CN111313981A - 水下无线光通信方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水下无线光通信方法、装置及系统，所述方法包括：获取通信数据，对通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与通信数据对应的多个调制信号，调制信号与预先生成的并行的光波通信信道一一对应；对于每个光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调制信号调制该光波通信信道的光波，得到携带调制信号的调制光波；使用与并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个调制光波进行处理，得到与并行通信信道生成技术对应的光束，光束由调制光波构成；并将光束发送至对应的接收端，使得接收端对光束进行处理，获得通信数据。应用本发明，可有效提高通信传输带宽以及传输距离。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种水下无线光通信方法、装置及系统。
背景技术
海洋中蕴含着大量的资源，对海洋进行开发研究成为重要的研究课题。而对海洋进行研究时，设置了水下无人潜航器(AUV,Autonomous Underwater Vehicle)和水下传感器网络(UWSN，Underwater Sensor Network)，其中，AUV和UWSN之间的通信主要采用声波作为传递信号的载体，实现数据的传输通信。
经研究发现，声波的频率非常低，通常为几十Hz～几十KHz，所以，声波的传输带宽非常有限，而声波在水中传输的距离很短，并且声波受到海水中其他噪音的影响，导致通信非常不稳定。随着水下通信的广泛应用，传输距离短并且低带宽的声波通信技术已经不满足目前的水下通信需求，因此，在水中如何提高通信的带宽以及提高通信的距离成为众多科研人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种水下无线光通信方法、装置及系统，在发送端和接收端应用本发明，可有效提高在水下通信的通信带宽和通信距离。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水下无线光通信方法，应用于发送端，所述方法包括：
获取通信数据，对所述通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与所述通信数据对应的多个调制信号，所述调制信号与所述发送端中依据预设的并行通信信道生成技术预先生成的并行的光波通信信道一一对应；
对于每个所述光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调制信号调制该光波通信信道的光波，得到携带所述调制信号的调制光波；
使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，使得所述接收端对所述光束进行处理，获得所述通信数据。
上述的方法，可选的，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为密集波分复用技术，则预先生成所述并行的光波通信信道的过程包括：
调用预先设置的激光器发射激光，并将所述激光耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述激光进行处理，得到多个不同波长的光波，将所述光波确定为光波通信信道。
上述的方法，可选的，所述使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，包括：
将各个所述调制光波耦合进入预设的阵列波导光栅混合器，触发所述阵列波导光栅混合器将各个所述调制光波进行混合，得到包含所有所述调制光波的光束；
将所述光束输入与所述激光器对应的预设的扩束器，获得经过所述扩束器处理后的光束，并将所述处理后的光束发送至对应的接收端。
上述的方法，可选的，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为多进多出空分复用技术，则预先生成所述并行的光波通信信道的过程包括：
调用预先设置的多个并行的激光器发射光波；
将每个所述激光器发射的光波确定为光波通信信道。
上述的方法，可选的，所述使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，包括：
将每个所述光波通信信道的调制光波确定为光束；
将每个所述光束输入预设的对应的扩束器，得到通过所述扩束器处理后的光束，所述扩束器与所述光波通信信道一一对应；
将各个所述处理后的光束发送至对应的接收端。
一种水下无线光通信装置，应用于发送端，所述装置包括：
第一获取单元，用于获取通信数据，对所述通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与所述通信数据对应的多个调制信号，所述调制信号与所述发送端依据预设的并行通信信道生成技术预先生成的并行的光波通信信道一一对应；
调制单元，用于对于每个所述光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调制信号调制该光波通信信道的光波，得到携带所述调制信号的调制光波；
发送单元，用于使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，使得所述接收端对所述光束进行处理，获得所述通信数据。
上述的装置，可选的，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为密集波分复用技术，则还包括：
第一调用单元，用于调用预先设置的激光器发射激光，并将所述激光耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述激光进行处理，得到多个不同波长的光波，将所述光波确定为光波通信信道。
上述的装置，可选的，所述发送单元，包括：
耦合子单元，用于将各个所述调制光波耦合进入预设的阵列波导光栅混合器，触发所述阵列波导光栅混合器将各个所述调制光波进行混合，得到包含所有所述调制光波的光束；
第一发送子单元，用于将所述光束输入与所述激光器对应的预设的扩束器，获得经过所述扩束器处理后的光束，并将所述处理后的光束发送至对应的接收端。
上述的装置，可选的，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为多进多出空分复用技术，则还包括：
第二调用单元，用于调用预先设置的多个并行的激光器发射光波；
确定单元，用于将每个所述激光器发射的光波确定为光波通信信道。
上述的装置，可选的，所述发送单元，包括：
确定子单元，用于将每个所述光波通信信道的调制光波确定为光束；
输入子单元，用于将每个所述光束输入预设的对应的扩束器，得到通过所述扩束器处理后的光束，所述扩束器与所述光波通信信道一一对应；
第二发送子单元，用于将各个所述处理后的光束发送至对应的接收端。
一种水下无线光通信方法，应用于接收端，所述方法包括：
接收发送端发送的光束，所述光束与所述发送端中预设的并行通信信道生成技术相对应；
调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波；其中，所述光波处理方法与对应的发送端预设的所述并行通信信道生成技术相对应；
使每个所述调制光波进入对应的光子探测器，使得所述光子探测器对所述调制光波进行处理，获得每个所述调制光波携带的调制信号，所述光子探测器与所述调制光波一一对应；
按照预设的已修正的串行通信协议对各个所述调制信号进行处理，得到与各个所述调制信号对应的通信数据。
上述的方法，可选的，若所述接收端中预设的光波处理方法与密集波分复用技术相对应，则所述调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波，包括：
将所述光束经过预设的透镜耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述光束进行处理；
获得构成所述光束的多个调制光波。
上述的方法，可选的，若所述接收端中预设的光波处理方法与多进多出空分复用技术相对应，则所述调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波，包括：
将每个所述光束经过对应的预设的透镜，得到与每个所述光束对应的调制光波。
一种水下无线光通信装置，应用于接收端，所述装置包括：
接收单元，用于接收发送端发送的光束，所述光束与所述发送端中预设的并行通信信道生成技术相对应；
第二获取单元，用于调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波；其中，所述光波处理方法与对应的发送端预设的所述并行通信信道生成技术相对应；
第一处理单元，用于使每个所述调制光波进入对应的光子探测器，使得所述光子探测器对所述调制光波进行处理，获得每个所述调制光波携带的调制信号，所述光子探测器与所述调制光波一一对应；
第二处理单元，用于按照预设的已修正的串行通信协议对各个所述调制信号进行处理，得到与各个所述调制信号对应的通信数据。
上述的装置，可选的，若所述接收端中预设的光波处理方法与密集波分复用技术相对应，则所述第二获取单元，包括：
触发子单元，用于将所述光束经过预设的透镜耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述光束进行处理；
第一获取子单元，用于获得构成所述光束的多个调制光波。
上述的装置，可选的，若所述接收端中预设的光波处理方法与密集波分复用技术相对应，则所述第二获取单元，包括：
第二获取子单元，用于将每个所述光束经过对应的预设的透镜，得到与每个所述光束对应的调制光波。
一种水下无线光通信系统，包括：
发送端和接收端；
其中；
所述发送端，用于执行上述应用于发送端的水下无线光通信方法；
所述接收端，用于执行上述应用于接收端的水下无线光通信方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供一种水下无线光通信方法，应用于发送端，发送端获取通信数据，应用已修正的串行通信协议对所述通信数据进行处理，得到与所述通信数据对应的多个调制信号，所述调制信号与按照预设的并行通信信道生成技术预先生成的光波通信信道一一对应；对于每个光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调试信号调制该光波通信信道的光波，得到携带所述调制信号的调制光波；调用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束，所述光束有所述调制光波构成；将所述光束发送至对应的接收端，使得所述接收端对所述光束进行处理，获得所述通信数据。应用本发明，通过生成多个并行的光波通信信道，提高了发送端和接收端之间的通信带宽，并使用扩束器对由调制光波构成的光束进行处理，提高了光束的通信距离，通过应用发明提供的方法，提高了水下通信的通信带宽和通信距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种水下无线光通信方法的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种水下无线光通信方法的另一方法流程图；
图3为本发明实施例提供的一种水下无线光通信方法的场景实例图；
图4为本发明实施例提供的一种水下无线光通信方法的另一场景实例图；
图5为本发明实施例提供的光波在水中传播的衰减光谱图；
图6为本发明实施例提供的光波在水中传播的另一衰减光谱图；
图7为本发明实施例提供的光子探测器的灵敏度曲线图；
图8为本发明实施例提供的应用密集波分复用技术生成光波通信信道的仿真图；
图9为本发明实施例提供的应用多进多出空分复用技术生成光波通信信道的仿真图；
图10为本发明实施例提供的发送端的协议传输层的框架示例图；
图11为本发明实施例提供的接收端的协议传输层的框架示例图；
图12为本发明实施例提供的一种水下无线光通信方法所应用的已修改的串行通信协议的示例图；
图13为本发明实施例提供的应用于发送端和接收端的数据传输电路中的电源模块的电路连接结构图；
图14为本发明实施例提供的应用于发送端和接收端的数据传输电路中的以太网模块的电路连接结构图；
图15为本发明实施例提供的应用于发送端和接收端的数据传输电路中的串行通信模块的电路连接结构图；
图16为本发明实施例提供了一种水下无线光通信装置的装置结构图；
图17为本发明实施例提供了一种水下无线光通信装置的另一装置结构图；
图18为本发明实施例提供的一种水下无线光通信系统的系统结构图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供了的一种水下无线光通信方法，该方法可以应用于水下通信的发送端和接收端中，所述发送端可以为水中用于发送通信数据的发射机；所述接收端可以是水中用于接收通信数据的接收机。通过将本发明提供的方法应用在接收端和发送端，可以有效提高发送端和接收端之间的通信距离和通信带宽。
本发明实施例提供了一种水下无线光通信方法，该方法应用于发送端，所述方法的方法流程图如图1所示，具体包括：
S101、获取通信数据，对所述通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与所述通信数据对应的多个调制信号，所述调制信号与所述发送端中依据预设的并行通信信道生成技术预先生成的并行的光波通信信道一一对应。
本发明实施例提供的方法中，发送端接收到外部设备发送的通信数据包，所述通信数据包中包含通信数据，发送端按照预设的以太网传输协议对所述通信数据包进行解析，获得所述通信数据包中的通信数据，所述通信数据的具体内容可以为图片、视频或是音频等。需要说明的是，本发明中所应用的以太网传输协议包括但不限于通用的TCP/IP协议。
需要说明的是，将所述通信数据分割成多个数据块，所述数据块与依据预设的并行通信信道生成技术预先生成的并行的光波通信信道一一对应；将每个所述数据块按照预设的已修正的串行通信协议进行并串转换处理，得到与每个所述数据块对应的串行信号，将所述串行信号作为调制信号，以得到多个调制信号。需要说明的是，生成的多条光波通信信道为并行传输的通信信道，一条光波可作为一个光波通信信道，每个光波通信信道的光波的波长均不相同。需要说明的是，通过预设的并行通信信道生成技术可生成多条光波通信信道，以此提高了通信的带宽。
S102、对于每个所述光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调制信号调制该光波通信信道的光波，得到携带所述调制信号的调制光波。
本发明实施例提供的方法中，每个光波通信信道存在对应的调制器，每个光波通信信道的调制器依据与该光波通信信道对应的调制信号，调制该光波通信信道的光波，以得到携带调制信号的调制光波。
S103、使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，使得所述接收端对所述光束进行处理，获得所述通信数据。
需要说明的是，不同的并行通信信道生成技术对应不同的扩束器，调用所述扩束器对各个调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束；需要说明的是，通过所述扩束器处理后得到的光束的发散角较小，以此可提高光束的发射距离，进而提高了通信的距离。
发送端将光束发射至对应的接收端，触发所述接收端对所述光束进行处理，以得到发送端发送的通信数据，实现了发送端和接收端的通信。
本发明实施例提供的方法中，应用于发送端，发送端获取通信数据，应用已修正的串行通信协议对所述通信数据进行处理，得到与所述通信数据对应的多个调制信号，所述调制信号与按照预设的并行通信信道生成技术预先生成的光波通信信道一一对应；对于每个光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调试信号调制该光波通信信道的光波，得到携带所述调制信号的调制光波；调用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束，所述光束有所述调制光波构成；将所述光束发送至对应的接收端，使得所述接收端对所述光束进行处理，获得所述通信数据。应用本发明，通过生成多个并行的光波通信信道，提高了发送端和接收端之间的通信带宽，并使用扩束器对由调制光波构成的光束进行处理，提高了光束的通信距离，通过应用发明提供的方法，提高了水下通信的通信带宽和通信距离。
本发明实施例提供的方法中，并行通信信道生成技术可分为密集波分复用(DenseWavelength Division Multiplexing，DWDM)技术和多进多出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)空分复用技术。
若发送端预设的并行通信信道生成技术为密集波分复用技术，则生成所述并行的光波通信信道的过程如下所述：
调用预先设置的激光器发射激光，并将所述激光耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述激光进行处理，得到多个不同波长的光波，将所述光波确定为光波通信信道。
需要说明的是，设置的并行通信信道生成技术为密集波分复用技术的发送端中预先设置一个激光器，调用所述激光器发射激光，并将所述激光通过光纤耦合进入阵列波导光栅多路复用器(Arrayed Waveguide Grating de-multiplexer，AWG de-multiplexer)中，所述阵列波导光栅多路复用器将该激光分成多路独立且并行的光波，每个光波作为一个光波通信信道，每个光波的波长均不相同，即应用密集波分复用技术生成的并行的光波通信信道的光波的波长均不相同；需要说明的是，相邻光波的波长之间相差不超过1nm。优选的，本发明实施例中设置的激光器为大功率的激光器，并且发射的激光的中心波长为400nm～800nm。
本发明实施例提供的方法中，在得到多个调制信号后，调用与光波通信信道对应的调制器，依据与该光波通信信道对应的调制信号，外部调制该光波通信信道对应的光波，以得到携带有调制信号的调制光波；将各个所述调制光波耦合进入预设的阵列波导光栅混合器(Arrayed Waveguide Grating Multiplexer，AWG Multiplexer)，触发所述阵列波导光栅混合器将各个所述调制光波进行混合，得到包含所有所述调制光波的光束；将所述光束输入与所述激光器对应的预设的扩束器，获得经过所述扩束器处理后的光束，并将所述处理后的光束发送至对应的接收端；需要说明的是，应用密集波分复用技术的发送端向接收端发送单个光束，所述光束中包含了所有的调制光波；所述扩束器用于减小光束的发散角和光束的直径。
若发送端预设的并行通信信道生成技术为多进多出空分复用技术，则生成所述并行的光波通信信道的过程如下所述：
调用预先设置的多个并行的激光器发射光波；将每个所述激光器发射的光波确定为光波通信信道。需要说明的是，每个激光器发射的光波的波长可以相同，也可以不同；其中，激光器发射的光波在空间上是相互分离的，以得到不同光路的光波通信信道。需要说明的是，若激光器发射的光波的波长是不同的，则光波通信信道的光波的波长不同并且光路不同；若激光器发射的光波的波长是相同的，则光波通信信道的光波的波长相同并且光路不同。
需要说明的是，若所述发送端预设的并行通信信道生成技术为多进多出空分复用技术，则所述发送端中设置多个并行的激光器，所述激光器为大功率并且发射的激光的中心波长为400nm～800nm的激光器。
本发明实施例提供的方法中，在应用多进多出空分复用技术的发送端中，将每个所述光波通信信道的调制光波确定为光束；将每个所述光束输入预设的对应的扩束器，得到通过所述扩束器处理后的光束，所述扩束器与所述光波通信信道一一对应；将各个所述处理后的光束发送至对应的接收端。需要说明的是，应用多进多出空分复用技术的发送端发射多个光束，其中，每个光束在空间上相互分离。
本发明实施例提供的一种水下无线光通信方法，应用于接收端，所述方法的方法流程图如图2所示，具体说明如下所述：
S201、接收发送端发送的光束，所述光束与所述发送端中预设的并行通信信道生成技术相对应。
本发明实施例提供的方法中，接收对应的发送端发送的光束，所述光束与所述发送端中预设的并行通信信道生成技术相对应。优选的，本发明实施例提供的方法中，一个发送端对应一个接收端。需要说明的是，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为密集波分复用技术，则所述发送端发送一道光束；若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为多进多出空分复用技术，则所述发送端发送多道光束，其中，光束的数目与光波通信信道的数目相同。
S202、调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波；其中，所述光波处理方法与对应的发送端预设的所述并行通信信道生成技术相对应。
需要说明的是，通过对接收到的光束进行处理，获得与所述光束对应的调制光波。需要说明的是，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为密集波分复用技术，则所述接收端中预设的光波处理方法与所述密集波分复用技术相对应，则接收端对光束的处理过程如下所述：
将所述光束经过预设的透镜耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述光束进行处理；获得构成所述光束的多个调制光波；需要说明的是，所述透镜用于将光束中的不同的光波进行分离。
需要说明的是，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为多进多出空分复用技术，则所述接收端中预设的光波处理方法与所述多进多出空分复用技术相对应；则接收端对光束的处理过程如下所述：
将每个所述光束经过对应的预设的透镜，得到与每个所述光束对应的调制光波。需要说明的是，所述接收端中预先设置有多个透镜，所述透镜与接收的光束一一对应。
S203、使每个所述调制光波进入对应的光子探测器，使得所述光子探测器对所述调制光波进行处理，获得每个所述调制光波携带的调制信号，所述光子探测器与所述调制光波一一对应。
本发明实施例提供的方法中，将每个调制光波经过预先设置的光滤波器，以使所述调制光波进入对应的光子探测器；其中，所述光滤波器与所述光子探测器一一对应。需要说明的是，光子探测器采集所述调制光波的光信号，并采集到的光信号转换成电信号，根据所述电信号得到调制光波所携带的调制信号，所述光子探测器与所述调制光波一一对应。需要说明的是，所述光滤波器用于去处杂乱的光波，以确保进入光子探测器的调制光波更精确。
S204、按照预设的已修正的串行通信协议对各个所述调制信号进行处理，得到与各个所述调制信号对应的通信数据。
本发明实施例提供的方法中，所述已修正的串行通信协议与所述发送端中的已修正的串行通信协议相同。按照所述已修正的串行通信协议对各个调制信号进行串并转换，以得到对应的发送端发送的通信数据，进一步的，将每个所述调制信号进行串并转换，得到与每个所述调制信号对应的数据块，并将得到的各个所述数据块进行组合，以得到发送端发送的通信数据。需要说明的是，在得到所述通信数据之后，所述接收端可根据预先设置的以太网传输协议将所述通信数据进行封装，得到与所述通信数据对应的数据包，并将所述数据包发送至与所述接收端相连接的外部设备。
本发明实施例提供的方法中，接收端中预先设置与发送端中的并行通信信道生成技术相对应的光波处理方法，调用预设的光波处理方法对接收到的光束进行处理，获得多个调制光波；使每个所述调制光波进入对应的光子探测器中，使得所述光子探测器对所述调制光波进行处理，得到调制光波所携带的调制信号；使用已修正的串行通信协议对各个调制信号进行处理，以得到对应的发送端发送的通信数据。本发明提供的方法中，在接收端中预先设置光波处理方法，所述光波处理方法与发送端中预设的并行通信信道生成方法相对应，由此可提高发送端和接收端之间通信带宽，接收端中应用灵敏的光子探测器对调制光波进行处理，进一步提高了发送端和接收端之间的通信距离。
为具体说明本发明实施例提供的方法，以具体的场景实例进行说明，当发送端中设置的并行通信信道生成技术为密集波分复用技术，接收端中设置与密集波分复用技术对应的光波处理方法时，参照图3进行说明，具体说明如下所述：
发送端中设置有激光器、阵列波导光栅多路复用器、阵列波导光栅多路混合器、扩束器以及多个调制器，其中，所述调制器与预先生成的光波通信信道一一对应；其中，本发明中的阵列波导光栅混合器在实际应用时可为阵列波导光栅多路混合器；
需要说明的是，发送端获取通信数据，将所述通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与光波通信信道一一对应的调制信号。需要说明的是，生成光波通信信道的过程可为：将激光器发射的激光通过光纤耦合进入阵列波导光栅多路复用器中，所述阵列波导光栅多路复用器用于将激光分离成多路不同波长λ的光波，每一路光波均为光波通信信道，其中，光波通信信道与调制器一一对应。调用与每个光波通信信道对应的调制器，依据调制信号对光波通信信道的光波进行调制，以得到每个光波通信信道的调制光波。将每个所述调制光波输入阵列波导光栅多路混合器中，得到包含所有调制光波的光束，将所述光束通过单模光纤耦合进入扩束器中，以便扩束器缩小光束的发散角，并将缩小发散角后的光束发送至接收端。
接收端中设置有透镜、阵列波导光栅多路复用器、多个光滤波器以及多个光子探测器，其中，光滤波器和光子探测器一一对应，光滤波器设置在光子探测器的前端，用于筛选特定波长的光波；接收机将光束通过透镜后进入阵列波导光栅多路复用器，使得阵列波导光栅多路复用器将光束分离出多个调制光波，调制光波与光子探测器一一对应；将每个调制光波通过光滤波器后进入对应的光子探测器；每个所述光子探测器将接收到的调制光波的光信号转换成电信号，并依据电信号得到调制光波携带的调制信号；将各个调制信号按照已修改的串行通信协议进行处理，得到发送端发送的通信数据。
本发明采用单个大功率的激光器和密集波分复用技术得到多个波长独立的并行的光波通信信道，并且是首个将自由空间的密集波分复用应用于水下无线光通信。由于波长为400nm至800nm的光波适合在水中传播，所以，本发明采用该波段的可见光作为载波。由于载波波长的差异，本发明构建的自由空间的密集波分复系统要求使用特殊的材质和加工工艺制作的阵列波导光栅。
为具体说明本发明实施例提供的方法，以具体的场景实例进行说明，当发送端中设置的并行通信信道生成技术为多进多出空分复用技术时，接收端中设置与多进多出空分复用技术对应的光波处理方法，参照图4进行说明，具体说明如下所述：
发送端中设置有多个激光器、多个调制器以及多个扩束器；其中，不同的激光器发射不同波长的激光，激光器与调试器一一对应，调制器与扩束器一一对应；
需要说明的是，发送端获取通信数据，将所述通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与光波通信信道一一对应的调制信号；将激光器发射出的激光作为光波LD，每个光波均为光波通信信道，以此可得到多个并行的光波通信信道；调用每个光波通信信道的调制器，所述调制器依据与光波通信信道对应的调制信号调制光波通信信道的光波，得到每个光波通信信道的调制光波，将每个调制光波作为光束向接收端发送。
接收端中设置有多个透镜、多个光波滤波器以及多个光子探测器；透镜与光波滤波器一一对应，光波滤波器与光子探测器一一对应，透镜设置在光滤波器前，光滤波器设置在光子探测器前。接收端将发送端发送的每个光束通过透镜后得到对应的调制光波，并将每个调制光波通过光滤波器后进入对应的光子探测器；使得每个光子探测器采集对应的调制光波的光信号，并将光信号转换成电信号；依据电信号得到调制光波所携带的调制信号，并依据各个调制信号得到发送端发送的通信数据。
需要说明的是，使用多进多出空分复用技术得到的多个并行通信信道，通过在发送端设置多个激光器和与激光器对应的扩束器，可得到多个空间独立的并行通信信道，需要说明的是，通过使用扩束器使得接收端得到更小的光斑，非常有利于光能的接收，并且，接收端的光斑在空间上是独立的，这有利于接收端不同信道的信号分离；因此，与现有技术相比，本发明设计的多个空间独立的并行通信信道更适合水下长距离无线光通信。
需要说明的是，光波在水中传播的时候会产生严重的衰减，光波在水中传播的衰减光谱图如图5和图6所示，图5和图6中的标识曲线为400nm到550nm的光波在清水(光波在清水中传播，衰减程度最小)中传播时的衰减结果。如果水中还有湍流，最合适的载波长度应当为800nm。所以，光波在水中的衰减大大影响了水下无线光通信系统的传输距离。研究表明，光波在水中传输，吸收和散射是光波衰减的最主要的两大因素。吸收光波是由水分子吸收光子而导致光能衰减的过程。散射过程中没有吸收光子，但是，散射会改变光子的运动方向，从而导致光传播方向上能量的衰减和传输带宽的损失，因而，在水中光波的传输带宽会降低。
本发明实施例提供的接收端中的光子探测器为高灵敏的光子探测器，具体的，采用光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)或者硅光电倍增管(Siliconphotomultiplier，SiPM)实现的光子探测器又称为多像素光子计数器(Multi-PixelPhoton Counters，MPPC)或者雪崩光电二极管(Single-photon avalanche diodes，SPADs)。对Hamamastu发售的三款光子探测器进行灵敏度测试实验，得到Hamamastu发售的三款光子探测器的预估灵敏度值曲线，具体如图7所示；按照图7中的曲线估算，可知已经商用的光子探测器的灵敏度可以达到-85dBm，而水的衰减程度大概为0.24dB/m；优选的，本发明实施例提供的方法中采用大功率的激光器，例如10W的蓝光激光器，可使水下无线光通信的传输距离超过500米，从而提高通信距离。
本发明实施例提供的方法中，应用密集波分复用技术生成的多个并行通信信道是通过阵列波导光栅产生多个波长独立的通信信道，优选的，本发明实施例提供的方法中，采用的光波为可见光，并且通过新的材料和装配工艺，创建可见光波段(400nm～800nm)的阵列波导光栅。具体的，应用密集波分复用技术生成多个光波通信信道的仿真图如图8所示，通过使用中心波长大约为641nm波长生成多个并行通信信道，生成4个并行的通信信道，相邻的通信信道之间相差1nm，由此可得到多个并行通信信道，提高了通信带宽。
本发明实施例提供的方法中，多个并行通信信道的方法还可以使用多进多出空分复用技术得到，简单来说，发送端中设置多个激光器和多个扩束器，激光器和扩束器一一对应；图9为使用多进多出空分复用技术生成的多个并行通信信道的仿真图，仿真结果显示，位于500米之外的接收端，可以得到8个空间上完全不干涉的光斑。每个光斑的尺寸都很小，并且，每个光斑代表一个通信信道。该仿真结果表明可以采用在发送端使用扩束器的办法得到多个独立的通信信道，并且，如果使用的扩束器越多，我们可以得到更多的通信信道。
本发明实施例提供的方法中，对于发送端和接收端进行通信时的每一路通信信道而言，数据是串行发送和接收的。本发明采用一种已修正的串行通信协议(UART，UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter)和以太网通信协议构建数据传输的协议层。基于标准串行通信协议修改得到适应光通信的串行通信协议，每个通信信道分配一个用于实现串行通信(UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)模块，该模块由现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)实现，该模块由以太网模块控制，需要说明的是，发送端对应的串行通信模块为UART发送模块，接收端对应的串行通信模块为UART接收模块。
如图10所示为发送端的协议传输层的框架示例图，对于发送端而言，外部设备把通信数据打包成通信数据包，并按照以太网传输协议发送给以太网模块。然后，以太网模块按照以太网传输协议解析通信数据包，得到通信数据。其次，以太网模块查询UART发送模块的缓冲区状态；如果该缓冲区未满，通信数据会被送至UART发送模块的缓冲区；发送模块控制器从缓冲区读取通信数据，并且按照上述修正过的串行通信(UART，UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter)协议完成并串转换，经过并串转换得到的串行信号用于作为激光的调制信号；所述外部设备可为PC端。
如图11所示为接收端的协议传输层的框架示例图，对于接收端而言，首先，光子探测器把接收到的光信号转成电信号，得到与电信号相对应的调制信号。然后，UART接收模块根据已修改的串行通信协议完成串并转换，得到对应的通信数据，并把所述通信数据存入缓冲区。其次，接收模块控制器通知以太网模块缓冲区有通信数据。最后，以太网模块将通信数据按照以太网传输协议进行封装之后，得到对应的通信数据包，再将所述通信数据包发送给外部设备，所述外部设备可为PC端；需要说明的是，接收端和发送端对应不同的外部设备。
对基于标准串行通信协议修改得到的已修改的串行通信协议进行说明，已修改的串行通信协议示例图如图12所示，数据线在空闲的时候，处于低电平。串行通信发送模块发送数据之前，先发送1位高电平表示起始位。当串行通信接收模块中的串行通信接收模块控制器检测到高电平，首先要根据预设的方法判断该高电平是否为数据传输的起始位；例如：串行通信接收模块控制器对该高电平连续采样8次，如果8次采样的结果均表示为高电平，则串行通信接收模块控制器会将该高电平作为数据传输的起始位，然后，按照预设的频率采样8次，得到通信数据；通信数据后紧随奇偶校验位，最后，数据线以低电平结束此次传输。本发明采用1位高电平作为起始位，在空闲状态，数据线处于低电平。这种传输方式可以让激光器在空闲状态不发光，从而提高激光的工作寿命。本发明在水下光通信的数据传输过程中采用以太网协议和已修改的串行通信协议。首先，以太网通信协议的传输网线可以达到上百米。其次，本发明采用一种已修改的串行通信协议作为并行数据与串行数据间的转换，该协议使用1位高电平作为数据传输的起始位，1位低电平作为数据传输的结束位，数据现在空闲状态位低电平。这种方式可以让激光器在空闲状态处于不发光状态，仅在传输数据的时候才发光。这样可以增加电能利用率和提升激光器的工作寿命。
需要说明的是，本发明还提供了数据传输电路，所述电路应用于发送端和接收端中，所述数据传输电路用于处理通信数据，该电路具体包含电源模块、以太网模块以及串行通信模块，其中，电源模块由一个3.3V的低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator)和一个1.2V的低压差线性稳压器组成，具体电路连接结构图可参照图13，为整个电路供电。
32位的CPU(ARM内核，STM32F407)、以太网物理层芯片(LAN8720A)和以太网接头插座组成了以太网模块，具体电路连接结构图参照图14，以太网模块完成了以太网通信协议(TCP/IP)的解析与打包，CPU与LAN8720A之间的接口信号如下：
①MDIO是寄存器读写数据接口
②MDC是寄存器读写时钟接口
③ETXD[1..0]是数据发送接口
④ERXD[1..0]是数据接收接口
本发明采用XILINX的FPGA(XC6SLX9)实现串行通信模块，具体电路连接结构图参照图15。CPU把PC发送来的通信数据通过读写总线写入FPGA内部的数据缓冲区，FPGA内部的串行模块控制器把缓冲区中的数据分发到相应的串行总线上去驱动激光器。FPGA内部的串行模块接收部分把光子计数器发送过来的原始数据存入内部接收数据缓冲区，CPU根据FPGA的状态信号从内部接收数据缓冲区读取原始数据并且按照以太网通信协议进行打包，并且传送到PC。CPU和FPGA之间的接口信号如下：
①RD，CPU读FPGA的时钟信号
②WR，CPU写FPGA的时钟信号
③CS，CPU读写FPGA的片选信号
④ADDR[7..0]，CPU读写FPGA的地址信号
⑤DATA[15..0]，CPU读写FPGA的数据信号
与图1对应的，本发明实施例还提供了一种水下无线光通信方法对应的水下无线光通信装置，所述装置应用于发送端，所述发送端为通过发送光波传输数据的设备，其结构示意图如图16所示，具体包括：
第一获取单元131，用于获取通信数据，对所述通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与所述通信数据对应的多个调制信号，所述调制信号与所述发送端依据预设的并行通信信道生成技术预先生成的并行的光波通信信道一一对应；
调制单元132，用于对于每个所述光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调制信号调制该光波通信信道的光波，得到携带所述调制信号的调制光波；
发送单元133，用于使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，使得所述接收端对所述光束进行处理，获得所述通信数据。
基于前述方案，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为密集波分复用技术，则所述水下无线光通信装置还可以配置：
第一调用单元，用于调用预先设置的激光器发射激光，并将所述激光耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述激光进行处理，得到多个不同波长的光波，将所述光波确定为光波通信信道。
基于前述方案，发送单元133可配置为：
耦合子单元，用于将各个所述调制光波耦合进入预设的阵列波导光栅混合器，触发所述阵列波导光栅混合器将各个所述调制光波进行混合，得到包含所有所述调制光波的光束；
第一发送子单元，用于将所述光束输入与所述激光器对应的预设的扩束器，获得经过所述扩束器处理后的光束，并将所述处理后的光束发送至对应的接收端。
基于前述方案，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为多进多出空分复用技术，则水下无线光通信设置还可以配置：
第二调用单元，用于调用预先设置的多个并行的激光器发射光波；
确定单元，用于将每个所述激光器发射的光波确定为光波通信信道。
基于前述方案，发送单元133可配置为：
确定子单元，用于将每个所述光波通信信道的调制光波确定为光束；
输入子单元，用于将每个所述光束输入预设的对应的扩束器，得到通过所述扩束器处理后的光束，所述扩束器与所述光波通信信道一一对应；
第二发送子单元，用于将各个所述处理后的光束发送至对应的接收端。
与图2对应的，本发明实施例还提供了一种水下无线光通信方法对应的水下无线光通信装置，所述装置应用于接收端，所述装置的装置结构如图17所示，具体说明如下所述：
接收单元141，用于接收发送端发送的光束，所述光束与所述发送端中预设的并行通信信道生成技术相对应；
第二获取单元142，用于调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波；其中，所述光波处理方法与对应的发送端预设的所述并行通信信道生成技术相对应；
第一处理单元143，用于使每个所述调制光波进入对应的光子探测器，使得所述光子探测器对所述调制光波进行处理，获得每个所述调制光波携带的调制信号，所述光子探测器与所述调制光波一一对应；
第二处理单元144，用于按照预设的已修正的串行通信协议对各个所述调制信号进行处理，得到与各个所述调制信号对应的通信数据。
基于前述方案，若所述接收端中预设的光波处理方法与密集波分复用技术相对应，则第二获取单元142，可配置为：
触发子单元，用于将所述光束经过预设的透镜耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述光束进行处理；
第一获取子单元，用于获得构成所述光束的多个调制光波。
基于前述方案，若所述接收端中预设的光波处理方法与密集波分复用技术相对应，则第二获取单元142，可配置为：
第二获取子单元，用于将每个所述光束经过对应的预设的透镜，得到与每个所述光束对应的调制光波。
本发明实施例提供还提供了一种水下无线光通信系统，用于本发明实施例提供的水下无线光通信装置在实际中的应用，所述系统的系统结构图如图18所示，所述水下无线光通信系统包括：发送端151和接收端152，其中；
所述发送端151执行以下操作：
获取通信数据，对所述通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与所述通信数据对应的多个调制信号，所述调制信号与所述发送端中依据预设的并行通信信道生成技术预先生成的并行的光波通信信道一一对应；
对于每个所述光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调制信号调制该光波通信信道的光波，得到携带所述调制信号的调制光波；
使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，使得所述接收端对所述光束进行处理，获得所述通信数据。
所述接收端152执行以下操作：
接收发送端发送的光束，所述光束与所述发送端中预设的并行通信信道生成技术相对应；
调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波；其中，所述光波处理方法与对应的发送端预设的所述并行通信信道生成技术相对应；
使每个所述调制光波进入对应的光子探测器，使得所述光子探测器对所述调制光波进行处理，获得每个所述调制光波携带的调制信号，所述光子探测器与所述调制光波一一对应；
按照预设的已修正的串行通信协议对各个所述调制信号进行处理，得到与各个所述调制信号对应的通信数据。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (11)
1.一种水下无线光通信方法，其特征在于，应用于发送端，所述方法包括：
获取通信数据，对所述通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与所述通信数据对应的多个调制信号，所述调制信号与所述发送端中依据预设的并行通信信道生成技术预先生成的并行的光波通信信道一一对应；
对于每个所述光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调制信号调制该光波通信信道的光波，得到携带所述调制信号的调制光波；
使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，使得所述接收端对所述光束进行处理，获得所述通信数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为密集波分复用技术，则预先生成所述并行的光波通信信道的过程包括：
调用预先设置的激光器发射激光，并将所述激光耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述激光进行处理，得到多个不同波长的光波，将所述光波确定为光波通信信道。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，包括：
将各个所述调制光波耦合进入预设的阵列波导光栅混合器，触发所述阵列波导光栅混合器将各个所述调制光波进行混合，得到包含所有所述调制光波的光束；
将所述光束输入与所述激光器对应的预设的扩束器，获得经过所述扩束器处理后的光束，并将所述处理后的光束发送至对应的接收端。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若所述发送端中预设的并行通信信道生成技术为多进多出空分复用技术，则预先生成所述并行的光波通信信道的过程包括：
调用预先设置的多个并行的激光器发射光波；
将每个所述激光器发射的光波确定为光波通信信道。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，包括：
将每个所述光波通信信道的调制光波确定为光束；
将每个所述光束输入预设的对应的扩束器，得到通过所述扩束器处理后的光束，所述扩束器与所述光波通信信道一一对应；
将各个所述处理后的光束发送至对应的接收端。
6.一种水下无线光通信装置，其特征在于，应用于发送端，所述装置包括：
第一获取单元，用于获取通信数据，对所述通信数据按照预设的已修正的串行通信协议进行处理，得到与所述通信数据对应的多个调制信号，所述调制信号与所述发送端依据预设的并行通信信道生成技术预先生成的并行的光波通信信道一一对应；
调制单元，用于对于每个所述光波通信信道，依据与该光波通信信道对应的调制信号调制该光波通信信道的光波，得到携带所述调制信号的调制光波；
发送单元，用于使用与所述并行通信信道生成技术对应的扩束器对各个所述调制光波进行处理，得到与所述并行通信信道生成技术对应的光束，所述光束由所述调制光波构成；并将所述光束发送至对应的接收端，使得所述接收端对所述光束进行处理，获得所述通信数据。
7.一种水下无线光通信方法，其特征在于，应用于接收端，所述方法包括：
接收发送端发送的光束，所述光束与所述发送端中预设的并行通信信道生成技术相对应；
调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波；其中，所述光波处理方法与对应的发送端预设的所述并行通信信道生成技术相对应；
使每个所述调制光波进入对应的光子探测器，使得所述光子探测器对所述调制光波进行处理，获得每个所述调制光波携带的调制信号，所述光子探测器与所述调制光波一一对应；
按照预设的已修正的串行通信协议对各个所述调制信号进行处理，得到与各个所述调制信号对应的通信数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，若所述接收端中预设的光波处理方法与密集波分复用技术相对应，则所述调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波，包括：
将所述光束经过预设的透镜耦合进入预设的阵列波导光栅多路复用器中，触发所述阵列波导光栅多路复用器对所述光束进行处理；
获得构成所述光束的多个调制光波。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，若所述接收端中预设的光波处理方法与多进多出空分复用技术相对应，则所述调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波，包括：
将每个所述光束经过对应的预设的透镜，得到与每个所述光束对应的调制光波。
10.一种水下无线光通信装置，其特征在于，应用于接收端，所述装置包括：
接收单元，用于接收发送端发送的光束，所述光束与所述发送端中预设的并行通信信道生成技术相对应；
第二获取单元，用于调用预设的光波处理方法，对所述光束进行处理，获取多个调制光波；其中，所述光波处理方法与对应的发送端预设的所述并行通信信道生成技术相对应；
第一处理单元，用于使每个所述调制光波进入对应的光子探测器，使得所述光子探测器对所述调制光波进行处理，获得每个所述调制光波携带的调制信号，所述光子探测器与所述调制光波一一对应；
第二处理单元，用于按照预设的已修正的串行通信协议对各个所述调制信号进行处理，得到与各个所述调制信号对应的通信数据。
11.一种水下无线光通信系统，其特征在于，包括：
发送端和接收端；
其中；
所述发送端，用于执行权利要求1～5任意一项所述的水下无线光通信方法；
所述接收端，用于执行权利要求7～9任意一项所述的水下无线光通信方法。
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