CN112688738A - 水下无线光发射系统、方法和水下无线光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例是关于一种水下无线光发射系统、方法和水下无线光通信系统。包括：发射机构，包括多个发射不同波长的激光发射器；多模光纤合束器；光纤准直器，将光束调整为直线性光束信号发出；控制模块，控制多个激光发射器间隔预设时间发出多个不同波长的初始光束；光电功率探测器，接收初始光束，获取功率值最大的初始光束对应的光源信息发送至控制模块；控制模块控制与其对应的激光发射器发出通信光束；调制机构，接收通信数据对通信光束进行调制以得到携带通信信号的调制光束。本发明实施例利用不同光波长在不同海水环境的传输性能，针对不同海水环境选择输出后吸收、散射损耗最小的光波长作为通信光源，以提高传输效率、实现高质量通信。

Description

水下无线光发射系统、方法和水下无线光通信系统

技术领域

本发明实施例涉及水下无线通信技术领域，尤其涉及一种水下无线光发射系统、方法和水下无线光通信系统。

背景技术

随着人们对海洋资源开发越来越重视，水下通信技术已成为人们探索海洋的关键技术。目前水下通信技术主要包括声波、RF波以及光波来实现数据的传输，与声波、RF波通信相比，以光波作为水下传输信息载体，具有抗干扰能力强，传输速率快，承载信息量大，安全性高等优点，因此水下无线光通信技术在资源勘探、环境监测、水下机器人等方面有着广泛的应用。

由于海水信道中存在一个低衰减的透光窗口，蓝绿光波段的光束在海水中传输受到的衰减作用比其他波段的光受到的衰减作用低。相关技术中通常利用蓝绿激光作为发射光源，光源器件经过驱动电路产生直流光信号，由激光调制电路将直流光信号调制到激光器上作为发射光束，使其输出带有一定速率的已调制光信号，接收端光电检测器PIN将接收到的光信号转变为电流信号，经过放大整形电路后，将信号恢复为标准波形。而只采用一种工作波长进行水下无线信息传输时，不能保证光信号在不同海水信道中都具有较小的衰减损耗，降低了系统数据传输效率，导致系统适应性较差，对通信性能产生严重影响。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种水下无线光发射系统、方法和水下无线光通信系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种水下无线光发射系统，包括：

发射机构，包括多个发射不同波长光束的激光发射器；

多模光纤合束器，用于将分别与多个激光发射器连接的多模光纤进行合束；

光纤准直器，与所述多模光纤合束器电连接，将接收到的所述光束调整为直线性光束信号发出；

控制模块，分别与所述多个激光发射器电连接，用于控制所述多个激光发射器相互间隔预设时间发出多个不同波长的初始光束；

光电功率探测器，设置在海水信道预设位置处，用于接收经过多模光纤合束器和光纤准直器后的多个不同波长的初始光束，获取功率值最大的初始光束对应的光源信息发送至所述控制模块；

所述控制模块还用于接收所述光源信息并控制与其对应的所述激光发射器发出通信光束；

调制机构，与所述发射机构电连接，用于接收所述通信数据，根据所述通信数据对所述通信光束进行调制以得到携带通信信号的调制光束，所述调制光束经过多模光纤合束器和光纤准直器后在海水信道中进行传输。

本发明的一实施例中，所述激光发射器发出的光束波长范围为400nm～680nm。

本发明的一实施例中，所述发射机构包括3个激光发射器。

本发明的一实施例中，所述3个激光发射器分别发射蓝光、绿光、红光，所述蓝光、绿光、红光的波长分别为450nm、520nm、650nm。

本发明的一实施例中，所述多个激光发射器的最大发射功率为1W。

本发明的一实施例中，所述初始光束的发射功率为所述最大发射功率的10％。

本发明的一实施例中，所述通信光束的发射功率为所述最大发射功率的10％～100％。

本发明的一实施例中，所述预设位置为海水信道中距离所述光纤准直器<1m的位置。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种水下无线光发射方法，采用上述任一实施例所述水下无线光发射系统，该方法包括：

控制模块控制发射机构中的多个激光发射器相互间隔预设时间发出多个不同波长的初始光束；

所述多个不同波长的初始光束依次经过多模光纤合束器和光纤准直器后成为直线性光束信息在海水信道中传输；

设置在所述海水信道预设位置处的光电功率探测器接收到所述多个不同波长的初始光束后，获取功率值最大的初始光束对应的光源信息并发送至所述控制模块；

所述控制模块根据接收到的所述光源信息控制与所述光源信息对应的激光发射器发出通信光束；

调制机构根据接收到的通信数据对所述通信光束进行调制以得到携带通信信号的调制光束；

所述调制光束经过所述多模光纤合束器和所述光纤准直器后在海水信道中进行传输。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种水下无线光通信系统，包括上述任一实施例所述水下无线光发射系统，该系统还包括水下无线光接收系统；

所述水下无线光接收系统包括：

接收光学模块，用于接收所述调制光束；

光电探测模块，与所述接收光学模块电连接，用于获取所述调制光束中的通信信号；

信号处理模块，与所述光电探测模块电连接，用于对所述通信信号进行预设处理，获取所述通信数据。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的实施例中，上述方法及系统，利用不同光波长在不同海水环境的传输性能，针对不同海水环境自主选择输出后吸收、散射损耗最小的光波长作为通信光源，以提高传输效率、实现高质量的水下无线光通信。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明示例性实施例中水下无线光发射系统结构示意图；

图2示出本发明示例性实施例中水下无线光发射方法流程图；

图3示出本发明示例性实施例中水下无线光通信系统结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种水下无线光发射系统。参考图1中所示，该水下无线光发射系统可以包括：发射机构101、多模光纤合束器102、光纤准直器103、控制模块104、光电功率探测器105和调制机构106；所述发射机构101包括多个发射不同波长光束的激光发射器；所述多模光纤合束器102用于将分别与多个激光发射器连接的多模光纤进行合束；所述光纤准直器103与所述多模光纤合束器102电连接，将接收到的所述光束调整为直线性光束信号发出；所述控制模块104分别与所述多个激光发射器电连接，用于控制所述多个激光发射器相互间隔预设时间发出多个不同波长的初始光束；所述光电功率探测器105设置在海水信道107预设位置处，用于接收经过多模光纤合束器102和光纤准直器103后的多个不同波长的初始光束，获取功率值最大的初始光束对应的光源信息发送至所述控制模块104；所述控制模块104还用于接收所述光源信息并控制与其对应的所述激光发射器发出通信光束；所述调制机构106与所述发射机构101电连接，用于接收所述通信数据，根据所述通信数据对所述通信光束进行调制以得到携带通信信号的调制光束，所述调制光束经过多模光纤合束器102和光纤准直器103后在海水信道107中进行传输。

具体的，上述水下无线光发射系统可以包括：发射机构101、多模光纤合束器102、光纤准直器103、控制模块104、光电功率探测器105和调制机构106；所述发射机构101包括有多个发射不同波长光束的激光发射器，多个激光发射器发出互不相同的波长的光束，控制模块104控制所述多个激光发射器相互间隔预设时间发出多个不同波长的初始光束，所述多个初始光束经过多模光纤合束器102和光纤准直器103后变成直线性光束信号在海水信道中传输预设距离后被设置在海水信道107预设位置处的光电功率探测器105接收，所述预设位置为距离所述光纤准直器103预设距离的位置，具体的，所述预设时间可以是所述光电功率探测器105接收到一个光束后，下一个激光发射器进行发射。当所述光电功率探测器105接收到多个激光发射器发射的所有初始光束后，获取经过海水信道107衰减后的功率最大的初始光束对应的光源信息，并将该信息发送至所述控制模块104，所述控制模块104根据该光源信息控制所述光源信息对应的激光发射其发射通信光束，所述通信光束通过调制机构106调制后成为携带有通信信号的调制光束，其中所述调制机构106包括分别与所述多个激光发射器连接的多个调制器，所述调制光束经过多模光纤合束器102和光纤准直器103后在海水信道107中进行信息传输，示例性的，所述光纤准直器103的焦距可以为163mm，直径可以为55mm，当然并不限于此。

上述水下无线光发射系统，利用不同光波长在不同海水环境的传输性能，针对不同海水环境自主选择输出后吸收、散射损耗最小的光波长作为通信光源，以提高传输效率、实现高质量的水下无线光通信。

下面，将参考图1至图3对本示例实施方式中的上述水下无线光发射系统的各个部分进行更详细的说明。

在一个实施例中，所述激光发射器发出的光束波长范围可以为400nm～680nm。示例性的，所述激光发射器发出的光束波长范围为400nm～680nm，该范围为常见海洋环境中较适合通信，衰减和吸收较少的波长的范围。

在一个实施例中，所述发射机构101可以包括3个发射不同波长光束的激光发射器。具体的，现阶段，典型情况下发射机构一般都是包括3个发射不同波长光束的激光发射器。

在一个实施例中，所述3个激光发射器分别发射蓝光、绿光、红光，所述蓝光、绿光、红光的波长分别为450nm、520nm、650nm。示例性的，所述3个激光发射器分别发射蓝光、绿光、红光，所述蓝光、绿光、红光的波长分别为450nm、520nm、650nm，根据水下无线通信的现状可以看出，现阶段，在海水信道107中传输效果较好的光束为波长分别为450nm、520nm、650nm的蓝光、绿光、红光，因此，可优先采用该三种波长的光束在海水信道107中进行测试，获取最优波长光束。

在一个实施例中，所述多个激光发射器的最大发射功率可以为1W。

在一个实施例中，所述初始光束的发射功率可以为所述最大发射功率的10％。所述初始光束仅需在海水信道中传输至光电功率探测器，因此仅需要其发射功率为最大发射功率的10％即可，可以起到节省能源的作用。

在一个实施例中，所述通信光束的发射功率可以为所述最大发射功率的10％～100％。

在一个实施例中，所述预设位置可以为海水信道107中距离所述光纤准直器103<1m的位置。示例性的，所述光电功率探测器105设置在海水信道107中距离所述光纤准直器<1m的位置，由于多个激光发射器是先后向所述光电功率探测器发送初始光束的，因此当预设位置距离所述光纤准直器103<1m时，既可以判断出初始光束在海水信道107中的衰减情况，又可以节省通信时间，当然并不限于此。

本示例实施方式中其次提供了一种水下无线光发射方法，采用上述任一实施例所述水下无线光发射系统，该方法可以包括：

步骤S101：控制模块104控制发射机构101中的多个激光发射器相互间隔预设时间发出多个不同波长的初始光束；

步骤S102：所述多个不同波长的初始光束依次经过多模光纤合束器102和光纤准直器103后成为直线性光束信息在海水信道107中传输；

步骤S103：设置在所述海水信道107预设位置处的光电功率探测器105接收到所述多个不同波长的初始光束后，获取功率值最大的初始光束对应的光源信息并发送至所述控制模块104；

步骤S104：所述控制模块104根据接收到的所述光源信息控制与所述光源信息对应的激光发射器发出通信光束；

步骤S105：调制机构107根据接收到的通信数据对所述通信光束进行调制以得到携带通信信号的调制光束；

步骤S106：所述调制光束经过所述多模光纤合束器102和所述光纤准直器103后在海水信道107中进行传输。

该水下无线光发射方法采用的是上述任一实施例所述水下无线光发射系统，该方法的具体方式已经在有关该水下无线光发射系统的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

上述水下无线光发射方法，利用不同光波长在不同海水环境的传输性能，针对不同海水环境自主选择输出后吸收、散射损耗最小的光波长作为通信光源，以提高传输效率、实现高质量的水下无线光通信。

本示例实施方式中还提供了一种水下无线光通信系统，包括上述任一实施例所述水下无线光发射系统，该系统还可以包括水下无线光接收系统；

所述水下无线光接收系统包括：

接收光学模块201，用于接收所述调制光束；

光电探测模块202，与所述接收光学模块201电连接，用于获取所述调制光束中的通信信号；

信号处理模块203，与所述光电探测模块202电连接，用于对所述通信信号进行预设处理，获取所述通信数据。

该水下无线光通信系统包括上述任一实施例所述水下无线光发射系统，该水下无线光通信系统的具体实施方式已经在有关该水下无线光发射系统的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

上述水下无线光通信系统，利用不同光波长在不同海水环境的传输性能，针对不同海水环境自主选择输出后吸收、散射损耗最小的光波长作为通信光源，以提高传输效率、实现高质量的水下无线光通信。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种水下无线光发射系统，其特征在于，包括：

发射机构，包括多个发射不同波长光束的激光发射器；

多模光纤合束器，用于将分别与多个激光发射器连接的多模光纤进行合束；

光纤准直器，与所述多模光纤合束器电连接，将接收到的所述光束调整为直线性光束信号发出；

控制模块，分别与所述多个激光发射器电连接，用于控制所述多个激光发射器相互间隔预设时间发出多个不同波长的初始光束；

光电功率探测器，设置在海水信道预设位置处，用于接收经过多模光纤合束器和光纤准直器后的多个不同波长的初始光束，获取功率值最大的初始光束对应的光源信息发送至所述控制模块；

所述控制模块还用于接收所述光源信息并控制与其对应的所述激光发射器发出通信光束；

调制机构，与所述发射机构电连接，用于接收所述通信数据，根据所述通信数据对所述通信光束进行调制以得到携带通信信号的调制光束，所述调制光束经过多模光纤合束器和光纤准直器后在海水信道中进行传输。

2.根据权利要求1所述的水下无线光发射系统，其特征在于，所述激光发射器发出的光束波长范围为400nm～680nm。

3.根据权利要求2所述的水下无线光发射系统，其特征在于，所述发射机构包括3个激光发射器。

4.根据权利要求3所述的水下无线光发射系统，其特征在于，所述3个激光发射器分别发射蓝光、绿光、红光，所述蓝光、绿光、红光的波长分别为450nm、520nm、650nm。

5.根据权利要求1所述的水下无线光发射系统，其特征在于，所述多个激光发射器的最大发射功率为1W。

6.根据权利要求5所述的水下无线光发射系统，其特征在于，所述初始光束的发射功率为所述最大发射功率的10％。

7.根据权利要求6所述的水下无线光发射系统，其特征在于，所述通信光束的发射功率为所述最大发射功率的10％～100％。

8.根据权利要求1～8任一项所述的水下无线光发射系统，其特征在于，所述预设位置为海水信道中距离所述光纤准直器小于<1m的位置。

9.一种水下无线光发射方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述水下无线光发射系统，该方法包括：

控制模块控制发射机构中的多个激光发射器相互间隔预设时间发出多个不同波长的初始光束；

所述多个不同波长的初始光束依次经过多模光纤合束器和光纤准直器后成为直线性光束信息在海水信道中传输；

设置在所述海水信道预设位置处的光电功率探测器接收到所述多个不同波长的初始光束后，获取功率值最大的初始光束对应的光源信息并发送至所述控制模块；

所述控制模块根据接收到的所述光源信息控制与所述光源信息对应的激光发射器发出通信光束；

调制机构根据接收到的通信数据对所述通信光束进行调制以得到携带通信信号的调制光束；

所述调制光束经过所述多模光纤合束器和所述光纤准直器后在海水信道中进行传输。

10.一种水下无线光通信系统，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述水下无线光发射系统，该系统还包括水下无线光接收系统；

所述水下无线光接收系统包括：

接收光学模块，用于接收所述调制光束；

光电探测模块，与所述接收光学模块电连接，用于获取所述调制光束中的通信信号；

信号处理模块，与所述光电探测模块电连接，用于对所述通信信号进行预设处理，获取所述通信数据。

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