CN116566487A - 一种水下可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下通信技术领域，具体涉及一种水下可见光通信系统，包括位于水面的水上信息平台浮标与水上航行器、位于浅水位的航行器、位于深水位的水下潜行中继器以及位于水底的水下探测器，所述水下潜行中继器与所述水下探测器通过可见光单向无线连接，所述航行器与所述水下潜行中继器通过可见光双向无线连接，所述控制器单元一的内部固定设置有用于控制数据转换器一工作的解码急停系统，潜水员所佩戴的水下潜行通讯器以及手持数码设备。本发明能够弥补上一次因干扰而出现错误的光信号通讯，解决临时信号干扰的问题，还可解决水下临时作业时信息通讯不佳的问题。

Description

一种水下可见光通信系统

技术领域

本发明属于水下通信技术领域，具体涉及一种水下可见光通信系统。

背景技术

在探索海洋的过程中，作为信息传递的纽带，水下通信系统是实现水下信号传递、指令控制与信息采集过程中极为重要的关键系统，也是组建水下传感器网络的关键一环；水下可见光通信以光波作为载波实现数据传输，与传统的水声通信和水下射频通信相比具有带宽高、抗干扰能力强、功耗低、体积小等优势，在水下无线通信领域得到了广泛地研究；目前，水下可见光通信系统已在鲁棒性、高带宽传输等领域取得了一定进展。但是，水下可见光通信仍然面临抗干扰差的问题。

现有技术存在的问题：

根据申请公布号为CN114665960A的申请文件中，其公布了一种一种抗干扰水下光通信系统，其虽然能够提高可见光通信的抗干扰性，但是其在说明书中第28段中提到“如果它们之间的零个数不是两个或三个，可以得出这四个位(即后一个非零位和三个位在它前面)，至少有一点是错误的；这里只能检测错误，但不能纠正错误”，这里明确指出，虽然能够准确减少光通信过程中的错误率，但是一旦错误发生，并不能实现纠正错误，最终可能导致数据以解码错误后的结果传送出去，从而导致信息传递失效；

另外，针对临时水下作业，传统水下作业的通讯方式大多都采用电磁波通讯，但是这种通讯方式在水下的通讯距离太短，不适用于长距离的信息通讯，但是在检测设备上安装光通信设备不仅会增加制作成本，由于其光通信路线大多都会被潜水员所挡住，因此其光通信过程还会被阻碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下可见光通信系统，能够弥补上一次因干扰而出现错误的光信号通讯，解决临时信号干扰的问题，还可解决水下临时作业时信息通讯不佳的问题。

本发明采取的技术方案具体如下：

一种水下可见光通信系统，包括位于水面的水上信息平台浮标与水上航行器、位于浅水位的航行器、位于深水位的水下潜行中继器以及位于水底的水下探测器，所述水下潜行中继器与所述水下探测器通过可见光单向无线连接，所述航行器与所述水下潜行中继器通过可见光双向无线连接，所述水上信息平台浮标与所述航行器之间以及所述航行器与所述水上航行器之间均通过可见光无线连接；

所述航行器的内部安装有解码组件，且所述解码组件用于处理经过抗干扰处理后的光波，所述解码组件包括安装在航行器内部的光电探测器一、滤波器一、四分之一波片二、线偏振片二、数据转换器二、放大器二以及差分放大器；

所述航行器与所述水下潜行中继器内部均安装有编码组件，且所述编码组件用于将信息转化为具有抗干扰效果的光波，所述航行器内部的解码组件与所述水下潜行中继器内部的编码组件通过光信号无线连接；

所述控制器单元一的内部固定设置有用于控制数据转换器一工作的解码急停系统，所述解码急停系统的内部设置有首位极性判断单元、同性非零位间隔数量判断单元、解码终止单元以及校准光波命令单元，而所述航行器的内部固定安装有与校准光波命令单元电性连接的副LED灯源；

还包括潜水员所佩戴的水下潜行通讯器以及手持数码设备。

还包括位于太空的卫星以及位于岸边的岸上基塔，所述水上航行器与所述卫星之间、所述水上信息平台浮标与所述卫星之间以及所述卫星与所述岸上基塔均通过电磁波远程无线连接。

位于所述航行器内部的编码组件包括数据转换器一、放大器一、驱动器一、主LED灯源、线偏振片一以及四分之一波片一。

位于所述水下潜行中继器内部的编码组件包括数据转换器四、放大器四、驱动器二、光源一、线偏振片三以及四分之一波片三。

所述水下潜行中继器的内部还安装有控制器单元二、光电探测器二、放大器三、滤波器二以及数据转换器三，其中所述光电探测器二包括分别固定安装在水下潜行中继器顶部与底部的顶探测器以及底探测器，且所述副LED灯源与所述顶探测器之间通过光信号无线连接。

所述航行器的内部固定安装有用于控制航行器工作的控制器单元一、用于控制航行器移动的潜行控制机构以及用于完成摄像工作的摄像机构。

所述水下探测器的内部安装有用于完成信息采集的信息采集传感器组，所述水下探测器的内部设置有用于将检测信息进行光信号转化的数据转换器五、放大器五、驱动器三以及光源二，且所述光源二与所述底探测器之间通过光信号无线连接。

所述水下潜行通讯器的内部固定安装有蓝牙模块二，所述航行器的内部安装有用于蓝牙模块二蓝牙匹配的蓝牙模块一，所述水下潜行通讯器的内部还安装有与手持数码设备无线连接的无线信息接收器，所述水下潜行通讯器内部设置有用于将来自手持数码设备的信息进行光信号转化的数据转换器六、放大器六、驱动器四以及光源三。

所述水下潜行通讯器的内部通过电动机构转动安装有转台，而所述转台的表面两侧均固定安装有侧转架，所述光源三同样通过电动机构转动安装在所述侧转架的内侧。

所述水下潜行通讯器的内部设置有用于控制电动机构工作的自动调向组件，且所述自动调向组件内部包括磁力计、陀螺仪以及加速度计。

本发明取得的技术效果为：

(1)本发明，当出现两个相同的相邻非零位之间不是两个或三个零，以及第一个非零位极性出现异常这两种错误时，解码终止单元会被触发，数据解码不再继续，紧接着会通过校准光波命令单元发生校准光波的工作命令，最终通过水下潜行中继器内的编码组件再次发出与上次相同的光波，通过接收两次前后相同的光信号，来弥补上一次因干扰而出现错误的光信号通讯，采用重复相同信息通讯的方式来解决临时信号干扰的问题，进一步提高了该通讯系统的抗干扰能力，保证数据传输的准确性。

(2)本发明，潜水员在进行水下检测作业时手持数码设备工作所得出的信息会通过无线信息传播的方式传递至与其相邻的水下潜行通讯器内部，随后通过水下潜行通讯器将该信息转化为光信号传递至与其匹配的航行器，最后再通过水上信息平台浮标以及卫星传递至岸上基塔或者水上航行器，实现水下作业时超远距离的信息通讯效果，解决水下临时作业时信息通讯不佳的问题；另外，水下潜行通讯器安装在潜水员的背部，因此在其水下作业时，潜水员本身不会挡住光传输的路线，保障了光信号的正常通信。

附图说明

图1是本发明的实施例所提供的水下通信系统示意图；

图2是本发明的实施例所提供的水下通信系统图；

图3是本发明的实施例所提供的水下潜行中继器与水下探测器的通讯系统图；

图4是本发明的实施例所提供的解码急停系统的系统图；

图5是本发明的实施例所提供的数据转换器四内的编码数据图；

图6是本发明的实施例所提供的数据转换器二的错误解码数据图；

图7是本发明的实施例所提供的水下潜行中继器的结构图；

图8是本发明的实施例所提供的水下潜行通讯器与手持数码设备的使用示意图；

图9是本发明的实施例所提供的水下潜行通讯器的结构图；

图10是本发明的实施例所提供的水下潜行通讯器的通讯系统图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、水上信息平台浮标；2、航行器；201、控制器单元一；202、数据转换器一；203、放大器一；204、驱动器一；205、主LED灯源；206、线偏振片一；207、四分之一波片一；208、光电探测器一；209、滤波器一；210、四分之一波片二；211、线偏振片二；212、数据转换器二；213、放大器二；214、差分放大器；215、副LED灯源；216、蓝牙模块一；217、潜行控制机构；218、摄像机构；3、水下潜行中继器；301、控制器单元二；302、光电探测器二；303、放大器三；304、滤波器二；305、数据转换器三；306、数据转换器四；307、放大器四；308、驱动器二；309、光源一；310、线偏振片三；311、四分之一波片三；312、顶探测器；313、底探测器；4、水下探测器；401、信息采集传感器组；402、数据转换器五；403、放大器五；404、驱动器三；405、光源二；5、水上航行器；6、卫星；7、岸上基塔；8、解码急停系统；801、首位极性判断单元；802、同性非零位间隔数量判断单元；803、解码终止单元；804、校准光波命令单元；9、水下潜行通讯器；91、手持数码设备；901、转台；902、侧转架；903、光源三；904、磁力计；905、陀螺仪；906、加速度计；907、蓝牙模块二；908、无线信息接收器；909、数据转换器六；910、放大器六；911、驱动器四。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

如图1-10所示，一种水下可见光通信系统，包括位于水面的水上信息平台浮标1与水上航行器5、位于浅水位的航行器2、位于深水位的水下潜行中继器3以及位于水底的水下探测器4，水下潜行中继器3与水下探测器4通过可见光单向无线连接，航行器2与水下潜行中继器3通过可见光双向无线连接，水上信息平台浮标1与航行器2之间以及航行器2与水上航行器5之间均通过可见光无线连接。

参照附图1，还包括位于太空的卫星6以及位于岸边的岸上基塔7，水上航行器5与卫星6之间、水上信息平台浮标1与卫星6之间以及卫星6与岸上基塔7均通过电磁波远程无线连接。

参照附图2，航行器2的内部固定安装有用于控制航行器2工作的控制器单元一201、用于控制航行器2移动的潜行控制机构217以及用于完成摄像工作的摄像机构218。

实施例一

参照附图2，航行器2的内部安装有解码组件，且解码组件用于处理经过抗干扰处理后的光波，解码组件包括安装在航行器2内部的光电探测器一208、滤波器一209、四分之一波片二210、线偏振片二211、数据转换器二212、放大器二213以及差分放大器214；

参照附图2和图3，航行器2与水下潜行中继器3内部均安装有编码组件，且编码组件用于将信息转化为具有抗干扰效果的光波，位于航行器2内部的编码组件包括数据转换器一202、放大器一203、驱动器一204、主LED灯源205、线偏振片一206以及四分之一波片一207，而位于水下潜行中继器3内部的编码组件包括数据转换器四306、放大器四307、驱动器二308、光源一309、线偏振片三310以及四分之一波片三311，航行器2内部的解码组件与水下潜行中继器3内部的编码组件通过光信号无线连接。

根据上述结构，当水下潜行中继器3与航行器2进行光信号通讯室，两者内部的编码组件以及解码组件运作过程如下：在初始化阶段，使用双极性方案对二进制信息进行编码，其中第0位仍然被编码为0，第1位有两种表示：正(+1)和负(-1)；如图5的第2行所示，在初始化阶段，位1交替编码为+1和-1，这里的一个潜在问题是，一长串连续的0将导致LED关闭一段时间，从而可能导致闪烁，所以在位转换阶段，引入两个专门的位：V(违规位)和B(插入位)，详细步骤描述如下：第1步：最初，数据中有许多连续的0(图5中的第1行)。检查是否有四个连续的零，如果在第2行中检测到四个连续的0，如第2行所示，则最后一个0位将被替换为第3行中所示的V位，在此步骤之后，连续0的数量将不再为三个以上，通过将连续0的数量限制为不超过三个，避免了长连续0，V的极性与前面的非零位相同，如图5的第4行所示；第2步：在第1步之后，第3行的每个V位前面有三个连续的0，现在如果在两个连续的V位(+V或-V)之间找到零个或偶数个1(+1或-1)，后一个V前面的三个0将被B00代替，如第5行所示，这里，B位和后V位的极性都设置为与前一个非零位的极性相反，如图5中的第6行所示，然后，将+V和+B(-V和-B)替换为+1(-1)，得到编码数据，如图5中的第7行所示，使用两个大功率LED在两个信道中传输数据，这里，位+1表示为打开左侧LED并且关闭右侧LED；位-1表示为关闭左侧LED并且打开右侧LED；位0表示将左侧LED和右侧LED都打开；如图5中的第8行和第9行所示，还描绘了在两个链路中传输的CPL的旋转方向。

如图6所示在解码组件，应用差分放大器214去除干扰后，分两步对数据进行解码：首先将编码数据转换为双极编码形式并检查错误，然后进一步将双极编码方式恢复到原始数据；具体过程如下：第1步：为了解码数据，从帧的开头遍历到结尾；如果两个相同的相邻非零位(两个+1或-1)之间有两个或三个零，则后面的非零位连同它前面的三个位将被四个连续的0替换；这里也可用于检查位错误：对于任何相同的相邻非零位(两个+1或-1)，如果它们之间的零个数不是两个或三个，可以得出这四个位(即后一个非零位和三个位在它前面)，至少有一点是错误的；这里只能检测错误，但不能纠正错误；第2步：继续恢复原始数据。首先处理每个位的极性，第一个非零位的极性应为+1，并且每两个相邻的非零位的极性彼此相反，通过应用此规则，第一个非零位为+1，第二个非零位为-1，第三个非零位再次为+1，继续这个过程来为所有非零位分配极性，之后，去除每个非零位的极性恢复原始数据，上述抗干扰信息传输过程均从申请公布号为CN114665960A的申请文件中所得出，因此该光信号抗干扰传播为现有技术，此处不做过多赘述。

参照附图4，控制器单元一201的内部固定设置有用于控制数据转换器一202工作的解码急停系统8，解码急停系统8的内部设置有首位极性判断单元801、同性非零位间隔数量判断单元802、解码终止单元803以及校准光波命令单元804，而航行器2的内部固定安装有与校准光波命令单元804电性连接的副LED灯源215。

参照附图3和图7，水下潜行中继器3的内部还安装有控制器单元二301、光电探测器二302、放大器三303、滤波器二304以及数据转换器三305，其中光电探测器二302包括分别固定安装在水下潜行中继器3顶部与底部的顶探测器312以及底探测器313，且副LED灯源215与顶探测器312之间通过光信号无线连接。

参照附图3，水下探测器4的内部安装有用于完成信息采集的信息采集传感器组401，水下探测器4的内部设置有用于将检测信息进行光信号转化的数据转换器五402、放大器五403、驱动器三404以及光源二405，且光源二405与底探测器313之间通过光信号无线连接。

根据上述结构，水下探测器4可以将检测到的信心转化为光信号传递给水下潜行中继器3，由于水下探测器4位于深水区，其与水下潜行中继器3之间传播过程所受到的光干扰较小，进而此处不需要水下潜行中继器3与航行器2之间抗干扰通讯方式。

本发明的工作原理为：在上述现有技术中的光信号抗干扰传播过程中，就解码数据第1步而言，当两个相同的相邻非零位(两个+1或-1)之间不是两个或三个零，可以得出这四个位(即后一个非零位和三个位在它前面)，至少有一点是错误的，然而这里只能检测错误，但不能纠正错误，另外，当第一个非零位极性出现错误时，其直接将导致解码后的数据出现较大差异(如图5第1行与图6第五行结果)，为了上述两种错误，具体解决步骤如下：一，在解码组件接收到信息的第一步就立即通过同性非零位间隔数量判断单元802对已接收的数据进行扫描读写，其中，当发现两个相同的相邻非零位(两个+1或-1)之间不是两个或三个零，如图6第二行末端所示，该处两个-1位之间没有0位，此时，解码终止单元803被触发，数据解码不再继续，紧接着会通过校准光波命令单元804发生校准光波的工作命令，即通过副LED灯源215向水下潜行中继器3发出信息为再一次发出上一道光波的光信号，此光信号由顶探测器312所接受，经过对该光信号的转化读取，最终通过水下潜行中继器3内的编码组件再次发出与上次相同的光波，此光波由光电探测器一208再次接收，通过接收两次前后相同的光信号，来弥补上一次因干扰而出现错误的光信号通讯，进一步提高了该通讯系统的抗干扰能力；另外，同样是在解码组件接收到信息的第一步，通过首位极性判断单元801对首位数据的极性进行判定，根据编码组件的设定，一般都会将第一个非零位的极性应为+1，因此当首位极性判断单元801检测到首位数据的极性为-，如图6第二行首端所示，此时便可判定第一个非零位数据因干扰出现了错误，从而再次启动副LED灯源215，重复上述操作中的二次通讯过程来解决这类数据错误的情况。

实施例二

参照附图8、图9和图10，还包括潜水员所佩戴的水下潜行通讯器9以及手持数码设备91，水下潜行通讯器9的内部固定安装有蓝牙模块二907，航行器2的内部安装有用于蓝牙模块二907蓝牙匹配的蓝牙模块一216，水下潜行通讯器9的内部还安装有与手持数码设备91无线连接的无线信息接收器908，水下潜行通讯器9内部设置有用于将来自手持数码设备91的信息进行光信号转化的数据转换器六909、放大器六910、驱动器四911以及光源三903。

参照附图9和图10，水下潜行通讯器9的内部通过电动机构转动安装有转台901，而转台901的表面两侧均固定安装有侧转架902，光源三903同样通过电动机构转动安装在侧转架902的内侧，水下潜行通讯器9的内部设置有用于控制电动机构工作的自动调向组件，且自动调向组件内部包括磁力计904、陀螺仪905以及加速度计906。

本发明的工作原理为：潜水员在进行水下检测作业时，通过蓝牙模块二907与位于附近的航行器2内部的蓝牙模块一216相匹配，首先，手持数码设备91工作所得出的信息会通过无线信息传播的方式传递至与其相邻的水下潜行通讯器9内部，随后通过水下潜行通讯器9将该信息转化为光信号传递至与其匹配的航行器2，最后再通过水上信息平台浮标1以及卫星6传递至岸上基塔7或者水上航行器5，实现水下作业时超远距离的信息通讯效果，解决水下临时作业时信息通讯不佳的问题；另外，水下潜行通讯器9安装在潜水员的背部，因此在其水下作业时，潜水员本身不会挡住光传输的路线，保障了光信号的正常通信。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (10)

1.一种水下可见光通信系统，包括位于水面的水上信息平台浮标(1)与水上航行器(5)、位于浅水位的航行器(2)、位于深水位的水下潜行中继器(3)以及位于水底的水下探测器(4)，其特征在于：所述水下潜行中继器(3)与所述水下探测器(4)通过可见光单向无线连接，所述航行器(2)与所述水下潜行中继器(3)通过可见光双向无线连接，所述水上信息平台浮标(1)与所述航行器(2)之间以及所述航行器(2)与所述水上航行器(5)之间均通过可见光无线连接；

所述航行器(2)的内部安装有解码组件，且所述解码组件用于处理经过抗干扰处理后的光波，所述解码组件包括安装在航行器(2)内部的光电探测器一(208)、滤波器一(209)、四分之一波片二(210)、线偏振片二(211)、数据转换器二(212)、放大器二(213)以及差分放大器(214)；

所述航行器(2)与所述水下潜行中继器(3)内部均安装有编码组件，且所述编码组件用于将信息转化为具有抗干扰效果的光波，所述航行器(2)内部的解码组件与所述水下潜行中继器(3)内部的编码组件通过光信号无线连接；

所述控制器单元一(201)的内部固定设置有用于控制数据转换器一(202)工作的解码急停系统(8)，所述解码急停系统(8)的内部设置有首位极性判断单元(801)、同性非零位间隔数量判断单元(802)、解码终止单元(803)以及校准光波命令单元(804)，而所述航行器(2)的内部固定安装有与校准光波命令单元(804)电性连接的副LED灯源(215)；

还包括潜水员所佩戴的水下潜行通讯器(9)以及手持数码设备(91)。

2.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信系统，其特征在于：还包括位于太空的卫星(6)以及位于岸边的岸上基塔(7)，所述水上航行器(5)与所述卫星(6)之间、所述水上信息平台浮标(1)与所述卫星(6)之间以及所述卫星(6)与所述岸上基塔(7)均通过电磁波远程无线连接。

3.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信系统，其特征在于：位于所述航行器(2)内部的编码组件包括数据转换器一(202)、放大器一(203)、驱动器一(204)、主LED灯源(205)、线偏振片一(206)以及四分之一波片一(207)。

4.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信系统，其特征在于：位于所述水下潜行中继器(3)内部的编码组件包括数据转换器四(306)、放大器四(307)、驱动器二(308)、光源一(309)、线偏振片三(310)以及四分之一波片三(311)。

5.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信系统，其特征在于：所述水下潜行中继器(3)的内部还安装有控制器单元二(301)、光电探测器二(302)、放大器三(303)、滤波器二(304)以及数据转换器三(305)，其中所述光电探测器二(302)包括分别固定安装在水下潜行中继器(3)顶部与底部的顶探测器(312)以及底探测器(313)，且所述副LED灯源(215)与所述顶探测器(312)之间通过光信号无线连接。

6.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信系统，其特征在于：所述航行器(2)的内部固定安装有用于控制航行器(2)工作的控制器单元一(201)、用于控制航行器(2)移动的潜行控制机构(217)以及用于完成摄像工作的摄像机构(218)。

7.根据权利要求5所述的一种水下可见光通信系统，其特征在于：所述水下探测器(4)的内部安装有用于完成信息采集的信息采集传感器组(401)，所述水下探测器(4)的内部设置有用于将检测信息进行光信号转化的数据转换器五(402)、放大器五(403)、驱动器三(404)以及光源二(405)，且所述光源二(405)与所述底探测器(313)之间通过光信号无线连接。

8.根据权利要求1所述的一种水下可见光通信系统，其特征在于：所述水下潜行通讯器(9)的内部固定安装有蓝牙模块二(907)，所述航行器(2)的内部安装有用于蓝牙模块二(907)蓝牙匹配的蓝牙模块一(216)，所述水下潜行通讯器(9)的内部还安装有与手持数码设备(91)无线连接的无线信息接收器(908)，所述水下潜行通讯器(9)内部设置有用于将来自手持数码设备(91)的信息进行光信号转化的数据转换器六(909)、放大器六(910)、驱动器四(911)以及光源三(903)。

9.根据权利要求8所述的一种水下可见光通信系统，其特征在于：所述水下潜行通讯器(9)的内部通过电动机构转动安装有转台(901)，而所述转台(901)的表面两侧均固定安装有侧转架(902)，所述光源三(903)同样通过电动机构转动安装在所述侧转架(902)的内侧。

10.根据权利要求9所述的一种水下可见光通信系统，其特征在于：所述水下潜行通讯器(9)的内部设置有用于控制电动机构工作的自动调向组件，且所述自动调向组件内部包括磁力计(904)、陀螺仪(905)以及加速度计(906)。