CN110557201B - 一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置，包括菲涅尔透镜、光电探测器以及可见光通信接收电路；菲涅尔透镜用于汇聚发射端发射过来的可见光信号光束；光电探测器放置在每个菲涅尔透镜后的蜂窝结构的每个蜂窝结构单元的中心，放置数量由蜂窝结构外围层数确定，按照蜂窝状结构排列时的角度和排列方式环绕菲涅尔透镜焦点处的光电探测器构成蜂窝状光电探测器阵列用于接收和检测可见光信号光束，将可见光信号转换成电信号；可见光通信接收电路采用合并的方式处理多个电信号，用于解调和解码。从而有效解决了由于可见光沿直线传播而导致可见光通信方向性较差和菲涅尔透镜聚焦后的光斑偏移光电探测器的问题。

Description

一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置
技术领域
本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置。
背景技术
水下通信技术是水下资源开发的关键技术之一，水下通信技术可以实现各设备及节点相互间的数据和信息的传输。随着人们对海洋探测的不断深入，对于水下无线通信技术的要求也越来越高。相比于传统的水声通信，水下可见光通信系统可以做到体积小、成本较低且便于集成和设计，加上可见光通信技术的高通信速率和高调制带宽，可以实现水下设备节点间的中短距离的高速率低延迟的数据传输，因此可以弥补水声通信技术的不足，在在海洋探测中具备很大的应用前景。
水下可见光通信由于海水流动和海水散射等因素的制约，通信性能和和通信距离受到限制，为了提高可见光通信系统的传输距离和通信性能，一般主要通过在系统接收端的光电探测器前加一个聚光透镜，或增加发射端光功率和采用大面积探测器等方法。
其中，由于水下航行器或水下节点之间通常难以精确对准，存在可见光通信链路偏移，接收端透镜后的光斑存在偏移，导致光电探测器无法接收到较完整的可见光信号，导致无法实现通信。
发明内容
基于此，本发明提供一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置，使得水下航行器或水下移动节点能够在没有对准的情况下，也能获得较好的接收效果，获得良好的通信性能。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置，包括菲涅尔透镜、用于接收可见光信号的光电探测器以及可见光通信接收电路；
所述菲涅尔透镜，数量为一个以上，用于汇聚发射端发射的可见光信号光束。
所述光电探测器，放置在每个菲涅尔透镜后，放置数量由蜂窝结构外围层数确定，所述光电探测器放置在蜂窝结构的每个蜂窝结构单元的中心，按照蜂窝状结构排列时的角度和排列方式环绕菲涅尔透镜焦点处的光电探测器构成蜂窝状光电探测器阵列，用于接收和检测可见光信号光束，将可见光信号转换成电信号。
所述可见光通信接收电路，采用合并的方式处理多个光电探测器转换的电信号，用于可见光信号转换成的电信号的解调和解码。
进一步地，所述菲涅尔透镜的焦距给定，在菲涅尔透镜的焦距处放置一个光电探测器，在菲涅尔透镜焦点所在的与菲涅尔透镜平面所平行的平面上以焦距处的光电探测器为蜂窝结构的中心，根据光电探测器的大小选择两个蜂窝结构单元中心之间的距离，距离选择为3至6倍光电探测器的大小，在每个蜂窝结构单元中心放置一个光电探测器构成蜂窝状光电探测器阵列。
进一步地，所述光电探测器的数量为：在单个菲涅尔透镜的情况下，除去菲涅尔透镜焦点处的一个光电探测器以外，其余光电探测器的数量由蜂窝结构外围层数确定；根据蜂窝结构的特点，设菲涅尔透镜焦点处的光电探测器所在的蜂窝结构单元为第0层，则外围第n层有6n个蜂窝结构单元，在各蜂窝结构单元中心处放置一个光电探测器，外围第n层则有6n个光电探测器。若外围共有N层，则所需光电探测器总数量为3N(1+N)+1。
进一步地，若要更大程度地提高水下可见光通信移动节点的多角度接收装置的接收角度，可依据所需接收角度等分放置多个菲涅尔透镜，每个菲涅尔透镜后根据放置若干个光电探测器，每个菲涅尔透镜后的光电探测器数量和排列方式与单个菲涅尔透镜的情况相同。
进一步地，所述可见光通信接收电路，采用合并的方法处理多个光电探测器收到的信号，用于可见光信号的解调和解码。所述合并方式采用选择式合并、最大比值合并以及等增益合并其中的一种。
进一步地，由于蓝光在水下衰减相对较小，水下可见光通信发射端常采用蓝光LED，所述光电探测器选用适用于水下可见光通信的蓝光增强型光电二极管。
进一步地，所述可见光通信接收电路采用光电二极管的跨阻放大比较电路。
本发明的优点：
由于水下可见光通信发射端功率较大，可见光信号在菲涅尔透镜聚焦后时常产生光电二极管的接收饱和，采用蜂窝状光电探测器阵列，即使光斑发生偏移，始终还是有光电探测器能够接收到可见光信号，从而改善了水下移动节点的可见光通信的角度要求严格的问题。
附图说明
图1为本发明所述的蜂窝状探测器阵列结构示例图。
图2为本发明的可见光通信接收装置的俯视图，以7个光电探测器为例进行说明。
图3为本发明的可见光通信接收装置的空间示例图。
图4为本发明的可见光通信接收装置的侧视图，以及不同角度的可见光信号经透镜聚焦后的光斑偏移的示例图。
图5为本发明的可见光通信接收电路的原理框图。
具体实施方案
以下结合具体实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。
一种可见光通信系统的接收装置，使得水下航行器或水下移动节点能够在没有对准的情况下，系统接收端也能获得较好的接收效果，系统获得良好的通信性能。
实施例：
一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置，包括菲涅尔透镜、用于接收可见光信号的光电探测器以及可见光通信接收电路；
所述菲涅尔透镜焦距为定值，数量为一个以上，用于汇聚发射端发射的可见光信号光束，以提高可见光通信的传输距离和传输性能。
所述光电探测器，放置在每个菲涅尔透镜后，放置数量由蜂窝结构外围层数确定，如图1所示，所述光电探测器放置在蜂窝结构的每个蜂窝结构单元的中心，按照蜂窝状结构排列时的角度和排列方式环绕菲涅尔透镜焦点处的光电探测器构成蜂窝状光电探测器阵列，用于接收和检测可见光信号光束，将可见光信号转换成电信号。
所述可见光通信接收电路，采用合并的方式处理多个光电探测器转换的电信号，用于可见光信号转换成的电信号的解调和解码。
优选地，所述光电探测器选用适用于水下可见光通信的蓝光增强型光电二极管。
所述可见光接收装置中，在菲涅尔透镜的焦距处放置一个光电探测器，在其焦点所在的与菲涅尔透镜平面所平行的平面上以焦距处的光电探测器为蜂窝结构的中心，根据光电探测器的大小选择两个蜂窝结构单元中心间距离，距离选择为3至6倍传感器的大小，在外围各个蜂窝结构单元的中心放置一个光电探测器，构成蜂窝状光电探测器阵列。
图1为本发明所述的蜂窝状探测器阵列结构示例图，本实例以7个光电探测器为例进行说明，即蜂窝结构外围层数为1，即N＝1。O点为菲涅尔透镜的焦点处，且在O点放置一个光电探测器，以O点为整个蜂窝结构的中心。A点为外围第一层的一个蜂窝结构单元的中心，且在外围第一层各个蜂窝结构单元的中心放置一个光电探测器。根据公式3N(1+N)+1也可算得所需光电探测器数量为7。
图2所示为本发明的可见光通信接收装置的俯视图，本实例以7个光电探测器为例进行说明，O点为菲涅尔透镜的焦点，且在O点放置一个光电探测器，以O点为整个蜂窝结构的中心。A、B、C、D、E、F六个点分别为外围第一层的六个蜂窝结构单元的中心，六个点处都放置一个光电探测器，O、A、B、C、D、E、F七个点处的光电探测器处于同一个接收平面，构成等边六边形。
图3为本发明的可见光通信接收装置的空间示例图。N为菲涅尔透镜，O、A、B、C、D、E、F七个点处各放置一个光电探测器。可见光信号光束通过菲涅尔透镜聚集后在接收平面产生光斑。当信号光束垂直射入时，光斑在菲涅尔透镜焦距处的光电探测器上，即在整个蜂窝结构的中心处。当信号光束入射角度发生偏移，光斑在接收平面上的位置发生偏移，此时蜂窝结构其他位置的光电探测器可对可见光信号进行探测。
图4为本发明的可见光通信接收装置的侧视图，以及不同角度的可见光信号经透镜聚焦后的光斑偏移的示例图。N为菲涅尔透镜，P为接收平面，O点为菲涅尔透镜的焦点，A、B、C、D、E、F六个点分别为外围第一层的六个蜂窝结构单元的中心，O、A、B、C、D、E、F七个点处各放置一个光电探测器。当可见光信号入射角度发生偏移时，经过菲涅尔透镜聚焦后的光斑也会发生偏移。进一步的，本实施例中，如图4所示，当可见光信号入射角度不同时，菲涅尔透镜聚焦后的光斑发生偏移，此时光斑在B点处的光电探测器和D点处的光电探测器上或附近，而焦点O处的光电探测器上几乎没有光斑，B点处的光电探测器和D点处的光电探测器即可对可见光信号进行检测和接收，从而增大了接收角度，有助于解决水下节点难以对准而导致的无法通信的问题和提高通信的性能。
图5为本发明的可见光通信接收电路的原理框图。可见光通信接收电路采用光电二极管的跨阻放大比较电路，包括信号滤波放大模块、数模转换模块和解调解码模块，光电探测器阵列收到的可见光信号经过信号滤波放大模块和数模转换模块后通过合并的方式进行信号处理，最后通过解调解码模块还原出信号。所述多个可见光信号的合并的方式有选择式合并、最大比值合并以及等增益合并的方式。
以上所述实施例仅代表了本发明的一种实施方式,其描述较为具体详细,但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应指出的是,对于从事本领域的技术人员来说,在没有脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置，其特征在于，包括菲涅尔透镜、光电探测器以及可见光通信接收电路；
所述菲涅尔透镜，数量为一个以上，用于汇聚发射端发射过来的可见光信号光束；
所述光电探测器，放置在每个菲涅尔透镜后，放置数量由蜂窝结构外围层数确定；所述光电探测器放置在蜂窝结构的每个蜂窝结构单元的中心，按照蜂窝状结构排列时的角度和排列方式环绕菲涅尔透镜焦点处的所述光电探测器构成蜂窝状光电探测器阵列，所述光电探测器用于接收和检测可见光信号光束，将可见光信号转换成电信号；
所述可见光通信接收电路，采用合并的方式处理多个所述光电探测器转换的电信号，用于可见光信号转换成的电信号的解调和解码；依据所需接收角度等分放置多个菲涅尔透镜，以提高水下可见光通信移动节点的多角度接收装置的接收角度；每个菲涅尔透镜后放置若干个所述光电探测器，每个菲涅尔透镜后的所述光电探测器数量和排列方式与单个菲涅尔透镜的情况相同；
所述光电探测器的数量为：在单个菲涅尔透镜的情况下，除去菲涅尔透镜焦点处的一个光电探测器以外，其余光电探测器的数量由蜂窝结构外围层数确定；根据蜂窝结构的特点，设菲涅尔透镜焦点处的光电探测器所在的蜂窝结构单元为第0层，则外围第n层有6n个蜂窝结构单元，在各蜂窝结构单元中心处放置一个光电探测器，外围第n层则有6n个光电探测器；若外围共有N层，则所需光电探测器总数量为3N(1+N)+1。
2.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置，其特征在于，菲涅尔透镜的焦距给定，在菲涅尔透镜的焦点处放置一个光电探测器，在菲涅尔透镜焦点所在的与菲涅尔透镜平面所平行的平面上以焦点处的光电探测器为蜂窝结构的中心，根据光电探测器的大小选择两个蜂窝结构单元中心之间的距离，距离选择为3至6倍光电探测器的大小，在每个蜂窝结构单元中心放置一个光电探测器构成蜂窝状探测器阵列。
3.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置，其特征在于，所述可见光通信接收电路采用的合并方式为选择式合并、最大比值合并以及等增益合并其中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置，其特征在于，所述光电探测器选用适用于水下可见光通信的蓝光增强型光电二极管。
5.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信移动节点的多角度接收装置，其特征在于，所述可见光通信接收电路采用光电二极管的跨阻放大比较电路。
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