CN109039456A - 水下智能无线光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下智能无线光通信系统，主要解决现有通信系统收发端在水下移动时通信质量下降甚至通信中断的问题。其包括定位单元、两组接收/发射机单元、收发端控制单元和IO控制单元。定位单元用于定位目标方位，并将目标的ID信息及位置姿态参数发至收发端控制单元；收发端控制单元根据目标ID信息，对光接收机类型进行切换，并根据位置姿态参数调整收发机回转底座姿态；IO控制单元根据两组接收/发射机单元输出的异同判断通信质量，并发送调整通信速率的指令至发端。本发明能实现收发机姿态的自适应调整和光源的自适应切换，能自适应变档通信速率，提高了对水下通信环境的适应能力，可用于高速率的中短通信距离水下通信系统设计。

Description

水下智能无线光通信系统

技术领域

本发明属于无线光通信领域，特别涉及一种水下智能无线光通信系统。可用于高通信速率的、中短通信距离的水下通信系统设计。

背景技术

在世界人口数量剧增、陆地资源锐减、环境污染日益严重的今天，进军海洋、开发海洋已成为世界海洋技术领域的一大主题。随着人类开发与利用海洋的不断深入，发展海洋科技，特别是海洋高新技术已成为世界新技术革命的重要内容。水下通信技术作为现代海洋开发的技术基础，是海洋高新技术的主要组成部分。目前大部分水下通信系统依靠声纳系统实现。声纳技术是目前最成熟的水下通信技术，但是声在水中的传播速度低，还不及光速的二十分之一，声波在水中的散射、传输的损耗以及回波的干扰等因素也使得水生设备的研制非常困难。因此越来越多科学家开始探索通过光线进行水下无线传输数据的可能性。美国麻省理工学院伍兹霍尔海洋研究所WHOI应用海洋科学与工程部AOPE的科学家提出利用光通信技术提高水下通信能力。

光学通信技术可以克服水下声学通信的带宽窄、受环境影响大、可适用的载波频率低、传输时延大的缺陷。光波频率高，其信息承载能力强，抗电磁干扰强，光波在水介质的传输速率可达千兆，使得水下大信息容量数据的快速传输成为可能。

水下可见光通信有两种常用的通信技术：水下LED可见光通信技术和水下激光通信技术。水下激光通信常将蓝绿激光作为通信光源，而蓝绿激光处于海水的低损耗窗口波长，特别适合用于水下无线光通信。其在水下传播过程中脉冲展宽和幅度衰减比LED光通信技术要低，通信距离也较长，但激光通信对收发端的对准要求高，当收发端相对位置变化较快时水下激光通信系统的收发端不易对准，从而大大影响通信质量。水下LED光通信技术对收发端的对准程度较低，易于对准，但通信速率受到制约，传播衰减较大，从而不适于较长距离通信。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种水下智能无线光通信系统，以根据收发端相对位置变化实现通信系统收发端类型的自适应切换和通信速率自适应变档，提高整个通信系统对环境的适应能力，使该通信系统在不同的通信环境中自主选择最佳通信方式，并在中短通信距离内通信系统可保持尽可能高的通信速率，从而提高了整体通信质量。

为实现上述目的，公开一种水下智能无线光通信系统，其特征在于，包括：

定位单元，用于定位目标收发端的位置，计算出本机收发端姿势的调整参数和光源类型的切换参数，并发送给收发端控制单元；

两组结构完全相同的接收/发射端单元，用于同时接收/发送LED信号或激光信号；

收发端控制单元，用于控制收发端相互对准和实现通信光源的自适应切换，通过定位单元发送的调整参数信息控制接收/发射端单元中的转台以实现对准，再通过IO控制单元发送的反馈信息实现通信光源的自适应切换；

IO控制单元，用于实现通信速率的自适应变档，根据两组接收/发射端单元的输出结果判断通信质量，若通信质量良好则提高通信速率档位，反之则降低通信速率档位。

进一步，所述定位单元包括：

CCD相机模块，用于捕捉需要对接的收发端，并将该收发端和自身的相对位置变化信息发给IO控制单元；

位置/姿态计算模块，用于计算收发端所需调整的位置参数和姿态参数；

转台，用于调整CCD相机模块的位置和姿态。

进一步，所述两组接收/发射端单元，包括:

LED光源发射机，用于发射LED可见光信号；

激光光源发射机，用于发射激光信号；

LED光源接收机，用于接收LED可见光信号；

激光光源接收机，用于接收激光信号；

发射机切换模块，用于切换发射机类型，即在LED光源发射机与激光光源发射机两者间切换；

接收机切换模块，用于切换接收机类型，即在LED光源接收机与激光光源接收机两者间切换；

转台，用于控制LED光源发射机、激光光源发射机、LED光源接收机和激光光源接收机的位置和姿态。

进一步，所述收发端控制单元，包括：

转台姿态控制模块，用于控制定位单元和两组接收/发射端单元中的转台姿态；

光源切换控制模块，用于控制两组接收/发射端单元中的发射机切换模块，实现发射机类型的切换；

光接收机切换控制模块，用于控制两组接收/发射端单元中的接收机切换模块，实现接收机类型的切换。

进一步，所述IO控制单元，包括：

分集合并模块，用于将两组接收/发射端单元采集到的通信信息分集并合并，提高通信码元信息的准确率；

通信质量评估模块，用于比较第一组接收/发射端单元和第二组接收/发射端单元两者接收通信信息的一致程度，依此计算误码率并判断当前误码率是否已达阈值，若达阈值，则向通信速率控制模块发送降低通信速率的指令，降低此时的通信速率，反之，则向通信速率控制模块发送提高通信速率的指令，提高此时的通信速率；

通信速率控制模块，用于控制通信速率大小，即当收发端建立通信后，根据通信质量评估模块发送的指令信息，控制发端的通信速率，实现通信速率的自适应变档。

本发明具有如下优点：

1、本发明由于通过IO控制单元发送的反馈信息实现通信光源的自适应切换，故可克服收发端相对位置不断变化而导致通信质量下降的问题。

2、本发明由于通过IO控制单元中通信质量评估模块发送的通信速率控制指令实现通信速率的自适应变档，故可在保证通信质量的前提下保持较高的通信速率。

3、本发明采用分集接收技术，能够有效的降低信号的衰落，提高通信质量；另外，本发明由分立模块单元构成，组装较为简单。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明中的接收/发射机单元1和接收/发射机单元2的示意图；

图3是图2中的光发射机组成结构示意图；

图4是图2中的光接收机组成结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明包括由定位单元1、两组接收/发射端单元2和3、收发端控制单元4、IO控制单元5组成。其中：

所述定位单元1，包括CCD相机11、位置/姿态计算模块12、转台13三部分。该CCD相机11用来捕捉需要对接的收发端，并将目标和自身的相对位置信息发给IO控制单元5中的通信速率控制模块52；该位置/姿态计算模块12根据收发端的相对位置差计算需要调整的位置参数和姿态参数；该转台13则调整CCD相机11的姿态。

所述收发端控制单元4，包括转台姿态控制模块41、光源切换控制模块42、光接收机切换控制模块43。该转台姿态控制模块41根据位置/姿态控制模块12发送的位置参数和姿态参数对定位单元的转台13进行位置/姿态调整；该光源切换控制模块42根据位置/姿态控制模块12发送的调整参数对光源的类型进行切换；该光接收机切换控制模块43根据CCD相机11发送的捕捉收发端的ID信息对光接收机的类型进行切换。

所述两个发射/接收机单元2和3，用于同时发射通信信息以及同时接收通信信息。两个发射/接收机单元2和3接收到通信信息后，将接收到的通信信息发送至IO控制单元5中的分集接收模块51中，并在分集接收后将通信信息输出。同时将输出的通信信息反馈至通信质量反馈模块52，通信质量反馈模块52对第一组发射/接收机单元2和第二组发射/接收机单元3两者的输出信号进行比较，依此计算误码率并判断当前误码率是否已达已设定的阈值T：若达到阈值T，则向通信速率控制模块53发送降低通信速率的指令，降低此时的通信速率，反之，则向通信速率控制模块53发送提高通信速率的指令，提高此时的通信速率。这样就可使通信系统的通信速率在保证通信质量的前提下能够达到最大值；所述阈值T根据水下通信环境设定。

参照图2，两组接收/发射机单元的结构如下：

图2(a)中，第一组接收/发射机单元2，包含第一LED发射机21、第一LED接收机22、第一激光发射机23、第一激光接收机24、第一发射机切换开关25、第一接收机切换开关26以及第一回转底座27；图2(b)中，第二组接收/发射机单元3，包括第二LED发射机31、第二LED接收机32、第二激光发射机33、第二激光接收机34、第二发射机切换开关35、第二接收机切换开关36以及第二回转底座37。其中：

第一回转底座27和第二回转底座37同时由转台姿态控制模块41控制，第一发射机切换开关25和第二发射机切换开关35同时由光源切换控制模块42控制，以对光源类型进行切换；第一接收机切换开关26和第二接收机切换开关36同时由接收机切换控制模块43控制，以对接收机类型进行切换；第一LED发射机21和第二LED发射机31以及第一激光发射机22和第二激光发射机32，均根据输入信号发射相应的可见光信号；第一LED接收机23和第二LED接收机33均接收LED可见光信号，并对其进行解调，解码，最后输出对应的通信信息至IO控制单元5；第一激光接收机24和第二激光接收机34均接收激光信号，并对其进行解调，解码，最后输出对应的通信信息至IO控制单元5。

参照图3(a)，本发明的光发射机装置分为LED发射机模块和激光发射机模块。其中LED发射机模块包括编码器、调制器、LED光源、光学镜头。在LED发射机模块中编码器用于将通信信息编码，由通信速率控制信号控制编码速率，并将码流发送至调制器；调制器用于对编码器发送的码流进行调制，并将调制后的信号发送至LED光源；LED光源将调制器发送的信号转化为LED可见光信号，由光学镜头输出光信号。

参照图3(b)，激光发射机模块包括编码器、调制器、激光源和准直器。在激光发射机模块中编码器用于对通信信息进行编码，并由通信速率控制信号对编码速率进行控制，再将码流发送至调制器；调制器用于对编码器发送的码流进行调制，并将调制后的信号发送至激光源；激光源将调制器发送的信号转化为激光信号，再通过准直器输出激光信号。

参照图4，所述光接收机装置由光学镜头、解调器和解码器组成。其中光学镜头用于接收LED可见光信号和激光信号；解调器用于将接收到的信号解调，并发送至解码器；解码器对解调器发送的解调信号进行解码，并将解码后的通信信息输出。

本发明的工作过程如下：

第一步，收发端相互识别。

发射端将自身ID信息用LED光发射机发送出去，接收端利用CCD相机接收该ID信息；同时，接收端将自身ID信息用LED光发射机发送出去，发射端利用CCD相机接收该ID信息；收发双端在均收到对方的ID信号后，完成识别。

第二步，收发端相互对准。

发射端根据CCD相机捕捉收端的成像位置，判断收发端的相对位置情况：当收端成像总落于成像平面的边缘位置时，发射端采用LED光发射机，并发送指令至接收端，告知接收端使用LED光接收机接收信息；当收端成像落于成像平面的中央位置时，发射端采用激光发射机，并发送指令至接收端，告知接收端使用激光接收机接收信息。当收发端完成对光发射机类型和光接收机类型的切换后，收发端中的CCD相机再次捕捉对方的方位，计算相应的位置参数和姿态参数，控制转台和回转底座调整位置和姿态，直至收发端中的CCD相机的成像位置均位于镜头正中央，即完成对准。

第三步，收发端之间建立通信。

在收发端相互识别和对准后，收发端即开始相互发送通信信息。

第四步，建立通信反馈。

在收发端建立通信后，发端利用CCD相机接收通信速率控制信号，调整通信速率，具体调整过程如下：

收端对两组发射/接收单元的输出信号进行比较，计算误码率，并判断当前误码率是否已达阈值T：若达到阈值T，则向发端通信速率控制模块发送降低通信速率的指令，降低此时的通信速率；反之，则向发端通信速率控制模块发送提高通信速率的指令，提高此时的通信速率。

依此调整通信速率就可使通信系统的通信速率在保证通信质量的前提下能够达到最大值，从而实现通信质量反馈。

Claims (5)

1.一种智能水下光通信系统，其特征在于，包括：

定位单元(1)，用于定位目标收发端的位置，计算出本机收发端姿势的调整参数和光源类型的切换参数，并发送给收发端控制单元(4)；

两组结构完全相同的接收/发射端单元(2，3)，用于同时接收/发送LED信号或激光信号；

收发端控制单元(4)，用于控制收发端相互对准和收发端的光源类型，通过定位单元(1)发送的调整参数信息控制接收/发射端单元(2，3)中的转台以实现对准，再通过IO控制单元(5)发送的反馈信息实现收发端光源的类型切换。

IO控制单元(5)，用于实现通信速率的自适应变档，根据两组接收/发射端单元(2，3)的输出结果判断通信质量，若通信质量良好则提高通信速率档位，反之则降低通信速率档位。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位单元(1)包括：

CCD相机模块(11)，用于捕捉需要对接的收发端，并将该收发端和自身的相对位置变化信息发给IO控制单元(5)；

位置/姿态计算模块(12)，用于计算收发端所需调整的位置参数和姿态参数；

转台(13)，用于调整CCD相机模块(11)的位置和姿态。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两组接收/发射端单元(2,3)，包括:

LED光源发射机(21,31)，用于发射LED可见光信号；

激光光源发射机(22，32)，用于发射激光信号；

LED光源接收机(23,33)，用于接收LED可见光信号；

激光光源接收机(24,34)，用于接收激光信号；

发射机切换模块(25,35)，用于切换发射机类型，即在LED光源发射机(21,31)与激光光源发射机(22,32)两者间切换；

接收机切换模块(26,36)，用于切换接收机类型，即在LED光源接收机(23,33)与激光光源接收机(24,34)两者间切换；

转台(27,37)，用于控制LED光源发射机(21,31)、激光光源发射机(22,32)、LED光源接收机(23,33)和激光光源接收机(24,34)的位置和姿态。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收发端控制单元(4)，包括：

转台姿态控制模块(41)，用于控制定位单元(1)和两组接收/发射端单元(2，3)中的转台姿态；

光源切换控制模块(42)，用于控制两组接收/发射端单元(2，3)中的发射机切换模块(25，35)，实现发射机类型的切换；

光接收机切换控制模块(43)，用于控制两组接收/发射端单元(2，3)中的接收机切换模块(26,36)，实现接收机类型的切换。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述IO控制单元(5)，包括：

分集合并模块(51)，用于将两组接收/发射端单元(2，3)采集到的通信信息分集并合并，提高通信码元信息的准确率；

通信质量评估模块(52)，用于比较第一组接收/发射端单元(2)和第二组接收/发射端单元(3)两者接收通信信息的一致程度，依此计算误码率并判断当前误码率是否已达阈值，若达阈值，则向通信速率控制模块(53)发送降低通信速率的指令，降低此时的通信速率，反之，则向通信速率控制模块(53)发送提高通信速率的指令，提高此时的通信速率；

通信速率控制模块(53)，用于控制通信速率大小，即当收发端建立通信后，根据通信质量评估模块(52)发送的指令信息，控制发端的通信速率。