CN110932785A - 一种基于光声效应的通信系统及方法 - Google Patents

一种基于光声效应的通信系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110932785A
CN110932785A CN201911153486.1A CN201911153486A CN110932785A CN 110932785 A CN110932785 A CN 110932785A CN 201911153486 A CN201911153486 A CN 201911153486A CN 110932785 A CN110932785 A CN 110932785A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
laser
photoacoustic
communication system
photoacoustic effect
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911153486.1A
Other languages
English (en)
Inventor
计钟
王改
付勇
黎晋良
赵传熙
麦文杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jinan University
University of Jinan
Original Assignee
Jinan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jinan University filed Critical Jinan University
Priority to CN201911153486.1A priority Critical patent/CN110932785A/zh
Publication of CN110932785A publication Critical patent/CN110932785A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/501—Structural aspects
    • H04B10/503—Laser transmitters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/508—Pulse generation, e.g. generation of solitons

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于光声效应的通信系统及通信方法，该系统利用发射端发射调制后的激光信号在空气中传输，激光信号传输至空气/水界面处的中继部，发生光声效应，产生超声波，形成信号中继，超声波在水中传输，这样通过高效能量转换，利用信号载体(电磁波/超声波)在介质中(空气/水)的传输特点，减小能量损失，克服了纯光通信、纯声通信等方法在空气到水下通信情况下发生反射和折射以及能量损失的问题。

Description

一种基于光声效应的通信系统及方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，具体涉及一种基于光声效应的通信系统及方法。
背景技术
随着海洋研究的不断发展，尤其是从空中到水下通信时，从空中到水下的(如人造卫星到潜水艇)通信尤为重要，然而现有通信手段有各自的局限性，如激光通信，激光在空气/水界面会发生反射和折射，损失部分能量，如果海浪稍大，折射光方向变化且不稳定，难以寻找目标并进行稳定通信；虽然蓝紫光在纯水中衰减系数较小，但是由于波长短较易发生散射，难以适应复杂的水环境(如浮游生物聚集情况下)；其他波长光在水中衰减系数较大，损失大部分光能量。再如超声通信，虽然超声在空中和水中衰减系数都很小，但是空气/水界面声阻抗很大，超声通过界面会损失绝大部分能量。再如微波/无线电通信，这些波段电磁波在水中衰减系数很大，传输距离较短。近年来有科学家提出利用高能脉冲激光产生激光空化效应，击穿海水，产生超声进行水声通信，但是要求能量极高(通常单脉冲能量在焦耳量级)，效率极低，且反应过程不稳定，限制了应用。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一种基于光声效应的通信系统及方法。基于上述目的，本发明至少提供如下方案：
一种基于光声效应的通信系统，其包括：
发射端，用于调制激光信号，然后将调制后的激光信号作为一个发射信号发射，所述发射端被放置于空中航行器中，并且所述发射信号代表空中航行器要通信的信息；
中继部，用于接收所述调制后的激光信号，并发生光声效应，产生载有光信号信息的光声信号，所述中继部由水下航行器释放至水面；
接收端，用于接收所述光声信号，从而获得所述空中航行器的通信信息，其中所述光声信号发射自所述中继部，并且所述接收端被放置在水下航行器中。
进一步的，所述中继部为液态光吸收体或固态光吸收体，所述中继部的吸收波长匹配所述激光信号。
进一步的，所述液态光吸收体为黑墨水；所述固态光吸收体为黑色粉末，优选碳粉。
进一步的，所述发射端包括发射激光信号的激光器以及将所述激光信号调制为包含有调制信号的调制器。
进一步的，所述接收端包括用于接收所述光声信号的超声探测器，所述超声探测器为平场型或聚焦型。
进一步的，所述发射端还包括将所述调制后的激光信号聚焦至水面的聚焦透镜组。
进一步的，所述接收端还包括用于将所述超声探测器接收到的光声信号放大的放大器。
进一步的，所述超声探测器为可变焦探测器。
进一步的，所述调制器包括内调制和外调制，所述内调制使用电信号直接对所述激光器调制；所述外调制包括斩波器，并利用所述斩波器对出射的激光进行调制。
一种光声通信的方法，其包括：
载有通信信息的激光信号传输至水面的光吸收体上；
所述光吸收体被所述激光信号照射后产生超声波，形成信号中继；
所述超声波在水中传输，并将所述信息传输至接收端。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明基于光声效应的通信系统利用激光传输至空气/水界面处的光吸收体上，产生超声波形成信号中继，超声波在水中传输，通过高效能量转换，利用信号载体(电磁波/超声波)在介质(空气/水)中的传输特点，减小了能量损失，克服了纯光通信或者纯超声通信在空气到水下通信的过程中发生反射和折射以及能量损失问题。且本发明的通信系统没有采用极大功率的脉冲激光器，避免了激光空化效应以及击穿水面的过程，其能量损失相对较小，信号稳定，造价低廉。
附图说明
图1是本发明基于光声效应的通信系统的示意图。
图2是本发明中继部发生光声效应的原理示意图。
图3是本发明实施例基于光声效应的通信系统示意图。
图4是本发明实施例的通信系统进行简单通信演示示意图。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明基于光声效应的通信系统的示意图，如图所示，该系统包括发射端、中继部以及接收端。发射端安装于空中飞行器上，此处的空中飞行器例如是飞机、无人机等。发射端用于调制激光信号，然后将调制后的激光信号作为一个发射信号发射出去。发射端包括激光器、调制器以及聚焦透镜组。
激光器发射激光信号，可以是脉冲激光器或者调制的连续激光器，优选脉冲激光器，且激光的准直性好，辐照范围(光斑大小)小。在辐照范围内不击穿水的情况下单脉冲能量密度尽量高，优选为在0.01-10J/cm2范围内；重复频率尽量大，优选为1kHz-1 MHz范围内。该激光器的工作波长范围为可见光-近红外-中红外，优选近红外，且为单色光，出射的激光脉冲宽度满足光声效应的热禁闭条件，其脉冲宽度优选1ns-100ns。激光器的功率稳定性要求较高，激光幅值抖动优选1％以内。
调制器是将激光信号调制为载有信息的调制信号，即编码过程。调制器分为内调制和外调制，内调制使用电信号直接对脉冲激光器调制，此时对激光器要求较高，优选脉冲激光器；外调制将出射的激光利用斩波器调制，对激光器要求较低。
聚焦透镜组将出射的激光聚焦至水面上，该聚焦是根据空中飞行器与水面的距离来调整。聚焦透镜组优选可变焦透镜组。
中继部由位于水下的航行器释放至水面，用于接收调制后的激光信号。图2是本发明中继部发生光声效应原理的示意图，中继部与发射端和接收端无需引线连接。发射端发射的激光信号经聚焦透镜组聚焦之后传输至水面，释放至水面的中继部经激光信号照射，吸收光能量引起瞬间升温，此时激光的脉宽较窄，吸收的能量不能在激光脉冲持续时间内发生热扩散，此时可看作绝热膨胀，产生光声效应，即热能转化为机械能以超声波形式辐射，产生载有光信号信息的光声信号，此光声信号反映了激光所承载的信息。
中继部是固态光吸收体或液态光吸收体，在该实施例中，中继部优选黑色粉末，如碳粉。中继部的吸收波长匹配激光信号。
接收端用于接收中继部产生的光声信号，从而获得空中航行器的信息。接收端被放置在水下航行器中，其包括超声探测器以及放大器。
超声探测器用于接收中继部产生的光声信号，并将其转换为电信号，要求尽量高的灵敏度。超声探测器为平场型或聚焦型，优选点聚焦型的可变焦探测器，焦距根据水下航行器到水面的距离决定。超声探测器的主频范围应当尽量宽，优选100KHz-100MHz。可以是单个阵元也可以是多个阵元，优选多个阵元以提高灵敏度和准确性。
放大器与超声探测器连接，用于将超声探测器接收到的光声信号(此时为电信号)放大，抑制噪声，放大倍率尽量大，工作频率匹配超声探测器频率。
接收端还包括数据采集卡，数据采集卡与放大器连接，将放大器放大的电信号采集、选频、滤波以及模数转换，最终传输给计算机。根据那奎斯特定律，要求频率大于探测器最大频率的两倍，优选为10倍以上。
计算机设置于接收端的外部，与接收端的数据采集卡连接，对数据采集卡传输的电信号进行处理，计算其峰值，绘制曲线，并将绘制的曲线在显示部显示，并保存数据，进行二值化处理，利用事先约定的算法获得通信内容，即解码过程，最终得到发射端发射的空中航行器的通信信息。计算机给其它装置给予信号以便控制。
本发明基于光声效应的通信系统的工作原理为：激光器发出激光，经调制器调制成载有信息的激光信号，然后经透镜组聚焦到水面上；水面上有水下航行器释放的中继部(光吸收体)，被激光照射后吸收光能量引起瞬间温升，此时激光的脉宽比较窄，吸收的能量不能在激光脉冲持续时间内发生热扩散，此时可看作绝热膨胀，产生光声效应，即热能转化为机械能以超声波形式辐射出去。此光声信号反映了激光所承载的信息，经过水下传播，被超声探测器、放大器和数据采集卡接收，最终在计算机内进行解码，最终得到通信信息。
图3是本发明一实施例的基于光声效应的通信系统示意图，该实施例中，激光器选用脉冲激光器，其辐照范围约为以3.2cm为直径的圆形区域；单脉冲能量为30μJ，工作波长为660nm，重复频率为1000Hz，激光幅值抖动在0.5％以内。调制器为函数信号发生器，能够根据空中航行器发送信息的需要发出任意需要的信号，其带宽为300MHz。透镜组选用单片100cm焦距平凸透镜。超声探测器类型是单阵元的点聚焦型，主频是5MHz，相对带宽是60％左右。放大器类型是差分放大型，放大倍数约为30dB，带宽为100KHz-80 MHz，放大倍数和频率满足要求。示波器作用等同于数据采集卡，工作带宽是300MHz以下，采样率最大为3GHz，采样率满足采集要求。选用计算速度高的计算机处理数据。
针对本发明的基于光声效应的通信系统，本发明还公开了一种光声通信的方法，该方法包括：载有通信信息的激光信号传输至水面的光吸收体上；光吸收体被激光信号照射后产生超声波，形成信号中继；超声波在水中传输，并将加载的信息传输至接收端。
本发明的通信系统在具体操作时，首先，开启发射端的激光器以及调制器，发射端出射编码激光，编码后的激光经透镜组聚焦至水面上。然后水下航行器释放中继部，即光吸收体，至水面上的编码激光处，光吸收体被激光照射后产生光声信号，被接收端的超声探测器、放大器、数据采集卡以及计算机接收。最后计算机解码光声信号，并对其信号进行处理获得空中航行器的通信信息。
图4是利用上述实施例中的通信系统，得到的光声通信内容(1010101011)，初始的通信内容为(1010101011)如图1所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光声效应的通信系统，其特征在于，其包括：
发射端，用于调制激光信号，然后将调制后的激光信号作为一个发射信号发射，所述发射端被放置于空中航行器中，并且所述发射信号代表空中航行器要通信的信息；
中继部，用于接收所述调制后的激光信号，并发生光声效应，产生载有光信号信息的光声信号，所述中继部由水下航行器释放至水面；
接收端，用于接收所述光声信号，从而获得所述空中航行器的通信信息，其中所述光声信号发射自所述中继部，并且所述接收端被放置在水下航行器中。
2.根据权利要求1的所述基于光声效应的通信系统，其特征在于，所述中继部为液态光吸收体或固态光吸收体，所述中继部的吸收波长匹配所述激光信号。
3.根据权利要求2的所述基于光声效应的通信系统，其特征在于，所述液态光吸收体为黑墨水；所述固态光吸收体为黑色粉末，优选碳粉。
4.根据权利要求1-3之一的所述基于光声效应的通信系统，其特征在于，所述发射端包括发射激光信号的激光器以及将所述激光信号调制为包含有调制信号的调制器。
5.根据权利要求1-3之一的所述基于光声效应的通信系统，其特征在于，所述接收端包括用于接收所述光声信号的超声探测器，所述超声探测器为平场型或聚焦型。
6.根据权利要求1-3之一的所述基于光声效应的通信系统，其特征在于，所述发射端还包括将所述调制后的激光信号聚焦至水面的聚焦透镜组。
7.根据权利要求5的所述基于光声效应的通信系统，其特征在于，所述接收端还包括用于将所述超声探测器接收到的光声信号放大的放大器。
8.根据权利要求5的所述基于光声效应的通信系统，其特征在于，所述超声探测器为可变焦探测器。
9.根据权利要求4的所述基于光声效应的通信系统，其特征在于，所述调制器包括内调制和外调制，所述内调制使用电信号直接对所述激光器调制；所述外调制包括斩波器，并利用所述斩波器对出射的激光进行调制。
10.一种光声通信的方法，其特征在于，其包括：
载有通信信息的激光信号传输至水面的光吸收体上；
所述光吸收体被所述激光信号照射后产生超声波，形成信号中继；
所述超声波在水中传输，并将所述信息传输至接收端。
CN201911153486.1A 2019-11-22 2019-11-22 一种基于光声效应的通信系统及方法 Pending CN110932785A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911153486.1A CN110932785A (zh) 2019-11-22 2019-11-22 一种基于光声效应的通信系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911153486.1A CN110932785A (zh) 2019-11-22 2019-11-22 一种基于光声效应的通信系统及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110932785A true CN110932785A (zh) 2020-03-27

Family

ID=69851616

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911153486.1A Pending CN110932785A (zh) 2019-11-22 2019-11-22 一种基于光声效应的通信系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110932785A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020115117A1 (de) 2020-06-08 2021-12-09 HELLA GmbH & Co. KGaA Kommunikationsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein autonomes oder teilautonomes Fahrzeug
CN114401044A (zh) * 2021-12-20 2022-04-26 武汉邮电科学研究院有限公司 一种水下光通信发射方法及发射系统
CN114900220A (zh) * 2022-05-06 2022-08-12 壹新信通科技(成都)有限公司 跨介质通信的方法、装置及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1831528A (zh) * 2006-03-10 2006-09-13 暨南大学 基于光声效应的超声换能器脉冲响应的测量方法
US20160127042A1 (en) * 2006-02-06 2016-05-05 Woods Hole Oceanographic Institution Multi-Modal Optical Communication Systems and Methods
CN108462538A (zh) * 2018-03-07 2018-08-28 桂林电子科技大学 一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统与方法
CN109586807A (zh) * 2018-11-09 2019-04-05 北京华夏光谷光电科技有限公司 空-水通讯方法及装置
WO2019204319A1 (en) * 2018-04-16 2019-10-24 The Regents Of The University Of California Underwater free space optical communication systems

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160127042A1 (en) * 2006-02-06 2016-05-05 Woods Hole Oceanographic Institution Multi-Modal Optical Communication Systems and Methods
CN1831528A (zh) * 2006-03-10 2006-09-13 暨南大学 基于光声效应的超声换能器脉冲响应的测量方法
CN108462538A (zh) * 2018-03-07 2018-08-28 桂林电子科技大学 一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统与方法
WO2019204319A1 (en) * 2018-04-16 2019-10-24 The Regents Of The University Of California Underwater free space optical communication systems
CN109586807A (zh) * 2018-11-09 2019-04-05 北京华夏光谷光电科技有限公司 空-水通讯方法及装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020115117A1 (de) 2020-06-08 2021-12-09 HELLA GmbH & Co. KGaA Kommunikationsvorrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere für ein autonomes oder teilautonomes Fahrzeug
CN114401044A (zh) * 2021-12-20 2022-04-26 武汉邮电科学研究院有限公司 一种水下光通信发射方法及发射系统
CN114401044B (zh) * 2021-12-20 2023-07-25 武汉邮电科学研究院有限公司 一种水下光通信发射方法及发射系统
CN114900220A (zh) * 2022-05-06 2022-08-12 壹新信通科技(成都)有限公司 跨介质通信的方法、装置及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110932785A (zh) 一种基于光声效应的通信系统及方法
Kaushal et al. Underwater optical wireless communication
CN102269717B (zh) 超短脉冲微波热声成像方法及其装置
US20120157019A1 (en) Wireless power transmission system, wireless power transmitting apparatus and wireless power receiving apparatus
US20010055435A1 (en) Opto-acoustic generator of ultrasound waves from laser energy supplied via optical fiber
CN106100755B (zh) 水下自适应无线光通信装置及方法
CN102656466A (zh) 用于测量风速的设备
CN114844575B (zh) 一种水空跨介质无线双向通信方法
US11085902B2 (en) Optical breakdown acoustic transducer
CN109586807A (zh) 空-水通讯方法及装置
CN111653926A (zh) 一种小型化人眼安全脉冲激光器
TW201227050A (en) Photoacoustic imaging system, coded laser emitting apparatus and photoacoustic signal receiving apparatus
Mahmud et al. Vapor cloud delayed-DPPM modulation technique for nonlinear optoacoustic communication
Mahmud et al. Cross-medium photoacoustic communications: Challenges, and state of the art
CN104407453A (zh) 一种光控型可调太赫兹波衰减器及其使用方法
Islam et al. A peak detection based OOK photoacoustic modulation scheme for air to underwater communication
CN117169893A (zh) 激光致声跨空水下目标探测系统及方法
CN115561774A (zh) 一种面向气溶胶环境的涡旋光束激光探测系统
CN108872994B (zh) 面向水下目标探测的光声混合雷达系统
US20210217402A1 (en) Methods and Apparatus for Acoustic Laser Communications
RU2640577C2 (ru) Устройство передачи информации с подводной лодки бесконтактным методом
Zhao et al. Direct air–water communication by using an optical-acoustic method
Arpali et al. BER for higher order laser modes in optical wireless underwater communications
CN103500919A (zh) 基于注入锁定方式的LD泵浦脉冲单频Tm,Ho:YAP固体激光器
CN210119560U (zh) 一种新型水面船舶监视雷达前端

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200327

RJ01 Rejection of invention patent application after publication