CN113708838B - 一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，该系统为收发一体结构，包括发射光源、调制电路、聚光透镜、接收光学组件和信号处理组件；发射光源包括LD光源和由若干LED光源组合而成的LED阵列光源。每个LED光源由独立开关进行控制；调制电路控制发射光源输出不同类型或功率的光信号；聚光透镜与发射光源通过空间光路连接，对发射光源输出的光信号进行汇聚和准直；以及，接收邻居节点发出的光信号并进行汇聚；接收光学组件设置在发射光源远离聚光透镜的一侧；信号处理组件将光信号转换为电信号并恢复出原始数据；本发明满足近距离和远距离的光能量要求以及低速率和高速率的速率可变要求，能够有效实现通信双方的对准。
Description
技术领域
本申请涉及水下无线光通信技术领域，更具体地，涉及一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统。
背景技术
现有的水下无线通信方式主要分为3种：水声通信、射频通信和光通信。凭借传输距离远、性能可靠等优点，水声通信仍然占据着水下无线通信技术的主导地位。但是，声波由于其可用带宽被限制在20kHz的低频范围内，其传输速率被限制在几十kb/s左右，而且存在高时延、带宽窄、多途效应明显等缺陷。而射频通信可实现速率达到百kb/s的水下通信，但由于其在水下传输时存在趋肤效应，能量会急剧衰减，而且频率愈高，衰减愈快，因此传输距离受到限制，仅适合应用于浅水的近距离通信。由此可见，水声通信与射频通信都无法同时满足高速率、长距离传输的需求。
与声、射频信号相比，光波频率更高，其承载信息的能力也更强，更易于实现水下大容量的数据传输；再有，无线光通信具有不易受海水温度和盐度变化影响的特点，抗干扰能力强；而且，光波相较于声波而言，具有更好的方向性。在光通信中，蓝绿光的波长位于水的透射窗口，水对蓝绿光的吸收系数小，使得蓝绿光通信可在水下传输相对较远的距离，同时可获得较高的传输速率。因此，水下蓝绿光通信受到广泛的关注。
当前水下可见光通信主要分为激光通信和基于蓝绿光LED的可见光通信。激光通信功率大，可在水下传输较远的距离，但存在相干闪烁的问题，且实现通信需要精确对准，为实际操作、应用造成困难。基于蓝绿光LED的水下光通信使用非相干光，集照明与通信功能为一体，且无需严格对准，为“动中通”的实现提供方案。因此，两种通信方式各有利弊，均无法满足水下蓝绿光通信速率可调且距离可变的要求。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，发射单元采用LED和LD两种光源，满足近距离和远距离的光能量要求以及低速率和高速率的速率可变要求；同时，接收单元采用高灵敏度的光电倍增管PMT探测器，以进一步提升水下无线光通信的传输距离。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，该系统为采用双光源的收发一体结构，包括发射光源、调制电路、聚光透镜、接收光学组件和信号处理组件；
所述发射光源包括LD光源和LED阵列光源；所述LED阵列光源由若干LED光源组合而成，且每个所述LED光源由独立开关进行控制，以实现输出光信号的功率调制；所述LD光源和LED光源呈环状分布，使发射光源形成中空的环状结构；
所述调制电路与发射光源电连接，用于控制发射光源输出不同类型或不同功率的光信号：
所述聚光透镜与发射光源通过空间光路连接，用于对发射光源输出的光信号进行汇聚和准直后发射出去；以及，接收邻居节点发出的光信号并进行汇聚；
所述接收光学组件设置在发射光源远离聚光透镜的一侧，其端部伸入发射光源的环状结构内部，与聚光透镜通过空间光路连接，用于探测聚光透镜接收和汇聚后的光信号，并将所述光信号转换为电信号；
所述信号处理组件将接收光学组件输出的电信号恢复为原始数据。
优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，所述调制电路对发射光源输出的光信号进行调制，具体为：
当通信距离不大于第一距离时，所述调制电路控制LED阵列光源输出具有与所述通信距离相匹配的功率的光信号来搜索邻居节点的粗略位置；然后控制LD光源输出光信号实现与邻居节点的对准，获得邻居节点的精确位置；
当通信距离大于第一距离时，所述调制电路控制LD光源输出光信号实现与邻居节点的对准，获得邻居节点的精确位置。
优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，所述调制电路和信号处理组件设置在同一块印制电路板上，或者分开设置在不同的印制电路板上。
优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，所述LED阵列光源的前端设置有反光杯，用于调节每个LED光源输出光束的发散角。
优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，所述接收光学组件包括可调光衰减器和光电探测器；
所述可调光衰减器用于根据光电探测器的探测范围对聚光透镜接收和汇聚后的光信号进行功率调节；
所述光电探测器用以探测可调光衰减器输出的光信号并将其转换为电信号。
优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，所述可调光衰减器与光电探测器之间设置有光学滤波器，用于对可调光衰减器输出的光信号进行滤波处理。
优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，所述信号处理组件包括预处理电路和信号处理器；
所述预处理电路用于对光电探测器输出的电信号进行采样、放大和滤波处理；
所述信号处理器用于将预处理电路输出的电信号恢复为原始数据，并计算误码率。
优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，还包括光学天线，所述光学天线设置在聚光透镜远离发射光源的一侧。
优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，所述聚光透镜为菲涅尔透镜。
优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，所述光电探测器的探测范围为-38～-78 dBm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，在发射端采用LED和LD两种光源，其中的LED阵列光源由若干LED光源组合而成，且每个LED光源由独立开关进行控制，通过选择性开启不同数量的LED光源实现对输出光信号的功率的调制，满足近距离和远距离的光能量要求以及低速率和高速率的速率可变要求；在通信时，先采用发散角较大的LED光源进行邻居搜索，找到附近的邻居节点，然后再使用LD光源发射信号找到邻居节点的精确位置。因此，本申请采用两种光源的方式不仅更容易实现邻居节点的发现，还可以有效实现双方的对准和通信。在结构设计上，采用收发一体式结构，通过对系统中的发射光源、聚光透镜、接收光学组件、调制电路和信号处理组件之间的空间结构关系进行优化设计，使本系统具有紧凑化和小型化的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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申请的一些实施例，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为本实施例提供的一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统的结构组成示意图；
图2为本实施例提供的一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统的逻辑框图；
图3为本实施例提供的LED阵列光源的电路控制示意图；
图4为本实施例提供的发射光源的结构示意图；
图5为本实施例提供的发射光源传输一定距离后的光斑示意图。
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。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。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他步骤或单元。
图1是本实施例提供的一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统的结构组成示意图，参见图1，该水下蓝绿光通信系统为采用双光源的收发一体式结构，包括发射光源1、调制电路、聚光透镜2、接收光学组件3和信号处理组件；
其中，发射光源包括激光二极管（LD）光源和发光二极管（LED）阵列光源； LED阵列光源由若干LED光源组合而成，且每个LED光源由独立开关进行控制，通过不同数量的LED光源的开启和串联（或串并联）工作实现对输出光信号的功率的调制；本实施例中，组成LED阵列光源的LED光源数量不作具体限制，主要取决于水下光通信的传输距离，以及为了达到所需传输距离的光信号传输功率。LED阵列光源中的LED光源可以采用串联或者串并联组合的方式连接，取决于LED光源的数量。此外，激光二极管（LD）光源和发光二极管（LED）阵列光源的具体排布方式也不做具体限制；作为一个优选的示例， LD光源与LED阵列光源中的若干LED光源呈环状分布，使发射光源1形成中空的环状结构；该结构可以确保发射光源的发光均匀性，并减小发射光源1的体积。
调制电路与发射光源电连接，主要用于控制发射光源输出不同类型或不同功率的光信号，具体来说：
当通信距离不大于第一距离时，调制电路控制LED阵列光源输出具有与所述通信距离相匹配的功率的光信号来搜索接收端的粗略位置；然后控制LD光源输出光信号实现与接收端的对准，获得接收端的精确位置；
当通信距离大于第一距离时，调制电路控制LD光源输出光信号实现与接收端的对准，获得接收端的精确位置；
本实施例中，第一距离为发射端发出的光信号的功率满足可被接收端探测器成功探测的前提下，LED阵列光源中的全部LED光源工作时所能达到的最大传输距离。
具体来说，在近距离通信时，由于LD光源发射光斑较小，不易实现收、发双方的对准。因此，可先采用大发散角的LED光源搜索邻居节点的位置，然后再采用LD光源发射信号，找到邻居节点的具体位置。双方握手达成后，开始水下通信，传输数据信息。在远距离通信时，LD光源发射光斑较大，较容易实现收、发双方的对准。所以，可以直接采用LD光源进行邻居搜索和通信。
而在通信双方距离不远且对速率要求不高的情况下，可以直接采用功耗更低的LED光源进行水下通信以节省对水下平台的能量的消耗。
在一个可选的实施方式中，LED阵列光源的前端设置有反光杯，用于调节每个LED光源输出光束的发散角。
聚光透镜2与发射光源1通过空间光路连接，主要用于对光束进行汇聚和准直。由于本发明所要提供的是收发一体式的水下通信系统，因此通过硬件结构设计，使该聚光透镜2为发射端和接收端所共用；当聚光透镜2作为发射端的组成部分时，用于对发射光源1输出的光信号进行汇聚和准直后发射出去；当聚光透镜2作为接收端的组成部分时，主要用于接收邻居节点发出的光信号并进行汇聚；本实施例中，聚光透镜2选用菲涅尔透镜，采用菲涅尔透镜对LED光源的出射光束进行汇聚，减小光束的发散角，能够解决LED光源发散角大，能量分散的问题。当聚光透镜2作为接收端的组成部分时，菲涅尔透镜利用特殊的光学原理，在接收光学组件3的前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高接收光学组件3中的探测器的探测接收灵敏度。当有光脉冲信号且为峰值时，探测器进入“高灵敏区”，当脉冲变为低电平时，探测器进入“盲区”，将菲涅尔透镜置于探测器的前端，可以汇聚光线，提高通信距离，为设计带来更大的自由度。
本实施例中，将聚光透镜2同时作为发射天线和接收天线使用，有利于缩小系统体积，实现紧凑化设计；本领域技术人员可以理解，在其他可选的实施方式中，可以在聚光透镜2的前端（远离发射光源的一端）另外设置一光学天线，作为发射天线和接收天线使用。
接收光学组件3设置在发射光源1远离聚光透镜2的一侧，其端部伸入发射光源1的环状结构内部，与聚光透镜2通过空间光路连接，用于探测聚光透镜2接收和汇聚后的光信号，并将所述光信号转换为电信号；
信号处理组件将接收光学组件3输出的电信号恢复为原始数据。
请继续参见图1，调制电路和信号处理组件设置在同一块印制电路板4上，当然也可以将调制电路和信号处理组件分开设置在不同的印制电路板4上。
本申请在发射端采用LED和LD两种光源，其中的LED阵列光源由若干LED光源组合而成，且每个LED光源由独立开关进行控制，通过选择性开启不同数量的LED光源使其串联或串并联工作可以实现对输出光信号的功率的调制，满足近距离和远距离的光能量要求以及低速率和高速率的速率可变要求；在通信时，先采用发散角较大的LED光源进行邻居搜索，找到附近的邻居节点，然后再使用LD光源发射信号找到邻居节点的具体位置。在双方握手达成准备就绪后，双方才开始进行水下节点间的通信。所以，本申请采用两种光源的方式更容易实现邻居节点的发现，以有效实现双方的对准和通信。在结构设计上，采用收发一体式结构，通过对系统中的发射光源、聚光透镜、接收光学组件、调制电路和信号处理组件之间的空间结构进行优化设计，使本系统具有紧凑化和小型化的优点。
图2是本实施例提供的一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统的逻辑框图，如图2所示，系统中的接收光学组件3包括可调光衰减器、光学滤波器和光电探测器；
其中，可调光衰减器用于根据光电探测器的探测范围对聚光透镜接收和汇聚后的光信号进行功率调节；
光学滤波器用于对可调光衰减器输出的光信号进行滤波处理。
光电探测器用以探测可调光衰减器输出的光信号并将其转换为电信号；光电探测器的探测范围尽可能大，采用高灵敏度的光电倍增管PMT探测器，可以进一步提升水下无线光通信的传输距离。
信号处理组件包括预处理电路和信号处理器；其中，预处理电路用于对光电探测器输出的电信号进行采样、放大和滤波处理；信号处理器用于将预处理电路输出的电信号恢复为原始数据，并计算误码率。
下面以LED阵列光源中包含15个LED光源为例，对本发明提供的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统的组成和工作原理作进一步详细说明。
图3为本实施例提供的LED阵列光源的电路控制示意图；参见图3，该LED阵列光源由15个LED光源组成阵列结构，每个LED光源的开关单独控制，可实现1～15个LED光源的串联控制。
图4为本实施例提供的发射光源的结构示意图；该发射光源为由LD光源和LED阵列光源组成的双光源结构。其中，LED阵列光源中的LED光源的排列结构对应图3中的从左到右的顺序，以保证每个LED光源可以单独控制。
在发射端包含双光源（LED光源和LD光源）和其驱动电路。LD光源的输出光功率为10mW，LED光源的输出光功率最大为15W，其功率大小可调，可实现10米～300米可变距离的水下光通信。在双光源结构中，LD光源采用直接调制方式，用非归零通断键控（NRZ-OOK）信号进行控制，最高调制速率可达150Mb/s；LED光源同样采用NRZ-OOK调制方式，但其最高调制速率只有20Mb/s ，因此，光源可实现调制速率1～150M可调。光学组件是由可调光衰减器、反光杯和聚光透镜组成，以实现对光束的汇聚和准直，保证光源发散半角为5度。
在接收端，采用可探测范围为-38～-78 dBm的PMT探测器对接收信号进行探测。接收光先后经过聚光透镜、光学滤波器后被PMT探测器转换为电信号，然后通过放大和滤波处理，最后经过信号处理模块恢复出数据，计算误码率。
根据这一特点，LED阵列光源的输出功率可以控制在1～15W内调节。根据表1的链路功率预算结果可以看出，采用1个LED光源发光，传输10米后到达接收端的光功率8.96dBm。如此强光已超过PMT探测器的最大可探测功率。因此，需要在接收端加可调光衰减器，以保证到达PMT的光功率在其可探测范围内，以免损坏器件。在收发双方开始通信前，可调光衰减器应设置为最大衰减值，避免进入PMT的光强过大导致器件损坏。
表1 链路功率预算表
图5为本实施例提供的发射光源传输一定距离后的光斑示意图；参见图5，光源（发散半角为θ）传输距离L时发射光斑的半径为H。根据公式H=L*tan(θ)，可计算出光源传输距离L后的光斑大小。
由表1的链路功率预算可知，当采用LD光源作通信光源时，由于其发散角较小，所以在传输距离小于300米时，发射光斑直径都较小，如此小的光斑难以实现收发双方的对准。因此，在通信时，需要先采用发散角较大的LED光源进行邻居搜索，找到附近的邻居节点，然后才使用LD光源发射信号找到邻居节点的具体位置。在双方握手达成准备就绪后，双方才开始进行水下节点间的通信。所以，本发明采用两种光源的方式，更容易实现邻居节点的发现，以有效实现双方的对准和通信；在LED阵列光源中采用15个LED光源的情况下，本发明提供的通信系统的最大通信距离可以达到300m；理论上来说，增加LED光源的数量，该最大通信距离将随之增大。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，其特征在于，该系统为采用双光源的收发一体结构，包括发射光源、调制电路、聚光透镜、接收光学组件和信号处理组件；
所述发射光源包括LD光源和LED阵列光源；所述LED阵列光源由若干LED光源组合而成，且每个所述LED光源由独立开关进行控制，以实现输出光信号的功率调制；所述LD光源和LED光源呈环状分布，使发射光源形成中空的环状结构；
所述调制电路与发射光源电连接，用于控制发射光源输出不同类型或不同功率的光信号；
所述聚光透镜与发射光源通过空间光路连接，用于对发射光源输出的光信号进行汇聚和准直后发射出去；以及，接收邻居节点发出的光信号并进行汇聚；
所述接收光学组件设置在发射光源远离聚光透镜的一侧，其端部伸入发射光源的环状结构内部，与聚光透镜通过空间光路连接，用于探测聚光透镜接收和汇聚后的光信号，并将所述光信号转换为电信号；
所述信号处理组件将接收光学组件输出的电信号恢复为原始数据；
当通信距离不大于第一距离时，所述调制电路控制LED阵列光源输出具有与所述通信距离相匹配的功率的光信号来搜索邻居节点的粗略位置；然后控制LD光源输出光信号实现与邻居节点的对准，获得邻居节点的精确位置；
当通信距离大于第一距离时，所述调制电路控制LD光源输出光信号实现与邻居节点的对准，获得邻居节点的精确位置；其中，所述第一距离为发射光源输出的光信号的功率满足可被所述接收光学组件成功探测的前提下，LED阵列光源中的全部LED光源工作时所能达到的最大传输距离。
2.如权利要求1所述的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，其特征在于，所述调制电路和信号处理组件设置在同一块印制电路板上，或者分开设置在不同的印制电路板上。
3.如权利要求1所述的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，其特征在于，所述LED阵列光源的前端设置有反光杯，用于调节每个LED光源输出光束的发散角。
4.如权利要求1所述的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，其特征在于，所述接收光学组件包括可调光衰减器和光电探测器；
所述可调光衰减器用于根据光电探测器的探测范围对聚光透镜接收和汇聚后的光信号进行功率调节；
所述光电探测器用以探测可调光衰减器输出的光信号并将其转换为电信号。
5.如权利要求4所述的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，其特征在于，所述可调光衰减器与光电探测器之间设置有光学滤波器，用于对可调光衰减器输出的光信号进行滤波处理。
6.如权利要求4所述的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，其特征在于，所述信号处理组件包括预处理电路和信号处理器；
所述预处理电路用于对光电探测器输出的电信号进行采样、放大和滤波处理；
所述信号处理器用于将预处理电路输出的电信号恢复为原始数据，并计算误码率。
7.如权利要求1所述的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，其特征在于，还包括光学天线，所述光学天线设置在聚光透镜远离发射光源的一侧。
8.如权利要求1所述的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，其特征在于，所述聚光透镜为菲涅尔透镜。
9.如权利要求5所述的速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，其特征在于，所述光电探测器的探测范围为-38～-78 dBm。
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