CN109194406A - 一种水下便携式无线光通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下便携式无线光通信系统及通信方法。包括主光通信系统和从光通信系统，主光通信系统用于主动请求通信但不参与通信链路的搭建；从光通信系统一直处于被动接收状态，当接收到主光通信系统发射的对准光时，快速完成通信链路的搭建并实行通信；本发明可以实现较长距离、高速率、高隐蔽性的水下通信。本发明既解决主动通信的问题，又实现了被动接收，且灵活性高，通信稳定性好。本发明系统简单、轻便、可实现且易于携带。主光通信系统可固定在携带者的前胸、左右肩头或者蛙人面具上，从光通信系统可以固定在氧气瓶上，不影响携带者在水下的正常活动。

Description

一种水下便携式无线光通信系统及通信方法

技术领域

本发明属于水下通信领域，具体涉及一种水下便携式无线光通信系统及通信方法。

背景技术

海洋以及湖泊占有地球超过三分之二的面积，它是人类重要的探索活动领域。水下通信为人类对于海洋和湖泊资源探索、湖海生物观测、海底异常火山震动、海中搜救、沉船打捞、水下遗迹探索、水下军事对抗等行为提供了极大的便利。

陆地上常用的电磁波通信在水中衰减严重，通信距离受到严重的制约，即使超低频波段可以实现较长距离通信，但通讯速率低、通讯设备庞杂是其抹不开的短板。450nm-550nm波段的蓝绿光在水中衰减较小，以此波段作为信息载体的水下光通信由于通信距离较长、传输速率高、隐蔽性能好等优势得到大力快速的发展。本发明基于蓝绿光提出一种水下便携式无线光通信方法及实现，有效的解决当前水下通信的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下便携式无线光通信系统及通信方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种水下便携式无线光通信系统，包括主光通信系统和从光通信系统，主光通信系统用于主动请求通信但不参与通信链路的搭建；从光通信系统一直处于被动接收状态，当接收到主光通信系统发射的对准光时，快速完成通信链路的搭建并实行通信；

主光通信均包含以下模块：电源模块、微处理器模块、信息收发模块、信息预处理模块、人机交互模块、防水模块；

从光通信均包含以下模块：电源模块、微处理器模块、信息收发模块、信息预处理模块、对光控制模块、人机交互模块、防水模块；

电源模块给整个系统提供电源；

微处理器模块给整个系统提供运算处理；

信息收发模块包括信息发送装置和信息接收装置，其中信息发送装置含有对准LED和通信LED，对准LED发射波段为λ₁(λ₁∈450nm-550nm)的对准光；通信LED发射波段为λ₂(λ₂∈450nm-550nm,λ₂≠λ₁)的通信光，信息接收装置包含多个对光接收装置和一个通信光接收装置，对光接收装置只接收波段为λ₁的对准光，在主光通信系统中用作通信光路成功建立的标志信息，在从光通信系统中用作对光控制模块的反馈信息；通信光接收装置只接收波段为λ₂的通信光，用作通信；

信息预处理模块实现滤波、流压信号的相互转换、放大和调制解调；

对光控制模块由自由控制旋转、俯仰的反射镜组成，控制过程包括捕获、对准、跟踪三种模式，通过信息收发模块中的反馈信息和自身模块的三种模式来实现闭环控制，将通信光反射到通信光接收装置上，完成通信链路的搭建；

人机交互模块实现语音、电信号的相互转换；

防水模块用于保证系统防水性和透光性。

一种水下便携式光通信的方法，包括如下步骤：步骤1：主光通信系统要向从光通信系统请求建立通信时，主光通信系统初始化，主光通信系统的信息收发模块中的信息发送装置开启对准LED，信息接收装置开始接收，从光通信系统的信息收发模块中的多个对光接收装置均未接收到主光通信系统中对准LED发射来的对准光时，即从光通信系统中的对光控制模块接收到的反馈信息为零，从光通信系统中的对光控制模块的对光控制模块一直处于捕获模式，反射镜按照一定规律进行俯仰和旋转，目的为了将对准光反射进信息收发模块；

步骤2：当从光通信系统的收发模块中多个对光接收装置中任意一个接收到对准光时，即从光通信系统中的对光控制模块接收到的反馈信息不为零，对光控制模块退出捕获模式，进入对准模式，根据对光接收装置接收来自主光通信系统的对准光信息与对光接收装置和通信光接收装置的相对位置信息，微处理器模块控制对光控制模块的反射镜转动，目的是将对准光反射到适合搭建通信链路的位置；当完成通信链路的搭建时，对光控制模块退出对准模式，进入跟踪模式；

步骤3：当从光通信系统完成通信链路的搭建时，从光通信系统的信息收发模块中的信息发送装置开启对准LED，向主光通信系统发送对准光，主光通信系统中的信息收发模块中的对光接收装置接收到来自从光通信系统中的信息收发模块的对准LED发射的对准光时，反馈给自身系统一个通信链路成功建立的标志信息；此时，主、从光通信系统的信息收发模块中的信息发送装置开启通信LED，双方开始互相发射通信光，主、从光通信系统开始向各自系统的人机交互模块发送通信链路连接完成信息，主、从光通信系统的携带者开始进行语音通话；

步骤4：当主、从光通信系统的携带者可以开始进行语音通话时，从光通信系统的对光控制模块一直处于跟踪模式，跟踪模式用于解决主、从光通信系统由于携带者的相对运动造成已成功搭建的通信链路断裂的问题，根据从光通信系统中信息收发模块中的多个对光接收装置接收的不同的反馈信息与多个对光接收装置和通信光接收装置的相对位置信息进行判断，微处理器模块控制对光控制模块的反射镜在一定范围内微调，以达到通信链路时时稳定的目的；

步骤5：当通话结束时，关闭整个主光通信系统，此时，从光通信系统的对光控制模块接收不到反馈信息，因此关闭本系统的对准LED和通信LED并让对光控制模块退出追踪模式，重新进入捕获模式，若主光通信系统需要再次向从光通信系统建立通信时，重复步骤2、3、4。

本发明的有益效果是：

(1)本发明使用的通信光、对准光均处在450nm-550nm波段，因此波段在水中衰减较小，本发明可以实现较长距离、高速率、高隐蔽性的水下通信。

(2)本发明分为主、从两种光通信系统，主光通信系统可以主动发射对准光请求通信，从光通信系统一直处在被动接收通信请求的状态，当收到对准光时，可以自主、快速地对准、跟踪，完成通信链路的搭建和保持；本发明既解决主动通信的问题，又实现了被动接收，且灵活性高，通信稳定性好。

(3)本发明系统简单、轻便、可实现且易于携带。主光通信系统可固定在携带者的前胸、左右肩头或者蛙人面具上，从光通信系统可以固定在氧气瓶上，不影响携带者在水下的正常活动。

附图说明

图1本发明的主、从光通信系统和链路的模型图；

图2本发明中的信息收发模块中的各装置相对位置图；

图3本发明的反射镜初始位置和转动方式图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。

本实例分为主光通信系统和从光通信系统这两种光通信系统，其中主、从光通信系统和链路的模型图，如图1所示。这两种通信系统的主要区别在于，主光通信系统的功能是主动请求通信但不参与通信链路的搭建；从光通信系统一直处于被动接收状态，当接收到主光通信系统发射的对准光时，快速完成通信链路的搭建并实行通信。

主光通信包含以下模块：电源模块、微处理器模块、信息收发模块、信息预处理模块、人机交互模块、防水模块；从光通信包含以下模块：电源模块、微处理器模块、信息收发模块、信息预处理模块、对光控制模块、人机交互模块、防水模块。

电源模块给整个系统提供电源。

微处理器模块给整个系统提供运算处理。

信息预处理模块实现滤波、流压信号的相互转换、放大和OOK的调制解调。

信息收发模块包括信息发送装置和信息接收装置。其中信息发送装置含有对准LED和通信LED。对准LED发射波段为480nm、发散角为10°、发射功率为1W的对准光；通信LED发射波段为530nm、发散角为10°、发射功率为1W的通信光。信息接收装置包含4个对光接收装置和1个通信光接收装置。对光接收装置只接收波段为480nm的对准光，在主光通信系统中用作通信光路成功建立的标志信息，在从光通信系统中用作对光控制模块的反馈信息；通信光接收装置只接收波段为530nm的通信光，用作信息传输的载体。信息收发模块的各装置的相对位置图如图2所示，对光接收装置1～4接收到的信号经过预处理模块传到微处理器模块中得到的值分别Qua1～Qua4。

对光控制模块由可以自由控制旋转、俯仰的反射镜组成。反射镜初始位置和转动方式如图3所示，反射镜初始位置所在的平面平行于信息收发模块所在平面，当前位置可沿图中的x轴上箭头的方向左、右转动50°，实现反射镜面100°俯仰，沿图中的y轴上箭头的方向左、右转动90°，实现反射镜面180°摆动，这样就可实现反射镜反射的光遍历整个信息收发模块。控制过程包括捕获、对准、跟踪三种模式。通过信息收发模块中的反馈信息和自身模块的三种模式来实现闭环控制，先将对准光反射到对光接收装置上后，再将同路径的通信光反射到通信光接收装置上，完成通信链路的搭建。

人机交互模块实现语音、电信号的相互转换。

防水模块保证系统防水性和透光性。

一种水下便携式光通信的方法，具体实施方式，步骤1：主光通信系统要向从光通信系统请求建立通信时，主光通信系统初始化，主光通信系统的信息收发模块中的信息发送装置开启对准LED，信息接收装置开始接收。从光通信系统的信息收发模块中的4个对光接收装置均未接收到主光通信系统中对准LED发射来的对准光，即从光通信系统中的对光控制模块接收到的反馈信息为零，Qua1＝0&&Qua2＝0&&Qua3＝0&&Qua4＝0，对光控制模块处于捕获模式，反射镜按照100°俯仰和180°摆动，遍历当前角度，将对准光反射进信息收发模块。

步骤2：当从光通信系统的收发模块中的任意一个对光接收装置接收到对准光时，即从光通信系统中的对光控制模块接收到的反馈信息其中一个不为零时(Qua1≠0||Qua2≠0||Qua3≠0||Qua4≠0)，对光控制模块退出捕获模式，进入对准模式。信息收发模块上经反射镜反射进来的光斑的质心坐标可由反馈信息计算得到，光斑质心的横坐标(k_x为横轴比例系数，根据实际情况而定的常数，用于满足所测光斑质心的横坐标与实际数值一致)，光斑质心的纵坐标(k_y为纵轴比例系数，根据实际情况而定的常数，用于满足所测光斑质心的纵坐标与实际数值一致)。根据当前反馈信息来控制对光控制模块，控制反射镜俯仰、摆动，当X₀＝0&&Y₀＝0时，完成通信链路的搭建，对光控制模块退出对准模式，进入跟踪模式。

步骤3：当从光通信系统完成通信链路的搭建时，从光通信系统的信息收发模块中的信息发送装置开启对准LED，向主光通信系统发送对准光。主光通信系统中的信息收发模块中的对光接收装置接收到来自从光通信系统中的信息收发模块的对准LED发射的对准光，反馈给自身系统一个通信链路成功建立的标志信息(X₀＝0&&Y₀＝0)。此时，主、从光通信系统的信息收发模块中的信息发送装置开启通信LED，双方开始沿对准光建立的链路互相发射通信光。主、从光通信系统开始向各自系统的人机交互模块发送通信链路连接完成信息，主、从光通信系统的携带者可以开始进行语音通话。

步骤4：当主、从光通信系统的携带者可以开始进行语音通话时，从光通信系统的对光控制模块一直处于跟踪模式。跟踪模式用于解决主、从光通信系统由于携带者的相对运动造成已成功搭建的通信链路断裂的问题。根据从光通信系统中信息收发模块中的4个对光接收装置接收的不同的反馈信息与4个对光接收装置和通信光接收装置的相对位置信息进行判断，当|X₀|＞＝R(R为通信链路能保持通信的最大值，本实例为通信接收装置的半径)时，微处理器模块控制对光控制模块的反射镜在一定范围内微调摆动；当|Y₀|＞＝R时，微处理器模块控制对光控制模块的反射镜在一定范围内微调俯仰；通过以上两种微调、微控手段，达到通信链路时时联通的目的，完成跟踪模式。

步骤5：当通话结束时，关闭整个主光通信系统。此时，从光通信系统的对光控制模块接收不到反馈信息，Qua1＝0&&Qua2＝0&&Qua3＝0&&Qua4＝0，因此关闭本系统的对准LED和通信LED并让对光控制模块退出追踪模式，重新进入捕获模式。若主光通信系统需要再次向从光通信系统请求建立通信时，重复步骤2、3、4。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种水下便携式无线光通信系统，其特征在于，包括主光通信系统和从光通信系统，主光通信系统用于主动请求通信但不参与通信链路的搭建；从光通信系统一直处于被动接收状态，当接收到主光通信系统发射的对准光时，快速完成通信链路的搭建并实行通信；

主光通信均包含以下模块：电源模块、微处理器模块、信息收发模块、信息预处理模块、人机交互模块、防水模块；

从光通信均包含以下模块：电源模块、微处理器模块、信息收发模块、信息预处理模块、对光控制模块、人机交互模块、防水模块；

电源模块给整个系统提供电源；

微处理器模块给整个系统提供运算处理；

信息收发模块包括信息发送装置和信息接收装置，其中信息发送装置含有对准LED和通信LED，对准LED发射波段为λ₁(λ₁∈450nm-550nm)的对准光；通信LED发射波段为λ₂(λ₂∈450nm-550nm,λ₂≠λ₁)的通信光，信息接收装置包含多个对光接收装置和一个通信光接收装置，对光接收装置只接收波段为λ₁的对准光，在主光通信系统中用作通信光路成功建立的标志信息，在从光通信系统中用作对光控制模块的反馈信息；通信光接收装置只接收波段为λ₂的通信光，用作通信；

信息预处理模块实现滤波、流压信号的相互转换、放大和调制解调；

对光控制模块由自由控制旋转、俯仰的反射镜组成，控制过程包括捕获、对准、跟踪三种模式，通过信息收发模块中的反馈信息和自身模块的三种模式来实现闭环控制，将通信光反射到通信光接收装置上，完成通信链路的搭建；

人机交互模块实现语音、电信号的相互转换；

防水模块用于保证系统防水性和透光性。

2.一种水下便携式光通信的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：主光通信系统要向从光通信系统请求建立通信时，主光通信系统初始化，主光通信系统的信息收发模块中的信息发送装置开启对准LED，信息接收装置开始接收，从光通信系统的信息收发模块中的多个对光接收装置均未接收到主光通信系统中对准LED发射来的对准光时，即从光通信系统中的对光控制模块接收到的反馈信息为零，从光通信系统中的对光控制模块的对光控制模块一直处于捕获模式，反射镜按照一定规律进行俯仰和旋转，目的为了将对准光反射进信息收发模块；

步骤2：当从光通信系统的收发模块中多个对光接收装置中任意一个接收到对准光时，即从光通信系统中的对光控制模块接收到的反馈信息不为零，对光控制模块退出捕获模式，进入对准模式，根据对光接收装置接收来自主光通信系统的对准光信息与对光接收装置和通信光接收装置的相对位置信息，微处理器模块控制对光控制模块的反射镜转动，当完成通信链路的搭建时，对光控制模块退出对准模式，进入跟踪模式；

步骤3：当从光通信系统完成通信链路的搭建时，从光通信系统的信息收发模块中的信息发送装置开启对准LED，向主光通信系统发送对准光，主光通信系统中的信息收发模块中的对光接收装置接收到来自从光通信系统中的信息收发模块的对准LED发射的对准光时，反馈给自身系统一个通信链路成功建立的标志信息；此时，主、从光通信系统的信息收发模块中的信息发送装置开启通信LED，双方开始互相发射通信光，主、从光通信系统开始向各自系统的人机交互模块发送通信链路连接完成信息，主、从光通信系统的携带者开始进行语音通话；

步骤4：当主、从光通信系统的携带者可以开始进行语音通话时，从光通信系统的对光控制模块一直处于跟踪模式，跟踪模式用于解决主、从光通信系统由于携带者的相对运动造成已成功搭建的通信链路断裂的问题，根据从光通信系统中信息收发模块中的多个对光接收装置接收的不同的反馈信息与多个对光接收装置和通信光接收装置的相对位置信息进行判断，微处理器模块控制对光控制模块的反射镜在一定范围内微调，以达到通信链路时时稳定的目的；

步骤5：当通话结束时，关闭整个主光通信系统，此时，从光通信系统的对光控制模块接收不到反馈信息，因此关闭本系统的对准LED和通信LED并让对光控制模块退出追踪模式，重新进入捕获模式，若主光通信系统需要再次向从光通信系统建立通信时，重复步骤2、3、4。