CN107302401B - 一种基于波分复用技术的水下无线光通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下无线光通信领域，旨在提供一种基于波分复用技术的水下无线光通信装置及方法。包括发射端装置和接收端装置；发射端装置包括分别连接至三个电压放大器的信号处理器；每个电压放大器依次连接可调衰减器、偏压驱动模块和激光器，三个激光器分别为红光、绿光和蓝光激光器，均连接至三合一光耦合器，三合一光耦合器与发射端透镜相对布置；接收端装置包括与接收端透镜相对布置的光电探测器，后者与电压放大器、可调衰减器、信号处理器依次相连；接收端透镜与光电探测器之间的光路上放置红光、绿光、蓝光二向色滤波片。本发明极大地提高了水下无线光通信系统的适用范围，在不同的海水环境中也能地始终保证正常的水下无线光通信。

Description

一种基于波分复用技术的水下无线光通信装置及方法

技术领域

本发明是关于水下无线光通信领域，特别涉及一种基于波分复用技术的水下无线光通信装置及方法。

背景技术

随着高速水下通信的需求越来越大，水下无线光通信技术应运而生。它具有带宽高，功耗低，延迟小等优点。在纯净的海水中，蓝光受海水吸收的影响较小，表现出了良好的水下无线光通信性能。在近岸海水中，蓝光受海水吸收和散射的影响较大，而绿光则相反，适用于近岸海水中的无线光通信。在浑浊的海水中，蓝光和绿光受海水吸收和散射的影响都较大，而红光由于波长较长，其受海水的散射作用较小，适用于浑浊海水中的无线光通信。如何使得水下无线光通信系统在不同的海水环境中尽可能地始终保证正常通信是一个亟待解决的问题。

由于红光用于浑浊海水中无线光通信的可行性在不久前才被证实，所以目前尚未有将波分复用技术应用于水下无线光通信领域的先例。如何利用波分复用技术使得红、绿、蓝光同时应用在不同的海水环境中进行有效的水下无线光通信有待探索和研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于波分复用技术的水下无线光通信装置及其方法。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于波分复用技术的水下无线光通信装置，包括分别设于两个耐压密封部件中的发射端装置和接收端装置；

所述发射端装置包括分别连接至第一电压放大器、第二电压放大器和第三电压放大器的第一信号处理器；其中，第一电压放大器依次连接第一可调衰减器、第一偏压驱动模块和红光激光器，第二电压放大器依次连接第二可调衰减器、第二偏压驱动模块和绿光激光器，第三电压放大器依次连接第三可调衰减器、第三偏压驱动模块和蓝光激光器；红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器均连接至三合一光耦合器，三合一光耦合器与发射端透镜相对布置；

所述接收端装置包括与接收端透镜相对布置的光电探测器，光电探测器与第四电压放大器、第四可调衰减器、第二信号处理器依次相连；接收端透镜与光电探测器之间的光路上放置红光二向色滤波片、绿光二向色滤波片和蓝光二向色滤波片。

本发明中，三个二向色滤波片的摆放顺序是任意可变的。

本发明中，所述第一信号处理器具有至少三个用于输出基带信号的输出端口，第二信号处理器具有至少三个用于输入电信号的输入端口。

本发明中，所述三合一光耦合器具有三个用于分别输入红绿蓝三色光的输入端口，以及一个输出红绿蓝三色混合光的输出端口。

本发明中，所述发射端透镜为凸透镜，三合一光耦合器位于发射端透镜的光束准直焦点位置；所述接收端透镜为凸透镜，光电探测器位于接收端透镜的光束准直焦点位置。

本发明中，所述耐压密封部件具有空腔，发射端装置和接收端装置均位于空腔内；其中，发射端透镜和接收端透镜直接嵌于耐压密封部件的壁上，或者与设于耐压密封部件壁上的玻璃窗口相对设置。

本发明进一步提供了利用前述水下无线光通信装置实现基于波分复用技术的水下无线光通信的方法，包括以下步骤：

(1)发射端装置中的第一信号处理器产生并送出三路数据信号：

第一路信号经过第一电压放大器的放大和第一可调衰减器的衰减后被送至第一偏压驱动模块，第一偏压驱动模块驱动红光激光器，使红光激光器的工作电压处于线性范围内，并将电信号调制到光信号上；

第二路信号经过第二电压放大器的放大和第二可调衰减器的衰减后被送至第二偏压驱动模块，第二偏压驱动模块驱动绿光激光器，使绿光激光器的工作电压处于线性范围内，并将电信号调制到光信号上；

第三路信号经过第三电压放大器的放大和第三可调衰减器的衰减后被送至第三偏压驱动模块，第三偏压驱动模块驱动蓝光激光器，使蓝光激光器的工作电压处于线性范围内，并将电信号调制到光信号上；

红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器发出的三路已调光信号分别从三合一光耦合器的三个输入端口输入，混合后再从一个输出端口输出，经发射端透镜后进入信道；

(2)已调光信号经信道传递至接收端装置中的接收端透镜，由其聚焦在光电探测器上；按任意顺序摆放的红光二向色滤波片、绿光二向色滤波片、蓝光二向色滤波片位于接收端透镜和光电探测器中间位置，分别用于滤出红光、绿光、蓝光信号，光电探测器将检测到的红光、绿光、蓝光信号分别转换成三个电信号；三个电信号依次经过第四电压放大器的放大和第四可调衰减器的衰减后被送至第二信号处理器，第二信号处理器分别对三个电信号进行处理。

发明原理描述：

波分复用技术目前主要应用在光纤通信和可见光通信领域，通过利用多种不同波长的光对多路数据在信道中进行同时传输。该技术的应用目的是用于提高系统的容量，即利用不同通道同时传送更多通信信号。

基于红、绿、蓝光源在不同的海水环境下表现出不同的水下无线光通信性能的现象，本发明巧妙地利用波分复用技术，通过在发射端将具有不同波长的光载上信息，并合成一束光在信道中传输；在接收端将各个不同波长的光信号再分开。即便在某个特定海水环境下导致相应光通信效果不好，但同时也有其他波长光通信通道保持通信信号顺利传送。从而极大地提高了水下无线光通信系统的适用范围，使得本发明在不同的海水环境中都始终能保证正常的水下无线通信。本发明对波分复用技术的运用，拓展了对其传统刻板的使用方式，突破了本领域技术人员普遍持有的惯性思维。

此外，即便是在相同的海水环境下，相对于单独使用某一种光源进行水下无线通信，本发明基于波分复用技术的应用也可以极大地提高水下通信系统的容量。作为附属的技术效果，红、绿、蓝光源混合成白光还可同时应用于水下照明。

本发明中，第一信号处理器用于产生和发出数据信号，第一电压放大器、第二电压放大器、第三电压放大器和第四电压放大器用于对信号进行放大处理，第一可调衰减器、第二可调衰减器、第三可调衰减器和第四可调衰减器用于对信号进行衰减处理，第二信号处理器用于接收和处理数据信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明极大地提高了水下无线光通信系统的适用范围，在不同的海水环境中也能地始终保证正常的水下无线光通信。

2、本发明基于波分复用技术的应用，相对于单光源而言可以极大地提高水下通信系统的容量。

3、发射端装置在将红、绿、蓝光源混合成白光后，可同时应用于水下照明及通信。

4、相对于现有的水下无线光通信系统中应用的调制技术，如脉冲幅度调制技术、正交频分复用技术，本发明使用的波分复用技术可以与之相结合，进一步有效地提高水下无线光通信系统的传输速率，实现更高速更长距离的水下无线光信息传输，具有极大的研究价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明中基于波分复用技术的水下无线光通信装置的系统框架图。

图2为本发明中发射端装置结构框图。

图3为本发明中接收端装置结构框图。

图中的附图标记为：1发射端装置；110第一信号处理器；111第一电压放大器；112第一可调衰减器；113第一偏压驱动模块；114红光激光器；115第二电压放大器；116第二可调衰减器；117第二偏压驱动模块；118绿光激光器；119第三电压放大器；120第三可调衰减器；121第三偏压驱动模块；122蓝光激光器；123三合一光耦合器；124发射端透镜；2接收端装置；210接收端透镜；211红光二向色滤波片；212绿光二向色滤波片；213蓝光二向色滤波片；214光电探测器；215第四电压放大器；216第四可调衰减器；217第二信号处理器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

首先需要说明的是，本发明中发射端装置1和接收端装置2中所用各电子元件(部件)均为成熟技术，且都有相应的市售产品。本领域技术人员在阅读理解申请文件的基础上，依据其掌握的无线电知识和各种数字信号处理技能完全可以再现本发明。

如图1所示的一种基于波分复用技术的水下无线光通信装置包括发射端装置1和接收端装置2，能利用海水信道构成水下无线光通信系统。水下无线光通信装置应当包括具备空腔的耐压密封部件。

本实施例中的发射端装置1和接收端装置2分别带有耐压密封部件。其中：

发射端装置1如图2所示，包括：安装在第一耐压密封部件中的第一信号处理器110、第一电压放大器111、第一可调衰减器112、第一偏压驱动模块113、红光激光器114、第二电压放大器115、第二可调衰减器116、第二偏压驱动模块117、绿光激光器118、第三电压放大器119、第三可调衰减器120、第三偏压驱动模块121、蓝光激光器122、三合一光耦合器123和发射端透镜124；其中，第一信号处理器110与第一电压放大器111、第一可调衰减器112、第一偏压驱动模块113、红光激光器114依次相连；第一信号处理器110与第二电压放大器115、第二可调衰减器116、第二偏压驱动模块117、绿光激光器118依次相连；第一信号处理器110与第三电压放大器119、第三可调衰减器120、第三偏压驱动模块121、蓝光激光器122依次相连。第一耐压密封部件的壁上设有能透射激光的玻璃窗口，发射端透镜124与玻璃窗口相对布置，或者发射端透镜124直接嵌于第以耐压密封部件的壁上。三合一光耦合器123和发射端透镜124相对布置。发射端透镜124为凸透镜，三合一光耦合器123位于发射端透镜124的光束准直焦点位置。

接收端装置2如图3所示，包括：安装在第二耐压密封部件中的接收端透镜210、红光二向色滤波片211、绿光二向色滤波片212、蓝光二向色滤波片213、光电探测器214、第四电压放大器215、第四可调衰减器216和第二信号处理器217；其中，光电探测器214、第四电压放大器215、第四可调衰减器216和第二信号处理器217依次相连；光电探测器214与接收端透镜210相对布置，接收端透镜210为凸透镜，光电探测器214位于接收端透镜210的光束准直焦点位置，两者之间的光路上放置红光二向色滤波片211、绿光二向色滤波片212和蓝光二向色滤波片213；接收端透镜210设于第二耐压密封部件的空腔中且第二耐压密封部件的壁上设有能透射激光的玻璃窗口，接收端透镜210与玻璃窗口相对布置，或者接收端透镜210直接嵌于第二耐压密封部件的壁上。

第一信号处理器110用于产生并发出数据信号。第一偏压驱动模块113、第二偏压驱动模块117和第三偏压驱动模块127分别用于驱动红光激光器114、绿光激光器118和蓝光激光器122，使得红光激光器114、绿光激光器118和蓝光激光器122的工作电压处于线性范围内，实现将电信号调制到光信号上。第一电压放大器111、第二电压放大器115、第三电压放大器119和第四电压放大器215用于对信号进行放大处理。第一可调衰减器112、第二可调衰减器116、第三可调衰减器120和第四可调衰减器216用于对信号进行衰减处理。第二信号处理器217用于接收和处理数据信号。

基于波分复用技术的水下无线光通信装置的具体运行流程为：

发射端装置1中的第一信号处理器110产生并发出三路数据信号，第一路信号经过第一电压放大器111的放大和第一可调衰减器112的衰减后被送至第一偏压驱动模块113，第一偏压驱动模块113驱动红光激光器114；第二路信号经过第二电压放大器115的放大和第二可调衰减器116的衰减后被送至第二偏压驱动模块117，第二偏压驱动模块117驱动绿光激光器118；第三路信号经过第三电压放大器119的放大和第三可调衰减器120的衰减后被送至第三偏压驱动模块121，第三偏压驱动模块121驱动蓝光激光器122；然后红光激光器114、绿光激光器118、蓝光激光器122发出的三路已调光信号，分别从三合一光耦合器123的三个输入端口输入，混合后再从一个输出端口输出，经发射端透镜124后经水下信道传递到传到接收端装置2中的接收端透镜210，由其聚焦在光电探测器214上，红光二向色滤波片211、绿光二向色滤波片212、蓝光二向色滤波片213依次放在接收端透镜210和光电探测器214之间的光路上，分别用于滤出红光、绿光、蓝光信号，光电探测器214分别将检测到的红光、绿光、蓝光信号转换成三个电信号，三个电信号依次经过第四电压放大器215的放大和第四可调衰减器216的衰减后被送至第二信号处理器217，第二信号处理器217分别对三个电信号进行处理，这样完整的通信过程就实现了。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形，如激光器换成发光二极管，光源数量的增加，光源波长的变换等。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于波分复用技术的水下无线光通信的方法，其特征在于，该方法是基于下述装置而实现的：

该装置包括分别设于两个耐压密封部件中的发射端装置和接收端装置；

所述发射端装置包括分别连接至第一电压放大器、第二电压放大器和第三电压放大器的第一信号处理器；其中，第一电压放大器依次连接第一可调衰减器、第一偏压驱动模块和红光激光器，第二电压放大器依次连接第二可调衰减器、第二偏压驱动模块和绿光激光器，第三电压放大器依次连接第三可调衰减器、第三偏压驱动模块和蓝光激光器；红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器均连接至三合一光耦合器，三合一光耦合器与发射端透镜相对布置；

所述接收端装置包括与接收端透镜相对布置的光电探测器，光电探测器与第四电压放大器、 第四可调衰减器、第二信号处理器依次相连；接收端透镜与光电探测器之间的光路上放置红光二向色滤波片、绿光二向色滤波片和蓝光二向色滤波片；

所述第一信号处理器具有至少三个用于输出基带信号的输出端口，第二信号处理器具有至少三个用于输入电信号的输入端口；

所述三合一光耦合器具有三个用于分别输入红绿蓝三色光的输入端口，以及一个输出红绿蓝三色混合光的输出端口；

所述水下无线光通信的方法包括以下步骤：

（1）发射端装置中的第一信号处理器产生并送出三路数据信号：

第一路信号经过第一电压放大器的放大和第一可调衰减器的衰减后被送至第一偏压驱动模块，第一偏压驱动模块驱动红光激光器，使红光激光器的工作电压处于线性范围内，并将电信号调制到光信号上；

第二路信号经过第二电压放大器的放大和第二可调衰减器的衰减后被送至第二偏压驱动模块，第二偏压驱动模块驱动绿光激光器，使绿光激光器的工作电压处于线性范围内，并将电信号调制到光信号上；

第三路信号经过第三电压放大器的放大和第三可调衰减器的衰减后被送至第三偏压驱动模块，第三偏压驱动模块驱动蓝光激光器，使蓝光激光器的工作电压处于线性范围内，并将电信号调制到光信号上；

红光激光器、绿光激光器、蓝光激光器发出的三路已调光信号分别从三合一光耦合器的三个输入端口输入，混合后再从一个输出端口输出，经发射端透镜后进入信道；

（2）已调光信号经信道传递至接收端装置中的接收端透镜，由其聚焦在光电探测器上；按任意顺序摆放的红光二向色滤波片、绿光二向色滤波片、蓝光二向色滤波片位于接收端透镜和光电探测器中间位置，分别用于滤出红光、绿光、蓝光信号，光电探测器将检测到的红光、绿光、蓝光信号分别转换成三个电信号；三个电信号依次经过第四电压放大器的放大和第四可调衰减器的衰减后被送至第二信号处理器，第二信号处理器分别对三个电信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三个二向色滤波片的摆放顺序是任意可变的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射端透镜为凸透镜，三合一光耦合器位于发射端透镜的光束准直焦点位置；所述接收端透镜为凸透镜，光电探测器位于接收端透镜的光束准直焦点位置。

4.根据权利要求1至3任意一项中所述的方法，其特征在于，所述耐压密封部件具有空腔，发射端装置和接收端装置均位于空腔内；其中，发射端透镜和接收端透镜直接嵌于耐压密封部件的壁上，或者与设于耐压密封部件壁上的玻璃窗口相对设置。