本发明所述的RGB三芯片混光型LED。
图6为本发明所述的RGB三色光电二极管组合测光器(by jp.hamamatsu.com)。
图7为本发明所述的在纯净水中实现的最佳方案。
图8为本发明所述的在海水中实现的最佳方案。

Claims (6)

1.光信息发送光源1(3)和光强度测量光源2(2)均采用非相干的LED光源，可以减小对海洋生物的损伤，确保海洋生态环境不会因为无线通信装置的介入遭到破坏。
2.光信息发送光源1(3)是白色光LED，所以可以兼作水中照明器，也可以利用一般的水中LED照明光源加调制后进行通信。
3.光信息发送光源1(3)是具有RGB三芯片的全彩色型白光LED，各芯片所对应的光波段可以分别作为1个独立的数据传送信道被选择和控制，可以根据海域状况进行光波长的自适应控制。
4.光强度检测器2(3)是RGB三色光电二极管组合测光器。
5.采用L值可变的L-PPM调制方法，可以根据海域状况进行通信速度的自适应控制。
6.光通信模块1(1)是包含送信和收信控制一体化的双方向通信方式。
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