CN115276716A - 一种水下机器人信息通信系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下机器人信息通信系统和方法，包括与水下机器人终端通过电缆线路连接的中继R模块以及与中继R模块进行无线交互的地面控制模块，所述中继R模块包括用于发送光信号的FSO发送单元和用于发送射频信号的RF发射单元，所述地面控制模块包括用于接收光信号的FSO接收单元和用于接收射频信号的RF接收单元，所述地面控制模块还包括用于切换FSO接收单元和RF接收单元工作的切换单元，本申请通过充分利用两种通信方式的各自优点，可有效应对海面雨雾天气变化，保证了信息传输的稳定性。

Description

一种水下机器人信息通信系统和方法
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，具体是一种水下机器人信息通信系统和方法。
背景技术
水声信道是无线通信领域中最为复杂的一种信道，这是由声波在海洋中传播过程中受到海面的波浪起伏、海底的分层不均匀和不平整、以及海水介质的非均匀性所产生的散射、折射效应而造成的。另外，浅海水声信道的复杂性还体现在它会随着时间、空间而变化。总的来说，水声信道具有以下几个方面的特点。(1)带宽资源有限在无线电通信中，能够使用的频段范围为2kHz—3000GHz，虽然目前正在使用的频段只有几十GHz，但相对水声通信的带宽资源已经相当丰富了，声波(超声波)的最高频率也可以达到5GHz或更高，然而应用到水声通信中时，可用带宽就只有大约几十kHz的量级了，这主要是由于高频声波在海水中传播时会产生严重衰减而造成的；(2)海洋噪声干扰严重，海洋中的潮汐、洋流、海面波浪、地震活动、生物群体和交通航运等噪声，带来严重的传播损失；(3)由于海水介质(如温度、季节流、潮汐)的随机不均匀性，海洋中的声场也是随机起伏的，这种随机起伏效应也会影响着水声通信的性能。
在第一个通信时隙，水下机器人把信号通过脐带电缆传递到船上的中继R模块,在第二个时隙中继R模块通过开关选择把信号通过无线射频链路或FSO链路传递到陆地的接收台。FSO链路不受雨天影响，但会由于雾和闪光而导致光信号严重衰减，而RF链路在雨中衰减严重，却可以容易地穿过雾霾，所以RF链路和FSO链路所构成的混合方案很好地利用各自优势来对抗天气不利因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下机器人信息通信系统和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水下机器人信息通信系统，包括与水下机器人终端通过电缆线路连接的中继R模块以及与中继R模块进行无线交互的地面控制模块，所述中继R模块包括用于发送光信号的FSO发送单元和用于发送射频信号的RF发射单元，所述地面控制模块包括用于接收光信号的FSO接收单元和用于接收射频信号的RF接收单元，所述地面控制模块还包括用于切换FSO接收单元和RF接收单元工作的切换单元。
作为本发明进一步的方案：所述电缆线为脐带电缆PLC链路。
作为本发明进一步的方案：所述FSO发送单元包括用于发出信号的源信号发生器、用于对信号的进调制的DPSK调制器和用于对驱动的激光驱动器以及用于偏置的DC偏置器。
作为本发明进一步的方案：所述FSO接收单元包括滤光片、光电探测器、AC/DC分离器和DPSK解调器。
作为本发明进一步的方案：所述RF发射单元包括源信号发生器、DPSK调制器和RF发射天线。
作为本发明进一步的方案：所述RF接收单元包括RF接收天线和DPSK解调器。
一种系统的通信方法具体包括以下步骤：
第一步：水下机器人通过脐带电缆将采集的图像视频等信号传送到中继，中继R模块接收到的信号为：
Figure BDA0003719637080000021
PS是平均传送功率，x是水下机器人通过PLC链路传送的信号，nSR表示高斯白噪声，hSR是PLC信道衰落因子，其模服从对数分布；
第二步：中继R模块通常选择FSO链路为通信的主链路，将信息传送到接收端地面控制模块。RF交流电信号R(t)首先基于子载波调制方式经二进制相移键控方案转化为光信号。为了保证发射的光信号在FSO链路中不失真，需要在信源的调制模块中将直流偏置B与R(t)进行叠加，从而保证调制信号的非负性。所以传输的光信号可以表示
Figure BDA0003719637080000022
其中Ps1代表光发射机的发射功率，
Figure BDA0003719637080000023
代表电光转换系数。因此在地面控制模块接收端D处的光探测器(Photo-detector,P-D)接收到的光信号为：
Figure BDA0003719637080000031
其中，Rθ是P-D的响应度，A表示P-D的物理区域大小，n1(t)为加性高斯白噪声。另外，为了克服周围的光照导致的强直流干扰，发射机和接收机之间放置仰角须小于30°。同样，由于环境中光信号频率与源信号频率不同，可以在P-D前沿安装一个原子共振滤光片，将与源信号偏振方向或频率不同的环境光过滤，同时直流分量引起的宽带噪声也被抑制滤除。经过滤光片和光电探测器处理后，D接收到的电信号为：
Figure BDA0003719637080000032
第三步：同时FSO主链路的信道状态信息(CSI,channel state information)通过一条反馈路径从控制中心传回中继R模块，中继R模块根据此反馈信息进行开关选择，如果FSO链路由于大气传播条件恶劣等原因中断时，中继就会选择RF链路来进行数据传输，当选择RF链路来传输信号时：
Figure BDA0003719637080000033
其中，Ps2是RF发射机的发射功率，hRD是RF链路的衰落因子，其模服从瑞利分布，n2(t)是加性高斯白噪声。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本申请中电力线载波通信为有线通信，不受水下的潮汐、噪声、水温等影响，稳定性强。水面基于开关选择的FSO链路和RF链路并行混合通信系统，可充分利用FSO链路不受雨天影响，但会由于雾和闪光而导致光信号严重衰减，而RF链路在雨中衰减严重，却可以容易地穿过雾霾，通过充分利用两种通信方式的各自优点，可有效应对海面雨雾天气变化，保证了信息传输的稳定性。
附图说明
图1为本发明的通讯结构示意图。
图2为本发明中FSO链路信号处理流程图。
图3为本发明中RF链路信号处理流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-3，本发明实施例中，一种水下机器人信息通信系统，包括与水下机器人终端通过电缆线路连接的中继R模块以及与中继R模块进行无线交互的地面控制模块，所述中继R模块包括用于发送光信号的FSO发送单元和用于发送射频信号的RF发射单元，所述地面控制模块包括用于接收光信号的FSO接收单元和用于接收射频信号的RF接收单元，所述地面控制模块还包括用于切换FSO接收单元和RF接收单元工作的切换单元；
上述通信系统的通信方法具体包括以下步骤：
第一步：水下机器人通过脐带电缆将采集的图像视频等信号传送到中继，中继R模块接收到的信号为：
Figure BDA0003719637080000041
PS是平均传送功率，x是水下机器人通过PLC链路传送的信号，nSR表示高斯白噪声，hSR是PLC信道衰落因子，其模服从对数分布；
第二步：中继R模块通常选择FSO链路为通信的主链路，将信息传送到接收端地面控制模块。RF交流电信号R(t)首先基于子载波调制方式经二进制相移键控方案转化为光信号。为了保证发射的光信号在FSO链路中不失真，需要在信源的调制模块中将直流偏置B与R(t)进行叠加，从而保证调制信号的非负性。所以传输的光信号可以表示
Figure BDA0003719637080000042
其中Ps1代表光发射机的发射功率，
Figure BDA0003719637080000043
代表电光转换系数。因此在地面控制模块接收端D处的光探测器(Photo-detector,P-D)接收到的光信号为：
Figure BDA0003719637080000051
其中，Rθ是P-D的响应度，A表示P-D的物理区域大小，n1(t)为加性高斯白噪声。另外，为了克服周围的光照导致的强直流干扰，发射机和接收机之间放置仰角须小于30°。同样，由于环境中光信号频率与源信号频率不同，可以在P-D前沿安装一个原子共振滤光片，将与源信号偏振方向或频率不同的环境光过滤，同时直流分量引起的宽带噪声也被抑制滤除。经过滤光片和光电探测器处理后，D接收到的电信号为：
Figure BDA0003719637080000052
第三步：同时FSO主链路的信道状态信息(CSI,channel state information)通过一条反馈路径从控制中心传回中继R模块，中继R模块根据此反馈信息进行开关选择，如果FSO链路由于大气传播条件恶劣等原因中断时，中继就会选择RF链路来进行数据传输，当选择RF链路来传输信号时：
Figure BDA0003719637080000053
其中，Ps2是RF发射机的发射功率，hRD是RF链路的衰落因子，其模服从瑞利分布，n2(t)是加性高斯白噪声。
本发明的工作原理是：现有的方案为通过水下机器人通过水声通信或水下光无线通信将信息传递到母船上，母船再通过卫星通信将信息传达到陆地，水声通信和水下光无线通信稳定性差，卫星通信成本高且双向通信功能受限，电力线载波通信为有线通信，不受水下的潮汐、噪声、水温等影响，稳定性强。水面基于开关选择的FSO链路和RF链路并行混合通信系统，可充分利用FSO链路不受雨天影响，但会由于雾和闪光而导致光信号严重衰减，而RF链路在雨中衰减严重，却可以容易地穿过雾霾，通过充分利用两种通信方式的各自优点，可有效应对海面雨雾天气变化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (7)

1.一种水下机器人信息通信系统，包括与水下机器人终端通过电缆线路连接的中继R模块以及与中继R模块进行无线交互的地面控制模块，其特征在于，所述中继R模块包括用于发送光信号的FSO发送单元和用于发送射频信号的RF发射单元，所述地面控制模块包括用于接收光信号的FSO接收单元和接收射频信号的RF接收单元，所述地面控制模块还包括用于切换FSO接收单元和RF接收单元工作的切换单元。
2.根据权利要求1所述的水下机器人信息通信系统，其特征在于，所述电缆线为脐带电缆PLC链路。
3.根据权利要求1所述的水下机器人信息通信系统，其特征在于，所述FSO发送单元包括用于发出信号的源信号发生器、用于对信号的进调制的DPSK调制器和用于对驱动的激光驱动器以及用于偏置的DC偏置器。
4.根据权利要求1所述的水下机器人信息通信系统，其特征在于，所述FSO接收单元包括滤光片、光电探测器、AC/DC分离器和DPSK解调器。
5.根据权利要求1所述的水下机器人信息通信系统，其特征在于，所述RF发射单元包括源信号发生器、DPSK调制器和RF发射天线。
6.根据权利要求1所述的水下机器人信息通信系统，其特征在于，所述RF接收单元包括RF接收天线和DPSK解调器。
7.一种利要求1-6任一项所述的水下机器人信息通信系统通信方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一：水下机器人通过脐带电缆将采集的图像视频信号传送到中继，中继R接收到的信号为：
Figure FDA0003719637070000011
PS是平均传送功率，x是水下机器人通过PLC链路传送的信号，nSR表示高斯白噪声，hSR是PLC信道衰落因子，其模服从对数分布；
步骤二：中继R模块通常选择FSO链路为通信的主链路，将信息传送到接收端地面控制模块，RF交流电信号R(t)首先基于子载波调制方式经二进制相移键控方案转化为光信号，为了保证发射的光信号在FSO链路中不失真，需要在信源的调制模块中将直流偏置B与R(t)进行叠加，从而保证调制信号的非负性，所以传输的光信号可以表示
Figure FDA0003719637070000021
其中Ps1代表光发射机的发射功率，
Figure FDA0003719637070000022
代表电光转换系数，因此在地面控制模块接收端D处的光探测器接收到的光信号为：
Figure FDA0003719637070000023
其中，Rθ是P-D的响应度，A表示P-D的物理区域大小，n1(t)为加性高斯白噪声，另外，为了克服周围的光照导致的强直流干扰，发射机和接收机之间放置仰角须小于30°，同样，由于环境中光信号频率与源信号频率不同，可以在P-D前沿安装一个原子共振滤光片，将与源信号偏振方向或频率不同的环境光过滤，同时直流分量引起的宽带噪声也被抑制滤除，经过滤光片和光电探测器处理后，D接收到的电信号为：
Figure FDA0003719637070000024
步骤三：同时FSO主链路的信道状态信息通过一条反馈路径从控制中心传回中继R模块，中继R模块根据此反馈信息进行开关选择，如果FSO链路由于大气传播条件这些恶劣原因中断时，中继就会选择RF链路来进行数据传输，当选择RF链路来传输信号时：
Figure FDA0003719637070000025
其中，Ps2是RF发射机的发射功率，hRD是RF链路的衰落因子，其模服从瑞利分布，n2(t)是加性高斯白噪声。
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