CN109921855B - 一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步系统及方法，将时钟源电路产生的时钟电信号同时传递给可编程逻辑门阵列芯片和激光调制器，将时钟电信号调制到激光调制器的光信号上，光信号通过第一部分反射镜同时传输给本地端和水下链路的远端设备，远端设备将部分光信号反馈回本地端，将另一部分光信号进行解调得到远端时钟电信号；在本地端利用可编程逻辑门阵列芯片的时间间隔测量器对本地时钟信号与往返时钟信号的时间间隔进行测量，根据时间间隔结果计算时延调整值，并控制时延器对本地端时钟电信号进行时延补偿，达到本地时钟电信号与远端时钟电信号的时间同步，实现了水下无线通信链路的高精度时间同步，保障了高质量通信。

Description

一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步系统及方法

技术领域

本发明涉及水下无线通信领域，具体涉及一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步系统及方法。

背景技术

为了进一步开发海洋资源，人类对水下通信的需求越来越多，水下通信是潜水设备、水下传感器网络建立、水下数据采集不可或缺的技术工具。在最近几十年来，与在水中只能用于静态物体间进行信息传输的水下光纤相比，水下无线通信由于其具有更高的灵活性和成本效益，而被大量人所关注。目前，水中无线通信在水下交通、水下传感器和水下观测器中得到了广泛应用。

随着水下无线通信的发展，水下目标之间的时间频率信号的传输和同步变得越来越重要，现有水下无线通信方法主要有两种，一种为基于水声的水下无线时间同步通信方法，另一种为基于LED光的水下光通信方法。

基于水声的水下无线时间同步通信方法采用机械波作为载波传输信号，利用同步帧头实现时间同步，然而水声通信无可避免的低带宽和高损耗造成了信号精度的降低和噪声的增加；多径效应和多普勒频移现象同时也降低了时间同步的精度；而声波传输速度的缓慢更是不适用于当代通信需求。

基于LED光的水下光通信方法常采用大功率LED作为光发生系统，所用频段的光信号在水中衰减巨大，因此通信距离短，受噪声影响大，误码率高；且该方法仅能实现通信，不能实现时延测量和信号相位补偿，因此不具备无线同步功能。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法解决了主流水下通信方法信号功率损耗高、通信距离短、受噪声影响大、通信误码率高、无时间同步或时间同步精度低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步系统，包括本地端通信设备和水下链路中的远端通信设备；

所述本地端通信设备包括时钟源电路、激光调制器、第一光信道TL1、第一部分反射镜、第二光信道TL2、第一光电探测器、第二光电探测器、时间间隔测量器和时延器；

所述远端通信设备包括第二部分反射镜、第三光信道TL3和第三光电探测器；

所述时钟源电路分别与激光调制器和时延器通信连接；所述激光调制器通过第一光信道TL1与第一部分反射镜通信连接；所述第一部分反射镜通过第二光信道TL2与第一光电探测器通信连接，并通过水下链路与第二部分反射镜通信连接；所述第一光电探测器与时间间隔测量器通信连接；所述时间间隔测量器还分别与时延器和第二光电探测器通信连接；所述第二光电探测器通过水下链路与第二部分反射镜通信连接；

所述第二部分反射镜通过第三光信道TL3与第三光电探测器通信连接。

进一步地：时钟源电路采用高稳晶振作为频率产生器。

上述进一步方案的有益效果为：高稳晶振具有极高的稳定性，由晶振作为频率产生器而构成的时钟源电路相对于RC振荡电路、LC振荡电路或RING型压控振荡电路具有更低的相位噪声和更高的精确性，能够产生精度极高的时钟信号。

进一步地：激光调制器为蓝绿激光器。

上述进一步方案的有益效果为：蓝色或绿色的光频段相比于现有常用的光通信频段更适用于水下无线通信。在水下链路中，即使是大功率的LED产生的光信号也会由于水中信道的衰减而无可避免地产生高损耗、通信距离短和误码率高的现象；而蓝绿激光器产生的蓝光频段或绿光频段信号却不受水下频率选择性衰落信道的影响，能够实现高质量的水下远距离光频段无线通信。

进一步地：时间间隔测量器和时延器为集成在可编程逻辑门阵列芯片内的片上系统电路。

上述进一步方案的有益效果为：现有技术的时间间隔测量装置和时延器通常为两种毫不相关的装置，且通常为分立元器件，本身具有较高的传输噪声和相位噪声以及一定的时延。本发明将这两个装置有机结合在一起，且作为SOC片上系统电路集成在了可编程逻辑门阵列芯片上，不仅克服了分立元器件的噪声、时延现象，且具有既可实现时间间隔测量又可实现相位补偿的功能，还提高了系统的便捷性和灵活性。

进一步地：时延器为可编程相位补偿器，所述可编程相位补偿器包括时钟信号输入端、时钟信号输出端和控制接口。

本发明还提供了一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，包括以下步骤：

S1：采用时钟源电路产生第一时钟电信号；

S2：采用两路电连接线路将第一时钟电信号同时传递给时延器和激光调制器；

S3：采用激光调制器对第一时钟电信号进行调制，得到第一时钟光信号；

S4：通过第一光信道TL1将第一时钟光信号传输给第一部分反射镜；

S5：通过第一部分反射镜将第一时钟光信号进行功率划分，得到第二时钟光信号和第三时钟光信号；

S6：通过第二光信道TL2将第二时钟光信号传输给第一光电探测器，同时将第三时钟光信号通过水下链路发送给第二部分反射镜；

S7：通过第二部分反射镜将接收到的第三时钟光信号进行功率划分，得到第四时钟光信号和第五时钟光信号；

S8：将第四时钟光信号通过水下链路发送给第二光电探测器；同时通过第三光信道TL3将第五时钟光信号传输给第三光电探测器；

S9：采用第一光电探测器解调第二时钟光信号，得到第二时钟电信号；

S10：采用第二光电探测器解调第四时钟光信号，得到第三时钟电信号；

S11：采用第三光电探测器解调第五时钟光信号，得到第四时钟电信号；

S12：采用时间间隔测量器测量第二时钟电信号和第三时钟电信号的时间间隔；

S13：根据测得的时间间隔，采用时延器对第一时钟电信号进行时延补偿，得到与第四时钟电信号具有相同时延的第五时钟电信号，实现本地通信设备和远端通信设备的无线同步。

进一步地：第二时钟光信号由第一部分反射镜反射而成，具有第一时钟光信号(10±5)％的能量，第三时钟光信号由第一部分反射镜透射而成，具有第一时钟光信号(90±5)％的能量。

进一步地：第四时钟光信号由第二部分反射镜反射而成，具有第三时钟光信号(50±5)％的能量，第五时钟光信号由第二部分反射镜透射而成，具有第三时钟光信号(50±5)％的能量。

上述进一步方案的有益效果为：第三时钟光信号是本地通信设备通过水下无线信道发送给远端通信设备的通信信号，因此相对于其它用于标定、参考以及同步等功能的信号，需要分配到更多的功率。用部分反射镜这种器件实现光信号的按需功率分配，而非均分，大大地提高了通信性能。

综上，本发明的有益效果为：用蓝绿频段的光波作为水下无线通信载波，克服了频率选择性衰落信道的影响，相比于声波通信，具有超高的通信速率和高质量的通信性能，而相比于现有常规光通信系统，通信质量和通信距离也大大改善；采用高精度的时钟频率源和按需分配的信号传输功率有效地保障了通信质量；用切实可靠的理论运算分析和精确的片上时间间隔测量器，有效地计算出了水下通信链路的时延，并结合事先测得的各模块自身的时延，通过片上集成的时延器最终实现了高精度时间同步。

附图说明

图1为一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法的流程图；

图2为一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步系统及方法的原理框图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步系统，包括本地端通信设备和水下链路中的远端通信设备；

所述本地端通信设备包括时钟源电路、激光调制器、第一光信道TL1、第一部分反射镜、第二光信道TL2、第一光电探测器、第二光电探测器、时间间隔测量器和时延器；

所述远端通信设备包括第二部分反射镜、第三光信道TL3和第三光电探测器；

所述时钟源电路分别与激光调制器和时延器通信连接；所述激光调制器通过第一光信道TL1与第一部分反射镜通信连接；所述第一部分反射镜通过第二光信道TL2与第一光电探测器通信连接，并通过水下链路与第二部分反射镜通信连接；所述第一光电探测器与时间间隔测量器通信连接；所述时间间隔测量器还分别与时延器和第二光电探测器通信连接；所述第二光电探测器通过水下链路与第二部分反射镜通信连接；

本发明实施例中，时钟源电路采用高稳晶振作为频率产生器。高稳晶振具有极高的稳定性，由晶振作为频率产生器而构成的时钟源电路相对于RC振荡电路、LC振荡电路或RING型压控振荡电路具有更低的相位噪声和更高的精确性，能够产生精度极高的时钟信号。

本发明实施例中，激光调制器为蓝绿激光器。蓝色或绿色的光频段相比于现有常用的光通信频段更适用于水下无线通信。在水下链路中，即使是大功率的LED产生的光信号也会由于水中信道的衰减而无可避免地产生高损耗、通信距离短和误码率高的现象；而蓝绿激光器产生的蓝光频段或绿光频段信号却不受水下频率选择性衰落信道的影响，能够实现高质量的水下远距离光频段无线通信。

本发明实施例中，时间间隔测量器和时延器为集成在可编程逻辑门阵列芯片内的片上系统电路。现有技术的时间间隔测量装置和时延器通常为两种毫不相关的装置，且通常为分立元器件，本身具有较高的传输噪声和相位噪声以及一定的时延。本发明将这两个装置有机结合在一起，且作为SOC片上系统电路集成在了可编程逻辑门阵列芯片上，不仅克服了分立元器件的噪声、时延现象，且具有既可实现时间间隔测量又可实现相位补偿的功能，还提高了系统的便捷性和灵活性。

本发明实施例中，时延器为可编程相位补偿器，所述可编程相位补偿器包括时钟信号输入端、时钟信号输出端和控制接口。

如图2所示，一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，包括以下步骤：

S1：采用时钟源电路产生第一时钟电信号，并将第一时钟电信号到达下一级设备或电路系统的时延作为初始时延，记为t₀；

S2：采用两路电连接线路将第一时钟电信号同时传递给时延器和激光调制器；

S3：采用激光调制器对第一时钟电信号进行调制，得到第一时钟光信号，并将激光调制器产生的时延作为调制时延，记为t_c1；

S4：通过第一光信道TL1将第一时钟光信号传输给第一部分反射镜；

S5：通过第一部分反射镜将第一时钟光信号进行功率划分，得到第二时钟光信号和第三时钟光信号；

S6：通过第二光信道TL2将第二时钟光信号传输给第一光电探测器，同时将第三时钟光信号通过水下链路发送给第二部分反射镜，并将水下链路的时延作为水路通信时延，记为t_p；

第二时钟光信号由第一部分反射镜反射而成，具有第一时钟光信号(10±5)％的能量，第三时钟光信号由第一部分反射镜透射而成，具有第一时钟光信号(90±5)％的能量。第三时钟光信号是本地通信设备通过水下无线信道发送给远端通信设备的通信信号，因此相对于其它用于标定、参考以及同步等功能的信号，需要分配到更多的功率。用部分反射镜这种器件实现光信号的按需功率分配，而非均分，大大地提高了通信性能。

S7：通过第二部分反射镜将接收到的第三时钟光信号进行功率划分，得到第四时钟光信号和第五时钟光信号；

第四时钟光信号由第二部分反射镜反射而成，具有第三时钟光信号(50±5)％的能量，第五时钟光信号由第二部分反射镜透射而成，具有第三时钟光信号(50±5)％的能量。

S8：将第四时钟光信号通过水下链路发送给第二光电探测器；同时通过第三光信道TL3将第五时钟光信号传输给设立在远端通信设备内部的第三光电探测器；

S9：采用第一光电探测器解调第二时钟光信号，得到第二时钟电信号，将光电探测器解调过程的时延作为解调时延，记为t_c2，根据初始时延t₀、调制时延t_c1和解调时延t_c2计算第二时钟电信号的时延t₁：

t₁＝t₀+t_c1+t_c2 (1)

S10：采用第二光电探测器解调第四时钟光信号，得到第三时钟电信号，根据初始时延t₀、调制时延t_c1、水路通信时延t_p和解调时延t_c2计算第三时钟电信号的时延t₂：

t₂＝t₀+t_c1+2t_p+t_c2 (2)

S11：采用第三光电探测器解调第五时钟光信号，得到第四时钟电信号，根据初始时延t₀、调制时延t_c1、水路通信时延t_p和解调时延t_c2计算第四时钟电信号的时延t₃：

t₃＝t₀+t_c1+t_p+t_c2 (3)

S12：采用时间间隔测量器测量第二时钟电信号和第三时钟电信号的时间间隔，记该时间间隔为t₄，根据公式(1)和公式(2)计算时间间隔为t₄：

t₄＝t₂-t₁＝2t_p (4)

根据公式(4)得到水路通信时延t_p：

S13：测量调制时延t_c1和解调时延t_c2的数值，并根据调制时延t_c1、解调时延t_c2和水路通信时延t_p采用时延器对第一时钟电信号进行t_c1+t_c2+t_p的时延补偿，得到第五时钟电信号，将第五时钟电信号的时延记为t₅：

t₅＝t₀+t_c1+t_c2+t_p (6)

根据公式(3)和公式(6)得：第四时钟电信号的时延t₃与第五时钟电信号的时延t₅相等，即实现了本地通信设备和远端通信设备的无线同步。

综上，本发明的有益效果为：用蓝绿频段的光波作为水下无线通信载波，克服了频率选择性衰落信道的影响，相比于声波通信，具有超高的通信速率和高质量的通信性能，而相比于现有常规光通信系统，通信质量和通信距离也大大改善；采用高精度的时钟频率源和按需分配的信号传输功率有效地保障了通信质量；用切实可靠的理论运算分析和精确的片上时间间隔测量器，有效地计算出了水下通信链路的时延，并结合事先测得的各模块自身的时延，通过片上集成的时延器最终实现了高精度时间同步。

Claims (8)

1.一种基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，其特征在于，该方法由以下系统执行，所述系统包括本地端通信设备和水下链路中的远端通信设备；

所述本地端通信设备包括时钟源电路、激光调制器、第一光信道TL1、第一部分反射镜、第二光信道TL2、第一光电探测器、第二光电探测器、时间间隔测量器和时延器；

所述远端通信设备包括第二部分反射镜、第三光信道TL3和第三光电探测器；

所述时钟源电路分别与激光调制器和时延器通信连接，采用时钟源电路产生第一时钟电信号，采用两路电连接线路将第一时钟电信号同时传递给时延器和激光调制器；

所述激光调制器通过第一光信道TL1与第一部分反射镜通信连接；通过第一部分反射镜将第一时钟光信号进行功率划分，得到第二时钟光信号和第三时钟光信号；所述第一部分反射镜通过第二光信道TL2与第一光电探测器通信连接；通过第二光信道TL2将第二时钟光信号传输给第一光电探测器，并通过水下链路与第二部分反射镜通信连接；将第三时钟光信号通过水下链路发送给第二部分反射镜；通过第二部分反射镜将接收到的第三时钟光信号进行功率划分，得到第四时钟光信号和第五时钟光信号；所述第一光电探测器与时间间隔测量器通信连接；所述时间间隔测量器还分别与时延器和第二光电探测器通信连接；所述第二光电探测器通过水下链路与第二部分反射镜通信连接；

采用第一光电探测器解调第二时钟光信号，得到第二时钟电信号；

采用第二光电探测器解调第四时钟光信号，得到第三时钟电信号；

采用第三光电探测器解调第五时钟光信号，得到第四时钟电信号；

采用时间间隔测量器测量第二时钟电信号和第三时钟电信号的时间间隔；

根据测得的时间间隔，采用时延器对第一时钟电信号进行时延补偿，得到与第四时钟电信号具有相同时延的第五时钟电信号，实现本地通信设备和远端通信设备的无线同步；

所述第二部分反射镜通过水下链路与第二光电探测器通信连接，将第四时钟光信号发送给第二光电探测器，并通过第三光信道TL3与第三光电探测器通信连接，将第五时钟光信号传输给第三光电探测器。

2.根据权利要求1所述的基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，其特征在于，所述时钟源电路采用高稳晶振作为频率产生器。

3.根据权利要求1所述的基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，其特征在于，所述激光调制器为蓝绿激光器。

4.根据权利要求1所述的基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，其特征在于，所述时间间隔测量器和时延器为集成在可编程逻辑门阵列芯片内的片上系统电路。

5.根据权利要求1所述的基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，其特征在于，所述时延器为可编程相位补偿器，所述可编程相位补偿器包括时钟信号输入端、时钟信号输出端和控制接口。

6.根据权利要求1所述的基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：采用时钟源电路产生第一时钟电信号，并将第一时钟电信号到达下一级设备或电路系统的时延作为初始时延，记为t₀；

S2：采用两路电连接线路将第一时钟电信号同时传递给时延器和激光调制器；

S3：采用激光调制器对第一时钟电信号进行调制，得到第一时钟光信号，并将激光调制器产生的时延作为调制时延，记为t_c1；

S4：通过第一光信道TL1将第一时钟光信号传输给第一部分反射镜；

S5：通过第一部分反射镜将第一时钟光信号进行功率划分，得到第二时钟光信号和第三时钟光信号；

S6：通过第二光信道TL2将第二时钟光信号传输给第一光电探测器，同时将第三时钟光信号通过水下链路发送给第二部分反射镜，并将水下链路的时延作为水路通信时延，记为t_p；

S7：通过第二部分反射镜将接收到的第三时钟光信号进行功率划分，得到第四时钟光信号和第五时钟光信号；

S8：将第四时钟光信号通过水下链路发送给第二光电探测器；同时通过第三光信道TL3将第五时钟光信号传输给第三光电探测器；

S9：采用第一光电探测器解调第二时钟光信号，得到第二时钟电信号，将光电探测器解调过程的时延作为解调时延，记为t_c2，根据初始时延t₀、调制时延t_c1和解调时延t_c2计算第二时钟电信号的时延t₁：

t₁＝t₀+t_c1+t_c2 (1)

S10：采用第二光电探测器解调第四时钟光信号，得到第三时钟电信号，根据初始时延t₀、调制时延t_c1、水路通信时延t_p和解调时延t_c2计算第三时钟电信号的时延t₂：

t₂＝t₀+t_c1+2t_p+t_c2 (2)

S11：采用第三光电探测器解调第五时钟光信号，得到第四时钟电信号，根据初始时延t₀、调制时延t_c1、水路通信时延t_p和解调时延t_c2计算第四时钟电信号的时延t₃：

t₃＝t₀+t_c1+t_p+t_c2 (3)

S12：采用时间间隔测量器测量第二时钟电信号和第三时钟电信号的时间间隔，记该时间间隔为t₄，根据公式(1)和公式(2)计算时间间隔为t₄：

t₄＝t₂-t₁＝2t_p (4)

根据公式(4)得到水路通信时延t_p：

S13：根据测得的时间间隔，采用时延器对第一时钟电信号进行时延补偿，得到与第四时钟电信号具有相同时延的第五时钟电信号，实现本地通信设备和远端通信设备的无线同步；

步骤S13具体为：测量调制时延t_c1和解调时延t_c2的数值，并根据调制时延t_c1、解调时延t_c2和水路通信时延t_p采用时延器对第一时钟电信号进行t_c1+t_c2+t_p的时延补偿，得到第五时钟电信号，将第五时钟电信号的时延记为t₅：

t₅＝t₀+t_c1+t_c2+t_p (6)

根据公式(3)和公式(6)得：第四时钟电信号的时延t₃与第五时钟电信号的时延t₅相等，即实现了本地通信设备和远端通信设备的无线同步。

7.根据权利要求6所述的基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，其特征在于，所述第二时钟光信号由第一部分反射镜反射而成，具有第一时钟光信号(10±5)％的能量，第三时钟光信号由第一部分反射镜透射而成，具有第一时钟光信号(90±5)％的能量。

8.根据权利要求6所述的基于小型蓝绿激光器的水下无线同步方法，其特征在于，所述第四时钟光信号由第二部分反射镜反射而成，具有第三时钟光信号(50±5)％的能量，第五时钟光信号由第二部分反射镜透射而成，具有第三时钟光信号(50±5)％的能量。

Images