CN113708843A

CN113708843A - 一种高动态范围的水下无线光通信接收装置

Info

Publication number: CN113708843A
Application number: CN202110887142.4A
Authority: CN
Inventors: 彭汉; 宫鹏飞; 文柯; 肖云; 吴夏颖; 李亚平; 费礼
Original assignee: 722th Research Institute of CSIC
Current assignee: 722th Research Institute of CSIC
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2021-11-26

Abstract

本申请公开了一种高动态范围的水下无线光通信接收装置，包括：光学天线、光学中继单元、光电转换单元和电学单元；光学中继单元用以对光学天线接收的光信号进行准直、滤光和分束；光电转换单元中包括至少两个具有不同光功率接收范围的光电探测器，用以对光学中继单元输出的光信号进行探测；电学单元用于对光电转换单元探测输出的电信号进行采样并将其恢复为原始数据，监测光学中继单元输出的光信号的功率大小，开启光电转换单元中与光信号的功率大小相匹配的光电探测器来执行光信号的探测；本发明将入射光束分成多路光束然后通过不同类型的光电探测器进行探测接收，光功率的探测范围可以覆盖由低到高比较大的范围，实现高动态探测范围，实用性强。

Description

一种高动态范围的水下无线光通信接收装置

技术领域

本申请涉及水下无线光通信技术领域，更具体地，涉及一种高动态范围的水下无线光通信接收装置。

背景技术

随着社会的发展，人们开展的水下活动日益增多，相应地，对水下通信的需求也越来越强烈。海洋观测传感器物联网的互连互通信息回传、水下运动装备与水面舰艇及通信浮标等目标的高速非接触数据传输、水下航行器集群及编队组网通信、海底光缆网与水下无线光通信的无线融合组网等功能，都需要水下通信技术作为支撑。

水下通信技术主要分有线和无线两大类。水下有线通信主要是使用光纤作为介质进行通信，光纤具有传输容量大、传输损耗小、抗电磁干扰等优点，是目前大部分越洋数据的主要传输方式。但是，有线通信需要物理媒介传输，这将制约水下航行器、传感器等动态通信网络的灵活性。

水下无线通信不需要借助光纤等传输介质，目前主要基于水声和电磁波通信。水声通信是一种应用很广泛的水下无线通信技术，声波在水中衰减小，能够实现低速率长距离的水下传输，但是水声通信带宽窄、时延大、易暴露自身位置安全性较弱。

水下电磁波通信主要包含低频通信、无线光通信；低频通信采用甚低频、超低频波段的电磁波为载波通信，低频通信传输距离可远至数千公里，海水穿透可达数百米，但是低频通信存在速率低、发射天线规模大、功耗大等不足，不适用于小型水下平台以及水下高速通信的应用场景。水下无线光通信主要是利用蓝绿光进行水下通信，有研究表明，海水对450nm～550nm波段内蓝绿光的衰减比其他波段光的衰减小的多，说明海水存在一个对蓝绿光的透光窗口。水下无线光通信具有成本低、传输速率高、抗干扰能力强、保密性好等优点，近年来成为国内外许多专家学者的研究热点。

水下无线光通信系统一般可应用于潜艇、无人水下航行器、蛙人、海底监测等场景，但由于工作距离随时发生改变，光接收与发射装置的对准角度随时发生改变，水体的衰减特性随时发生改变等因素，使得接收端得到的信号将在很大的动态范围波动。当信号太强时，接收端可能无法正常工作，当信号太弱时又无法满足通信。当前很多公开发表水下无线光通信系统大多处于实验室桌面系统阶段，信道条件和通信距离相对固定，具有学术意义上验证方案的可行性，但不具备实用性。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种高动态范围的水下无线光通信接收装置，其目的在于解决水下无线光通信系统中接收端信号相对于发送端信号的波动范围大，导致通信质量降低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高动态范围的水下无线光通信接收装置，该装置包括：光学天线、光学中继单元、光电转换单元和电学单元；所述光学天线、光学中继单元、光电转换单元之间依次通过空间光路连接；所述光电转换单元与电学单元之间电连接；

所述光学中继单元用以对光学天线接收的光信号进行准直、滤光和分束；

所述光电转换单元中包括至少两个具有不同光功率接收范围的光电探测器，用以对光学中继单元输出的光信号进行探测；每个所述光电探测器可接收由光学中继单元分束后的一路光束；

所述电学单元用于对光电转换单元探测输出的电信号进行采样并将其恢复为原始数据，以及，监测光学中继单元输出的光信号的功率大小，开启光电转换单元中与光信号的功率大小相匹配的光电探测器来执行所述光信号的探测。

优选的，上述水下无线光通信接收装置，所述电学单元包括后端处理电路和信号处理模块；

后端处理电路用以对光电转换单元探测输出的电信号进行放大和滤波等处理；

信号处理模块用以对后端处理电路输出的电信号进行采样并将其恢复为原始数据；该信号处理模块与光电转换单元中的至少一个光电探测器相连，通过所述光电探测器来监测光信号的功率大小，并根据监测结果选择性开启光电转换单元中的一个或多个光电探测器。

优选的，上述水下无线光通信接收装置，所述光学天线采用收发独立口径或者收发共口径模式。

优选的，上述水下无线光通信接收装置，所述光学中继单元包括沿光路方向依次设置的准直组件、滤光片和分束器；

光学天线输出的光信号依次经过所述准直组件、滤光片进行准直和滤波后，由所述分束器将其分为不少于光电转换单元中的光电探测器个数的多路光束。

优选的，上述水下无线光通信接收装置，所述光电转换单元中的光电探测器与光学中继单元中的分束器之间设置有空间光开关；

所述空间光开关在电学单元的控制下开启或关闭，来控制对应光电探测器与分束器之间的光路通断。

优选的，上述水下无线光通信接收装置，所述光电转换单元中的光电探测器包括光电倍增管、雪崩光电二极管、单光子雪崩光电二极管。

优选的，上述水下无线光通信接收装置，所述后端处理电路包括滤波放大电路和模数转换器，用于对光电倍增管、雪崩光电二极管输出的电信号进行后处理；

还包括用于对单光子雪崩光电二极管输出的电信号进行后处理的电平转换电路。

优选的，上述水下无线光通信接收装置，所述光电转换单元与后端处理电路、后端处理电路与信号处理模块之间通过射频线缆连接，或者集成在印制电路板上通过印制板线路连接。

优选的，上述水下无线光通信接收装置，所述光学天线为光学透镜。

优选的，上述水下无线光通信接收装置，所述空间光开关选用电控快门。

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：

本发明提供的高动态范围的水下无线光通信接收装置，光电转换单元中包括至少两个具有不同光功率接收范围的光电探测器，电学单元监测光学中继单元输出的光信号的功率大小，开启光电转换单元中与光信号的功率大小相匹配的光电探测器来执行光信号的探测。本发明将入射光束分成多路光束然后通过不同类型的光电探测器进行探测接收，不同探测器的接收灵敏度、接收饱和光功率不同，将多个探测器进行组合探测，光功率的探测范围可以覆盖由低到高比较大的范围，实现高动态探测范围。

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是本实施例提供的一种高动态范围的水下无线光通信接收装置的逻辑框图；

图2是本实施例提供的一种高动态范围的水下无线光通信接收装置的组成结构示意图；

图3为本申请实施例提供的不同光电探测器进行切换的流程示意图。

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高动态范围的水下无线光通信接收装置的逻辑框图，如图1所示，该装置包括：光学单元和电学单元两部分，光学单元中包括光学天线、光学中继单元、光电转换单元；光学天线、光学中继单元、光电转换单元之间依次通过空间光路连接；光电转换单元与电学单元之间电连接；

本实施例中，光电转换单元与后端处理电路、后端处理电路与信号处理模块之间可以通过射频线缆连接，也可以集成在印制电路板上通过印制板线路连接。

其中，光学天线主要用于接收发射端发出的光信号；光学天线可以采用收发独立口径或者收发共口径模式，本实施例优选采用收发独立口径模式，减少发射端光信号对接收端的干扰。光学天线的口径越大，所提供的增益也就越大，也更利于光路的对准，但相应的透镜的厚度和重量会增大，加工工艺也会更复杂。可以选用菲涅耳透镜，利用光学衍射原理进行光斑聚焦，在保证聚焦效果和光学增益地同时降低厚度和重量。

光学中继单元用以对光学天线接收的光信号进行准直、滤光和分束。

光电转换单元中包括至少两个具有不同光功率接收范围的光电探测器，用以对光学中继单元输出的光信号进行探测；每个所述光电探测器可接收由光学中继单元分束后的一路光束。

不同光电探测器的接收灵敏度、接收饱和光功率不同，将多个光电探测器进行组合探测，光功率的探测范围可以覆盖由低到高比较大的范围，实现高动态探测范围。需要指出的是，光电转换单元中的光电探测器种类、个数及其能够覆盖的光功率范围根据实际需求进行设定，例如可以使用雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)、单光子雪崩光电二极管(SPAD)、多像素光子计数器(MPPC)中的两个以上作为光电转换单元，本实施例不做具体限定；在一个具体的示例中，光电转换单元中的光电探测器包括雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)、单光子雪崩光电二极管(SPAD)。按灵敏度的高低来分，单光子雪崩光电二极管(SPAD)最高，光电倍增管(PMT)次之，雪崩光电二极管(APD)最低。

电学单元用于对光电转换单元探测输出的电信号进行采样并将其恢复为原始数据，以及，监测光学中继单元输出的光信号的功率大小，开启光电转换单元中与光信号的功率大小相匹配的光电探测器来执行所述光信号的探测。

作为一个可选的实施例，电学单元中包括后端处理电路和信号处理模块；

后端处理电路主要用以对光电转换单元探测输出的电信号进行放大和滤波处理；对于不同类型的光电探测器输出的电信号，后端处理电路会有所不同；其中，对于采用APD或者PMT为光电探测器所生成的电信号，需要进行低噪声放大、滤波等操作；而对于采用SPAD这类工作于光子计数模式的单光子光电探测器所生成的电信号，不需要进行低噪声放大、滤波等操作，但需要进行电平转换，使光电探测器输出的电信号与信号处理模块中的处理器电平相匹配。

简而言之，后端处理电路包括滤波放大电路和模数转换器，用于对光电倍增管、雪崩光电二极管输出的电信号进行后处理；还包括用于对单光子雪崩光电二极管输出的电信号进行后处理的电平转换电路。

具体来说，信号处理模块首先对后端处理电路生成的信号进行采样转化为数字信号，然后通过数字信号处理完成对信号的时钟同步、均衡、纠错解码等操作，最终恢复原始数据。本实施例中，信号处理模块采用FPGA处理器。

对于不同类型的光电探测器输出的电信号，信号处理模块采样的方式也不同，其中，对于采用APD或者PMT探测并处理后的电信号，采样是抽样、量化的过程；优选地，采用模数转换器(ADC)来实现采样；对于采用SPAD这类工作于光子计数模式的单光子光电探测器所生成的电信号，采样是对电脉冲波形进行识别、计数的过程，可由FPGA或者计数器来实现。

继续参见图1，上述水下无线光通信接收装置，其光学中继单元包括沿光路方向依次设置的准直组件、滤光片和分束器；

其中，准直组件包括光束整形扩束组件、光路折转反射镜以及孔径光栏、视场光栏等，准直的作用是将光学天线接收的光束进行扩束，使接收光束发散角减小，接近平行光；滤光片采用窄带滤光片，透过信号光波长，滤除背景光和杂散光；分束器可采用一个或多个分束器组合而成，将接收光信号分成多路光束。

作为一个更加优选的实施例，上述水下无线光通信接收装置，其光电转换单元中的光电探测器与光学中继单元中的分束器之间设置有空间光开关；

通过空间光开关的应用，可以保护对光强敏感、易饱和的高灵敏光电探测器(如SPAD、PMT)，并实现高动态探测范围。

下面以包含以上三种光电探测器为例对水下无线光通信接收装置的具体组成和工作原理作进一步说明。

图2是本实施例提供的一种高动态范围的水下无线光通信接收装置的组成结构示意图，参见图2，本实施例中，将水下无线光通信接收装置分为光学单元和电学单元两个部分，各个模块都集成在电路板上，实现小型化、集成化设计。

光学单元中的光学天线采用第一光学滤镜，作为一个具体的示例，该第一光学滤镜采用直径为50mm的非球面透镜。

光学中继单元包括第二光学滤镜、滤光片、第一分束器、第二分束器和反射镜；完成对光信号的接收、准直、分光的功能。其中，第一光学滤镜、第二光学滤镜、滤光片和第一分束器沿第一光路依次设置，第一分束器、第二分束器和反射镜沿第二光路依次设置，第一光路和第二光路的交点为第一分束器，第一光路与第二光路之间呈现一定角度但并不局限于90°。

本实施例中，由于第一分束器的分光数量为2，在光电转换单元中采用三种光电探测器的情况下，需要使用第二分束器进行第二次分光；需要说明的是，如果第一分束器的分光数量大于2，则无需再设置第二分束器。此外，反射镜并非必要器件，设置反射镜的目的在于使第二分束器分出的两束光变换为平行，但不局限于此。

作为一个具体的示例，该第二光学滤镜采用直径为25mm的非球面透镜，滤光片的3dB带通宽度为516nm～538nm，截止深度为OD4，第一分束器、第二分束器的分束比为50：50。

光电转换单元包括雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)、单光子雪崩光电二极管(SPAD)、第一电控快门和第二电控快门；

本实施例分别在光电倍增管(PMT)、单光子雪崩光电二极管(SPAD)的前端设置第一电控快门、第二电控快门，电控快门可以通过电学单元的电控信号来选择开启或关闭快门，从而实现光路的打开或切断。当然，也可以在雪崩光电二极管(APD)与第一分束器之间设置电控快门，由于雪崩光电二极管(APD)的灵敏度最低，因此选用雪崩光电二极管(APD)来进行光强监测并反馈到电学单元，因此雪崩光电二极管(APD)处于常开状态，无需设置电控快门。

电学单元中的后端处理电路包含两种电路，雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)输出的电信号需要进行滤波、放大处理，其中滤波放大的参数需根据各自信号特性设计；放大电路采用限幅放大电路或自动增益控制放大电路，使得信号放大至模数转换器ADC的满量程内。单光子雪崩光电二极管(SPAD)输出的电信号经过电平转换芯片后送至信号处理模块。电学单元通过射频线缆与光学单元的各个光电探测器的输出端互连。

信号处理模块中包括FPGA处理器、电源模块和时钟模块，该FPGA处理器包括控制接口和输出接口，其中控制接口与雪崩光电二极管(APD)、第一电控快门和第二电控快门相连。雪崩光电二极管(APD)输出的电信号一部分进行隔直、滤波、放大作为通信信号，一部分进行低通滤波、放大等操作后发送给FPGA处理器，用于光强监测。第一、第二电控开关的控制信号由FPGA处理器的控制接口实现，FPGA处理器通过对光功率大小的监测实现对开关快门的切换，当监测光功率较强的时候，关闭第一电控快门和第二电控快门，由雪崩光电二极管(APD)探测的信号进行通信；当监测光功率较弱时，打开第一电控快门，由光电倍增管(PMT)探测的信号进行通信；当光电倍增管(PMT)探测的信号通信误码率较高时，打开第二电控快门，由单光子雪崩光电二极管(SPAD)探测的信号进行通信，三种探测器切换的流程图如图3所示，切换过程中涉及的光功率阈值可根据实际情况进行设置，本实施例不做具体限制。

本发明提出一种高动态范围的水下无线光通信接收装置，该装置的主要特点是将入射光束分成多路光束然后通过不同类型的光电探测器进行探测接收，然后在后端进行相应的硬件电路处理和数字信号处理还原信号，从而达到高动态范围接收探测的目的。本发明提出的通信接收装置的使用是以空间通信链路的建立为前提，在实际水下无线光通信系统中，还需要结合捕获、对准、跟踪(ATP)分系统来保证通信链路的有效连接，这部分类容不在本发明讨论范围内。

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

1.一种高动态范围的水下无线光通信接收装置，其特征在于，包括：光学天线、光学中继单元、光电转换单元和电学单元；所述光学天线、光学中继单元、光电转换单元之间依次通过空间光路连接；所述光电转换单元与电学单元之间电连接；

2.如权利要求1所述的水下无线光通信接收装置，其特征在于，所述电学单元包括后端处理电路和信号处理模块；

后端处理电路用以对光电转换单元探测输出的电信号进行放大和滤波处理；

3.如权利要求1所述的水下无线光通信接收装置，其特征在于，所述光学天线采用收发独立口径或者收发共口径模式。

4.如权利要求1所述的水下无线光通信接收装置，其特征在于，所述光学中继单元包括沿光路方向依次设置的准直组件、滤光片和分束器；

5.如权利要求4所述的水下无线光通信接收装置，其特征在于，所述光电转换单元中的光电探测器与光学中继单元中的分束器之间设置有空间光开关；

6.如权利要求1所述的水下无线光通信接收装置，其特征在于，所述光电转换单元中的光电探测器包括光电倍增管、雪崩光电二极管、单光子雪崩光电二极管。

7.如权利要求6所述的水下无线光通信接收装置，其特征在于，所述后端处理电路包括滤波放大电路和模数转换器，用于对光电倍增管、雪崩光电二极管输出的电信号进行后处理；

还包括用于对单光子雪崩光电二极管输出的的电信号进行后处理的电平转换电路。

8.如权利要求2所述的水下无线光通信接收装置，其特征在于，所述光电转换单元与后端处理电路、后端处理电路与信号处理模块之间通过射频线缆连接，或者集成在印制电路板上通过印制板线路连接。

9.如权利要求1所述的水下无线光通信接收装置，其特征在于，所述光学天线为光学透镜。

10.如权利要求5所述的水下无线光通信接收装置，其特征在于，所述空间光开关选用电控快门。