CN111404606A - 一种水下可见光实时监控设备系统及其数据传输算法流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下可见光实时监控设备系统及其数据传输算法流程，包括多个外箱体，至少一个外箱体作为信宿的安装载体，其余外箱体作为信源的安装载体，且作为信源安装载体的外箱体上安装有监控模组，作为信源的支架上固定安装有光源模组用于同时实现照明与信号发出，作为信宿的支架上固定安装有接收模组用于实现接收光源模组传递出的信号，本申请采用发光二级管或激光器等光源携带数据信号，易实现大面积空间的均匀照明，且通信功能不影响照明品质，将照明功能、通信功能融为一体，由于不需要设置专用的信号发射设备，减少应用的排线成本，采用可见光频段脉冲调制信号，不产生电磁感染，采用可见光频段脉冲调制信号，不产生电磁感染。

Description

一种水下可见光实时监控设备系统及其数据传输算法流程

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体为一种水下可见光实时监控设备系统及其数据传输算法流程。

背景技术

近年来，世界各国在海洋技术与装备相关领域取得了突飞猛进的发展。为了实现高效的海洋资源勘探、海洋环境监测和海洋工程建设，开发实时的水下监测技术与装备变得越来越重要。由于传统的水声通信具有传输速率低、延迟大、体积大、功耗高等缺点，所以它已无法满足大规模数据和多媒体业务(即音频、图像和视频)实时传输的需求。在这种情况下，水下可见光通信凭借其高速、低延迟、低成本、低功耗和抗电磁干扰能力强等优势迎来了前所未有的机遇和挑战。

目前，虽然基于水下可见光通信技术的数据和多媒体传输系统在速率和距离等方面已经取得了突破性的进展，但是它们仍处于实验室测试阶段。系统设计与集成和样机开发等工作有待进一步开展以加快其在水下各领域的应用。在系统设计与集成方面，为了实现实时高速的水下视频监控，高速元器件的选择和数据传输算法的设计等方面有待深入地研究。在样机开发方面，为了应对复杂的水下环境，有许多工程问题需要解决。比如，在动态的水下环境中，水下监测设备很容易受到震动而损坏，那么，如何设计水下监测设备的机械结构以尽可能地延长其使用寿命变得尤为重要。此外，在利用可见光实现同时的水下照明和通信时，由于照明和通信的电子元件处于防水的密闭空间内，散热问题也是亟需解决的关键问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下可见光实时监控设备系统及其数据传输算法流程，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水下可见光实时监控设备系统，包括多个外箱体，外箱体由壳体与箱盖组成，所述箱盖盖在壳体的上侧，至少一个外箱体作为信宿的安装载体，其余外箱体作为信源的安装载体，且作为信源安装载体的外箱体上安装有监控模组，外箱体的内部均设置有内箱体，所述内箱体的底部且位于外箱体的内部安装有减震机构用于实现对内箱体的减震作用，所述内箱体的内部固定连接有散热底板，所述散热底板的下端贯穿内箱体的侧壁并延伸至外箱体的内部，所述散热底板的上侧面固定连接有支架，作为信源安装载体的外箱体中的支架上固定安装有光源模组与调制模组用于同时实现照明与信号发出，作为信宿安装载体的外箱体中的支架上固定安装有接收模组、解调模组用于实现接收光源模组传递出的信号，所述外箱体与内箱体的前侧面均固定安装有透明的玻璃，所述监控模组、调制模组、光源模组之间电连接；所述接收模组与解调模组电连接并与成像模组电连接。

优选的，所述调制模组包括数字信号处理器A、现场可编程逻辑门阵列A、数模转换器A，所述光源模组包括光源驱动器、光源灯珠；所述接收模组包括光电元件，所述解调模组包括模数转换器、数字信号处理器B、现场可编程逻辑门阵列B。

优选的，所述接收模组还包括跨阻放大器、低通滤波器。

优选的，所述监控模组为摄像头或水质检测探头，所述光源模组为发光二极管或激光器等。

优选的，所述固定台包括基座，所述基座的上侧面中部开有转槽，所述转槽的内部转动连接有法兰，所述法兰与外箱体的下侧壁固定连接，所述法兰的侧壁上开有环槽，所述基座的侧壁上啮合连接有螺杆，且所述螺杆的内端滑动连接在环槽内部。

优选的，所述减震机构包括开在外箱体内侧壁上的滑槽，所述滑槽的内部对称滑动连接有滑块，且两个滑块之间通过第一弹簧进行连接，两个滑块上均转动连接有顶杆，且两个顶杆的上端支撑有支撑座，所述内箱体安装在支撑座上。

优选的，所述箱盖的内侧壁上通过第二弹簧连接有压板，所述压板压接在内箱体的上侧面上。

优选的，所述壳体与箱盖的连接处通过密封垫进行密封，所述外箱体的侧壁上固定连接有散热栅板。

一种水下可见光实时监控设备系统的数据传输算法流程，包括以下流程：

S1，信源的监控模组获取数据D1，数据D1传输给数字信号处理器A；

S2，数字信号处理器A将数据D1封装处理后通过总线发送给现场可编程逻辑门阵列A并经过处理后转换为数据集DD1；

S3，数据集DD1传送给数模转换器A，数模转换器A将数据集DD1加载在光源驱动器从而控制光源灯珠工作形成光信号L1；

S4，可见光传输到信宿部分；

S5，光电元件接收光信号L1，并将光信号L1经过跨阻放大器、低通滤波器进行处理得到模拟信号，并传输给模数转换器；

S6，模数转换器将模拟信号转变为数字信号S1，并传送给数字信号处理器B；

S7，数字信号处理器B将数字信号S1处理后，传输给现场可编程逻辑门阵列B；

S8，现场可编程逻辑门阵列B处理后传输给成像模组。

优选的，步骤S2中现场可编程逻辑门阵列A的处理流程包括基带调制、N点I/Q扩频、成形滤波、I/Q上变频调制；所述S8中现场可编程逻辑门阵列B的处理流程包括I/Q下变频解调、匹配滤波、N点I/Q解扩、基带解调。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本申请采用发光二极管或激光器等光源携带数据信号，由于它们可以被设计成具有较大的发散角，容易实现大面积空间的均匀照明，且由于其闪烁频率远高于人眼感知范围，因此通信功能不影响照明品质，与传统节能灯相比有更优越的动态照明性能，合理利用了光源模组的高速响应性能；将照明功能、通信功能融为一体，由于不需要设置专用的信号发射设备，减少应用的排线成本；采用可见光频段脉冲调制信号，不产生电磁感染，光闪烁信号中不携带特殊信号，有利于保持良好的电磁兼容性和信息安全；本发明的有效范围为发光二极管或激光器等光源照射的区域，且适用于多个信宿的并行通信，各个信宿之间互不干扰，并且采用高级的调制方式(如脉冲幅度调制、正交频分复用和多输入多输出等)，可提供更高的频谱效率，更好的抗干扰性能，更强的抗信道损耗和更高的传输稳定性。

2.通过设置减震机构，内箱体放置到支撑座的上侧面，第一弹簧被压缩，当产生震动时，第一弹簧的弹力作用，有效提高了内箱体电气元件的稳定性，避免因震动导致电气元件的晃动而使其受损，有效的提高了该装置的减震效率，大大的提高了该装置的实用性；通过支架可对电气元件(光源模组、调制模组、接收模组与解调模组)工作时产生的热量传递到散热底板上，经散热底板将热量传到外箱体的内部，最终通过散热栅板传递到该装置的外部，实现了对内箱体内部的降温作用，避免了电气元件持续处于高温环境中，增加了电气元件的寿命。

附图说明

图1为本发明的整体安装结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的外箱体、减震机构与内箱体处的剖视图；

图4为本发明的外箱体与固定台处的爆炸图；

图5为本发明的壳体、箱盖与密封垫处的爆炸图；

图6为本发明的外箱体、内箱体、散热底板与支架处的剖视图；

图7为本发明的内箱体、散热底板、支架与光源模组处的爆炸图；

图8为本发明的内箱体、散热底板、支架与接收模组处的爆炸图。

图9为本发明的通信流程示意图。

图中：1、外箱体，101、壳体，102、箱盖，2、固定台，201、基座，202、转槽，203、法兰，204、环槽，205、螺杆，3、内箱体，4、减震机构，401、滑槽，402、滑块，403、第一弹簧，404、顶杆，405、支撑座，5、散热底板，6、支架，7、光源模组，701、光源驱动器，702、光源灯珠，8、调制模组，801、数字信号处理器A，802、现场可编程逻辑门阵列A，803、数模转换器A，9、接收模组，901、光电元件，902、跨阻放大器，903、低通滤波器，10、解调模组，1001、模数转换器，1002、数字信号处理器B，1003、现场可编程逻辑门阵列B，11、监控模组，12、玻璃，13、第二弹簧，14、压板，15、密封垫，16、散热栅板。

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。

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种水下可见光实时监控设备系统，包括多个外箱体1，外箱体1由壳体101与箱盖102组成，所述箱盖102盖在壳体101的上侧，箱盖102通过螺栓固定在壳体101上，至少一个外箱体1作为信宿的安装载体，其余外箱体1作为信源的安装载体，且作为信源安装载体的外箱体1上安装有监控模组11，监控模组11可以是摄像头用于实时监控，外箱体1的内部均设置有内箱体3，所述内箱体3的底部且位于外箱体1的内部安装有减震机构4用于实现对内箱体3的减震作用，所述内箱体3的内部固定连接有散热底板5，如图7-8所述，散热底板5的下侧为凹凸状，增加了散热的面积，继而增加散热速度，所述散热底板5的下端贯穿内箱体3的侧壁并延伸至外箱体1的内部，所述散热底板5的上侧面固定连接有支架6，支架6与散热底板5通过螺栓固定连接，散热底板5与支架6的材质为导热性较好的材质，例如铝合金材质，通过支架6可对电气元件工作时产生的热量传递到散热底板5上，经散热底板5将热量传到外箱体1的内部，实现了对内箱体3内部的降温作用，避免了电气元件持续处于高温环境中，作为信源安装载体的外箱体1中的支架6上固定安装有光源模组7与调制模组8用于同时实现照明与信号发出，作为信宿安装载体的外箱体1中的支架上固定安装有接收模组9、解调模组10用于实现接收光源模组7传递出的信号,所述外箱体1与内箱体3的前侧面均固定安装有透明的玻璃12，如图1所示，当光源模组7发光时，发光模块7发出的亮光透过玻璃12照射到外部起到照明的作用，且外部的亮光会透过另一个外箱体1上的玻璃照射到接收模组9上，实现信号的传递，当然作为信宿安装载体的外箱体1的数量可以是多个，其摆放角度不限，以能接收的发光模块7发出的光线即可，所述监控模组11、调制模组8、光源模组7之间电连接；所述接收模组9与解调模组10电连接并与成像模组电连接，成像模组可以是屏幕也可以是外部计算机。

具体而言，所述调制模组8包括数字信号处理器A803、现场可编程逻辑门阵列A802、数模转换器A803，所述光源模组7包括光源驱动器701、光源灯珠702，从而实现将数据处理调制到可见光脉冲中；所述接收模组9包括光电元件901，所述解调模组10包括模数转换器1001、数字信号处理器B1002、现场可编程逻辑门阵列B1003从而能够将可见光脉冲信号进行解读转化处数据信息，本申请采用可见光频段脉冲调制信号，不产生电磁感染，光闪烁信号中不携带特殊信号，有利于保持良好的电磁兼容性，并且可见光有很强的可控指向性，信息安全可靠。

具体而言，所述接收模组9还包括跨阻放大器902、低通滤波器903，从而对信号降低噪音干扰，所述监控模组11为摄像头或水质检测探头，所述光源模组7中的光源灯珠702可采用市售的发光二极管或激光器等。

如图4所示，为了实现外箱体1在固定台2上转动调整角度，并使调整后的外箱体1进行固定，具体而言，所述固定台2包括基座201，基座201的四角设有沉头螺孔，通过螺母与沉头螺孔的配合可将基座201固定在工作面上，所述基座201的上侧面中部开有转槽202，所述转槽202的内部转动连接有法兰203，所述法兰203与外箱体1的下侧壁通过螺栓进行固定连接，所述法兰203的侧壁上开有环槽204，所述基座201的侧壁上啮合连接有螺杆205，且所述螺杆205的内端滑动连接在环槽204内部，将法兰203的下端插进转槽202的内部，然后向内螺杆205，使螺杆205的内端处于环槽204的内部，此时法兰203将会固定在基座201上，且法兰203会在转槽202的内部进行转动，用于调节外箱体1的角度，当外箱体1的角度调好后，再次向内转动螺杆205，此时螺杆205的内端顶着环槽204的侧壁，继而使外箱体1进行固定。

如图3所示，为了对内箱体3进行缓冲减震作用，具体而言，所述减震机构4包括开在外箱体1内侧壁上的滑槽401，所述滑槽401的内部对称滑动连接有滑块402，且两个滑块402之间通过第一弹簧403进行连接，两个滑块402上均转动连接有顶杆404，且两个顶杆404的上端支撑有支撑座405，所述内箱体1安装在支撑座405上，顶杆404具有一定的斜度，当支撑座405向下滑动时，两个顶杆404相对滑动，实现对第一弹簧403进一步的压缩；

当内箱体3放置到支撑座405的上侧面时，减震机构4对内箱体2进行减震，即内箱体3放置到支撑座405的上侧面时第一弹簧403被处于压缩状态，当产生震动时，通过第一弹簧403的弹力作用，使内箱体3在外箱体1的内部上下滑动，继而起到对内箱体3缓冲减震的作用，有效提高了内箱体3内部电气元件的稳定性，避免因震动导致电气元件的晃动而使其受损，大大的提高了该装置的实用性。

具体而言，所述箱盖102的内侧壁上通过第二弹簧13连接有压板14，所述压板14压接在内箱体3的上侧面上，如图3所示，第二弹簧13具有一定的弹性，当箱盖102固定在壳体101上时，压板14通过第二弹簧13的弹力对内箱体3具有向下按动的按压力，继而使内箱体3与减震机构4连接稳固。

具体而言，所述壳体101与箱盖102的连接处通过密封垫15进行密封，密封垫15能够有效防止水进入该装置的内部，从而避免了该装置的内部渗水后使电气元件损坏。为了增加外箱体1的散热速度，具体而言，所述外箱体1的侧壁上固定连接有散热栅板16，散热栅板16为阵列状横置板，与壳体101一体注塑而成，散热栅板16的内端能够与箱体1内部的热量充分接触，可使外箱体1内部的热量通过散热栅板16传递到箱体1的外部，实现快速散热的作用。

本发明提出一种水下可见光实时监控设备系统的数据传输算法流程，包括以下流程：

S1，信源的监控模组11获取数据D1，数据D1传输给数字信号处理器A801；

S2，数字信号处理器A801将数据D1封装处理后通过总线发送给现场可编程逻辑门阵列A802并经过处理后转换为数据集DD1；

S3，数据集DD1传送给数模转换器A801，数模转换器A803将数据集DD1加载在光源驱动器701从而控制光源灯珠702工作形成光信号L1；

S4，通过信道可见光传输到信宿部分；

S5，光电元件901接收光信号L1，并将光信号L1经过跨阻放大器902、低通滤波器903进行处理得到模拟信号，并传输给模数转换器1001；

S6，模数转换器1001将模拟信号转变为数字信号S1，并传送给数字信号处理器B1002；

S7，数字信号处理器B1002将数字信号S1处理后，传输给现场可编程逻辑门阵列B1003；

S8，现场可编程逻辑门阵列B1003处理后传输给成像模组。

并且为了提供更高的频谱效率，更好的抗干扰性能，更强的抗信道损耗和更高的传输稳定性，采用脉冲幅度调制、正交频分复用和多输入多输出等调制方式，其中包含了同步报头、码片报头、载波同步的流程具体见附图9所示，具体而言所述S2中现场可编程逻辑门阵列A802的处理流程包括基带调制、N点I/Q扩频、成形滤波、I/Q上变频调制；所述S8中现场可编程逻辑门阵列B1003的处理流程包括I/Q下变频解调、匹配滤波、N点I/Q解扩、基带解调。

在监控模组11为摄像头，成像模组为屏幕，光电元件901采用雪崩式光电二极管，本系统可实现短距离的实时监控画面传输，具体流程图如图9所示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种水下可见光实时监控设备系统，包括多个外箱体(1)，外箱体(1)由壳体(101)与箱盖(102)组成，所述箱盖(102)盖在壳体(101)的上侧，其特征在于：至少一个外箱体(1)作为信宿的安装载体，其余外箱体(1)作为信源的安装载体，且作为信源安装载体的外箱体(1)上安装有监控模组(11)，外箱体(1)的内部均设置有内箱体(3)，所述内箱体(3)的底部且位于外箱体(1)的内部安装有减震机构(4)用于实现对内箱体(3)的减震作用，所述内箱体(3)的内部固定连接有散热底板(5)，所述散热底板(5)的下端贯穿内箱体(3)的侧壁并延伸至外箱体(1)的内部，所述散热底板(5)的上侧面固定连接有支架(6)，作为信源安装载体的外箱体(1)中的支架(6)上固定安装有光源模组(7)与调制模组(8)用于同时实现照明与信号发出，作为信宿安装载体的外箱体(1)中的支架(6)上固定安装有接收模组(9)、解调模组(10)用于实现接收光源模组(7)传递出的信号，所述外箱体(1)与内箱体(3)的前侧面均固定安装有透明的玻璃(12)，所述监控模组(11)、调制模组(8)、光源模组(7)之间电连接；所述接收模组(9)与解调模组(10)电连接并与成像模组电连接。

2.根据权利要求1所述的一种水下可见光实时监控设备系统，其特征在于：所述调制模组(8)包括数字信号处理器A(801)、现场可编程逻辑门阵列A(802)、数模转换器A(803)，所述光源模组(7)包括光源驱动器(701)、光源灯珠(702)，所述接收模组(9)包括光电元件(901)，所述解调模组(10)包括模数转换器(1001)、数字信号处理器B(1002)、现场可编程逻辑门阵列B(1003)。

3.根据权利要求2所述的一种水下可见光实时监控设备系统，其特征在于：所述接收模组(9)还包括跨阻放大器(902)、低通滤波器(903)。

4.根据权利要求1所述的一种水下可见光实时监控设备系统，其特征在于：所述监控模组(11)为摄像头或水质检测探头，所述光源模组(7)为发光二极管或激光器。

5.根据权利要求1所述的一种水下可见光实时监控设备系统，其特征在于：所述固定台(2)包括基座(201)，所述基座(201)的上侧面中部开有转槽(202)，所述转槽(202)的内部转动连接有法兰(203)，所述法兰(203)与外箱体(1)的下侧壁固定连接，所述法兰(203)的侧壁上开有环槽(204)，所述基座(201)的侧壁上啮合连接有螺杆(205)，且所述螺杆(205)的内端滑动连接在环槽(204)内部。

6.根据权利要求1所述的一种水下可见光实时监控设备系统，其特征在于：所述减震机构(4)包括开在外箱体(1)内侧壁上的滑槽(401)，所述滑槽(401)的内部对称滑动连接有滑块(402)，且两个滑块(402)之间通过第一弹簧(403)进行连接，两个滑块(402)上均转动连接有顶杆(404)，且两个顶杆(404)的上端支撑有支撑座(405)，所述内箱体(1)安装在支撑座(405)上。

7.根据权利要求3所述的一种水下可见光实时监控设备系统，其特征在于：所述箱盖(102)的内侧壁上通过第二弹簧(13)连接有压板(14)，所述压板(14)压接在内箱体(3)的上侧面上。

8.根据权利要求1所述的一种水下可见光实时监控设备系统，其特征在于：所述壳体(101)与箱盖(102)的连接处通过密封垫(15)进行密封，所述外箱体(1)的侧壁上固定连接有散热栅板(16)。

9.一种水下可见光实时监控设备系统的数据传输算法流程，其特征在于，包括以下流程：

S1，信源的监控模组(11)获取数据D1，数据D1传输给数字信号处理器A(801)；

S2，数字信号处理器A(801)将数据D1封装处理后通过总线发送给现场可编程逻辑门阵列A(802)并经过处理后转换为数据集DD1；

S3，数据集DD1传送给数模转换器A(803)，数模转换器A(803)将数据集DD1加载在光源驱动器(701)从而控制光源灯珠(702)工作形成光信号L1；

S4，可见光传输到信宿部分；

S5，光电元件(901)接收光信号L1，并将光信号L1经过跨阻放大器(902)、低通滤波器(903)进行处理得到模拟信号，并传输给模数转换器(1001)；

S6，模数转换器(1001)将模拟信号转变为数字信号S1，并传送给数字信号处理器B(1002)；

S7，数字信号处理器B(1002)将数字信号S1处理后，传输给现场可编程逻辑门阵列B(1003)；

S8，现场可编程逻辑门阵列B(1003)处理后传输给成像模组。

10.根据权利要求9所述的一种水下可见光实时监控设备系统的数据传输算法流程，其特征在于：步骤S2中现场可编程逻辑门阵列A(802)的处理流程包括基带调制、N点I/Q扩频、成形滤波、I/Q上变频调制；所述S8中现场可编程逻辑门阵列B(1003)的处理流程包括I/Q下变频解调、匹配滤波、N点I/Q解扩、基带解调。

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