CN113014327A - 一种水下无线光通信测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种水下无线光通信测试装置。该装置包括：光源，用于提供初始光信号；水箱，包括水管，水管上设置有水泵，所述水泵用于控制所述水管中的水流速以模拟水下环境；检测模块，与所述光源间隔所述水箱对立设置，所述检测模块与所述水泵连接，所述检测模块用于接收所述初始光信号经过所述水管得到的目标光信号，并根据所述水流速对所述目标光信号进行分析评价。本发明实施例实现了简单有效的模拟水下环境的无线光通信。

Description

一种水下无线光通信测试装置
技术领域
本发明涉及光信号技术领域，尤其涉及一种水下无线光通信测试装置。
背景技术
光波在水下传播时，受复杂的水下环境的因素比较多，如吸收、散射和湍流等。近几年来，研究者们多集中在研究吸收和散射对水下无线光通信的影响。
虽然吸收和散射是光波在水下传播衰减的最主要因素，但是在比较复杂的水下环境，例如海洋湍流中，相比于吸收和散射可能对水下无线光通信信道造成更为严重的影响，海洋湍流的实质是一种紊乱的流动，其本质是水折射率的快速变化，特征是海水的流动杂乱无章，既存在横向流动，又存在纵向流动，且海水中每点的速度和方向都在快速变化，海洋湍流还会对光波的辐照度波动(闪烁)和相位波动产生重要的影响，具体来说，闪烁会导致接收信号的衰落，使其低于可检测的阈值，并最终不被仪器所检测接收到。
因此，水下环境的无线光通信模拟是复杂和困难的。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提出了一种水下无线光通信测试装置。
第一方面，本发明实施例提供一种水下无线光通信测试装置，所述装置包括：
光源，用于提供初始光信号；
水箱，包括水管，水管上设置有水泵，所述水泵用于控制所述水管中的水流速以模拟水下环境；
检测模块，与所述光源间隔所述水箱对立设置，所述检测模块与所述水泵连接，所述检测模块用于接收所述初始光信号经过所述水管得到的目标光信号，并根据所述水流速对所述目标光信号进行分析评价。
作为优选的，所述水管上还设置有流量计，所述流量计用于获取所述水管中的水流量，所述检测模块用于根据所述水流速和水流量对所述目标光信号进行分析评价。
作为优选的，所述水管包括直流水管和控制水管，所述直流水管和所述控制水管连接，所述水泵和流量计设置在所述控制水管上，所述初始光信号经过所述直流水管后得到的目标光信号照射至所述检测模块。
作为优选的，所述光源为激光器。
作为优选的，所述装置还包括：
温度控制器，设置在所述激光器上，所述温度控制器用于控制所述激光器的温度保持恒定。
作为优选的，所述装置还包括：
电源模块，与所述光源连接，所述电源模块用于给所述光源提供电源电压。
作为优选的，所述电源模块包括直流电源、误码仪和偏置器，所述偏置器分别与所述直流电源、所述误码仪和所述光源连接，所述直流电源用于给所述偏置器提供所述光源的工作电压，所述误码仪用于给所述偏置器提供所述光源的信号电压，所述偏置器用于将所述工作电压和信号电压耦合为电源电压后提供给所述光源。
作为优选的，所述检测模块包括探测器和数字分析仪，所述探测器和所述数字分析仪连接，所述误码仪与所述数字分析仪连接，所述探测器用于接收所述目标光信号，并将所述目标光信号转换为数字信号后发送给所述数字分析仪，所述误码仪用于发送时钟信号给所述数字分析仪，所述时钟信号与所述信号电压的频率相同，所述数字分析仪用于根据所述水流速、数字信号和时钟信号对所述目标光信号进行分析评价，得到分析评价结果。
作为优选的，所述装置还包括：
透镜，设置在所述水箱和探测器之间，所述探测器用于接收所述初始光信号依次经过所述水管和所述透镜得到的目标光信号。
作为优选的，所述数字分析仪包括眼图仪和网络分析仪。
本发明实施例通过光源，用于提供初始光信号；水箱，包括水管，水管上设置有水泵，所述水泵用于控制所述水管中的水流速以模拟水下环境；检测模块，与所述光源间隔所述水箱对立设置，所述检测模块与所述水泵连接，所述检测模块用于接收所述初始光信号经过所述水管得到的目标光信号，并根据所述水流速对所述目标光信号进行分析评价，解决了水下环境的无线光通信模拟复杂和困难的问题，获得了简单有效的模拟水下环境的无线光通信的有益效果。
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。
其中：
图1为一个实施例中水下无线光通信测试装置的结构示意图；
图2为一个实施例中水下无线光通信测试装置的结构示意图；
图3为一个实施例中纯水在不同水流速下的水下无线光通信测试装置的分析评价结果示意图；
图4为一个实施例中盐水在不同水流速下的水下无线光通信测试装置的分析评价结果示意图；
图5为一个实施例中在不同盐浓度的盐水下的水下无线光通信测试装置的分析评价结果示意图。
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作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。
如图1所示，在一个实施例中，提供了一种水下无线光通信测试装置。该水下无线光通信测试装置具体包括光源100、水箱200和检测模块300。
具体的，光源100用于提供初始光信号；水箱200包括水管210，水管210上设置有水泵211，水泵211用于控制水管210中的水流速以模拟水下环境；检测模块300与光源100间隔水箱200对立设置，检测模块300与水泵211连接，检测模块300用于接收初始光信号经过水管210得到的目标光信号，并根据水流速对目标光信号进行分析评价。
本实施例中，光源100可以为激光器，该激光器的波长可以为520纳米，水箱200中设置有水管210，该水管210的两端分别固定在水箱200的两端，水管210上设置有水泵211，水泵211可以控制水管210中的水流速，从而模拟出水下环境，例如模拟海洋湍流的水下环境，光源100发出的初始光信号会从水箱200中的水管210穿过，从水管210的一端入射，经过水管210中水泵211模拟出的水下环境，从水管210的另一端出射，得到目标光信号，因检测模块300与光源100间隔水箱200对立设置的，检测模块300会接收到目标光信号，并根据水泵211控制的水流速对目标光信号进行分析评价，示例性的，对水泵211控制的每一种水流速测试对应的目标光信号的稳定性和准确性。
本发明实施例通过光源100，用于提供初始光信号；水箱200，包括水管210，水管210上设置有水泵211，所述水泵211用于控制所述水管210中的水流速以模拟水下环境；检测模块300，与所述光源100间隔所述水箱200对立设置，所述检测模块300与所述水泵211连接，所述检测模块300用于接收所述初始光信号经过所述水管210得到的目标光信号，并根据所述水流速对所述目标光信号进行分析评价，解决了水下环境的无线光通信模拟复杂和困难的问题，获得了简单有效的模拟水下环境的无线光通信的有益效果。
在另一个实施例中，如图2所示，在上一个实施例的基础上，还提供了一种水下无线光通信测试装置。该水下无线光通信测试装置具体还包括电源模块400。
本实施例中，水管210上还设置有流量计212，流量计212用于获取水管210中的水流量，检测模块300用于根据水流速和水流量对目标光信号进行分析评价。水管210包括直流水管220和控制水管230，直流水管220和控制水管230连接，水泵211和流量计212设置在控制水管230上，初始光信号经过直流水管220后得到的目标光信号照射至检测模块300。可选的，直流水管220的两端分别通过两个三通导管和控制水管230连接，控制水管230包括三个软管，三个软管之间分别通过水泵211和流量计212两两连接。电源模块400与光源100连接，电源模块400用于给光源100提供电源电压。作为优选的，该水下无线光通信测试装置还包括透镜500，透镜500设置在水箱200和探测器310之间，探测器310用于接收初始光信号依次经过水管210和透镜500得到的目标光信号，透镜500可以更好的汇聚目标光信号，保证光信号传递的稳定性。
进一步的，电源模块400包括直流电源410、误码仪430和偏置器420，偏置器420分别与直流电源410、误码仪430和光源100连接，直流电源410用于给偏置器420提供光源100的工作电压，误码仪430用于给偏置器420提供光源100的信号电压，偏置器420用于将工作电压和信号电压耦合为电源电压后提供给光源100。作为优选的，当激光器作为光源100时，激光器在工作时发热较严重，会影响光信号的传输，因此该装置还包括温度控制器110(TEC)，温度控制器110设置在该激光器，即光源100上，温度控制器110用于控制光源100的温度保持恒定，可选的，选用LC-5A-T半导体激光器驱动器来实现温度控制器110和直流电源410的功能，来控制光源100的温度和工作电压。进一步的，检测模块300包括探测器310和数字分析仪320，探测器310和数字分析仪320连接，误码仪430与数字分析仪320连接，探测器310用于接收目标光信号，并将目标光信号转换为数字信号后发送给数字分析仪320，误码仪430用于发送时钟信号给数字分析仪320，时钟信号与信号电压的频率相同，数字分析仪320用于根据水流速、水流量、数字信号和时钟信号对目标光信号进行分析评价，得到分析评价结果。作为优选的，数字分析仪320包括眼图仪和网络分析仪，可选的，数字分析仪320还包括示波器。
具体的，在使用该水下无线光通信测试装置时，首先可以打开直流电源410和误码仪430，直流电源410可以为直流源表，用于提供工作电压，误码仪430会产生PRBS(Pseudo-Random Binary Sequence，伪随机二进制序列)码，即01信号的信号电压，偏置器420会将直流电压提供的工作电压和误码仪430提供的信号电压耦合为电源电压后提供给光源100，光源100根据电源电压产生初始光信号，经过水箱200后得到目标光信号，探测器310可以为硅基探测器310，带宽足够大以满足实验时通信速率值的需求，探测器310接收到目标光信号后进行光电转换，将目标光信号转换为目标电信号，以检测光源100传播的光信号经过水箱200后是否会产生错误，具体的，探测器310还会将目标电信号导入给数字分析仪320，眼图仪可以观察目标电信号的眼图质量，网络分析仪可以测量整个水下无线光通信测试装置的带宽，需要说明的是，误码仪430通过自身的一个端口提供信号电压，并通过自身的另一个端口提供与信号电压相同频率的时钟信号给数字分析仪320，经过数字分析仪320的对比分析，如果目标电信号和信号电压的01信号相同，则没有产生误码，表明当前水流速和水流量的环境下，该水下无线光通信测试装置的通信性能良好，如果目标电信号和信号电压的01信号不相同，则产生误码，即基于信号电压的初始光信号经过水箱200时受到了较大影响，得到的目标光信号生成的目标电信号中的01信号被改变，即信号电压中的0变为了1，1变为了0，表明当前水流速和水流量的环境下，该水下无线光通信测试装置的通信性能较差，此外误码仪430还可以得到误码率(BER)，方便进一步评价通信性能，具体的，与FEC(ForwardError Correction，前向纠错)值对应的通信速率，我们认为是该水下无线光通信测试装置所能达到的最高速率，可选的，FEC值为3.8×10-3，只要误码率低于FEC值，就可以认为该水下无线光通信测试装置在当前环境下的通信质量较好，高于FEC值就可以认为该水下无线光通信测试装置在当前环境下的通信质量较差。
示例性的，可以利用该水下无线光通信测试装置在纯水(自来水)中模拟海洋湍流现象，并测试在不同水流速下，海洋湍流现象对水下无线光通信测试装置的影响，以通信速率和误码率作为指标去评价水下无线光通信测试装置的性能表现。具体的，先在1.8m×0.5m×0.3m的水箱200中加入120L纯水(自来水)。操作J-BERT N4903A误码仪430选取通信速率值为3.5Gbps、3.4Gbps、3.3Gbps，交流电压值为±0.5V，通过操作LC-5A-T半导体激光器驱动器选取工作电压为110mA，工作温度为25℃。最后调节水泵211的功率，根据预先建立水泵211功率与水流流速之间的对应关系进行测试。最终得到如图3所示的分析评价结果，可以得知在纯水条件下，不同水流速对水下无线光通信测试装置的通信性能无明显影响。进一步的，还可以将上个模拟测试中的纯水替换为盐浓度为35.42g/L的盐水(海水)模拟海洋湍流现象，最终得到如图4所示的分析评价结果，可以得知与纯水条件下所得到的测试结果相比，35.42g/L的盐水条件下，水下无线光通信测试装置所能达到的最高速率低于纯水条件，且随着水流速的增大，水下无线光通信测试装置的误码率也随之增加。进一步的，还可以控制水流速不变，将上个模拟测试中的纯水替换为盐浓度为0-35.42g/L的盐水模拟海洋湍流现象，最终得到如图5所示的分析评价结果，可以得知盐度的增加对水下无线光通信测试装置能达到的最高速率有较为明显的影响，且在同一通信速率下，随着盐度浓度的增加，误码率也会随之增加。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水下无线光通信测试装置，其特征在于，所述装置包括：
光源，用于提供初始光信号；
水箱，包括水管，水管上设置有水泵，所述水泵用于控制所述水管中的水流速以模拟水下环境；
检测模块，与所述光源间隔所述水箱对立设置，所述检测模块与所述水泵连接，所述检测模块用于接收所述初始光信号经过所述水管得到的目标光信号，并根据所述水流速对所述目标光信号进行分析评价。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水管上还设置有流量计，所述流量计用于获取所述水管中的水流量，所述检测模块用于根据所述水流速和水流量对所述目标光信号进行分析评价。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述水管包括直流水管和控制水管，所述直流水管和所述控制水管连接，所述水泵和流量计设置在所述控制水管上，所述初始光信号经过所述直流水管后得到的目标光信号照射至所述检测模块。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源为激光器。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
温度控制器，设置在所述激光器上，所述温度控制器用于控制所述激光器的温度保持恒定。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
电源模块，与所述光源连接，所述电源模块用于给所述光源提供电源电压。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电源模块包括直流电源、误码仪和偏置器，所述偏置器分别与所述直流电源、所述误码仪和所述光源连接，所述直流电源用于给所述偏置器提供所述光源的工作电压，所述误码仪用于给所述偏置器提供所述光源的信号电压，所述偏置器用于将所述工作电压和信号电压耦合为电源电压后提供给所述光源。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述检测模块包括探测器和数字分析仪，所述探测器和所述数字分析仪连接，所述误码仪与所述数字分析仪连接，所述探测器用于接收所述目标光信号，并将所述目标光信号转换为数字信号后发送给所述数字分析仪，所述误码仪用于发送时钟信号给所述数字分析仪，所述时钟信号与所述信号电压的频率相同，所述数字分析仪用于根据所述水流速、数字信号和时钟信号对所述目标光信号进行分析评价，得到分析评价结果。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
透镜，设置在所述水箱和探测器之间，所述探测器用于接收所述初始光信号依次经过所述水管和所述透镜得到的目标光信号。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述数字分析仪包括眼图仪和网络分析仪。
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