CN114401044B - 一种水下光通信发射方法及发射系统 - Google Patents

Abstract

一种水下光通信发射方法及发射系统，涉及通信应用领域，包括：水下设备发射多组光线，每组光线为两束光线，且每组光线照射到水面形成的两点与水下设备的铅垂线共面，根据每组光线在水面形成的两点、以及该两点到水下设备距离，计算该两点连线间的水平斜角γ，将两点连线间的水面区域作为子分区，所述水平斜角γ作为其所在子分区的波浪斜角；从所有组光线在水面上形成的点覆盖的区域中，排除反射异常的子分区、发生全反射的子分区、以及该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区；结合子分区的波浪斜角调整水下设备光束发出的角度，使光束从剩余子区域射出。本发明避免接收困难，保证水下设备在水面波动时仍能够维持可靠的对空中通信。

Description

一种水下光通信发射方法及发射系统

技术领域

本发明涉及通信应用领域，具体来讲涉及一种水下光通信发射方法及发射系统。

背景技术

为了便于水下活动时进行信息传递，水下光通信被广泛用于深海资源开发、海洋生态系统监测和战术监视。与传统的使用有线、声学信号和射频(RF)信号等方法相比，水下光通信具有灵活、高带宽，损耗适中等优点，具有巨大应用潜力。

除了纯水下通信链路之外，水下设备往往还需要与空中设备(如中继无人机或飞机)进行实时通信，信息光束需要在水中和空气两种介质中传输，还需要经过水-气界面，信息质量和传输可靠性面临更大挑战。首先，光束除了遇到基本的吸收和散射效应外，海洋湍流和气泡也会降低性能；另一方面，光束穿透水-空气的波状表面会遭受严重的偏转和衰耗。当光在界面折射时，水表面的波动会使折射角变化，引起光束偏转，导致接收困难。尤其当入射角超过临界角时，发生全反射时链接就被切断。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种水下光通信发射方法及发射系统，避免接收困难，保证水下设备在水面波动时仍能够维持可靠的对空中通信。

为达到以上目的，一方面，一种水下光通信发射方法，包括：

水下设备发射多组光线，每组光线为两束光线，且每组光线照射到水面形成的两点与水下设备的铅垂线共面，根据每组光线在水面形成的两点、以及该两点到水下设备距离，计算该两点连线间的水平斜角γ，将两点连线间的水面区域作为子分区，所述水平斜角γ作为其所在子分区的波浪斜角；

从所有组光线在水面上形成的点覆盖的区域中，排除反射异常的子分区、发生全反射的子分区、以及该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区；

结合子分区的波浪斜角调整水下设备光束发出的角度，使光束从剩余子区域射出。

优选的，所述水平斜角γ的计算方式为：

其中，α₁和α₂分别为水下设备发射的同一组两束光线与所述铅垂线的夹角；一组两束光线与水面形成两点中，其中一个点到水下设备的距离为L₁，另一个点到水下设备的距离为L₂。

优选的，所述反射异常的子分区为：

反射光功率偏离平均反射功率30％的子分区。

优选的，所述该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区为：

该两点到水下设备距离偏离深度平均值30％的子分区。

优选的，发生全反射的子分区的判断依据为：

其中，n₁为信号光在水中的折射率，n₂为信号光在空气中的折射率，θ为光束相对于水面法线的夹角。

优选的，调整水下设备光束发出的角度，遵循光束发出时相对于水下设备铅垂线的夹角为γ-θ：

优选的，水下设备包括同位置设置的TOF传感器，通过所述TOF传感器向水面发射多组光线，每组光线照射到水面形成两点；所述TOF传感器还用于接收水面上两点返回的光，并计算水下设备分别到两点之间的距离。

另一方面，还提供一种水下光通信发射系统，包括水下设备，所述水下设备包括：

TOF传感器模块，用于发射多组光线，每组光线为两束光线，且每组光线照射到水面形成的两点与水下设备的铅垂线共面；还用于获得该两点到水下设备距离；

计算模块，用于根据每组光线在水面形成的两点、以及该两点到水下设备距离，计算该两点连线间的水平斜角γ，将两点连线间的水面区域作为子分区，所述水平斜角γ作为其所在子分区的波浪斜角；还用于从所有组光线在水面上形成的点覆盖的区域中，排除反射异常的子分区、发生全反射的子分区、以及该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区；

控制模块，用于结合子分区的波浪斜角调整水下设备光束发出的角度，使光束从剩余子区域射出。

优选的，所述水平斜角γ的计算方式为：

其中，α₁和α₂分别为水下设备发射的同一组两束光线与所述铅垂线的夹角；一组两束光线与水面形成两点中，其中一个点到水下设备的距离为L₁，另一个点到水下设备的距离为L₂；

所述反射异常的子分区为：反射光功率明显偏离平均反射功率30％的子分区；

所述该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区的依据为：偏离深度平均值30％的子分区；

优选的，发生全反射的子分区的判断依据为：

其中，n₁为信号光在水中的折射率，n₂为信号光在空气中的折射率，θ为光束相对于水面法线的夹角；

调整水下设备光束发出的角度，遵循光束发出时相对于水下设备铅垂线的夹角为γ-θ：

上述技术方案中的一个具有如下有益效果：

首先水下设备通过TOF传感器测得该水校设备到水面距离、以及波浪起伏角度(即波浪斜角γ)，然后调整水下设备发射信号光的角度，使信号光避开全发射和浪花干扰，使光束经过水面折射后以稳定的角度指向空中接收端。本发明可以避免因水面波浪造成的接收困难，保证水下设备在水面波浪起伏时仍能够维持可靠的对空中通信。

附图说明

图1为本发明实施例水下光通信发射方法流程图；

图2为本发明实施例中TOF传感器每组光线照射到水面形成两点的示意图；

图3为本发明实施中TOF传感器向空中接收端发射光线的发射角。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

TOF(Time of Flight飞行时间)传感器是一种距离传感器，通过向目标连续发送光脉冲或强度调制连续波，然后接收从物体返回的光，通过探测这些发射和接收光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。ToF传感器包括发射照明模块和感光接收模块两部分核心模块，根据这两大核心模块之间的相互关联来生成待测物体表面的距离和深度信息。TOF传感器结构紧凑，直接输出深度信息，误差小(cm级别)，抗干扰性强，由于材料和工艺成熟，价格也比较便宜。

为了改善水-空气光通信系统的通信性能和鲁棒性，需要动态的跟踪水面波动情况并控制水下设备的光束发送角度，避开水面泡沫区域和会发生全反射的区域，同时调整发送角保持折射后光束稳定指向空中接收端。

TOF传感器可以用于水下环境，从水下短距离探测水面波动起伏情况，因此可以通过分析找出最适合透射的水面，进而控制水下设备的信号光束发射角度，使信号光在穿过水/空气介质表面时候受到的损失最小。

本发明提供一种水下光通信发射方法的实施例。如图1和图2所示，假定水下设备的位置为E点，水下设备包括同位置设置的TOF传感器，相当于TOF传感器位置也为E点。水下光通信发射方法包括如下步骤：

S101.水下设备发射多组光线，每组光线为两束光线，每组光线照射到水面形两点，如图2中的P₁和P₂。并且，每组光线照射到水面形成的两点与水下设备的铅垂线L共面。根据每组光线在水面形成的两点、以及每组光线在水面形成的两点到水下设备距离(L₁和L₂)，计算该组光线在水面形成的两点连线间的水平斜角γ，将P₁和P₂连线间的水面区域作为子分区，水平斜角γ作为其所在子分区的波浪斜角。将所有组光线在水面上形成的点覆盖的区域作为整体区域，整体区域包括多个上述子分区。

具体的，如图2所示，假设通过TOF传感器发射的同一组两束光线与铅垂线L的夹角分别为α₁和α₂，两束光线从E点照射到水面上两点P₁和P₂，TOF传感器根据发射光测得E点到P₁的距离是L₁、以及测得E点到P₁的距离是L₂，那么P₁和P₂之间的水平斜角γ为：

TOF传感器发射的一组光线中，需要保证两束光线相互紧邻，并且照射到水面上两点P₁和P₂的水平斜角γ斜率稳定，进而保证多个子分区平滑可近似为平面。子分区的大小由TOF传感器光线个数和TOF传感器所处水下深度决定，保证子分区内水平斜角γ稳定连续即可。

S102.从所有组光线在水面上形成的点覆盖的区域中，选择出合适的子分区，作为适合水下设备发射信号光的区域。

具体的，选择而合适的子分区，在上述整体区域中，为了排除可能的浪花和湍流干扰，需要去除反射异常的子分区；此外，为了防止全反射，还需要去除发生全反射的子分区；并且，还要排除掉区域测距明显偏离深度平均值的子分区，区域测距即为E点到光束照射到水面点的距离。

如图3所示，对于生全反射的子分区，通常采用光束相对于水面法线的夹角θ作为判断条件。具体的，信号光从具有波浪斜角γ的子分区射出，为了使光束仍然保持垂直向正上方，光束折射后相对于水面法线的夹角也必须为γ，根据折射定律，θ需要满足其中，n₁、n₂分别为信号光在水中的折射率和在空气中的折射率，θ为光束相对于水面法线的夹角，/>因此，当/> 时，说明发生全反射，需要去除对应的子分区。

另外，上述反射异常的子分区包括反射光太强或太弱的子分区，即反射光功率明显偏离平均反射功率的子分区，表明有浪花和湍流干扰。本实施例中，反射光功率偏离平均反射功率30％的子分区，视为明显偏离平均反射功率，对应子分区需要被去除。在其他实施例中，百分比可以根据不同情况进行设定。

另外，上述区域测距明显偏离深度平均值的子分区，本实施例中，区域测距偏离深度平均值30％的子分区，即为明显偏离深度平均值的子分区，需要被去除，在其他实施例中，百分比可以根据不同情况进行设定。

S103.调整水下设备光束发出的角度，使光束从剩余子区域射出。具体的，从步骤S102中选择出合适的子分区射出，光线射出水面后会垂直向上发射，以稳定的角度指向空中接收端。

结合子分区的波浪斜角调整水下设备的光束，遵循光束发出时相对于水下设备铅垂线L的夹角为：

上述实施例中，假定所有探测扫描和光束调整的过程都远超过波浪变化的速率，因此可以认为从扫描探测到控制光束调整全过程中波面都没有变化。

上述实施例中，TOF测距、光束动态调整可基于其他的已有类似技术。

上述实施例中，水下设备通过TOF传感器测得该水下设备到水面距离、以及波浪起伏角度(即波浪斜角γ)，然后调整水下设备发射信号光的角度，使信号光避开全发射和浪花干扰，使光束经过水面折射后以稳定的角度指向空中接收端。本发明可以避免因水面波浪造成的接收困难，保证水下设备在水面波浪起伏时仍能够维持可靠的对空中通信。

本发明还提供一种水下光通信发射系统的实施例，可以用来实现上述方法实施例。本实施例中，水下设备包括TOF传感器模块、计算模块和控制模块。

TOF传感器模块，用于发射多组光线，每组光线为两束光线，且每组光线照射到水面形成的两点与水下设备的铅垂线共面；还用于获得该两点到水下设备距离。

计算模块，用于根据每组光线在水面形成的两点、以及该两点到水下设备距离，计算该两点连线间的水平斜角γ，将两点连线间的水面区域作为子分区，所述水平斜角γ作为其所在子分区的波浪斜角；还用于从所有组光线在水面上形成的点覆盖的区域中，排除反射异常的子分区、发生全反射的子分区、以及该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区。

控制模块，用于结合子分区的波浪斜角调整水下设备光束发出的角度，使光束从剩余子区域射出。

具体的，上述水平斜角γ的计算方式为：

其中，α₁和α₂分别为水下设备发射的同一组两束光线与所述铅垂线的夹角；一组两束光线与水面形成两点中，其中一个点到水下设备的距离为L₁，另一个点到水下设备的距离为L₂。

上述反射异常的子分区为：反射光功率偏离平均反射功率30％的子分区。

上述该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区的依据为：偏离深度平均值30％的子分区。

上述发生全反射的子分区的判断依据为：

其中，n₁为信号光在水中的折射率，n₂为信号光在空气中的折射率，θ为光束相对于水面法线的夹角。

结合子分区的波浪斜角调整水下设备光束发出的角度，遵循光束发出时相对于水下设备铅垂线的夹角为γ-θ：

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种水下光通信发射方法，其特征在于，包括：

水下设备发射多组光线，每组光线为两束光线，且每组光线照射到水面形成的两点与水下设备的铅垂线共面，根据每组光线在水面形成的两点、以及该两点到水下设备距离，计算该两点连线间的水平斜角γ，将两点连线间的水面区域作为子分区，所述水平斜角γ作为其所在子分区的波浪斜角；

从所有组光线在水面上形成的点覆盖的区域中，排除反射异常的子分区、发生全反射的子分区、以及该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区；

结合子分区的波浪斜角调整水下设备光束发出的角度，使光束从剩余子区域射出；

所述反射异常的子分区为：反射光功率偏离平均反射功率30％的子分区；

所述该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区为：该两点到水下设备距离偏离深度平均值30％的子分区；

发生全反射的子分区的判断依据为：

其中，n₁为信号光在水中的折射率，n₂为信号光在空气中的折射率，θ为光束相对于水面法线的夹角；

调整水下设备光束发出的角度，遵循光束发出时相对于水下设备铅垂线的夹角为γ-θ：

2.如权利要求1所述的水下光通信发射方法，其特征在于，所述水平斜角γ的计算方式为：

其中，α₁和α₂分别为水下设备发射的同一组两束光线与所述铅垂线的夹角；一组两束光线与水面形成两点中，其中一个点到水下设备的距离为L₁，另一个点到水下设备的距离为L₂。

3.如权利要求1或2所述的水下光通信发射方法，其特征在于，水下设备包括同位置设置的TOF传感器，通过所述TOF传感器向水面发射多组光线，每组光线照射到水面形成两点；所述TOF传感器还用于接收水面上两点返回的光，并计算水下设备分别到两点之间的距离。

4.一种水下光通信发射系统，其特征在于，包括水下设备，所述水下设备包括：

TOF传感器模块，用于发射多组光线，每组光线为两束光线，且每组光线照射到水面形成的两点与水下设备的铅垂线共面；还用于获得该两点到水下设备距离；

计算模块，用于根据每组光线在水面形成的两点、以及该两点到水下设备距离，计算该两点连线间的水平斜角γ，将两点连线间的水面区域作为子分区，所述水平斜角γ作为其所在子分区的波浪斜角；还用于从所有组光线在水面上形成的点覆盖的区域中，排除反射异常的子分区、发生全反射的子分区、以及该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区；所述反射异常的子分区为：反射光功率明显偏离平均反射功率30％的子分区；所述该两点到水下设备距离明显偏离深度平均值的子分区的依据为：偏离深度平均值30％的子分区；发生全反射的子分区的判断依据为：

其中，n₁为信号光在水中的折射率，n₂为信号光在空气中的折射率，θ为光束相对于水面法线的夹角；

控制模块，用于结合子分区的波浪斜角调整水下设备光束发出的角度，使光束从剩余子区域射出；

调整水下设备光束发出的角度，遵循光束发出时相对于水下设备铅垂线的夹角为γ-θ：

5.如权利要求4所述的水下光通信发射系统，其特征在于，所述水平斜角γ的计算方式为：

其中，α₁和α₂分别为水下设备发射的同一组两束光线与所述铅垂线的夹角；一组两束光线与水面形成两点中，其中一个点到水下设备的距离为L₁，另一个点到水下设备的距离为L₂。