CN112821958B - 一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射方法和系统，该方法包括：S1、将待发射的数据信息进行编码后产生电信号；S2、将所述电信号转换为蓝绿激光信号；S3、利用随机微透镜阵列增大所述蓝绿激光信号的发散角；S4、将达到设定发散角的蓝绿激光信号进行发射。本发明的方法通过简单的随机微透镜阵列即可增大蓝绿激光信号的发射角，使得结构简单、体积小、复杂度低、便于推广应用；此外，本发明的方法采用随机微透镜阵列产生发射信号时，可以根据所要实现的光束出射角和辐射强度分布合理设计微透镜阵列的随机分布特征，因此本方法在使用中灵活性较好。

Description

一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射方法及 系统

技术领域

本发明属于水下无线通信领域，具体涉及一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射方法及系统。

背景技术

地球上70％以上的表面被海洋覆盖，在这片广袤的水下空间里蕴藏着丰富的矿产和生物资源。近年来，随着陆地资源的日益紧缺，世界各国纷纷加强了对海洋的探索和开发。在水下科学研究和工程应用中，通信技术至关重要。其中，蓝绿激光通信由于具有传输速率高、延迟低、重量轻、体积功耗小等突出优点，能够解决水下近距离无线数据传输需求，已成为水下通信的重要发展方向。特别地，将蓝绿激光通信与水下机器人等移动平台结合，能够发挥激光通信大容量传输的特点，在海底数据回收等领域具有广阔的应用前景。

在实际应用中，水下蓝绿激光通信面临的首要难题是如何使得通信发射机和接收机之间的指向对准，在水中建立光信号的传输链路。一般地，为了便于在水下建立稳定的无线光通信传输链路，一般会在通信发射端增大蓝绿激光通信信号的出射角度，以此降低通信系统对于发射端和接收端指向对准精度的要求，并消除通信终端晃动对于通信质量的影响。

在工程应用中，为了增大水下蓝绿激光通信的发射角，目前常用的方法有两种：一种方法是在发射端利用复杂的光学系统对激光信号整形，这种方法可以设计出任意出射角的激光光束，但系统较为复杂，极大的增加了发射装置的体积和重量，不利于设备在水下的使用；并且所产生的激光信号辐射强度常常不够均匀，这将导致通信终端指向晃动时，通信质量受到影响。另一种方法是通过毛玻璃对激光整形，通过漫反射或者折射的方法增大激光信号出射角度，这种方法虽然只需要单个光学元件即可增大透射光的角度，然而光信号的透过率低，能量损耗大，信号能量的有效利用率低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射方法及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射方法，包括：

S1、将待发射的数据信息进行编码后产生电信号；

S2、将所述电信号转换为蓝绿激光信号；

S3、利用随机微透镜阵列增大所述蓝绿激光信号的发散角；

S4、将达到设定发散角的蓝绿激光信号进行发射。

在一个具体实施方式中，所述随机微透镜阵列包括若干微透镜单元，且所述微透镜单元的分布位置符合预设概率分布函数。

在一个具体实施方式中，所述电信号通过直接调制的方式驱动蓝绿波段的LD发光产生蓝绿激光信号。

在一个具体实施方式中，所述预设概率分布函数根据蓝绿激光信号的光束发散角和辐射强度来确定。

本发明同时提供了一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射系统，包括：

数据编码模块，用于将待发射的数据信息进行编码后产生电信号；

LD调制模块，用于将所述电信号转换为蓝绿激光信号；

随机微透镜阵列，用于增大所述蓝绿激光信号的发散角，并将达到设定发散角的蓝绿激光信号进行发射。

在一个具体实施方式中，所述随机微透镜阵列包括若干微透镜单元，且所述微透镜单元的分布位置符合预设概率分布函数。

在一个具体实施方式中，所述电信号通过直接调制的方式驱动蓝绿波段的LD发光产生蓝绿激光信号。

在一个具体实施方式中，所述预设概率分布函数根据蓝绿激光信号的光束发散角和辐射强度来确定。

本发明的有益效果：

1、本发明的方法通过简单的随机微透镜阵列即可增大蓝绿激光信号的发射角，使得结构简单、体积小、复杂度低、便于推广应用；

2、本发明的方法采用随机微透镜阵列产生发射信号时，可以根据所要实现的光束出射角和辐射强度分布合理设计微透镜阵列的随机分布特征，因此本方法在使用中灵活性较好。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射系统示意图；

图3是本发明实施例提供的一个实例中的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射方法流程图，包括：

S1、将待发射的数据信息进行编码后产生电信号；

S2、将所述电信号转换为蓝绿激光信号；

S3、利用随机微透镜阵列增大所述蓝绿激光信号的发散角；

S4、将达到设定发散角的蓝绿激光信号进行发射。

在一个具体实施方式中，所述随机微透镜阵列包括若干微透镜单元，且所述微透镜单元的分布位置符合预设概率分布函数。

具体的，所述的随机微透镜阵列由许多不同的、独立控制加工而成的微透镜单元组成；每一个微透镜单元都根据表面轮廓和阵列位置进行单独设定。微透镜在空间中的排布呈现一种随机分布状态，可以根据微透镜阵列所要实现的光束发散角和强度轮廓而选择和设计透镜位置的概率分布函数。

在一个具体实施方式中，所述电信号通过直接调制的方式驱动蓝绿波段的LD发光产生蓝绿激光信号。

在一个具体实施方式中，所述预设概率分布函数根据蓝绿激光信号的光束发散角和辐射强度来确定。也就是说，本实施例可以根据不同的应用需求，可以选择或设计不同的微透镜阵列，来实现不同的光信号出射角、空间分布和强度轮廓。与现有的水下蓝绿激光通信发射技术相比，这种方法具有结构简单、透射效率高、灵活性好的特点。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射系统示意图，包括：

数据编码模块，用于将待发射的数据信息进行编码后产生电信号；

LD调制模块，用于将所述电信号转换为蓝绿激光信号；

随机微透镜阵列，用于增大所述蓝绿激光信号的发散角，并将达到设定发散角的蓝绿激光信号进行发射。

在一个具体实施方式中，所述随机微透镜阵列包括若干微透镜单元，且所述微透镜单元的分布位置符合预设概率分布函数。

在一个具体实施方式中，所述电信号通过直接调制的方式驱动蓝绿波段的LD发光产生蓝绿激光信号。

在一个具体实施方式中，所述预设概率分布函数根据蓝绿激光信号的光束发散角和辐射强度来确定。

实施例二

请参见图3，图3是本发明实施例提供的一个实例中的结构示意图。

在该示例中，首先，利用误码仪产生一组伪随机二进制序列(Pseudo-RandomBinary Sequence，PRBS)用来模拟通信数据，并利用该PRBS序列控制蓝绿光通信发射机输出的光信号。光信号的调制格式为开关键控(On-offKeying，OOK)：即，当PRBS序列为逻辑“1”时，通信发射机有光信号输出；当PRBS序列为逻辑“0”时，通信发射机没有光信号输出。因此，可以用光信号的有无表征通信数据。该实施例中，可选的光源可以是Osram公司生产的型号为PLT-450B的蓝光LD，通过直接调制的方式将误码仪输出的电信号转换为光信号。

然后，光信号经过随机微透镜阵列将其发散角增大。可选的随机微透镜阵列可以使用Thorlabs公司生产的ED1-C50工程漫射体，这是一种商业化随机微透镜阵列，可以使得LD光束的发散角变为50°，光能量的透过率高达90％，光斑辐射强度的均匀度达到80％以上。

最后，光信号经过2m的水槽传输后，利用光电探测器将光信号转换为电信号；并对电信号判决，从中恢复出原始的通信数据，即逻辑“1”和逻辑“0”。利用误码仪将接收到的逻辑数据和发射的逻辑数据逐个比对，测试通信系统的误码率。

在具体实施中，设置误码仪输出的信号速率为20Mbps。LD调制模块和随机微透镜阵列作为通信发射装置放置在一个可以旋转的基座上。此时调整通信系统使得发射装置光束中心与激光器正入射时的误码率约为1E-9；此时旋转基座，测试不同光束指向下的系统误码率，以1分钟为单位统计系统的误码率，进行大量测试，测试结果如表1所示。可以看到，当发射装置的光束中心指向与接收探测器法线夹角在-25°到25°之间变化时，误码率变化很小，对于通信质量影响很小，能够满足一般通信业务传输的要求。

表1：测试结果

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。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射方法，其特征在于，包括：

S1、将待发射的数据信息进行编码后产生电信号；

S2、将所述电信号转换为蓝绿激光信号；

S3、利用随机微透镜阵列增大所述蓝绿激光信号的发散角；

S4、将达到设定发散角的蓝绿激光信号进行发射；

其中，所述随机微透镜阵列包括若干微透镜单元，且所述微透镜单元的分布位置符合预设概率分布函数，所述电信号通过直接调制的方式驱动蓝绿波段的LD发光产生蓝绿激光信号，所述预设概率分布函数根据蓝绿激光信号的光束发散角和辐射强度来确定。

2.一种基于随机微透镜阵列的水下蓝绿激光通信发射系统，其特征在于，包括：

数据编码模块，用于将待发射的数据信息进行编码后产生电信号；

LD调制模块，用于将所述电信号转换为蓝绿激光信号；

随机微透镜阵列，用于增大所述蓝绿激光信号的发散角，并将达到设定发散角的蓝绿激光信号进行发射；

其中，所述随机微透镜阵列包括若干微透镜单元，且所述微透镜单元的分布位置符合预设概率分布函数，所述电信号通过直接调制的方式驱动蓝绿波段的LD发光产生蓝绿激光信号，所述预设概率分布函数根据蓝绿激光信号的光束发散角和辐射强度来确定。

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