CN112713944A - 基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统及光通信方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及水下可见光通信技术领域，具体涉及一种基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统及其方法、存储装置，该水下无线光通信系统包括：发射装置，包括信号调制单元，用于载入预置信号并基于计算时域鬼成像算法对预置信号进行调制，以产生调制信号；信号产生单元，用于载入调制信号，并产生相应的驱动电压信号；光源，用于根据调制信号产生光信号；接收装置包括：光探测器，用于探测光信号的光强值，并进行光电转换；数据采集单元，用于获取光探测器的电信号；以及数据同步与处理单元，进行关联计算，以得到预置信号的重构信号。通过上述方式，能够解决现有水下无线光通信技术中存在的通信距离短、发射频率低等问题。

Description

基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统及光通信方法
技术领域
本申请属于水下无线光通信技术领域，具体涉及基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统及光通信方法、存储装置。
背景技术
目前，在水下环境中进行通信的方式有三种，分别是采用声波、射频波和光波进行数据传输。
本申请发明人在长期研发过程中，发现水下声波通信的传输数据速率相对较低(通常是kbps级别)，且声波在水中的传播速度慢，导致严重的通信延迟；水下射频通信的射频波衰减严重，只能传播几米；水下可见光通信中的光波在传输过程中会经历吸收和散射，导致光波的能量迅速衰减，探测器接收到的光功率过小，导致信号的信噪比过低、通信距离短、发射频率低、在长距离通信中很难达到理想的通信效果甚至无法通信。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请提供一种基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统及其方法、存储装置，以解决上述现有技术的通信距离短、发射频率低、长距离通信效果差的问题。
为了解决上述问题，本申请提出一种基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统，包括发射装置和接收装置；发射装置包括：信号调制单元，用于载入预置信号并基于计算时域鬼成像算法对预置信号进行调制，以产生调制信号；信号产生单元，用于载入调制信号，并产生相应的驱动电压信号；光源，用于根据驱动电压信号产生光信号；以及同步控制单元，用于实现发射装置与接收装置的时间同步；接收装置包括：光探测器，用于探测光信号的光强值，并进行光电转换；数据采集单元，用于获取光探测器的电信号；以及数据同步与处理单元，用于控制信号产生单元与数据采集单元的数据同步，并进行关联计算，以得到预置信号的重构信号。
为了解决上述问题，本申请提出一种基于计算时域鬼成像的光通信方法，该方法包括以下步骤：载入预置信号；基于计算时域鬼成像算法对预置信号进行调制，以产生调制信号；载入调制信号，并产生相应的驱动电压信号；根据调制信号产生光信号；探测光信号的光强值，以得到与光强值相关的电信号；基于电信号进行关联计算，以得到预置信号的重构信号。
为了解决上述问题，本申请提出一种存储装置，存储装置存储有能够实现如前述的基于计算时域鬼成像的光通信方法的程序文件。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：本申请将计算时域鬼成像应用于水下无线光通信系统中，能够在使用低带宽探测器的水下无线光通信(Underwater WirelessOptical Communication，UWOC)系统中传输高频信号，突破了UWOC系统的带宽限制，实现超带宽传输，并且系统简单，可有效节约成本。此外，由于低带宽探测器具有较高的探测灵敏度，对于微弱信号的响应较强，因此，可以在实现超带宽传输的同时实现远距离通信，在水下通信、海底石油勘探、海洋环流监测等领域有很好的应用前景。
附图说明
图1是本申请的基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统第一实施例的结构示意图；
图2是本申请的基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统第二实施例的结构示意图；
图3是本申请的基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统第三实施例的结构示意图；
图4是本申请的基于计算时域鬼成像的光通信方法第一实施例的流程示意图；
图5是本申请的基于计算时域鬼成像的光通信方法第二实施例的流程示意图；
图6是本申请的基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统应用示意图；
图7是本申请所使用的128×128哈达玛矩阵，其中白色表示1，黑色表示-1；
图8是在1GHz发射频率下，本申请的基于计算时域鬼成像(TGI)的水下无线光通信重构信号与预置信号的对比图；
图9是在1GHz发射频率下，基于OOK的水下无线光通信重构信号与预置信号的对比图；
图10是本申请的存储装置一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
图1是本申请的基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统第一实施例的结构示意图。在一实施例中，水下无线光通信系统10应用于水下通信、海底石油勘探、海洋环流监测等领域，水下无线光通信系统10包括发射装置11和接收装置12。
发射装置11包括：信号调制单元117、信号产生单元111、光源112以及同步控制单元113。接收装置12包括：光探测器121、数据采集单元122以及数据同步与处理单元123。
具体而言，信号调制单元117可以为计算机，用于载入预置信号并基于计算时域鬼成像算法对预置信号进行调制，以产生调制信号。
信号产生单元111可以为任意波形发生器，任意波形发生器可以从现有技术中选择，任意波形发生器用于载入调制信号，并产生相应的驱动电压信号。
光源112可以为激光器或LED，光源112用于根据驱动电压信号产生光信号。同步控制单元113用于实现发射装置11与接收装置12的时间同步。
光探测器121可以为PN二极管，PIN二极管，雪崩二极管或其他集成光敏的二极管的光强探测器，光探测器121用于探测光信号的光强值，并将光强值转换为相关的电信号。
数据采集单元122用于获取光探测器121的电信号，并对电信号进行放大，得到光强值的涨落信息。
数据同步与处理单元123，用于控制信号产生单元111与数据采集单元122的数据同步，并进行关联计算，以得到预置信号的重构信号。
其中，同步控制单元113和数据同步与处理单元123采用水下无线通信方案，或分别采用内部同步时钟实现发射装置11和接收装置12的时间同步。
采用新型的调制技术——计算时域鬼成像技术，能够提高长距离水下无线光通信的通信质量。鬼成像又称双光子成像或关联成像，是一种利用双光子符合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术。鬼成像通过投射随机散斑到物体上，然后使用一个无空间分辨率的探测器接收所有的散射(或投射)光强，另一个具有空间分辨率的探测器则接收散斑，最后把散斑和探测到的光强进行关联计算得到图像。将空间域的鬼成像技术应用于计算时域鬼成像，本申请基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统10只需要一个光探测器121。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：本申请将计算时域鬼成像应用于水下无线光通信系统10中，能够在使用低带宽探测器的水下无线光通信(Underwater WirelessOptical Communication，UWOC)系统中传输高频信号，突破了UWOC系统的带宽限制，实现超带宽传输，并且系统简单，可有效节约成本。此外，由于低带宽探测器具有较高的探测灵敏度，对于微弱信号的响应较强，因此，可以在实现超带宽传输的同时实现远距离通信，在水下通信、海底石油勘探、海洋环流监测等领域有很好的应用前景。
图2是本申请的基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统第二实施例的结构示意图。在一实施例中，发射装置11还包括：直流源114和偏置器115。
具体而言，直流源114可以为直流电压源或者直流电流源，直流源114用于为信号产生单元111提供直流。偏置器115用于耦合直流源114输出的直流信号以及信号产生单元111输出的调制信号，并将其输出给光源112。
在一实施例中，调制信号为：基于Labview软件对M位PRBS码进行调制所得到的数字信号。
数据同步与处理单元123，用于对光强值对应的电信号以及大小为M×M的哈达玛矩阵进行关联计算，以得到预置信号的重构信号。
具体而言，哈达玛矩阵的维数为128×128，基于Labview软件对128位PRBS码进行调制得到调制信号。该调制信号为数字信号，数字信号包括1、-1、0，将该数字信号加载到任意波形发生器，设置最大输出Vpp，通过偏置器115将直流源114与任意波形发生器耦合后驱动光源112，光源112的光强就会根据数字信号而变化。
在一实施例中，光探测器121的对应于光强值的探测结果为Ri(t)，Ri(t)＝S(t)Bi(t)，其中，S(t)为预置信号，Bi(t)为载入到信号调制单元117中的预置信号所接受的第i个调制时间基，1≤i≤N，且i为整数。
光探测器121在第i次调制期间接收的光强值对应的探测结果为Ti，
Figure BDA0002798163020000061
其中，τ为一个调制周期。
关联计算采用的公式为：S’(t)＝<(Ti-<T>)(Bi(t)-<B(t)>)>，其中，S’(t)为重构信号，<>表示对N次测量取总体平均值。
图3是本申请的基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统第三实施例的结构示意图。数据采集单元122包括前置转换放大电路1221与数据采集卡1222。数据采集卡1222是AD数据采集卡，前置转换放大电路1221与数据采集卡1222用物理连线连接。数据采集卡1222具有能够通过外部的同步信号来触发采集操作进行的触发采集端口。
其中，前置转换放大电路1221用于将电流信号转化为电压信号，同时进行电压信号的放大，其增益可调。数据采集卡1222用于以与信号产生单元111同频率的速率连续性地采集放大后的电压信号，以得到光强值的涨落信息。涨落信息就是指光强值的变化，不同时间i对应的光强值不同。
在本申请的另一个实施例中，数据采集单元122中的数据采集卡1222在内部时钟控制下，以高于信号产生单元111翻转频率的速率进行连续采集，并通过数据同步与处理单元123的解同步算法实现信号产生单元111与数据采集单元122之间的数据同步。采用这种方式数据采集卡1222不需要跟数据同步与处理单元123连线，不需要外部同步信号触发采集操作。即不是通过电信号进行同步，而是用算法同步。特别适用于不能通过电信号同步的场合，比如采集卡不带有触发采集功能。
图4是本申请的基于计算时域鬼成像的光通信方法第一实施例的流程示意图。需注意的是，若有实质上相同的结果，本申请的方法并不以图4所示的流程顺序为限。本申请实施例的光通信方法可通过上述实施例的水下无线光通信系统10实现。
如图4所示，该方法包括以下步骤：
S10：载入预置信号。
S20：基于计算时域鬼成像算法对预置信号进行调制，以产生调制信号。
S30：载入调制信号。
具体而言，通过任意波形发生器载入调制信号。
S40：根据调制信号产生光信号。
具体而言，通过光源112根据调制信号产生光信号。
S50：探测光信号的光强值，以得到与光强值相关的电信号。
具体而言，通过光探测器121探测光信号的光强值，并将光强值化为相关的电信号。
S60：基于电信号进行关联计算，以得到预置信号的重构信号。
具体而言，通过数据采集单元122用于获取光探测器121的电信号，并对电信号进行放大，得到光强值的涨落信息。通过数据同步与处理单元123控制数据采集单元122与信号产生单元111的数据同步，并基于电信号进行关联计算，以得到预置信号的重构信号。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：本申请将计算时域鬼成像应用于水下无线光通信系统10中，能够在使用低带宽探测器的水下无线光通信(Underwater WirelessOptical Communication，UWOC)系统中传输高频信号，突破了UWOC系统的带宽限制，实现超带宽传输，并且系统简单，可有效节约成本。此外，由于低带宽探测器具有较高的探测灵敏度，对于微弱信号的响应较强，因此，可以在实现超带宽传输的同时实现远距离通信，在水下通信、海底石油勘探、海洋环流监测等领域有很好的应用前景。
图5是本申请的基于计算时域鬼成像的光通信方法第二实施例的流程示意图。
步骤S20包括：
S21：基于Labview软件使用M×M的哈达玛矩阵对M位PRBS码进行M次调制，以产生调制信号，其中，调制信号为数字信号。
步骤S60包括：
S61：对光强值对应的电信号以及大小为M×M的哈达玛矩阵进行关联计算，以得到重构信号。
在一实施例中，光探测器121的对应于光强值的探测结果为Ri(t)，Ri(t)＝S(t)Bi(t)，其中，S(t)为预置信号，Bi(t)为载入到信号调制单元117中的预置信号所接受的第i个调制时间基，1≤i≤N，且i为整数。
光探测器121在第i次调制期间接收的光强值对应的探测结果为Ti，
Figure BDA0002798163020000081
其中，τ为一个调制周期。
关联计算采用的公式为：S’(t)＝<(Ti-<T>)(Bi(t)-<B(t)>)>，其中，S’(t)为重构信号，<>表示N次测量的总体平均值。
下面以一个实施场景对本申请技术方案作进一步的说明。
本申请的发明人使用美国NI公司的虚拟仪器开发平台Labview,利用它在信号处理、图形呈现以及用户界面设计上的优势，使用已知的随机调制对M位PRBS码进行多次调制，并通过将多次调制的结果拼接得到调制信号。
任意波形发生器载入调制信号，并产生对应的驱动电压信号。光源112在任意波形发生器的控制下根据调制信号发出强度变化受控的光信号。
继续参阅图2，光信号经过准直透镜116的聚焦后进入水下信道，在水下信道相互作用后，最终到达接收装置12，并通过接收装置12的聚焦透镜125进入光探测器121，由光探测器121探测到的光强值经过示波器(图未示出)采集后进入计算机(图未示出)，并进行关联计算。
关联计算采用的公式为：S’(t)＝<(Ti-<T>)(Bi(t)-<B(t)>)>，其中，
Figure BDA0002798163020000091
Ri(t)＝S(t)Bi(t)。
上述公式中S’(t)为重构信号，Ti为探测结果Ri(t)的积分值值，Bi(t)为载入到任意波形发生器中的预置信号S(t)所接受的第i个调制时间基，<>表示N次测量的总体平均值。
实施例1
为了实现水下长距离无线光通信，本申请的水下无线光通信系统10的LOS(lineof sight)信道模型和NLOS(not line of sight)信道模型的结构如图6所示。
水下无线光通信方法:
首先使携带了本申请发射装置11的水下机器人或水下潜航装置与携带了本申请接收装置12的水下机器人或水下潜航装置进行通信前的准备，包括光路对准、同步等。准备完成后，发射装置11发送经过计算时域鬼成像算法调制的信号，接收装置12探测光信号的光强值，并将光强值化为相关的电流信号，并将电流信号转换成电压信号，进行关联计算从而恢复128位PRBS码，完成通信。
实施例2
在实验室条件下，使用装水玻璃容器模拟海洋水下环境，将128位PRBS码经过调制后产生的调制信号(预置信号经128次调制后拼接成的数字信号)加载到任意波形发生器中，以1GHz的频率驱动光源112发出光信号。光信号在水下传播到接收装置12，经过接收装置12的聚焦透镜125聚集后被光探测器121接收并产生电信号，将电信号与128×128哈达玛矩阵(如图7所示)进行二阶关联计算，在纯水中得出重构信号如图8所示；采用OOK调制的水下无线光通信系统10同样采样128组后取平均值的信号如图9所示，实验证明在水下长距离无线光通信中，本申请中的计算时域鬼成像算法可以比较完整地重构128位PRBS码。图8、图9中的横坐标是第i位的信号，单位1ns是因为采用了1GHz的发送频率，纵坐标是归一化的探测电压值，为了体现“比较完整地重构原始信号”，特地在图三和图四中添加了预置信号以作对比，可以明显看出图三的水下无线光通信重构信号与预置信号更接近。
参阅图10，图10为本申请的存储装置一实施例的结构示意图，有能够实现上述所有方法的程序文件21，该程序文件21以软件产品的形式存储在上述存储装置中，同时还是记录各种计算的数据，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，智能机器人，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式方法的全部或部分步骤。
所述程序文件21还具有一定独立性，可以在运行系统、备份系统发生故障时候继续配合处理器执行相关指令，在升级、引导程序升级以及修复中不会被替换、损坏以及清空。
而前述的存储装置包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等终端设备。
综上所述，本申请将计算时域鬼成像应用于水下无线光通信系统中，能够在使用低带宽探测器的水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication，UWOC)系统中传输高频信号，突破了UWOC系统的带宽限制，实现超带宽传输，并且系统简单，可有效节约成本。此外，由于低带宽探测器具有较高的探测灵敏度，对于微弱信号的响应较强，因此，可以在实现超带宽传输的同时实现远距离通信，在水下通信、海底石油勘探、海洋环流监测等领域有很好的应用前景。
以上详细描述了本申请的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本申请的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本申请的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于计算时域鬼成像的水下无线光通信系统，其特征在于，包括发射装置和接收装置；
所述发射装置包括：
信号调制单元，用于载入预置信号并基于计算时域鬼成像算法对所述预置信号进行调制，以产生调制信号；
信号产生单元，用于载入所述调制信号，并产生相应的驱动电压信号；
光源，用于根据所述驱动电压信号产生光信号；以及
同步控制单元，用于实现所述发射装置与所述接收装置的时间同步；
所述接收装置包括：
光探测器，用于探测所述光信号的光强值，并进行光电转换；
数据采集单元，用于获取所述光探测器的电信号；以及
数据同步与处理单元，用于控制所述信号产生单元与所述数据采集单元的数据同步，并进行关联计算，以得到所述预置信号的重构信号。
2.根据权利要求1所述的水下无线光通信系统，其特征在于，所述发射装置还包括：
直流源，用于为所述信号产生单元提供直流；
偏置器，用于耦合所述直流源输出的直流信号以及所述信号产生单元输出的所述调制信号，并将其输出给所述光源。
3.根据权利要求1所述的水下无线光通信系统，其特征在于，
所述预置信号为：基于Matlab软件产生的M位PRBS码；
所述信号调制单元，用于基于Labview软件使用M×M的哈达玛矩阵对所述M位PRBS码进行M次调制，以产生所述调制信号，其中，所述调制信号为数字信号；
所述数据同步与处理单元，用于对所述光强值对应的电信号以及大小为M×M的哈达玛矩阵进行关联计算，以得到所述预置信号的重构信号。
4.根据权利要求1所述的水下无线光通信系统，其特征在于，
所述光探测器的对应于所述光强值的探测结果为Ri(t)，
其中，Ri(t)＝S(t)Bi(t)，
其中，S(t)为所述预置信号，Bi(t)为载入到所述信号调制单元中的所述预置信号所接受的第i个调制时间基，1≤i≤N，且i为整数；
所述光探测器在第i次调制期间接收的所述光强值对应的探测结果为Ti，
Figure FDA0002798163010000021
其中，τ为一个调制周期；
所述关联计算采用的公式为：
S’(t)＝<(Ti-<Ti>)(Bi(t)-<Bi(t)>)>，其中，S’(t)为
所述重构信号，<>表示对N次测量取总体平均值。
5.根据权利要求1所述的水下无线光通信系统，其特征在于，所述同步控制单元采用内部同步时钟实现所述发射装置与所述接收装置的时间同步。
6.根据权利要求1所述的水下无线光通信系统，其特征在于，
所述光探测器，用于探测所述光信号的光强值，以得到与所述光强值相关的电信号；
所述数据采集单元包括前置转换放大电路与数据采集卡，所述前置转换放大电路用于信号放大；所述数据采集卡用于以与所述信号产生单元同频率的速率连续性地采集放大后的所述电压信号，以得到所述光强值的涨落信息。
7.一种基于计算时域鬼成像的光通信方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
载入预置信号；
基于计算时域鬼成像算法对所述预置信号进行调制，以产生调制信号；
载入所述调制信号，并产生相应的驱动电压信号；
根据所述调制信号产生光信号；
探测所述光信号的光强值，以得到与所述光强值相关的电信号；
基于所述电信号进行关联计算，以得到所述预置信号的重构信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述基于计算时域鬼成像算法对所述预置信号进行调制，以产生调制信号的步骤，包括：基于Labview软件使用M×M的哈达玛矩阵对所述M位PRBS码进行M次调制，以产生所述调制信号，其中，所述调制信号为数字信号；
所述基于所述电信号进行关联计算，以得到所述预置信号的重构信号的步骤，包括：对所述光强值对应的所述电信号以及大小为M×M的哈达玛矩阵进行关联计算，以得到所述重构信号。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述探测所述光信号的光强值的步骤中，对应于所述光强值的探测结果为Ri(t)，
其中，Ri(t)＝S(t)Bi(t)，
其中，S(t)为所述预置信号，Bi(t)为所述预置信号所接受的第i个调制时间基，1≤i≤N，且i为整数；
所述光探测器在第i次调制期间接收的所述光强值对应的探测结果为Ti，
Figure FDA0002798163010000031
其中，τ为一个调制周期；
所述关联计算采用的公式为：
S’(t)＝<(Ti-<Ti>)(Bi(t)-<Bi(t)>)>，其中，S’(t)为所述重构信号，<>表示对N次测量的总体平均值。
10.一种存储装置，其特征在于，所述存储装置存储有能够实现如权利要求7-9中任一项所述的基于计算时域鬼成像的光通信方法的程序文件。
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