CN114024602B - 一种水下无线光通信系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种水下无线光通信系统以及方法，用于为水下作业的机器人提供通信更为灵活、通信质量更为稳定的通信环境，保障水下作业机器人的正常工作。系统包括母船、多个水下作业机器人以及水下基站机器人；母船与水下基站机器人之间通过线缆进行有线通信；水下基站机器人与多个水下作业机器人之间通过各自配置的水下光通信模块，进行水下无线光通信；在水下作业工作过程中，母船向水下基站机器人下发工作指令，工作指令携带指向的目标水下作业机器人的光地址码；水下基站机器人基于光地址码，将工作指令通过水下无线光通信，下发至目标水下作业机器人；目标水下作业机器人根据工作指令进行对应的水下作业任务。

Description

一种水下无线光通信系统以及方法

技术领域

本申请涉及通信领域，具体涉及一种水下无线光通信系统以及方法。

背景技术

目前，水下无线光通信技术由于其带宽高、传输速率快、通信速率高、保密性强等优点，已经成为了许多国内外专家学者研究的热点。

相比于水下磁通信和水下声通信这两种传统的水下通信技术，水下光通信被认为是最具发展潜力和未来水下高速通信组网的核心技术。

而在现有的相关技术的人就过程中，发明人发现，在部署机器人来承担水下作业时，与水下的机器人之间，时常出现通信不便或者说通信质量不稳定的问题。

发明内容

本申请提供了一种水下无线光通信系统以及方法，用于为水下作业的机器人提供通信更为灵活、通信质量更为稳定的通信环境，保障水下作业机器人的正常工作。

第一方面，本申请提供了一种水下无线光通信系统，水下无线光通信系统包括母船、多个水下作业机器人以及水下基站机器人；

母船用于承载多个水下作业机器人以及水下基站机器人，并当到达目标位置后，多个水下作业机器人以及水下基站机器人投放至水下环境中；

母船与水下基站机器人之间通过线缆进行有线通信；

水下基站机器人与多个水下作业机器人之间通过各自配置的水下光通信模块，进行水下无线光通信；

在水下作业工作过程中，母船向水下基站机器人下发工作指令，工作指令携带指向的目标水下作业机器人的光地址码；

水下基站机器人基于光地址码，将工作指令通过水下无线光通信，下发至目标水下作业机器人；

目标水下作业机器人根据工作指令进行对应的水下作业任务。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第一种可能的实现方式中，在水下作业工作过程中，母船根据水下基站机器人的位置、多个水下作业机器人的当前所处位置以及多个水下作业机器人的目标移动位置，确定水下基站机器人的目标移动位置；

母船生成目标移动位置对应的移动工作指令，并向水下基站机器人下发移动工作指令；

水下基站机器人根据移动工作指令，调整自身的所处位置至目标移动位置。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第二种可能的实现方式中，水下作业机器人通过自身配置的蓝绿光LED灯与水下基站机器人配置的光强探测器，完成与水下作业机器人之间的定点对接工作，并当完成定点对接工作后，关闭蓝绿光LED灯的灯光照射，其中，在定点对接工作过程中，所测光强最大处为水下基站机器人上水下光通信模块的所在位置。

结合本申请第一方面第二种可能的实现方式，在本申请第一方面第三种可能的实现方式中，光强探测器配置有相应的蓝光滤镜和绿光滤镜，以避免仪器之间的相互干扰。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第四种可能的实现方式中，水下作业机器人将自身采集的工作状态数据通过水下无线光通信，上报至水下基站机器人；

水下基站机器人将工作状态数据上报至母船；

母船根据工作状态数据，进行数据分析，并生成对应的工作指令。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第五种可能的实现方式中，水下基站机器人，与水下作业机器人之间通过水下光通信模块，进行水下无线光通信的过程中，包括：

在发送端，编码模块根据预先分配到的光地址码，对所需传输数据进行编码，需要发送比特数据“1”时，则发送光地址码的序列，需要发送数据“0”时输出与光地址码等长的“0”序列，编码后得到的信号通过OOK调制，转换成高低电平信号后，再通过光源模块将高低电信号转换成光信号在水下信道中传播，

在接收端，接收到的光信号由光电探测解调模块中的光电探测器将光信号转换成电信号，进行跨阻放大、滤波操作后，进行OOK解调，解调出来的信号通过多用户检测模块进行用户信号检测，再通过解码判决模块进行解码，将所需传输数据一一解码分离出来。

结合本申请第一方面第五种可能的实现方式，在本申请第一方面第六种可能的实现方式中，多用户检测模块以及解码判决模块包括于解码模块，解码模块采用串行干扰消除算法进行串行方法消除多址干扰，其中，每一级的检测判决只对一个水下作业机器人的信号进行判断、重构和消除，避免其他的水下作业机器人的信号受到多址干扰；

在工作过程中，以水下作业机器人作为用户，重复执行以下处理，，直至检测完所有的用户信号：

对多用户混叠信号进行最强用户检测，并且将其幅值与对应的光地址码记录下来，将幅值与光地址码逐位进行乘法运算并乘上门限系数，将得到的目标光地址码作为门限，进行数字匹配滤波得到最强用户信号，将最强用户信号从整体的混叠信号中抵消去除。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第七种可能的实现方式中，光地址码是在配置参数的指导下，穷举筛选出码字个数最大且符合自相关特性、互相关特性的光正交码码集得到的；

配置参数包括：任意一组光地址码都用一个光正交码的四元组N,ω,λ_a,λ_c表示，其中，N为码长，ω为码重，λ_a代表最大自相关旁瓣，λ_c为最大互相关门限，λ_a满足：

λ_c满足：

X、Y为(N,ω,λ_a,λ_c)光地址码码集中两个不同的码字，x_i,y_i∈{0,1}分别代表光地址码X和Y中的第i个元素，

运算符代表模N加法，τ代表两者之间的相对时延，

用户信号h_i与收到的总信息H之间的互相关性如下式：

其中，

运算符代表互相关运算，用户信号h_i自相关R_ii的最大值为ω。

第二方面，本申请提供了一种水下无线光通信方法，方法应用于水下无线光通信系统，水下无线光通信系统包括母船、多个水下作业机器人以及水下基站机器人，母船用于承载多个水下作业机器人以及水下基站机器人，并当到达目标位置后，多个水下作业机器人以及水下基站机器人投放至水下环境中，母船与水下基站机器人之间通过线缆进行有线通信，水下基站机器人与多个水下作业机器人之间通过各自配置的水下光通信模块，进行水下无线光通信，方法包括：

在水下作业工作过程中，母船向水下基站机器人下发工作指令，工作指令携带指向的目标水下作业机器人的光地址码；

水下基站机器人基于光地址码，将工作指令通过水下无线光通信，下发至目标水下作业机器人；

目标水下作业机器人根据工作指令进行对应的水下作业任务。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第一种可能的实现方式中，方法还包括：

在水下作业工作过程中，母船根据水下基站机器人的位置、多个水下作业机器人的当前所处位置以及多个水下作业机器人的目标移动位置，确定水下基站机器人的目标移动位置；

母船生成目标移动位置对应的移动工作指令，并向水下基站机器人下发移动工作指令；

水下基站机器人根据移动工作指令，调整自身的所处位置至目标移动位置。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第二种可能的实现方式中，水下作业机器人通过自身配置的蓝绿光LED灯与水下基站机器人配置的光强探测器，完成与水下作业机器人之间的定点对接工作，并当完成定点对接工作后，关闭蓝绿光LED灯的灯光照射，其中，在定点对接工作过程中，所测光强最大处为水下基站机器人上水下光通信模块的所在位置。

结合本申请第二方面第二种可能的实现方式，在本申请第二方面第三种可能的实现方式中，光强探测器配置有相应的蓝光滤镜和绿光滤镜，以避免仪器之间的相互干扰。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第四种可能的实现方式中，方法还包括：

水下作业机器人将自身采集的工作状态数据通过水下无线光通信，上报至水下基站机器人；

水下基站机器人将工作状态数据上报至母船；

母船根据工作状态数据，进行数据分析，并生成对应的工作指令。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第五种可能的实现方式中，水下基站机器人，与水下作业机器人之间通过水下光通信模块，进行水下无线光通信的过程中，包括：

在发送端，编码模块根据预先分配到的光地址码，对所需传输数据进行编码，需要发送比特数据“1”时，则发送光地址码的序列，需要发送数据“0”时输出与光地址码等长的“0”序列，编码后得到的信号通过OOK调制，转换成高低电平信号后，再通过光源模块将高低电信号转换成光信号在水下信道中传播，

在接收端，接收到的光信号由光电探测解调模块中的光电探测器将光信号转换成电信号，进行跨阻放大、滤波操作后，进行OOK解调，解调出来的信号通过多用户检测模块进行用户信号检测，再通过解码判决模块进行解码，将所需传输数据一一解码分离出来。

结合本申请第二方面第五种可能的实现方式，在本申请第二方面第六种可能的实现方式中，多用户检测模块以及解码判决模块包括于解码模块，解码模块采用串行干扰消除算法进行串行方法消除多址干扰，其中，每一级的检测判决只对一个水下作业机器人的信号进行判断、重构和消除，避免其他的水下作业机器人的信号受到多址干扰；

在工作过程中，以水下作业机器人作为用户，重复执行以下处理，，直至检测完所有的用户信号：

对多用户混叠信号进行最强用户检测，并且将其幅值与对应的光地址码记录下来，将幅值与光地址码逐位进行乘法运算并乘上门限系数，将得到的目标光地址码作为门限，进行数字匹配滤波得到最强用户信号，将最强用户信号从整体的混叠信号中抵消去除。

结合本申请第二方面，在本申请第二方面第七种可能的实现方式中，光地址码是在配置参数的指导下，穷举筛选出码字个数最大且符合自相关特性、互相关特性的光正交码码集得到的；

配置参数包括：任意一组光地址码都用一个光正交码的四元组N,ω,λ_a,λ_c表示，其中，N为码长，ω为码重，λ_a代表最大自相关旁瓣，λ_c为最大互相关门限，λ_a满足：

λ_c满足：

X、Y为(N,ω,λ_a,λ_c)光地址码码集中两个不同的码字，x_i,y_i∈{0,1}分别代表光地址码X和Y中的第i个元素，

运算符代表模N加法，τ代表两者之间的相对时延，

用户信号h_i与收到的总信息H之间的互相关性如下式：

其中，

运算符代表互相关运算，用户信号h_i自相关R_ii的最大值为ω。

第三方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有多条指令，指令适于处理器进行加载，以执行本申请第二方面或者本申请第二方面任一种可能的实现方式提供的方法。

从以上内容可得出，本申请具有以下的有益效果：

在水下作业场景下，本申请提供的水下无线光通信系统中，配置了母船、多个水下作业机器人以及水下基站机器人，母船与水下作业机器人之间通过水下基站机器人进行通信，在这通信过程中，水下机器人无需连接线缆，即可进行通信，不会有线缆与机器人自身、机器人周围环境缠绕的事故发生，其次通过水下基站机器人还可促使更为灵活的无线通信范围以及无线通信方式，进一步地还引入了无线光通信方式，又可解决当前的水下多用户水声通信的通信速率低、传输时延高的问题，为未来的水下无线多用户通信组网提供了方法借鉴。

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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本申请水下无线光通信系统的一种结构示意图；

图2为本申请水下无线光通信的一种场景示意图；

图3为本申请串行干扰抵消处理的一种场景示意图；

图4为本申请水下无线光通信方法的一种流程示意图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

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”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本申请中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。

本申请中所出现的模块的划分，是一种逻辑上的划分，实际应用中实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合成或集成在另一个系统中，或一些特征可以忽略，或不执行，另外，所显示的或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，模块之间的间接耦合或通信连接可以是电性或其他类似的形式，本申请中均不作限定。并且，作为分离部件说明的模块或子模块可以是也可以不是物理上的分离，可以是也可以不是物理模块，或者可以分布到多个电路模块中，可以根据实际的需要选择其中的部分或全部模块来实现本申请方案的目的。

首先，参阅图1，图1示出了本申请水下无线光通信系统的一种结构示意图，本申请提供的水下无线光通信系统，具体可包括母船、多个水下作业机器人以及水下基站机器人；

其中，母船一般是位于水面上的，用于承载多个水下作业机器人以及水下基站机器人，并当到达目标位置后，多个水下作业机器人以及水下基站机器人投放至水下环境中；

具体的，可以由母船上的相关投放设备，将多个水下作业机器人以及水下基站机器人投放至水下环境中，或者，也可以由多个水下作业机器人以及水下基站机器人自身的移动模块(可随实际需要配置)，自主完成水下环境中的投放，当然，在一些情况下，还可由人工辅助完成投放，具体可随实际需要调整。

在完成水下作业任务后，下作业机器人以及水下基站机器人两者还可进行回收，多次使用，不会导致设备遗失、丢弃的情况发生，具有更高的实用性以及可实现性。

需要理解的是，母船，在本申请中，主要完成的多个水下作业机器人以及水下基站机器人的承载工作，以在执行水下作业任务时，将水下作业机器人以及水下基站机器人运输至水面上的相关地点，再进行相应的投放。

母船，还可以配置有数据处理能力，例如根据当前的水下作业任务执行情况，调整水下作业机器人的工作状态；母船还可配置有其他设备甚至人员的承载能力，可见，母船其具体船体结构、船体类型，具体是随实际需要调整的，若只需执行本申请提供的水下无线光通信系统的控制及其水下作业任务的控制，显然，仅需较小的体型，而若需要执行其他例如人员、设备的运输任务，则还需考虑调整显著提高其体型。

其次，对于水下基站机器人，其可以理解为在水下环境中执行基站工作的机器人，其配置有基站服务的相关程序，供无线通信环境。

在本申请中，母船与水下基站机器人之间，具体通过线缆进行有线通信。

此外，该线缆除了可以包含数据传输线路，还可包含电源供应线路，以向水下基站机器人提供其工作电源，从而无需顾虑水下的水下基站机器人的续航问题。

当然，水下基站机器人自身也可配置有电源模块，以提供工作电源。

对于水下作业机器人，可以理解，其为末端的执行设备，本体上可根据具体的执行需求配置有不同的执行构件，例如机械臂等，在水下环境中执行具体的水下作业任务。

作为控制的基础，水下基站机器人与多个水下作业机器人之间，具体通过各自配置的水下光通信模块，进行水下无线光通信。

可以理解，水下无线光通信模块，支持的是水下无线光通信技术，水下无线光通信技术具有带宽高、传输速率快、通信速率高、保密性强等优点，相比于在水下作业机器人上部署线缆进行数据传输，显然，水下无线光通信的通信方式，更为灵活，此外，由于水下基站机器人本身也处于水下环境中，因此可在更深、更复杂的水下位置展开无线通信范围，进而水下作业机器人可处于更深、更复杂的水下位置执行其水下作业任务。

而从控制水下作业机器人执行水下作业任务来看，在水下作业工作过程中，母船可向水下基站机器人下发工作指令，该工作指令携带指向的目标水下作业机器人的光地址码；

水下基站机器人再基于光地址码，将工作指令通过水下无线光通信，下发至目标水下作业机器人；

目标水下作业机器人再根据工作指令进行对应的水下作业任务。

在这过程中，信号的传输，是以光地址码作为设备标识进行的，也就是说，在所需传输的信号中携带目标设备的光地址码，如此水下基站机器人可确定具体的信号接收方，进行信号的转发。

从以上内容可看出，在水下作业场景下，本申请提供的水下无线光通信系统中，配置了母船、多个水下作业机器人以及水下基站机器人，母船与水下作业机器人之间通过水下基站机器人进行通信，在这通信过程中，水下机器人无需连接线缆，即可进行通信，不会有线缆与机器人自身、机器人周围环境缠绕的事故发生，其次通过水下基站机器人还可促使更为灵活的无线通信范围以及无线通信方式，进一步地还引入了无线光通信方式，又可解决当前的水下多用户水声通信的通信速率低、传输时延高的问题，为未来的水下无线多用户通信组网提供了方法借鉴。

此外，对于本申请提供的水下无线光通信系统，其在实际应用中还可配置进一步的具体实现方案或者具体优化方案。

作为一种适于实用的实现方式，在水下作业工作过程中，母船可根据水下基站机器人的位置、多个水下作业机器人的当前所处位置以及多个水下作业机器人的目标移动位置，确定水下基站机器人的目标移动位置；

母船生成目标移动位置对应的移动工作指令，并向水下基站机器人下发移动工作指令；

水下基站机器人根据移动工作指令，调整自身的所处位置至目标移动位置。

可以理解，在该设置下，水下基站机器人也可同水下作业机器人一样，在水下环境中具有移动能力，其可通过驱动器、螺旋桨等构件，完成位置的移动，如此进一步加强水下基站机器人展开的无线通信范围的灵活性，便于在更深、更复杂的水下位置提供稳定的无线通信服务。

可见，对于母船而言，除了可以通过工作指令控制水下作业机器人的位置或者其他工作状态，也可以通过工作指令控制水下基站机器人的位置或者其他工作状态。

作为又一种适于实用的实现方式，母船在工作过程中，还可涉及到对水下数据的汇总或者分析。

例如，在上面内容中，是以从上到下，从母船控制水下作业机器人的控制方面进行介绍的，而其中涉及的工作指令还可以是由水下作业机器人所回报的工作状态数据生成并下发的，即：

水下作业机器人将自身采集的工作状态数据通过水下无线光通信，上报至水下基站机器人；

水下基站机器人将工作状态数据上报至母船；

母船根据工作状态数据，进行数据分析，并生成对应的工作指令。

可以理解，母船根据水下作业机器人上报的工作状态数据所生成的工作指令，可以是针对水下作业机器人的，后续可下发至水下作业机器人以达到控制末端执行设备的目的，或者，也可以是针对其他方面的，例如控制水下基站机器人甚至母船自身，例如可以调整水下基站机器人的位置、通过自身配置的显示屏显示工作状态数据的分析结果、向云服务器上传工作状态数据的分析结果等。

而对于水下作业机器人采集的工作状态数据，既可以是水下作业机器人面向自身采集到的数据，例如相关构件的完好程度、工作电源余量、工作记录等，此外还可以是水下作业机器人面向周遭环境采集到的数据，例如水温、水压等，其具体的数据内容，可以随实际需要调整，并可配置可以感应相关数据内容的传感器。

除了系统组成方面、系统控制方面，本申请对于涉及的无线光通信方面也可配置有具体的设置。

作为又一种适于实用的实现方式，水下作业机器人通过自身配置的蓝绿光LED灯与水下基站机器人配置的光强探测器，完成与水下作业机器人之间的定点对接工作，并当完成定点对接工作后，关闭蓝绿光LED灯的灯光照射，其中，在定点对接工作过程中，所测光强最大处为水下基站机器人上水下光通信模块的所在位置。

可以理解，此处所称的定点对接工作过程，为在实际应用中，水下的水下作业机器人进行位置的移动后可以涉及到的工作，以便对水下作业机器人的位置进行更新、校准、锚定，进而为后续精确的水下无线光通信工作提供支持。

此外，在实际应用中，该定点对接工作过程，也可涉及到水下基站机器人的移动场景，或者，涉及到水下基站机器人以及水下作业机器人两者的移动场景。

此外，与水下无线光通信类似的，对于位置的定位，也是由光处理实现的，一方面，水下作业机器人上的蓝绿光LDE灯向水下基站机器人发出光束，另一边水下基站机器人上，可在4π立体角下旋转光强探测器等光强探测器的控制方式下，促使光强探测器接收该光束，通过测得的光光强促使两者调整至最佳的相对位置。

当完成定点对接工作后，水下作业机器人则可关闭蓝绿光LED灯，或者说停止向水下基站机器人发出光束，避免对水下光通信模块的水下无线光通信工作产生干扰，此外也可节省能量的损耗。

其中，作为又一种适于实用的实现方式，水下基站机器人上的光强探测器，还可配置有相应的蓝光滤镜和绿光滤镜，通过其对蓝光或者绿光的过滤效果，保留下更为明显的蓝光或者绿光的感应信息，从而可实现更强的光前探测效果，以避免相关仪器之间的相互干扰。

而在具体的水下无线光通信的过程中，则可包括以下内容：

在发送端，编码模块根据预先分配到的光地址码，对所需传输数据进行编码，需要发送比特数据“1”时，则发送光地址码的序列，需要发送数据“0”时输出与光地址码等长的“0”序列，编码后得到的信号通过OOK调制，转换成高低电平信号后，再通过光源模块将高低电信号转换成光信号在水下信道中传播，

在接收端，接收到的光信号由光电探测解调模块中的光电探测器将光信号转换成电信号，进行跨阻放大、滤波操作后，进行OOK解调，解调出来的信号通过多用户检测模块进行用户信号检测，再通过解码判决模块进行解码，将所需传输数据一一解码分离出来。

具体的，水下无线光通信的过程，还可参考图2示出的本申请水下无线光通信的一种场景示意图，其中，可以看出的是，对于该图2，是以水下基站机器人的角度呈现的，将末端位置的水下作业机器人作为用户。

应当理解的是，当水下基站机器人向水下作业机器人下发相关信号时，对于接收信号的水下作业机器人而言，则可以未涉及到多用户的检测，仅需确定信号的目标接收方时自身即可，例如可以对信号携带的光地址码进行校验来达到确定目的，甚至的，水下作业机器人还可默认从水下基站机器人发送过来的信号其目标接收方就是自身，无需涉及到自身光地址码的校验。

其中，从上面设置可以看出的是，对于水下基站机器人以及水下作业机器人而言，其配置的水下无线光通信模块，都可包括编码模块、OKK调制、光源、光电探测解调模块、OOK解调、解码模块(多用户检测模块及其多用户判决，一般仅需配置于水下基站机器人)的内容。

进一步的，作为又一种适于实用的实现方式，对于水下基站机器人，多用户检测模块以及解码判决模块包括于解码模块，在实际应用中，参考图3示出的本申请串行干扰抵消处理的一种场景示意图，还可采用串行干扰消除算法进行串行方法消除多址干扰，其中，每一级的检测判决只对一个水下作业机器人的信号进行判断、重构和消除，避免其他的水下作业机器人的信号受到多址干扰；

在工作过程中，以水下作业机器人作为用户，重复执行以下处理，直至检测完所有的用户信号：

对多用户混叠信号进行最强用户检测，并且将其幅值与对应的光地址码记录下来，将幅值与光地址码逐位进行乘法运算并乘上门限系数，将得到的目标光地址码作为门限，进行数字匹配滤波得到最强用户信号，将最强用户信号从整体的混叠信号中抵消去除。

此外，对于本申请所涉及的光地址码本身，在又一种适于实用的实现方式中，该光地址码为本申请特别构造的地址码，对于其构造过程，还可参考以下内容。

在本申请中，光地址码是在配置参数的指导下，穷举筛选出码字个数最大且符合自相关特性、互相关特性的光正交码码集得到的；

配置参数包括：任意一组光地址码都用一个光正交码的四元组N,ω,λ_a,λ_c表示，其中，N为码长，ω为码重，λ_a代表最大自相关旁瓣，λx为最大互相关门限，λ_a满足：

λ_c满足：

X、Y为(N,ω,λ_a,λ_c)光地址码码集中两个不同的码字，x_i,y_i∈{0,1}分别代表光地址码X和Y中的第i个元素，

运算符代表模N加法，τ代表两者之间的相对时延，

用户信号h_i与收到的总信息H之间的互相关性如下式：

其中，

运算符代表互相关运算，用户信号h_i自相关R_ii的最大值为ω。

对于该示例性的实施例，本申请在具体的应用过程中，对于系统中光地址码的构造，是在预先确定的配置参数下进行的，在该配置参数中，描述了光地址码的形式及其存在的参数约束内容，对于该配置参数涉及的研发背景，还可以通过以下内容进行理解。

对于任意一组光地址码，都可以用一个四元组N,ω,λ_a,λ_c来表示，其中N为光地址码的码长，ω为光地址码的码重，λ_a代表光地址码的最大自相关旁瓣，λ_c为光地址码的最大互相关门限。

最大自相关旁瓣λ_a满足：

最大互相关门限λ_c满足：

/>

其中，X，Y是(N,ω,λ_a,λ_c)光地址码码集中两个不同的码字，x_i,y_i∈{0,1}分别代表光地址码X和Y中的第i个元素，

运算符代表模N加法，τ代表两者之间的相对时延。

由光地址码的最大自相关旁瓣和最大互相关门限的定义可知，当码字进行循环位移的时候不会影响到码字的自相关特性和互相关特性，所以在信道混叠之后进行解码时不会因为时延的原因，导致其自相关特性与互相关特性发生改变。

对于任何一组光地址码码集，都可以用(N,ω,λ_a,λ_c)来表示，在设计光地址码码集时，可以仅需考虑这四个元素。其中，对于码长N，越长的码长会导致水下无线光通信系统最大用户通信速率下降的越多，系统最大用户通信速率与码长的关系如下：

其中，R_s表示系统原始单用户最大通信速率，R_t表示码分多址后的单个用户通信速率。由上式(3)可知在计算光地址码码集的时候，应该尽量选择码长较短的码集，码长越短，其用户通信速率也就越高。

假设系统中的活跃用户数有n个(n≤N)，分别为h₁,h₂,h₃,…,h_n。因为用户传输信息时间的不确定性，信号在信道中也是随机混叠的，在接收端进行信号判决时，本申请会将用户的地址码C_i与接收到的总信息H逐个进行匹配，所以用户自身信号h_i不匹配的一部分也会对判决产生影响。因此在判决时，用户信号h_i与收到的总信息H之间的互相关性如下式所示：

其中，

运算符代表式(4)所定义的互相关运算。假设系统处于通信质量最差的情况下，即各个用户信号强度相同(设其均为1)，此时无法通过用户信号幅度来区分信号，是多用户通信最差的情况。用户信号h_i自相关R_ii的最大值为ω，为了防止系统错误将别的信息判决解码成h_i，则必须保证R_ij<ω。

对于本申请引入的光正交码(Optical Orthogonal Code，OOC)，其为一种时域扩频码，相比于传统的素数码及其衍生码，光正交码拥有更加优良的自相关性与互相关性；同时，光正交码还可拥有所有一维光地址码中最大的码集容量。与此同时，本申请在引入光正交码的情况下，还结合水下无线光通信场景对其进行具体设置以及优化设置。

对于参数为(N,ω,λ_a,λ_c)的光正交码，其码集容量假设为φ(N,ω,λ_a,λ_c)，即可容纳用户数的最大值。根据代数编码理论，当给定N,ω,λ_a,λ_c时，光正交码的码集容量存在一个Johnson上界：

在非相干光码分多址系统中，光地址码的特性可以左右着整个通信系统的性能，设计光地址码时主要考虑地址码的码长、码重、最大自相关旁瓣以及最大互相关门限，即N,ω,λ_a,λ_c四个参数。在保证码长和码集容量相同的条件下，越大的码重与越小的自相关门限能够提高通信系统中多用户的接入同步效率，而越小的互相关门限有利于减少多用户干扰。

为了让用户之间的多址干扰尽可能的小，在设计地址码码集的时候就可以让互相关门限λ_c＝1，并且在码长允许的情况下码重ω也要尽可能的大。

当λ_c＝1时，由式(4)可以计算出，R_ij的最大值为：

所以如果想要完全无误码的解码出所有信号，则需要满足n＜ω+1-λ_a。当自相关旁瓣λ_a＝1时，用户数n能取得最大值ω-1。因此在设计光地址码码集时，本申请还可以将自相关旁瓣λ_a和互相关门限λ_c均设为1，并且尽量满足n＜ω的条件。

根据上面的推演，为了得到最为满足系统的光正交码，可以将输入参数配置为λ_a＝λ_c＝1，即(N,ω,λ_a,λ_c)＝(N,ω,1,1)，其中，ω＝n+1，N满足公式(5)，将参数代入式(5)可以得到：

N≥ω*(ω-1)*n+1 (7)

为了让系统中用户通信速率更高，因此N可以取最小值ω*(ω-1)*n+1，n为用户数。

此外，在获得光正交码的配置参数后，则可在其指导下，或者说在其筛选内容的约束下，穷举出适配系统的光正交码码集，其中，此处所涉及的适配性，可以理解为在穷举筛选过程中引入的筛选条件，即，码字个数最大且符合自相关特性、互相关特性。

可以理解，在水下无线光通信的应用场景下，本申请基于光正交码配置对应的配置参数，并在该配置参数的指导下，穷举筛选出码字个数最大且符合自相关特性、互相关特性的光正交码码集，配置后即可为系统中的水下通信进行服务，在实际应用中可快速有效地构造水下光地址码，为水下无线光通信系统提供有效支持。

不仅可取得符合要求、有效的光正交码码集，还可取得码集容量达到Johnson上界的最优光地址码码字集，进一步实现了水下无线光通信系统高效、无误的通信工作效果。

以上是本申请提供水下无线光通信系统的介绍，在水下无线光通信系统的基础上，本申请还提出对应的水下无线光通信方法。

本申请提供的水下无线光通信方法，应用于水下无线光通信系统，水下无线光通信系统包括母船、多个水下作业机器人以及水下基站机器人，母船用于承载多个水下作业机器人以及水下基站机器人，并当到达目标位置后，多个水下作业机器人以及水下基站机器人投放至水下环境中，母船与水下基站机器人之间通过线缆进行有线通信，水下基站机器人与多个水下作业机器人之间通过各自配置的水下光通信模块，进行水下无线光通信，结合图4示出的本申请水下无线光通信方法的一种流程示意图，可包括如下：

步骤S401，在水下作业工作过程中，母船向水下基站机器人下发工作指令，工作指令携带指向的目标水下作业机器人的光地址码；

步骤S402，水下基站机器人基于光地址码，将工作指令通过水下无线光通信，下发至目标水下作业机器人；

步骤S403，目标水下作业机器人根据工作指令进行对应的水下作业任务。

在一种示例性的实现方式中，方法还包括：

在水下作业工作过程中，母船根据水下基站机器人的位置、多个水下作业机器人的当前所处位置以及多个水下作业机器人的目标移动位置，确定水下基站机器人的目标移动位置；

母船生成目标移动位置对应的移动工作指令，并向水下基站机器人下发移动工作指令；

水下基站机器人根据移动工作指令，调整自身的所处位置至目标移动位置。

在又一种示例性的实现方式中，水下作业机器人通过自身配置的蓝绿光LED灯与水下基站机器人配置的光强探测器，完成与水下作业机器人之间的定点对接工作，并当完成定点对接工作后，关闭蓝绿光LED灯的灯光照射，其中，在定点对接工作过程中，所测光强最大处为水下基站机器人上水下光通信模块的所在位置。

在又一种示例性的实现方式中，光强探测器配置有相应的蓝光滤镜和绿光滤镜，以避免仪器之间的相互干扰。

在又一种示例性的实现方式中，方法还包括：

水下作业机器人将自身采集的工作状态数据通过水下无线光通信，上报至水下基站机器人；

水下基站机器人将工作状态数据上报至母船；

母船根据工作状态数据，进行数据分析，并生成对应的工作指令。

在又一种示例性的实现方式中，水下基站机器人，与水下作业机器人之间通过水下光通信模块，进行水下无线光通信的过程中，包括：

在发送端，编码模块根据预先分配到的光地址码，对所需传输数据进行编码，需要发送比特数据“1”时，则发送光地址码的序列，需要发送数据“0”时输出与光地址码等长的“0”序列，编码后得到的信号通过OOK调制，转换成高低电平信号后，再通过光源模块将高低电信号转换成光信号在水下信道中传播，

在接收端，接收到的光信号由光电探测解调模块中的光电探测器将光信号转换成电信号，进行跨阻放大、滤波操作后，进行OOK解调，解调出来的信号通过多用户检测模块进行用户信号检测，再通过解码判决模块进行解码，将所需传输数据一一解码分离出来。

在又一种示例性的实现方式中，多用户检测模块以及解码判决模块包括于解码模块，解码模块采用串行干扰消除算法进行串行方法消除多址干扰，其中，每一级的检测判决只对一个水下作业机器人的信号进行判断、重构和消除，避免其他的水下作业机器人的信号受到多址干扰；

在工作过程中，以水下作业机器人作为用户，重复执行以下处理，，直至检测完所有的用户信号：

对多用户混叠信号进行最强用户检测，并且将其幅值与对应的光地址码记录下来，将幅值与光地址码逐位进行乘法运算并乘上门限系数，将得到的目标光地址码作为门限，进行数字匹配滤波得到最强用户信号，将最强用户信号从整体的混叠信号中抵消去除。

在又一种示例性的实现方式中，光地址码是在配置参数的指导下，穷举筛选出码字个数最大且符合自相关特性、互相关特性的光正交码码集得到的；

配置参数包括：任意一组光地址码都用一个光正交码的四元组N,ω,λ_a,λ_c表示，其中，N为码长，ω为码重，λ_a代表最大自相关旁瓣，λ_c为最大互相关门限，λ_a满足：

λ_c满足：

X、Y为(N,ω,λ_a,λ_c)光地址码码集中两个不同的码字，x_i,y_i∈{0,1}分别代表光地址码X和Y中的第i个元素，

运算符代表模N加法，τ代表两者之间的相对时延，

用户信号h_i与收到的总信息H之间的互相关性如下式：

其中，

运算符代表互相关运算，用户信号h_i自相关R_ii的最大值为ω。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的水下无线光通信方法的具体工作过程，可以参考如图1对应实施例中水下无线光通信系统的说明，具体在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解，上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。

为此，本申请提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本申请如图4对应实施例中水下无线光通信方法的步骤，具体操作可参考如图4对应实施例中水下无线光通信方法的说明，在此不再赘述。

其中，该计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(Read Only Memory，ROM)、随机存取记忆体(Random Access Memory，RAM)、磁盘或光盘等。

由于该计算机可读存储介质中所存储的指令，可以执行本申请如图4对应实施例中水下无线光通信方法的步骤，因此，可以实现本申请如图4对应实施例中水下无线光通信方法所能实现的有益效果，详见前面的说明，在此不再赘述。

以上对本申请提供的水下无线光通信系统、方法以及计算机可读存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种水下无线光通信系统，其特征在于，所述水下无线光通信系统包括母船、多个水下作业机器人以及水下基站机器人；

所述母船用于承载多个所述水下作业机器人以及所述水下基站机器人，并当到达目标位置后，多个所述水下作业机器人以及所述水下基站机器人投放至水下环境中；

所述母船与所述水下基站机器人之间通过线缆进行有线通信；

所述水下基站机器人与多个所述水下作业机器人之间通过各自配置的水下光通信模块，进行水下无线光通信；

在水下作业工作过程中，所述母船向所述水下基站机器人下发工作指令，所述工作指令携带指向的目标水下作业机器人的光地址码；

所述水下基站机器人基于所述光地址码，将所述工作指令通过水下无线光通信，下发至所述目标水下作业机器人；

所述目标水下作业机器人根据所述工作指令进行对应的水下作业任务；

所述水下基站机器人，与所述水下作业机器人之间通过所述水下光通信模块，进行水下无线光通信的过程中，包括：

在发送端，编码模块根据预先分配到的光地址码，对所需传输数据进行编码，需要发送比特数据“1”时，则发送所述光地址码的序列，需要发送数据“0”时输出与所述光地址码等长的“0”序列，编码后得到的信号通过OOK调制，转换成高低电平信号后，再通过光源模块将所述高低电平信号转换成光信号在水下信道中传播，

在接收端，接收到的所述光信号由光电探测解调模块中的光电探测器将所述光信号转换成电信号，进行跨阻放大、滤波操作后，进行OOK解调，解调出来的信号通过多用户检测模块进行用户信号检测，再通过解码判决模块进行解码，将所述所需传输数据一一解码分离出来。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在水下作业工作过程中，所述母船根据所述水下基站机器人的位置、所述多个水下作业机器人的当前所处位置以及所述多个水下作业机器人的目标移动位置，确定所述水下基站机器人的目标移动位置；

所述母船生成所述目标移动位置对应的移动工作指令，并向所述水下基站机器人下发所述移动工作指令；

所述水下基站机器人根据所述移动工作指令，调整自身的所处位置至所述目标移动位置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水下作业机器人通过自身配置的蓝绿光LED灯与所述水下基站机器人配置的光强探测器，完成与所述水下作业机器人之间的定点对接工作，并当完成定点对接工作后，关闭所述蓝绿光LED灯的灯光照射，其中，在定点对接工作过程中，所测光强最大处为所述水下基站机器人上所述水下光通信模块的所在位置。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光强探测器配置有相应的蓝光滤镜和绿光滤镜，以避免仪器之间的相互干扰。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水下作业机器人将自身采集的所述工作状态数据通过所述水下无线光通信，上报至所述水下基站机器人；

所述水下基站机器人将所述工作状态数据上报至所述母船；

所述母船根据所述工作状态数据，进行数据分析，并生成对应的工作指令。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多用户检测模块以及所述解码判决模块包括于解码模块，所述解码模块采用串行干扰消除算法进行串行方法消除多址干扰，其中，每一级的检测判决只对一个所述水下作业机器人的信号进行判断、重构和消除，避免其他的所述水下作业机器人的信号受到多址干扰；

在工作过程中，以所述水下作业机器人作为用户，重复执行以下处理，，直至检测完所有的用户信号：

对多用户混叠信号进行最强用户检测，并且将其幅值与对应的所述光地址码记录下来，将所述幅值与所述光地址码逐位进行乘法运算并乘上门限系数，将得到的目标光地址码作为门限，进行数字匹配滤波得到最强用户信号，将所述最强用户信号从整体的混叠信号中抵消去除。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光地址码是在配置参数的指导下，穷举筛选出码字个数最大且符合自相关特性、互相关特性的光正交码码集得到的；

所述配置参数包括：任意一组光地址码都用一个光正交码的四元组N,ω,λ_a,λ_c表示，其中，N为码长，ω为码重，λ_a代表最大自相关旁瓣，λ_c为最大互相关门限，λ_a满足：

λ_c满足：

X、Y为(N,ω,λ_a,λ_c)光地址码码集中两个不同的码字，x_i,y_i∈{0,1}分别代表光地址码X和Y中的第i个元素，

运算符代表模N加法，τ代表两者之间的相对时延，

用户信号h_i与收到的总信息H之间的互相关性如下式：

其中，

运算符代表互相关运算，用户信号h_i自相关R_ii的最大值为ω。

8.一种水下无线光通信方法，其特征在于，所述方法应用于水下无线光通信系统，所述水下无线光通信系统包括母船、多个水下作业机器人以及水下基站机器人，所述母船用于承载多个所述水下作业机器人以及所述水下基站机器人，并当到达目标位置后，多个所述水下作业机器人以及所述水下基站机器人投放至水下环境中，所述母船与所述水下基站机器人之间通过线缆进行有线通信，所述水下基站机器人与多个所述水下作业机器人之间通过各自配置的水下光通信模块，进行水下无线光通信，方法包括：

在水下作业工作过程中，所述母船向所述水下基站机器人下发工作指令，所述工作指令携带指向的目标水下作业机器人的光地址码；

所述水下基站机器人基于所述光地址码，将所述工作指令通过水下无线光通信，下发至所述目标水下作业机器人；

所述目标水下作业机器人根据所述工作指令进行对应的水下作业任务；

所述水下基站机器人，与所述水下作业机器人之间通过所述水下光通信模块，进行水下无线光通信的过程中，包括：

在发送端，编码模块根据预先分配到的光地址码，对所需传输数据进行编码，需要发送比特数据“1”时，则发送所述光地址码的序列，需要发送数据“0”时输出与所述光地址码等长的“0”序列，编码后得到的信号通过OOK调制，转换成高低电平信号后，再通过光源模块将所述高低电平信号转换成光信号在水下信道中传播，

在接收端，接收到的所述光信号由光电探测解调模块中的光电探测器将所述光信号转换成电信号，进行跨阻放大、滤波操作后，进行OOK解调，解调出来的信号通过多用户检测模块进行用户信号检测，再通过解码判决模块进行解码，将所述所需传输数据一一解码分离出来。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行权利要求8所述的方法。

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