CN114866152B - 一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水下无线光通信装置、方法 - Google Patents

一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水下无线光通信装置、方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114866152B
CN114866152B CN202210391385.3A CN202210391385A CN114866152B CN 114866152 B CN114866152 B CN 114866152B CN 202210391385 A CN202210391385 A CN 202210391385A CN 114866152 B CN114866152 B CN 114866152B
Authority
CN
China
Prior art keywords
communication
unit
light source
optical
digital
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210391385.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114866152A (zh
Inventor
张鹏
刘传
佟首峰
杜扬凡
于笑楠
王大帅
张家齐
董冰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun University of Science and Technology
Original Assignee
Changchun University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun University of Science and Technology filed Critical Changchun University of Science and Technology
Priority to CN202210391385.3A priority Critical patent/CN114866152B/zh
Publication of CN114866152A publication Critical patent/CN114866152A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114866152B publication Critical patent/CN114866152B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/501—Structural aspects
    • H04B10/502—LED transmitters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0076—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a detector
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/516—Details of coding or modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水下无线光通信装置、方法。所述构建方法为：发射终端利用编码调制单元完成信息的编码，经过数模转换D/A单元将数字信号转换为模拟信号，通过光源驱动将编码后的信息加载到通信发射光源上，光学透镜对光束进行整形汇聚后发射；接收终端接收天线将接收的光通信光束汇聚，并经过窄带滤光片汇聚在APD光电探测器的有效光敏面上，APD光电探测器将接收到的通信光信号转换为电信号，经过信号放大器放大，放大后的电信号由编码解调单元进行数据恢复，恢复后的数据由模数转换A/D单元将模拟信号转换为数字信号，在经过接收端通信接口传输至接收终端的总控上位机；实现发射终端和接收终端通信链路的建立。

Description

一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水 下无线光通信装置、方法
技术领域
本发明涉及水下无线光通信技术领域，具体为涉及到一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水下无线光通信装置、方法。
背景技术
海洋观测网络是一种用于探索海洋信息的重要技术手段，也是海洋领域国防安全的预警措施。海洋观测网络主要铺设在近海海岸，由海底基站和海底缆线组成，每个海底基站就是一个信息传输节点，汇总后的信息通过海底缆线传递到海岸上。然而，海底缆线存在的缺陷为：
1)无论是铺设还是维护都具有一定技术上的难度；
2)无论是铺设还是维护，成本都较高。
综上因素，虽然现有的海洋观测网络可以实现探索海洋信息的目的，但无论是铺设还是维护都具有一定的难度，且成本较高。
发明内容
本发明解决了现有的海洋观测网络无论是铺设还是维护难度大，且成本较高的问题。
本发明所述的一种水下无线光通信发射终端，所发射终端是基于LED阵列光源实现的，所述发射终端包括：
通信发射光源、光学透镜、被动温控单元、编码调制单元、数模转换D/A单元、光源驱动单元和发射端通信接口；所述通信发射光源为LED阵列光源；所述被动温控单元与所述通信发射光源的背面紧密接触，用于散热；
发射端通信接口接收并发射通信信号给编码调制单元，所述发射通信信号经编码调制单元编码调制之后发射至数模转换D/A单元，经该数模转换D/A单元数模转换之后发送给光源驱动单元，所述光源驱动单元根据输入信号发射相应的控制信号给通信发射光源，控制所述通信发射光源发射通信光束，所述通信光束经光学透镜汇聚之后发射出去。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通信发射光源的波长范围为460nm～485nm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光学透镜为大功率LED聚光透镜，直径15mm，厚度为6.6mm，将输入光束的发散角压缩至±15°后输出。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述被动温控单元为金属散热片，其结构采用散热鳍结构。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述编码调制单元采用OOK调制方式；
所述光源驱动根据半导体激光器P-I特性进行设计，采用共射极激光器驱动方法。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述发射终端还包括耐压密闭仪器舱，所述耐压密闭仪器舱由金属壳体和透明半球罩组成，所述金属壳体和透明半球罩组成密封腔体，所述透明半球罩位于所述通信发射光源的光信号发射端的前方，所述通信发射光源、被动温控单元、编码调制单元、数模转换D/A单元和光源驱动单元固定在所述密封腔体内；发射端通信接口嵌入固定在所述金属壳体的侧壁上、并且与所述侧壁密封连接。
本发明所述的一种水下无线光通信接收终端，所接收终端是基于Fresnel透镜光学天线实现的，所述接收终端包括：
Fresnel透镜光学接收天线、窄带滤光片、APD光电探测器、信号放大器、编码解调单元、模数转换A/D单元和接收端通信端口；
所述Fresnel透镜光学接收天线将接收的光通信光束汇聚并入射至窄带滤光片，经该窄带滤光片过滤之后发射至APD光电探测器的光敏接收面，所述APD光电探测器将接收到的光信号转换成电信号之后发送给信号放大器，经该信号放大器放大之后发送给编码解调单元，所述编码解调单元对接收到的信号进行解调之后发送给模数转换A/D单元，经该模数转换A/D单元转换成数字信号、并发送给接收端通信端口。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述接收终端还包括耐压密闭仪器舱，所述耐压密闭仪器舱由金属壳体和透明半球罩组成，所述金属壳体和透明半球罩组成密封腔体，所述透明半球罩用于透射通信光束；所述Fresnel透镜光学接收天线、窄带滤光片、APD光电探测器、信号放大器、编码解调单元和模数转换A/D单元位于和接收端通信端口固定于所述密封腔体内，接收端通信接口嵌入固定在所述金属壳体的侧壁上、并且与所述侧壁密封连接。
本发明所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置，所述通信装置包括发射终端和接收终端，所述发射端为上述方法中任意一项方法所述的基于LED阵列光源的水下无线光通信发射终端，所述接收端为上述方法所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信接收终端。
本发明所述的一种水下无线通信链路的构建方法，所述方法基于上述方法中任意一项方法所述的基于LED阵列光源的水下无线光通信发射终端和上述方法所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信接收终端实现，所述构建方法为：
发射终端利用编码调制单元完成信息的编码，经过数模转换D/A单元将数字信号转换为模拟信号，通过光源驱动将编码后的信息加载到通信发射光源上，光学透镜对光束进行整形汇聚后发射；
接收终端接收天线将接收的光通信光束汇聚，并经过窄带滤光片汇聚在APD光电探测器的有效光敏面上，APD光电探测器将接收到的通信光信号转换为电信号，经过信号放大器放大，放大后的电信号由编码解调单元进行数据恢复，恢复后的数据由模数转换A/D单元将模拟信号转换为数字信号，在经过接收端通信接口传输至接收终端的总控上位机；实现发射终端和接收终端通信链路的建立。
本发明解决了现有的海洋观测网络无论是铺设还是维护难度大，且成本较高的问题。具体有益效果包括：
1、本发明所述的水下无线光通信发射终端的通信发射光源为LED阵列光源，该种光源发射的光束可以将海底基站上通信接收终端的光学接收天线进行全范围覆盖，对应的水下无线光通信接收终端的采用Fresnel透镜光学接收天线，二者配合，通信发射终端能够有效的将通信发射端发射的信号光接收汇聚到光电探测器靶面，有效的提高了通信终端的信噪比。
2、本发明所述的水下无线光通信发射终端和接收终端，能够在水下实现自动完成通信链路的建立，实现水下静态平台间的数据传输，进而能够实现无人潜航器UUV、海底基站等水下平台之间的数据交互，规避了海底基站间有线光缆传输的高成本弊端，提高了水下平台间数据传输的自由度，为水下无线光通信技术的发展和研究提供了新的应用方向和实现方法。
3、本发明所述的水下无线光通信接收终端采用Fresnel透镜光学接收天线，发射终端的光源采用低成本、低功耗的LED阵列光源和硅APD探测器，其有效光敏面大，光功率灵敏度高，并且比现有技术中所使用的大功率激光器和单光子探测器成本要低很多，降低了发射终端的成本。
4、本发明所述的水下无线光通信发射终端中，编码调制单元采用最为简单的OOK调制技术，比现有技术中使用的波分复用要容易很多，并且能够有效且可靠的完成发射信号的调制。
5、本发明所述的水下无线光通信发射终端和接收终端，能够在水质条件环境为-0.65dB/m的条件下实现可靠的通信，而现有技术中的同类产能仅能够在水质条件为-0.24dB/m实现可靠的通信，因此，本发明更适合在多种水域的水下环境中实现通信。
本发明适用于水下通信技术领域中，尤其适用于水下无人潜航器中使用。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是实施方式一所述的一种基于Fresnel透镜光学接收天线的水下无线光通信装置图；该装置包括通信发射终端A和通信接收终端B，其中通信发射终端A包括：1为通信发射光源、2为光学透镜、3为被动温控单元、4为编码调制单元、5为数模转换D/A单元、6为光源驱动、7为发射端信接口、8为发射端供电电源、9为耐压密闭仪器舱；
通信接收终端B包括：10为Fresnel透镜光学接收天线、11为窄带滤光片、12为APD光电探测器、13为信号放大器、14为编码解调单元、15为模数转换A/D单元、16为接收端供电电源、17为接收端通信接口；C为水质信道。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明的多种实施方式进行清楚、完整地描述。通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施方式一、本实施方式所述的一种水下无线光通信发射终端，所发射终端是基于LED阵列光源实现的，所述发射终端包括：
通信发射光源1、光学透镜2、被动温控单元3、编码调制单元4、数模转换D/A单元5、光源驱动单元6和发射端通信接口7；所述通信发射光源1为LED阵列光源；所述被动温控单元3与所述通信发射光源1的背面紧密接触，用于散热；
发射端通信接口7接收并发射通信信号给编码调制单元4，所述发射通信信号经编码调制单元4编码调制之后发射至数模转换D/A单元5，经该数模转换D/A单元5数模转换之后发送给光源驱动单元6，所述光源驱动单元6根据输入信号发射相应的控制信号给通信发射光源1，控制所述通信发射光源1发射通信光束，所述通信光束经光学透镜2汇聚之后发射出去。
本实施方式中，该装置在优于II类水质-0.651dB/m的条件下，能够实现传输距离为10m～20m，通信速率5Mbps～10Mbps，通信误码率为10-5～10-6的伪随机码和图片传输。
本实施方式中，所述通信发射光源1采用的是低成本、低功耗的LED阵列光源实现的，该种光源具有大束散角，所发射光束可以将海底基站上通信接收终端的光学接收天线进行全范围覆盖，提高通信的可靠性。
实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的一种水下无线光通信发射终端的进一步限定，本实施方式中，所述通信发射光源1的波长范围为460nm～485nm。
本实施方式中，将通信发射终端安装在水下无人潜航器底部，将通信接收终端安装在海底基站上端，水下无人潜航器与海底基站之间的通信距离为20m，当水下无人潜航器刚好行进到海底基站正上方时，开启水下无人潜航器底部的通信发射终端的光源，LED阵列光源以大束散角向下发射，远场光斑能够将海底基站上的通信接收终端光学窗口覆盖。
水下无线光通信系统主要受到水质信道对光功率衰减作用的影响，因此一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置采用470nm波段的蓝光LED作为通信光源，该波段的光束在水质信道的光功率衰减基本上最小。对于LED光源，在光功率和调制速率的选择上需要综合考虑。为此，在本实施中，采用的通信光发射光功率为150mW，调制速率为10Mbps，LED光源具有寿命长、体积小、功耗低，技术相对成熟，成本相对较低，可以批量采购等特点。
具体地，通信发射光源1的波长范围为460nm～485nm，最大发射光功率为225mW，额定电流为350mA，额定电压为3.9V。
实施方式三、本实施方式是对实施方式一所述的一种水下无线光通信发射终端的进一步限定，本实施方式中，所述光学透镜2为大功率LED聚光透镜，直径15mm，厚度为6.6mm，将输入光束的发散角压缩至±15°后输出。
实施方式四、本实施方式是对实施方式一所述的一种水下无线光通信发射终端的进一步限定，本实施方式中，所述被动温控单元3为金属散热片，其结构采用散热鳍结构。
本实施方式中，被动温控单元3为金属散热片，例如，可以采用材料铝实现，在实际应用中，该金属散热片的体积应当根据通信发射光源1的发热率以及发射终端的内部空间来设计，例如，常用的尺寸为20mm×20mm×5mm。在实际安装中，该通信发射光源与通信发射光源之间涂抹有导热硅脂，提高热传导效率。由于通信发射光源1的光电转换效率为30％，需要加装温控散热装置，因为光电转换效率只有30％，额外的接近70％的电功率都转换成了热功率，导致光源自身温度升高而影响使用寿命，因此必须加装被动温控单元3，以保证通信发射光源的散热效率，避免由于温度过高影响工作性能。
实施方式五、本实施方式是对实施方式一所述的一种水下无线光通信发射终端的进一步限定，本实施方式中，所述编码调制单元4采用OOK调制方式；
所述光源驱动6根据半导体激光器P-I特性进行设计，采用共射极激光器驱动方法。
本实施方式中，采用编码调制单元4采用OOK调制方式对接收到的信号进行调制，当调制速率为5Mbps后，最大发射光功率降为150mW。
采用本实施方式的OOK调制技术，比现有技术中使用的波分复用要容易很多，复杂程度地。
实施方式六、本实施方式是对实施方式一所述的一种水下无线光通信发射终端的进一步限定，本实施方式中，所述发射终端还包括耐压密闭仪器舱9，所述耐压密闭仪器舱9由金属壳体和透明半球罩组成，所述金属壳体和透明半球罩组成密封腔体，所述透明半球罩位于所述通信发射光源1的光信号发射端的前方，所述通信发射光源1、被动温控单元3、编码调制单元4、数模转换D/A单元5和光源驱动单元6固定在所述密封腔体内，所述通信发射光源1发射的通信光束经光学透镜2汇聚之后通过所述发射透明窗发射出去；发射端通信接口7嵌入固定在所述金属壳体的侧壁上、并且与所述侧壁密封连接。
本实施方式中，通信发射终端和通信接收终端的各器件分别水密封装在2个相同的耐压密闭仪器舱9内，耐压密闭仪器舱9前端为透明半球罩，对于蓝绿波段光源的透过率可以达到92％以上。
具体地，所述透明半球罩可以采用光学PC材质制作。所述透明半球罩的直径为110mm，透过率≥92％，能够在水下1000m(压强约为10Mpa)深度工作，金属外壳外径为110mm，长度为250mm，厚度为3mm，能够在水下300m深度工作，半球罩与金属外壳之间采用水密胶圈和内六角螺丝连接，能够起到保护舱内电子学与光学器件不被海水短路或腐蚀。
编码调制单元4为FPGA开发板，其核心板型号为EP4CE22，晶振50M，供电3.3V/500mA；数模转换D/A模块型号为DAC902，供电电压为DC5V，最大电流为50mA。
实施方式七、本实施方式所述的一种水下无线光通信接收终端，本实施方式中，所接收终端是基于Fresnel透镜光学天线实现的，所述接收终端包括：
Fresnel透镜光学接收天线10、窄带滤光片11、APD光电探测器12、信号放大器13、编码解调单元14、模数转换A/D单元15和接收端通信端口17；
所述Fresnel透镜光学接收天线10将接收的光通信光束汇聚并入射至窄带滤光片11，经该窄带滤光片11过滤之后发射至APD光电探测器12的光敏接收面，所述APD光电探测器12将接收到的光信号转换成电信号之后发送给信号放大器13，经该信号放大器13放大之后发送给编码解调单元14，所述编码解调单元14对接收到的信号进行解调之后发送给模数转换A/D单元15，经该模数转换A/D单元15转换成数字信号、并发送给接收端通信端口17。
本实施方式中，采用硅APD作为光探测器，比现有技术中所使用的大功率激光器和单光子探测器成本要低很多。
所述发射终端的供电电源8和接收端供电电源16，可以采用电池实现，最好采用聚合物锂电池组，直流电压为12V，电池容量20000mA，可充放循环1000次，该种电源使用便捷，技术成熟，成本低廉，适合在水下长时间使用。
实施方式八、本实施方式是对实施方式七所述的一种水下无线光通信接收终端的进一步限定，本实施方式中，所述接收终端还包括耐压密闭仪器舱，所述耐压密闭仪器舱9由金属壳体和透明半球罩组成，所述金属壳体和透明半球罩组成密封腔体，所述透明半球罩用于透射通信光束；所述Fresnel透镜光学接收天线10、窄带滤光片11、APD光电探测器12、信号放大器13、编码解调单元14和模数转换A/D单元15位于和接收端通信端口17固定于所述密封腔体内，接收端通信接口17嵌入固定在所述金属壳体的侧壁上、并且与所述侧壁密封连接。
本实施方式中的压密闭仪器舱9与实施方式6中所述的压密闭仪器舱9为相同的结构。
实施方式九、本实施方式所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置，本实施方式中，所述通信装置包括发射终端和接收终端，所述发射端为实施方式一-六任意一项实施方式所述的基于LED阵列光源的水下无线光通信发射终端，所述接收端为实施方式七或八所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信接收终端。
本实施方式中，水下无人潜航器与海底基站之间10m～20m距离水下无线光静态或准静态通信。海底基站是一种能够实时监测一定范围内海底动态的装置，长时间不止在水下环境，用于采集周围的水文信息。出于安全隐蔽的考虑，海底基站不主动向外界发出信息，在布置安装海底基站的同时需要将通信发射终端和通信接收终端同时安装在海底基站上。
在需要通信时，设计水下无人潜航器会根据预先的行进轨迹逐渐接近海底基站，在达到一定距离范围内，水下无人潜航器在海底基站上方以悬停的运动状态，相对海底基站保持静止，首先，控制安装在水下无人潜航器上的通信发射终端开启，利用LED阵列的大束散角的特点，发射光束可以将海底基站上通信接收终端的光学接收天线进行全范围覆盖，而通信接收终端的基于Fresnel透镜的大口径光学接收天线能够有效将信号光接收汇聚到光电探测器靶面，提高通信终端的信噪比，从而完成通信链路的建立，实现水下静态平台间的数据传输，同理，海底基站所存储的数据信息也可以通过水下无线光通信终端以相同的方式传递给水下无人潜航器，并由航行器携带到海岸基站或海面舰艇，另一方面将新的控制指令传递给海底基站，完成下一阶段的信息采集工作。最终实现水下无人潜航器和海底基站间的数据通信与指令交互。
具体地，如图1所示，通信发射终端的通信发射光源1用于提供通信信号载体，光源波长为蓝绿波段，属于海水通信“窗口波段”，利用编码调制单元4完成信息的编码，经过数模转换D/A单元5将数字信号转换为模拟信号，通过光源驱动6将编码后的信息加载到通信发射光源1上，通信光源1发射光源，光学透镜2对光束进行整形汇聚，对光束发散角进行压缩。
通信接收终端由Fresnel透镜光学接收天线10进行汇聚接收，并经过窄带滤光片1汇聚在APD光电探测器12的有效光敏面上，窄带滤光片11可以在一定程度上将背景光噪声滤掉，有效提高信噪比，APD光电探测器12将接收到的通信光信号转换为电信号，经过信号放大器13放大，放大后的电信号由编码解调单元14进行数据恢复，恢复后的数据由模数转换D/A单元15将模拟信号转换为数字信号。
发射端信接口7和接收端通信接口17均可以采用8芯LVDS通信接口，其中3根为通信线，3根为供电线，2根为备用线。
实施方式十、本实施方式所述的一种水下无线通信链路的构建方法，本实施方式中，所述方法基于实施方式一-六任意一项实施方式所述的基于LED阵列光源的水下无线光通信发射终端和实施方式七或八所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信接收终端实现，所述构建方法为：
发射终端利用编码调制单元4完成信息的编码，经过数模转换D/A单元5将数字信号转换为模拟信号，通过光源驱动6将编码后的信息加载到通信发射光源1上，光学透镜2对光束进行整形汇聚后发射；
接收终端接收天线10将接收的光通信光束汇聚，并经过窄带滤光片11汇聚在APD光电探测器12的有效光敏面上，APD光电探测器12将接收到的通信光信号转换为电信号，经过信号放大器13放大，放大后的电信号由编码解调单元14进行数据恢复，恢复后的数据由模数转换A/D单元15将模拟信号转换为数字信号，在经过接收端通信接口17传输至接收终端的总控上位机；实现发射终端和接收终端通信链路的建立。
实施方式十一、本实施方式是采用实施方式九所述一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置实现通信过程的举例说明。
参见图1。本实施方式中，通信装置中的通信发射终端和通信接收终端分别位于不同的水下设备上，例如：通信发射终端安装在水下无人潜航器底部，通信接收终端安装在海底基站上，确保通信发射终端的光束发散角能够覆盖通信接收终端的接收视场，在通信过程中：通信信号在通信发射终端中经编码调制单元4调制之后，由数模转换D/A单元5将数字信号转化为模拟信号，并加载到通信发射光源1上，通信发射光源1携带相关的指令信息，经过光学透镜2整形后，发射470nm的通信光，大束散角光束通过耐压密闭仪器舱9进入水质信道C中，光束经过20m的水下信道传输至通信接收终端，通信接收终端内的Fresnel透镜光学接收天线10可以将信号光束接收汇聚到APD光电探测器12的光敏面上，其中窄带滤光片11可以在一定程度上过滤掉背景光噪声，APD光电探测器12将光信号转换为电信号，由编码解调单元14和模数转换A/D单元15将接收到的信号进行解调并进行模数转换，最后由接收端通信接口17将指令信息传递给海底基站，完成水下平台间的无线通信。该装置能够实现通信距离20m，通信速率10Mbps，通信误码率10-5～10-6的水下无线数据传输。
本实施方式中，在保证一定的通信带宽条件下，水下无线光通信技术期望光电探测器件的光功率灵敏度越高越好，同时为了提高系统光轴的对准概率，光电探测器的有效光敏面越大越好。为此，采用APD作为光电探测器件的探测器的通信带宽为40MHz，有效光敏面直径为3mm，光功率灵敏度约为-49dBm。
本装置使用的水质条件环境为-0.65dB/m，为外场试验值，而现有技术中水质条件为-0.24dB/m，其距离数据为理论计算或实验室内的数据。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置，其特征在于，所述的通信装置包括发射终端和接收终端，所述发射终端是基于LED阵列光源实现的，所述发射终端包括：
通信发射光源（1）、光学透镜（2）、被动温控单元（3）、编码调制单元（4）、数模转换D/A单元（5）、光源驱动单元（6）和发射端通信接口（7）；所述通信发射光源（1）为LED阵列光源；所述被动温控单元（3）与所述通信发射光源（1）的背面紧密接触，用于散热；
发射端通信接口（7）接收并发射通信信号给编码调制单元（4），所述发射通信信号经编码调制单元（4）编码调制之后发射至数模转换D/A单元（5），经该数模转换D/A单元（5）数模转换之后发送给光源驱动单元（6），所述光源驱动单元（6）根据输入信号发射相应的控制信号给通信发射光源（1），控制所述通信发射光源（1）发射通信光束，所述通信光束经光学透镜（2）汇聚之后发射出去；
所述接收终端包括：
Fresnel透镜光学接收天线（10）、窄带滤光片（11）、APD光电探测器（12）、信号放大器（13）、编码解调单元（14）、模数转换A/D单元（15）和接收端通信端口（17）；
所述Fresnel透镜光学接收天线（10）将接收的光通信光束汇聚并入射至窄带滤光片（11），经该窄带滤光片（11）过滤之后发射至APD光电探测器（12）的光敏接收面，所述APD光电探测器（12）将接收到的光信号转换成电信号之后发送给信号放大器（13），经该信号放大器（13）放大之后发送给编码解调单元（14），所述编码解调单元（14）对接收到的信号进行解调之后发送给模数转换A/D单元（15），经该模数转换A/D单元（15）转换成数字信号、并发送给接收端通信端口（17）；
所述发射终端还包括耐压密闭仪器舱（9），所述耐压密闭仪器舱（9）由金属壳体和透明半球罩组成，所述金属壳体和透明半球罩组成密封腔体，所述透明半球罩位于所述通信发射光源（1）的光信号发射端的前方，所述通信发射光源（1）、被动温控单元（3）、编码调制单元（4）、数模转换D/A单元（5）和光源驱动单元（6）固定在所述密封腔体内；发射端通信接口（7）嵌入固定在所述金属壳体的侧壁上、并且与所述侧壁密封连接；
所述接收终端还包括耐压密闭仪器舱，所述耐压密闭仪器舱（9）由金属壳体和透明半球罩组成，所述金属壳体和透明半球罩组成密封腔体，所述透明半球罩用于透射通信光束；所述Fresnel透镜光学接收天线（10）、窄带滤光片（11）、APD光电探测器（12）、信号放大器（13）、编码解调单元（14）和模数转换A/D单元（15）位于和接收端通信端口（17）固定于所述密封腔体内，接收端通信端口（17）嵌入固定在所述金属壳体的侧壁上、并且与所述侧壁密封连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置，其特征在于，所述通信发射光源（1）的波长范围为460nm~485nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置，其特征在于，所述光学透镜（2）为大功率LED聚光透镜，直径15mm，厚度为6.6mm，将输入光束的发散角压缩至±15°后输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置，其特征在于，所述被动温控单元（3）为金属散热片，其结构采用散热鳍结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置，其特征在于，所述编码调制单元（4）采用OOK调制方式；
所述光源驱动单元（6）根据半导体激光器P-I特性进行设计，采用共射极激光器驱动方法。
6.一种水下无线通信链路的构建方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-5任意一项权利要求所述的一种基于Fresnel透镜光学天线的水下无线光通信装置实现的，所述构建方法为：
发射终端利用编码调制单元（4）完成信息的编码，经过数模转换D/A单元（5）将数字信号转换为模拟信号，通过光源驱动单元（6）将编码后的信息加载到通信发射光源（1）上，光学透镜（2）对光束进行整形汇聚后发射；
接收终端接收天线（10）将接收的光通信光束汇聚，并经过窄带滤光片（11）汇聚在APD光电探测器（12）的有效光敏面上，APD光电探测器（12）将接收到的通信光信号转换为电信号，经过信号放大器（13）放大，放大后的电信号由编码解调单元（14）进行数据恢复，恢复后的数据由模数转换A/D单元（15）将模拟信号转换为数字信号，在经过接收端通信接口（17）传输至接收终端的总控上位机；实现发射终端和接收终端通信链路的建立。
CN202210391385.3A 2022-04-14 2022-04-14 一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水下无线光通信装置、方法 Active CN114866152B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210391385.3A CN114866152B (zh) 2022-04-14 2022-04-14 一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水下无线光通信装置、方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210391385.3A CN114866152B (zh) 2022-04-14 2022-04-14 一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水下无线光通信装置、方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114866152A CN114866152A (zh) 2022-08-05
CN114866152B true CN114866152B (zh) 2024-02-02

Family

ID=82632129

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210391385.3A Active CN114866152B (zh) 2022-04-14 2022-04-14 一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水下无线光通信装置、方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114866152B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101169332A (zh) * 2007-11-09 2008-04-30 国家海洋局第一海洋研究所 船用海面微结构测量装置
CN102098111A (zh) * 2011-02-15 2011-06-15 中国科学院半导体研究所 Led光源水下语音通信系统与潜水头盔
CN110581736A (zh) * 2019-09-25 2019-12-17 安徽光纤光缆传输技术研究所(中国电子科技集团公司第八研究所) 轻量化长距离的水下led无线光通信传输系统
CN211046937U (zh) * 2019-09-25 2020-07-17 安徽光纤光缆传输技术研究所(中国电子科技集团公司第八研究所) 轻量化长距离的水下led无线光通信传输系统
CN113098625A (zh) * 2021-04-06 2021-07-09 武汉六博光电技术有限责任公司 一种双光源水下无线通信系统
CN113708838A (zh) * 2021-08-25 2021-11-26 武汉船舶通信研究所（中国船舶重工集团公司第七二二研究所） 一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统
CN114301530A (zh) * 2021-12-31 2022-04-08 长春理工大学 一种水下无线光通信链路的动态捕获跟踪装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160121009A1 (en) * 2006-02-06 2016-05-05 Woods Hole Oceanographic Institution Optical Communication Systems and Methods
CN110995357A (zh) * 2019-12-02 2020-04-10 大连理工大学 一种新型高鲁棒水下光通信系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101169332A (zh) * 2007-11-09 2008-04-30 国家海洋局第一海洋研究所 船用海面微结构测量装置
CN102098111A (zh) * 2011-02-15 2011-06-15 中国科学院半导体研究所 Led光源水下语音通信系统与潜水头盔
CN110581736A (zh) * 2019-09-25 2019-12-17 安徽光纤光缆传输技术研究所(中国电子科技集团公司第八研究所) 轻量化长距离的水下led无线光通信传输系统
CN211046937U (zh) * 2019-09-25 2020-07-17 安徽光纤光缆传输技术研究所(中国电子科技集团公司第八研究所) 轻量化长距离的水下led无线光通信传输系统
CN113098625A (zh) * 2021-04-06 2021-07-09 武汉六博光电技术有限责任公司 一种双光源水下无线通信系统
CN113708838A (zh) * 2021-08-25 2021-11-26 武汉船舶通信研究所（中国船舶重工集团公司第七二二研究所） 一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统
CN114301530A (zh) * 2021-12-31 2022-04-08 长春理工大学 一种水下无线光通信链路的动态捕获跟踪装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN114866152A (zh) 2022-08-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
de Oliveira Filho et al. Toward self-powered internet of underwater things devices
Uysal et al. SLIPT for underwater visible light communications: Performance analysis and optimization
CN208506594U (zh) 无人平台集群协同控制系统
CN105164944A (zh) 高带宽水下数据通信系统
CN104360364A (zh) 基于ais及北斗卫星导航系统的搜救定位终端和方法
CN110581736A (zh) 轻量化长距离的水下led无线光通信传输系统
CN108964776A (zh) 水下全向ld绿激光双工通信系统
CN106301596A (zh) 能同时实现水下充电和通信的装置及其方法
Kong et al. Toward automatic subsea operations using real-time underwater optical wireless sensor networks
CN114866152B (zh) 一种水下无线光通信发射终端、光通信接收终端以及一种水下无线光通信装置、方法
CN105721065A (zh) 一种基于无人船的无人船-水下潜器作业系统
CN106151917A (zh) 一种光伏节能智能通讯手电筒
CN113904735B (zh) 一种跨介质组网通信设备
CN104202569B (zh) 分布式水下微光监控系统
KR100518628B1 (ko) 영상데이터를 초음파로 송수신하는 무선무인잠수정
CN115885487A (zh) 水下无线通信网络
CN211046937U (zh) 轻量化长距离的水下led无线光通信传输系统
Fasham et al. Developments in subsea wireless communications
Alexander et al. Practical applications of free-space optical underwater communication
CN111846169A (zh) 一种用于水下长距离无线通信耐压密封舱
CN116170031A (zh) 一种便携式可穿戴水下无线光通信装置及方法
Mamatha et al. Underwater wireless optical communication-A review
CN106921428B (zh) 无人机数据传输自组网网络
CN210327149U (zh) 一种基于vsat卫星通讯技术的远程电力监控系统
CN204168413U (zh) 分布式水下微光监控系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant