CN113098625A - 一种双光源水下无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信设备技术领域，公开了一种双光源水下无线通信系统，包括主控端、光发射端和光接收端；主控端分别与光发射端、光接收端连接；光发射端包括LD发射单元、LED发射单元，LD发射单元用于发射LD光束，LED发射单元用于发射LED光束；光接收端包括APD接收单元、PMT接收单元，APD接收单元用于接收LD光束，PMT接收单元用于接收LED光束；主控端用于控制发射单元的切换和接收单元的切换。本发明能够实现双光源水下无线通信，距离远近均可通信、成本低、应用广泛。

Description

一种双光源水下无线通信系统

技术领域

本发明属于光通信设备技术领域，更具体地，涉及一种双光源水下无线通信系统。

背景技术

海洋中蕴含着丰富而宝贵的资源，随着海洋探测研究的不断深入，水下通信技术迅速成为了研究热点。目前，水下电磁波通信与水声通信是水下通信应用最广泛的通信技术。电磁波在水中衰减严重导致传输距离短，声音在水中的多径效应、时变效应等导致传输速率慢，二者均不能较好地满足水下日益增长的数据通信需求。水下光通信具有高带宽、高速率等优点，弥补了水下电磁波及水声通信在水下应用的缺陷。目前，无线光通信系统的研究还处于实验室研究阶段，如何实现远距离、高速率的水下无线光通信，如何使得无线通信系统能够根据通信距离自适应选择发射光源、调节通信速率是本领域亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种双光源水下无线通信系统。

本发明提供一种双光源水下无线通信系统，包括：主控端、光发射端和光接收端；所述主控端分别与所述光发射端、所述光接收端连接；

所述光发射端包括LD发射单元、LED发射单元，所述LD发射单元用于发射LD光束，所述LED发射单元用于发射LED光束；

所述光接收端包括APD接收单元、PMT接收单元，所述APD接收单元用于接收LD光束，所述PMT接收单元用于接收LED光束；

所述主控端用于控制发射单元的切换和接收单元的切换。

优选的，所述主控端包括终端和FPGA控制单元，所述终端与所述FPGA控制单元连接；

所述LD发射单元包括LD光源和LD驱动模块，所述LD光源与所述LD驱动模块连接；所述LED发射单元包括LED光源和LED驱动模块，所述LED光源与所述LED驱动模块连接；

所述APD接收单元包括APD光电探测器和APD后续处理模块，所述APD光电探测器与所述APD后续处理模块连接；所述PMT接收单元包括PMT光电探测器和PMT后续处理模块，所述PMT光电探测器与所述PMT后续处理模块连接；

所述LD驱动模块、所述LED驱动模块、所述APD后续处理模块、所述PMT后续处理模块分别与所述FPGA控制单元连接。

优选的，所述光发射端还包括第一光学系统单元，所述第一光学系统单元包括第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜用于对发射的光束进行聚焦；

所述光接收端还包括第二光学系统单元，所述第二光学系统单元包括第二聚光透镜和滤光片，所述第二聚光透镜用于对接收的光束进行聚焦，所述滤光片用于对系统自身发射光源进行滤除。

优选的，所述LD光源、所述LED光源和所述滤光片安装在灯板上。

优选的，所述LED光源包括多个LED组成的LED阵列；所述灯板呈空心圆环状，所述LD光源与所述LED阵列呈环状固定连接于所述灯板的圆环状区域上，所述滤光片固定连接于所述灯板的中心空缺位置；所述APD光电探测器和所述PMT光电探测器固定连接于所述滤光片的正后方接收光束聚焦处。

优选的，所述FPGA控制单元包括以太网模块、数据处理模块；所述以太网模块用于与所述终端通信，所述数据处理模块用于对传输数据进行处理。

优选的，所述FPGA控制单元还包括通信方式自适应模块，所述通信方式自适应模块与所述数据处理模块连接；

所述光接收端还包括功率监测单元，所述功率监测单元分别与所述APD接收单元、所述PMT接收单元、所述通信方式自适应模块连接；所述功率监测单元用于监测接收单元的功率，所述通信方式自适应模块用于根据所述接收单元的功率选择LD通信方式或LED通信方式。

优选的，所述FPGA控制单元还包括接收速率自适应模块，所述接收速率自适应模块分别与所述数据处理模块、所述APD接收单元、所述PMT接收单元连接；所述接收速率自适应模块用于调节数据传输速率。

优选的，所述终端采用PC机，所述终端用于发送数据和接收显示数据。

优选的，所述LD光源包括第一LD光源和第二LD光源，所述LD驱动模块包括第一LD驱动模块和第二LD驱动模块；所述第一LD光源与所述第一LD驱动模块连接，所述第二LD光源与所述第二LD驱动模块连接；

所述LED光源包括第一LED光源和第二LED光源，所述LED驱动模块包括第一LED驱动模块和第二LED驱动模块；所述第一LED光源与所述第一LED驱动模块连接，所述第二LED光源与所述第二LED驱动模块连接；

所述第一LD光源具有第一波长，所述第二LD光源具有第二波长；第一LED光源具有所述第一波长，所述第二LED光源具有所述第二波长。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，光发射端包括用于发射LD光束的LD发射单元和用于发射LED光束的LED发射单元，即提出了双发射光源的系统设计方案；在光接收端利用APD接收单元接收LD光束，利用PMT接收单元接收LED光束，即采用双接收探测器接收光信号。大功率LED可选用PMT接收光信号，用于水下远距离低速率通信；小功率LD可选用APD接收光信号，用于水下近距离高速率通信。系统的信息处理部分由主控端完成，用户可根据通信距离的需求通过主控端自由切换通信方式。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种双光源水下无线通信系统的框架示意图；

图2为本发明实施例提供的一种双光源水下无线通信系统中灯板的平面结构图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种双光源水下无线通信系统，包括：主控端、光发射端和光接收端；所述主控端分别与所述光发射端、所述光接收端连接。所述光发射端包括LD发射单元、LED发射单元，所述LD发射单元用于发射LD光束，所述LED发射单元用于发射LED光束；所述光接收端包括APD接收单元、PMT接收单元，所述APD接收单元用于接收LD光束，所述PMT接收单元用于接收LED光束；所述主控端用于控制发射单元的切换和接收单元的切换。

其中，所述主控端包括终端和FPGA控制单元，所述终端与所述FPGA控制单元连接。所述LD发射单元包括LD光源和LD驱动模块，所述LD光源与所述LD驱动模块连接；所述LED发射单元包括LED光源和LED驱动模块，所述LED光源与所述LED驱动模块连接。所述APD接收单元包括APD光电探测器和APD后续处理模块，所述APD光电探测器与所述APD后续处理模块连接；所述PMT接收单元包括PMT光电探测器和PMT后续处理模块，所述PMT光电探测器与所述PMT后续处理模块连接。所述LD驱动模块、所述LED驱动模块、所述APD后续处理模块、所述PMT后续处理模块分别与所述FPGA控制单元连接。

此外，所述光发射端还可包括第一光学系统单元，所述第一光学系统单元包括第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜用于对发射的光束进行聚焦。所述光接收端还可包括第二光学系统单元，所述第二光学系统单元包括第二聚光透镜和滤光片，所述第二聚光透镜用于对接收的光束进行聚焦，所述滤光片用于对系统自身发射光源进行滤除。

所述LD光源、所述LED光源和所述滤光片安装在灯板上。例如，所述LED光源包括多个LED组成的LED阵列；所述灯板呈空心圆环状，所述LD光源与所述LED阵列呈环状固定连接于所述灯板的圆环状区域上，所述滤光片固定连接于所述灯板的中心空缺位置；所述APD光电探测器和所述PMT光电探测器固定连接于所述滤光片的正后方接收光束聚焦处。

其中，所述FPGA控制单元包括以太网模块、数据处理模块；所述以太网模块用于与所述终端通信，所述数据处理模块用于对传输数据进行处理。

此外，所述FPGA控制单元还可包括通信方式自适应模块、接收速率自适应模块。所述通信方式自适应模块与所述数据处理模块连接。所述接收速率自适应模块分别与所述数据处理模块、所述APD接收单元、所述PMT接收单元连接；所述接收速率自适应模块用于调节数据传输速率。所述光接收端还可包括功率监测单元，所述功率监测单元分别与所述APD接收单元、所述PMT接收单元、所述通信方式自适应模块连接；所述功率监测单元用于监测接收单元的功率，所述通信方式自适应模块用于根据所述接收单元的功率选择LD通信方式或LED通信方式。

具体的，所述终端采用PC机，所述终端用于发送数据和接收显示数据。

优化方案中，所述LD光源包括第一LD光源和第二LD光源，所述LD驱动模块包括第一LD驱动模块和第二LD驱动模块；所述第一LD光源与所述第一LD驱动模块连接，所述第二LD光源与所述第二LD驱动模块连接。所述LED光源包括第一LED光源和第二LED光源，所述LED驱动模块包括第一LED驱动模块和第二LED驱动模块；所述第一LED光源与所述第一LED驱动模块连接，所述第二LED光源与所述第二LED驱动模块连接。所述第一LD光源具有第一波长，所述第二LD光源具有第二波长；第一LED光源具有所述第一波长，所述第二LED光源具有所述第二波长。

利用上述优化方案可实现双向通信，包括两个本发明提供的双光源水下无线通信系统，分别记为第一设备和第二设备。所述第一设备的光发射端发射的光束具有所述第一波长，所述第一设备安装的滤光片与所述第一波长对应；所述第二设备的光发射端发射的光束具有所述第二波长，所述第二设备安装的滤光片与所述第二波长对应。

下面对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提供的一种双光源水下无线通信系统包括：主控端、光发射端、光接收端。

(1)主控端。

所述主控端包括终端与FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)控制单元，所述终端与所述FPGA控制单元连接，所述终端采用PC机，用于发送多媒体数据(例如，通信指令信息)和接收显示多媒体数据。所述FPGA控制单元包括以太网模块和数据处理模块，所述以太网用于与所述终端通信，所述数据处理模块用于处理传输数据。所述FPGA控制单元还可包括接收速率自适应模块，所述接收速率自适应模块用于根据预设速率档位自行调节数据传输速率直至完成通信链路的帧同步。所述FPGA控制单元还可包括通信方式自适应模块，用于根据接收单元的功率选择LD通信方式或LED通信方式。

例如，所述FPGA控制单元采用Alter公司AC6102型号的高性能FPGA开发板，该开发板具有30K逻辑单元，74KB片上高速RAM，329个I/O，GMII接口等资源，其具有千兆以太网传输功能，能够满足所述以太网模块的所述FPGA控制单元与所述终端的通信功能，具有大量的逻辑单元，能够满足所述数据处理模块的实时数据处理功能，具有强大的I/O拓展接口，能够满足所述接收速率自适应模块实现速率自适应功能。所述通信方式自适应模块包括ADC转换，采用一片ADC08D1500芯片，该芯片是一款高性能的模数转换芯片，典型功耗1.9W，通过功率监测单元的返回值与标准值(已设置的功率范围对应相应速率)进行比较，进行通信方式选择，再将选择结果输入给所述数据处理模块。

(2)光发射端。

所述光发射端包括LD(Laser Diode,激光二极管)发射单元、LED(Light EmittingDiode，发光二极管)发射单元和第一光学系统单元。所述LD发射单元包括LD光源和LD驱动模块，用于发射LD光束。所述LED发射单元包括LED光源和LED驱动模块，用于发射LED光束。所述第一光学系统单元用于发射光束的聚焦。

例如，所述LD光源系统两台设备分别采用80mw 450nm激光二极管和80nw520nm激光二极管，所述LD驱动模块分别采用型号为Max3646和Max3967A激光驱动芯片。所述LED光源选用1W 450nm蓝光和1W 520nm绿光，所述LED驱动模块采用Bias-T偏置外加恒流源。所述第一光学系统单元包括第一聚焦透镜。

此外，本系统还包括灯板，所述灯板呈空心圆环状，所述光发射端的所述LD光源、所述LED光源和所述光接收端的所述滤光片安装在灯板上。例如，所述LD光源包括1颗LD，所述LED光源包括11颗LED，所述1颗LD与所述11颗LED呈环状固定连接于所述灯板，如图2所示。

例如，实现双向通信时，一端设备采用11颗蓝光LED和80mw450nm激光二极管呈环状固定连接于所述灯板，与之通信的另一端设备采用11颗绿光LED和80mw520nm激光二极管呈环状固定连接于灯板。11颗LED阵列的功率均约为33W，驱动电压约为40V，电流约为1A，蓝光LD的功率约为80mw，驱动电压为5.4V，电流约为60mA，绿光LD的功率为80mw，驱动电压为6.2V，电流约为240mA。

(3)光接收端。

所述光接收端包括APD(Avalance Photo Diode,雪崩光电二极管)接收单元、PMT(Photomultiplier Tube,光电倍增管)接收单元和第二光学系统单元。所述APD接收单元包括APD光电探测器和APD后续处理模块，用于接收LD光束。所述PMT接收单元包括PMT光电探测器和PMT后续处理模块，用于接收LED光束。所述第二光学系统单元包括第二聚光透镜与滤光片，所述第二聚光透镜用于接收光束的聚焦，所述滤光片用于设备自身光源的滤除，减少对接收光束的干扰。所述滤光片固定连接于所述灯板中心的空缺位置，所述APD光电探测器与所述PMT光电探测器固定连接于所述滤光片的正后方接收光聚焦处。此外，所述光接收端还可包括功率监测单元。

例如，所述APD光电探测器采用雪崩光电二极管，峰值灵敏度波长为600nm，光谱响应范围为320～1000nm，截止频率为60MHz，感光面积为19.6mm²，灵敏度为16A/W，所述APD后续处理模块采用先滤波，再限幅放大，最后电平转换的方式进行信号处理，最终测得APD接收单元的灵敏度为-31.3dbm。

所述PMT光电探测器采用光电倍增管，峰值灵敏度波长为450nm，光谱响应范围为300～600nm，感光面积为156.5mm²，灵敏度为670A/W，所述PMT后续处理模块采用先滤波，再限幅放大，最后电平转换的方式进行信号处理，最终测得PMT接收单元的灵敏度为-55.6dbm。

所述功率监测单元采用INA226功率监控模块，感测电压范围为0～36V，具有高精度，最大产生0.1％增益误差，10uV偏移。

进行双向通信时，若本方设备的光发射端为蓝色光源，则安装蓝色滤光片(安装在光接收端前方，滤除己方光去除通信干扰)，同理，若本方设备的光发射端为绿色光源，则安装绿色滤光片。

下面对本发明提供的一种双光源水下无线通信系统对应的实验测试结果和技术效果进行说明。

在水质衰减为0.44dbm/m的情况下，系统在近距离(通信距离为1～20m)时，通常使用高速LD进行通信，5m可达60Mbps；在远距离(通信距离大于20m)时，通常使用低速LED进行通信，60m可达10Mbps。

在双向通信的前提下，所述功率监测单元可以监测接收单元的功率，根据功率监测的结果可以反映出两台设备之间的距离，根据通信距离可选择当前系统最适宜的通信方式发射光源，通信距离从近至远(例如，两个通信的设备的通信距离从相距5m至相距60m)，优先采取LD高速通信方式，通信距离从远至近，优先采取LED远距离通信方式。

在通信方式(发射光源)不改变的情况下，所述光发射端可通过监测到的功率变化即根据变化数值调整发射速率，所述光接收端亦可同步自适应调整，保证系统的正常通信。

所述FPGA控制单元的作用是接收所述终端的传输数据并且返回数据给所述终端，所述FPGA控制单元接收到来自所述终端的数据后，对数据进行缓冲、插入帧头、RS编码、8B/10B编码、并串转换等模块处理后以LVTTL电平形式传输给所述光发射端，所述光发射端包括LD发射单元和LED发射单元，所述FPGA控制单元亦可通过接收所述终端的命令选择该系统的通信方式，若数据输入到LD发射单元中，则通过LD驱动模块将其加载到LD中发射光束，若数据输入到LED发射单元中，则通过LED驱动模块将其加载了LED中发射光束。所述光接收端接收光束信号，所述光接收端包括APD接收单元和PMT接收单元，所述主控端通过所述FPGA控制单元中的所述接收速率自适应模块选择接收所述APD接收处理模块的信号或所述PMT接收处理模块的信号，APD接收发散角小的LD光束，PMT接收发散角大的LED光束，后续处理电路进行滤波、限幅放大、电平转换等操作后以LVTTL电平形式输入到所述FPGA控制单元中的所述数据处理模块，所述数据处理模块进行位同步、帧同步、串并转换、8B/10B译码、RS译码后发送给所述终端进行显示。此外，若所述光发送端的发送速率发生改变，所述光接收端可于一定范围内自适应适配通信速率。

本发明提供的一种双光源水下无线通信系统考虑到实际使用需求，成本低，使用方便便捷。适合在海底乃至深海的通信作业，距离远近均可通信按需所选，亦可系统自适应调节，省去了海水中铺设缆线的高昂费用，提高了使用安全性。光在海底的调制频率上具有一定优势，致使该系统的应用范围更加广泛。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种双光源水下无线通信系统，其特征在于，包括：主控端、光发射端和光接收端；所述主控端分别与所述光发射端、所述光接收端连接；

所述光发射端包括LD发射单元、LED发射单元，所述LD发射单元用于发射LD光束，所述LED发射单元用于发射LED光束；

所述光接收端包括APD接收单元、PMT接收单元，所述APD接收单元用于接收LD光束，所述PMT接收单元用于接收LED光束；

所述主控端用于控制发射单元的切换和接收单元的切换。

2.根据权利要求1所述的双光源水下无线通信系统，其特征在于，所述主控端包括终端和FPGA控制单元，所述终端与所述FPGA控制单元连接；

所述LD发射单元包括LD光源和LD驱动模块，所述LD光源与所述LD驱动模块连接；所述LED发射单元包括LED光源和LED驱动模块，所述LED光源与所述LED驱动模块连接；

所述APD接收单元包括APD光电探测器和APD后续处理模块，所述APD光电探测器与所述APD后续处理模块连接；所述PMT接收单元包括PMT光电探测器和PMT后续处理模块，所述PMT光电探测器与所述PMT后续处理模块连接；

所述LD驱动模块、所述LED驱动模块、所述APD后续处理模块、所述PMT后续处理模块分别与所述FPGA控制单元连接。

3.根据权利要求2所述的双光源水下无线通信系统，其特征在于，所述光发射端还包括第一光学系统单元，所述第一光学系统单元包括第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜用于对发射的光束进行聚焦；

所述光接收端还包括第二光学系统单元，所述第二光学系统单元包括第二聚光透镜和滤光片，所述第二聚光透镜用于对接收的光束进行聚焦，所述滤光片用于对系统自身发射光源进行滤除。

4.根据权利要求3所述的双光源水下无线通信系统，其特征在于，所述LD光源、所述LED光源和所述滤光片安装在灯板上。

5.根据权利要求4所述的双光源水下无线通信系统，其特征在于，所述LED光源包括多个LED组成的LED阵列；所述灯板呈空心圆环状，所述LD光源与所述LED阵列呈环状固定连接于所述灯板的圆环状区域上，所述滤光片固定连接于所述灯板的中心空缺位置；所述APD光电探测器和所述PMT光电探测器固定连接于所述滤光片的正后方接收光束聚焦处。

6.根据权利要求2所述的双光源水下无线通信系统，其特征在于，所述FPGA控制单元包括以太网模块、数据处理模块；所述以太网模块用于与所述终端通信，所述数据处理模块用于对传输数据进行处理。

7.根据权利要求6所述的双光源水下无线通信系统，其特征在于，所述FPGA控制单元还包括通信方式自适应模块，所述通信方式自适应模块与所述数据处理模块连接；

所述光接收端还包括功率监测单元，所述功率监测单元分别与所述APD接收单元、所述PMT接收单元、所述通信方式自适应模块连接；所述功率监测单元用于监测接收单元的功率，所述通信方式自适应模块用于根据所述接收单元的功率选择LD通信方式或LED通信方式。

8.根据权利要求6所述的双光源水下无线通信系统，其特征在于，所述FPGA控制单元还包括接收速率自适应模块，所述接收速率自适应模块分别与所述数据处理模块、所述APD接收单元、所述PMT接收单元连接；所述接收速率自适应模块用于调节数据传输速率。

9.根据权利要求2所述的双光源水下无线通信系统，其特征在于，所述终端采用PC机，所述终端用于发送数据和接收显示数据。

10.根据权利要求2所述的双光源水下无线通信系统，其特征在于，所述LD光源包括第一LD光源和第二LD光源，所述LD驱动模块包括第一LD驱动模块和第二LD驱动模块；所述第一LD光源与所述第一LD驱动模块连接，所述第二LD光源与所述第二LD驱动模块连接；

所述LED光源包括第一LED光源和第二LED光源，所述LED驱动模块包括第一LED驱动模块和第二LED驱动模块；所述第一LED光源与所述第一LED驱动模块连接，所述第二LED光源与所述第二LED驱动模块连接；

所述第一LD光源具有第一波长，所述第二LD光源具有第二波长；第一LED光源具有所述第一波长，所述第二LED光源具有所述第二波长。

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