CN110798262B

CN110798262B - 一种水下无线光通信网络

Info

Publication number: CN110798262B
Application number: CN201911013747.XA
Authority: CN
Inventors: 李文东; 弓晟; 刘文昭; 易晓琳; 余琪琳; 赵倩茹; 顾永建
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2023-02-24
Anticipated expiration: 2039-10-23
Also published as: CN110798262A

Abstract

本发明公开了一种水下无线光通信网络，由潜器A通过激光器向通信中继器发送调制后的蓝光信号，此光信号携带有数据识别码、地址与有效数据，中继器通过探测器球来接收发过来的光信号，并将收到的光信号快速地转变为电信号输入到中央控制模块。之后中继器向潜器A发出结束识别码，向潜器B则发送数据识别码、地址与有效数据；潜器B通过探测器模块接收到信息后，也向中继器发送标志接收完成的信息，完成一次通信。将上述多个中继器进行排布组网，形成放射状水下无线光通信网络。潜器C将所要传递的信息通过多个中继器和中央基站传递给接收端的潜器D。本发明的有益效果是将水下无线光通信的距离不断扩大，实现了更大范围的通信。

Description

一种水下无线光通信网络

技术领域

本发明属于水下无线光通信技术领域，涉及利用无线光通信技术连接两个水下潜器的通信中继器，并利用该中继器进行组网形成水下无线光通信网络。

背景技术

最近几年，无线光通信技术发展迅速。因其具有带宽高、信息容量大，传输速度快，抗干扰能力强，不易被截获，功率损耗低等优点，而被广泛地应用于各个领域，特别是水下通信。相比于水下电磁波通信和水声通信，水下无线光通信的信息容量，数据传输速度，抗干扰能力，保密性都远远优于前两者。而水中潜航器、潜水员、甚至海军舰艇之间的交流都需要更高质量的通信，因此对于水下无线光通信的研究也越来越深入。目前很多大学和研究机构利用多种调制方式在实验上实现了水下的远距离、高速率的光通信，但只是限于一个发射端与一个接收端，加之水体对光的衰减，通信距离仍然受到限制。一旦两个潜器之间的距离超过了两单元的最大通信距离，二者之间就无法实现通信。为此，本发明专利通过引入通信中继器来对通信距离进行扩大，并通过将通信中继器进行组网来实现更大范围的通信。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下无线光通信网络，通过引入通信中继器，可以使两个距离较远的潜器之间实现通信，并进一步用多个中继器进行组网，从而将水下无线光通信的距离不断扩大，实现了更大范围的通信，摆脱了距离的限制。

本发明所采用的技术方案是潜器A和潜器B分别作为信息收发A端和信息收发B端，由于蓝光波段的光束在水下有较小的衰减，故采用蓝光作为光信号载波，由潜器A通过激光器向通信中继器发送调制过后的蓝光波段光信号，此光信号携带有数据识别码(每一帧数据对应的唯一识别码)、地址(发送数据设备唯一对应的地址)与所需传输信息对应的有效数据(所传信息直接对应的编码后的数据，不包含数据识别码与地址)，接收到完整的数据识别码、地址与有效数据为一次有效的数据通联；中继器通过探测器球来对发过来的光信号进行接收，探测器球上布满若干个探测单元，每个探测单元包括蓝光波段滤光片、菲涅尔透镜以及APD雪崩光电二极管探测器；用蓝光波段滤光片只让蓝光波段的光通过，可对环境光进行滤除，以消除环境光产生的噪声影响；菲涅尔透镜则对入射光进行汇聚，使更多的光集中到APD雪崩光电二极管探测器上；APD雪崩光电二极管探测器将收到的光信号快速地转变为电信号输入到中央控制模块；中继器的中央控制模块收到信息后，便通过激光器模块分别向两个潜器发射调制过的蓝光波段光信号，此激光器模块包括激光器以及控制激光器转动的万向仪结构；其中潜器A先向中继器发送数据识别码、地址与有效数据；中继器则向潜器A发出结束识别码，来表明中继器收到信息，同时向潜器B发送数据识别码、地址与有效数据；潜器B通过探测器模块接收到信息后，也向中继器发送结束识别码；如果中继器接收到新的数据识别码为已接收过的数据识别码，则中继器再次向潜器A发送结束识别码，；潜器A接收到结束识别码后，停止发送此数据识别码对应的所有数据，并等待下一数据输入；潜器B收到有效数据后，向中继器发送结束识别码，中继器接收后，停止发送所有数据，通联结束，等待下一次通联；当潜器或中继器接收到结束识别码时，如果结束识别码与正在发送的有效数据不匹配，则不停止当前数据发送。

进一步，在数据通联前和数据通联过程中，潜器A与潜器B需分别与所述通信中继器进行对准操作，通信中继器的五个螺旋桨连杆及第一CCD模块连杆上均排布有LED，形成一个LED发光棒。由于五个螺旋桨分布在通信中继器的前后左右和上方，第一CCD模块在中继器的下方，因此任意四个LED发光棒便可形成一个十字形图案，可被远处的潜器捕捉到，LED发光棒具有固定的发光频率，且周期长不携带信息，对信息光的探测不会造成影响，两个潜器则通过各自的第二CCD模块对十字图像进行捕捉，若十字正好出现在画面中心，则完成了对准操作。

进一步，将多个所述通信中继器进行排布组网，整个网络呈现放射状，每条径向放射线上按相同间隔布置多个通信中继器，信息则通过中继器之间的通信在每条径向放射线上传递，并最终传递到中央基站；中央基站在该网络的每一条放射线方向上都有信号探测器与激光发射器，信息传递到中央基站后，中央基站会根据信息中的地址，再将信息发送到需要接收信息的放射线路。

进一步，网络的维持需要各个中继器的位置维持和相互之间的对准操作，通信中继器利用自身的进出水装置和水舱来保持一定的浮力，并通过姿态控制器和加速度传感器对自身的位置姿态进行感知，并将感知到的信号送于中央控制模块进行处理，中央控制模块则控制对应位置的螺旋桨旋转来调整姿态以实现中继器自身位置及倾角的维持和改变。两个中继器之间的对准与相对位置的保持与潜器和中继器间的对准操作类似，由第一CCD模块对另一个中继器的十字形LED发光棒进行成像以及位置判断，之后再通过中央控制模块以及螺旋桨来完成位置的调整，最终实现位置的维持以及相互之间的对准。

进一步，潜器C经由水下无线光通信网络向潜器D发送数据的过程如下，由潜器C向第一中继器发送数据识别码、地址与有效数据，接收到完整的数据识别码、地址与有效数据为一次有效的数据通联，第一中继器收到信息后，向潜器C发送结束识别码，表明第一中继器收到信息，并向下一位中继器发送数据识别码、地址与有效数据；第二中继器接收到信息后即向该中继器的下一位中继器，即第三中继器发送数据识别码、地址与有效数据，并向第一中继器发送结束识别码，如此，数据识别码、地址与有效数据就可以在位于同向放射线的中继器之间有效传递；如果潜器D的收信范围在网络的另一条放射线上，则通过中央基站进行中转，将信息发送到相应的放射线路，再由该放射线路上的中继器两两接力传递到潜器D所在的位置；如果中继器接收到新的数据识别码为已接收过的数据识别码，则中继器再次向上一位中继器发送结束识别码；潜器或中继器收到结束识别码后，停止发送此数据识别码对应的所有数据，并等待下一数据输入；潜器D收到有效数据后，向上一中继器发送结束识别码，并且此结束识别码经网络再传回潜器C，至此该次通联结束，等待下一次通联。

所述潜器地址在组网时表明数据发送设备身份以及接收设备身份，以便在中央基站进行交换通联。中央基站具备与各径向使用中继器同样的通信协议，只作为交换机作用。中继器地址用于判断数据是否为相邻中继器发送，防止误收其他中继器数据或错误地停止发送自身数据，若中继器收到的地址不符合相邻条件，则为无效通联，等待下一有效数据。每一有效数据均有其唯一对应的数据识别码与结束识别码，中继器如果接收到已接收数据识别码对应的所有数据，则不再接收相同数据识别码对应的所有数据；接收到结束识别码时，如果该结束识别码与正在发送数据的数据识别码不匹配，则不停止当前数据发送。

附图说明

图1是本发明所提出的通信中继器外部结构图及两个潜器与中继器之间的通信过程示意图；

图2是本发明所提出的探测器球内部结构图；

图3是本发明所提出的激光器模块内部结构图；

图4是本发明所提出的水下无线光通信网络示意图。

图中，1.螺旋桨，2.LED发光棒，3.探测器球，4.进出水装置和水舱，5.中央控制模块，6.激光器模块，7.第一CCD模块，8.潜器A，9.激光器，10.第二CCD模块，11.探测器模块，12.潜器B，13.蓝光波段滤光片，14.菲涅尔透镜，15.APD雪崩光电二极管探测器，16.万向仪结构，17.潜器C，18.第一中继器，19.第二中继器，20.第三中继器，21.中央基站，22.潜器D。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示潜器A8和潜器B12分别作为信息收发A端和信息收发B端。进行通信之前，两个潜器需分别与通信中继器进行对准操作。通信中继器的五个螺旋桨1连杆及第一CCD模块7连杆上均排布有LED，形成一个LED发光棒2。由于五个螺旋桨1分布在通信中继器的前后左右和上方，第一CCD模块7在中继器的下方，因此任意四个LED发光棒2便可形成一个十字形图案，可被远处的潜器捕捉到。而这些LED发光棒2具有固定的发光频率，且周期长不携带信息，对信息光的探测不会造成影响。两个潜器则通过各自的第二CCD模块10对十字图像进行捕捉，若十字正好出现在画面中心，则完成了对准操作。

之后，由潜器A8通过激光器9向通信中继器发送调制过后的蓝光波段光信号，所用的调制方式可为OOK调制，也可为PPM调制。此光信号携带有数据识别码、地址与有效数据。

中继器通过探测器球3接收光信号。探测器球3上布满若干个探测单元，其内部结构图如图2所示。每个探测单元包括蓝光波段滤光片13、菲涅尔透镜14以及APD雪崩光电二极管探测器15。蓝光波段滤光片13对环境光进行滤除，菲涅尔透镜14对入射光进行汇聚，使更多的光集中到APD雪崩光电二极管探测器15上。APD雪崩光电二极管探测器15则具有灵敏度高，响应速度快的特点，可将收到的光信号快速地转变为电信号输入到中央控制模块5。

中继器的中央控制模块5收到信息后，便通过激光器模块6分别向两个潜器发射调制过的蓝光波段光信号。如图3所示，此激光器模块6包括激光器9以及控制激光器9转动的万向仪结构16。所用激光器9均为蓝光波段并可接受TTL数字调制。向潜器A8发出的信息主要为结束识别码，来表明中继器收到信息；向潜器B12则发送数据识别码、地址(潜器地址，中继器地址)与有效数据。如果中继器接收到新的数据识别码为已接收过的数据识别码，则中继器再次向潜器A8发送结束识别码。潜器A8接收到结束识别码后，停止发送此数据识别码对应的所有数据，并等待下一数据输入。潜器B12收到所有数据后，向中继器发送结束识别码，通联结束，等待下一次通联。

中继器地址可用于判断数据是否为相邻潜器发送，防止潜器误收其他中继器数据或错误地停止发送自身数据。每一有效数据均有其唯一对应的数据识别码与结束识别码，中继器如果接收到已接收数据识别码对应的所有数据，则不再接收相同数据识别码对应的所有数据；接收到结束识别码时，如果该结束识别码与正在发送数据的数据识别码不匹配，则不停止当前数据发送。

单通信中继器的通信过程实现后，便可将多个通信中继器进行排布组网，如图4所示。整个网络呈现放射状，每条径向放射线上按相同间隔布置多个通信中继器，信息则通过中继器之间的通信在每条径向放射线上传递，并最终传递到中央基站21。中央基站在该网络的每一条放射线方向上都有信号探测器与激光发射器。信息传递到中央基站21后，中央基站21会根据信息中的地址，再将信息发送到需要接收信息的放射线路。

网络的维持则需要各个中继器的位置维持和相互之间的对准操作。通信中继器利用自身的进出水装置和水舱4来保持一定的浮力，并通过姿态控制器和加速度传感器对自身的位置姿态进行感知，并将感知到的信号送于中央控制模块5进行处理，中央控制模块5则控制对应位置的螺旋桨1旋转来调整姿态以实现中继器自身位置及倾角的维持和改变。同样，两个中继器之间的对准和相对位置的保持操作也是类似，由第一CCD模块7对另一个中继器的十字形LED发光棒进行成像以及位置判断，之后再通过中央控制模块5以及螺旋桨1来完成位置的调整，最终实现位置的维持以及相互之间的对准。

如图4所示，潜器C经由水下无线光通信网络向潜器D发送数据的具体通信流程如下：由潜器C17向离它最近的第一中继器18发送数据识别码、地址(此处包括潜器C17与潜器D22的地址)与有效数据。第一中继器18收到信息后，向潜器C17发送结束识别码，表明第一中继器18收到信息，并向下一位中继器，即第二中继器19发送数据识别码、地址与有效数据。

第二中继器19接收到信息后，与首个中继器同样地，向该中继器的下一位中继器，即第三中继器20发送数据识别码、地址(潜器地址，中继器地址换为自身中继器地址)与有效数据，并向该中继器的上一位中继器发送结束识别码。由于潜器D22不在此放射线路上，故第三中继器20需将所有数据(包含潜器D22所在的放射线路地址)发送给中央基站21，中央基站21再将信息发送到相应的放射线路，最终数据信息由该放射线路上的中继器两两接力传递到潜器D所在的位置。如果中继器接收到新的数据识别码为已接收的数据识别码，则中继器再次向上一位中继器发送结束识别码。潜器或中继器收到结束识别码后，停止发送此数据识别码对应的所有数据，并等待下一数据输入。潜器D22收到所有数据后，向上一中继器发送结束识别码，并且此结束识别码经网络再传回潜器C17，至此该次通联结束，等待下一次通联。

潜器地址可在组网时表明数据发送设备身份以及接收设备身份，以便在中央基站21进行交换通联。中央基站21具备与各径向使用中继器同样的通信协议，只作为交换机作用。中继器地址可用于判断数据是否为相邻中继器发送，防止误收其他中继器数据或错误地停止发送自身数据。若中继器收到的地址不符合相邻条件，则为无效通联，等待下一有效数据。至此，整个大范围的水下无线光通信得以实现。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种水下无线光通信网络，其特征在于：潜器A和潜器B分别作为信息收发A端和信息收发B端，由潜器A通过激光器向通信中继器发送调制过后的蓝光波段光信号，此光信号携带有数据识别码、地址，与所需传输信息对应的有效数据，接收到完整的数据识别码、地址与有效数据为一次有效的数据通联；所述识别码为每一帧数据对应的唯一识别码；所述地址为发送数据设备唯一对应的地址；中继器通过探测器球来对发过来的光信号进行接收，探测器球上布满若干个探测单元，每个探测单元包括蓝光波段滤光片、菲涅尔透镜以及APD雪崩光电二极管探测器；菲涅尔透镜则对入射光进行汇聚，使更多的光集中到APD雪崩光电二极管探测器上；APD雪崩光电二极管探测器将收到的光信号快速地转变为电信号输入到中央控制模块；中继器的中央控制模块收到信息后，便通过激光器模块分别向两个潜器发射调制过的蓝光波段光信号，此激光器模块包括激光器以及控制激光器转动的万向仪结构；其中潜器A先向中继器发送数据识别码、地址与有效数据；中继器则向潜器A发出结束识别码，来表明中继器收到信息，同时向潜器B发送数据识别码、地址与有效数据；潜器B通过探测器模块接收到信息后，也向中继器发送结束识别码；如果中继器接收到新的数据识别码为已接收过的数据识别码，则中继器再次向潜器A发送结束识别码；潜器A接收到结束识别码后，停止发送此数据识别码对应的所有数据，并等待下一数据输入；潜器B收到有效数据后，向中继器发送结束识别码，中继器接收后，停止发送所有数据，通联结束，等待下一次通联；当潜器或中继器接收到结束识别码时，如果结束识别码与正在发送的有效数据不匹配，则不停止当前数据发送；

在数据通联前和数据通联过程中，潜器A与潜器B需分别与所述通信中继器进行对准操作，通信中继器的五个螺旋桨连杆及第一CCD模块连杆上均排布有LED，形成一个LED发光棒，由于五个螺旋桨分布在通信中继器的前后左右和上方，第一CCD模块在中继器的下方，因此任意四个LED发光棒便可形成一个十字形图案，可被远处的潜器捕捉到，LED发光棒具有固定的发光频率，且周期长不携带信息，对信息光的探测不会造成影响，两个潜器则通过各自的第二CCD模块对十字图像进行捕捉，若十字正好出现在画面中心，则完成了对准操作。

2.按照权利要求1所述一种水下无线光通信网络，其特征在于：将多个所述通信中继器进行排布组网，整个网络呈现放射状，每条径向放射线上按相同间隔布置多个通信中继器，信息则通过中继器之间的通信在每条径向放射线上传递，并最终传递到中央基站；中央基站在该网络的每一条放射线方向上都有信号探测器与激光发射器，信息传递到中央基站后，中央基站会根据信息中的地址，再将信息发送到需要接收信息的放射线路，网络的维持需要各个中继器的位置维持和相互之间的对准操作，通信中继器利用自身的进出水装置和水舱来保持一定的浮力，并通过姿态控制器和加速度传感器对自身的位置姿态进行感知，并将感知到的信号送于中央控制模块进行处理，中央控制模块则控制对应位置的螺旋桨旋转来调整姿态以实现中继器自身位置及倾角的维持和改变，两个中继器之间的对准与相对位置的保持与潜器和中继器间的对准操作类似，由第一CCD模块对另一个中继器的十字形LED发光棒进行成像以及位置判断，之后再通过中央控制模块以及螺旋桨来完成位置的调整，最终实现位置的维持以及相互之间的对准。

3.按照权利要求1所述一种水下无线光通信网络，其特征在于：所述潜器C经由水下无线光通信网络向潜器D发送数据的过程如下，由潜器C向第一中继器发送数据识别码、地址与有效数据，接收到完整的数据识别码、地址与有效数据为一次有效的数据通联，第一中继器收到信息后，向潜器C发送结束识别码，表明第一中继器收到信息，并向下一位中继器发送数据识别码、地址与有效数据；第二中继器接收到信息后即向该中继器的下一位中继器，即第三中继器发送数据识别码、地址与有效数据，并向第一中继器发送结束识别码，如此，数据识别码、地址与有效数据就可以在位于同向放射线的中继器之间有效传递；如果潜器D的收信范围在网络的另一条放射线上，则通过中央基站进行中转，将信息发送到相应的放射线路，再由该放射线路上的中继器两两接力传递到潜器D所在的位置；如果中继器接收到新的数据识别码为已接收过的数据识别码，则中继器再次向上一位中继器发送结束识别码；潜器或中继器收到结束识别码后，停止发送此数据识别码对应的所有数据，并等待下一数据输入；潜器D收到有效数据后，向上一中继器发送结束识别码，并且此结束识别码经网络再传回潜器C，至此该次通联结束，等待下一次通联。