CN204180082U - 用于船舶的可见光通信装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于船舶的可见光通信装置，包括：用于发出光信号的发送模块和用于接收光信号的接收模块；所述发送模块包括：多个发出光信号的发光二极管LED；所述LED中设有用于降低所述LED的半功率角的第一透镜；所述接收模块包括：用于接收光信号的光电探测器和用于汇聚平行光的第二透镜；所述第二透镜位于所述光电探测器的前端。上述装置能够实现在船舶之间的可见光通信，且能够提高船舶间通信的可靠性。

Description

用于船舶的可见光通信装置

技术领域

本实用新型涉及光通信技术，尤其涉及一种用于船舶的可见光通信装置。

背景技术

可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，一般指波长在400到700纳米之间的光，利用这个带宽范围内的光进行通信的技术即为可见光通信技术。近年来，发出可见光的发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)的性能不断提高，使LED具有效率高、光通量大、带宽窄、寿命长、性能稳定等优点，这些优点使基于LED的可见光通信成为可能。

LED的可见光通信是以LED作为光源，以光电转换器件或者光学成像器件作为光电探测器，以大气为传输媒质，将发送信号调制在LED发出的可见光上进行通信的无线光通信技术。这种通信技术有通信安全性高、无需无线电频谱认证、无电磁干扰、信道带宽大、传输速率高。

图1示出了现有技术中的应用于室外的可见光通信系统，如图1所示，图1中可见光通信系统包括：发送模块和接收模块；所述发送模块包括编码单元、LED驱动单元和LED；所述接收模块包括：光电探测器、前置放大器、滤波单元、数据恢复单元、解码单元。

发送模块把发送信息转换成高低变化的电流，LED驱动单元驱动电流流过LED，调制LED出射光的功率，LED发出携带发送信息的可见光。

接收模块的光电探测器把光信号转变为电信号，前置放大器对电信号进行低噪声放大，并经过滤波单元滤除电域噪声，数据恢复单元从滤除电域噪声的滤波单元中恢复出数字信号，数字信号通过解码单元得到发送信息。

然而，应用于室外远距离的可见光通信系统，一方面随着距离的增长其性能会下降，并且可见光通信系统内部采用的滤波、汇聚、耦合器件会带来部分光学损耗；另一方面，可见光通信系统还会受到外部天气条件因素，如雨、雪、雾衰减的影响。

若将上述可见光通信系统应用于船舶之间进行通信，其缺陷包括：船间通信距离远，信号衰减大，通信传输媒质中的湍流影响明显，严重影响船舶检可见光通信的高速稳定传输。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于船舶的可见光通信装置，实现在船舶之间进行通信，且提高船舶间通信的可靠性和稳定性。

本实用新型的用于船舶的可见光通信装置，包括：

用于发出光信号的发送模块和用于接收光信号的接收模块；

所述发送模块包括：多个发出光信号的LED；所述LED中设有用于降低所述LED的半功率角的第一透镜；

所述接收模块包括：用于接收光信号的光电探测器和用于汇聚平行光的第二透镜；所述第二透镜位于所述光电探测器的前端。

可选地，所述第二透镜为菲涅尔透镜。

可选地，所述光电探测器与所述第二透镜之间设有用于透过红色光的第一滤光片、用于透过绿色光的第二滤光片、用于透过蓝色光的第三滤光片中的一种或多种。

可选地，所述光电探测器的外围嵌套有不透光套筒。

可选地，所述LED和所述光电探测器间隔分布在同一信号灯上。

可选地，所述多个发出光信号的LED包括：

发出蓝色光信号的LED，发出红色光信号的LED，发出绿色光信号的LED。

可选地，所述发送模块采用半双工工作方式，所述接收模块采用半双工工作方式。

可选地，所述发送模块的编码方式为下述编码方式中的一种：

红外编码方式、脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,简称PPM)编码方式、莫尔斯编码方式。

可选地，所述发送模块还包括：

第一上位机、第一电平转换单元、第一单片机、编码单元、所述LED的驱动单元；

所述第一上位机的输出端与所述第一电平转换单元的输入端连接，所述第一电平转换单元的输出端连接所述第一单片机的输入端，所述第一单片机的输出端连接所述编码单元的输入端，所述编码单元的输出端连接所述LED的驱动单元的输入端，所述LED的驱动单元驱动所述多个发出光信号的LED发出可见光。

可选地，所述接收模块还包括：

连接所述光电探测器的前置放大器、求和滤波单元、数据恢复单元、解码单元、第二单片机、第二电平转换单元和第二上位机；

所述前置放大器的输入端连接所述光电探测器，所述前置放大器的输出端连接所述求和滤波单元的输入端，所述求和滤波单元的输出端连接所述数据恢复单元的输入端，所述数据恢复单元的输出端连接所述解码单元的输入端，所述解码单元的输出端连接所述第二单片机的输入端，所述第二单片机的输出端连接所述第二电平转换单元的输入单元的输入端，所述第二电平转换单元的输出端连接所述第二上位机的输入端。

由上述技术方案可知，本实用新型的用于船舶的可见光通信装置，通过在发送模块的LED中嵌设降低LED半功率角的第一透镜，在接收模块的光电探测器的前端设置用于汇聚平行光的第二透镜，可使得可见光通信装置应用于船舶之间，实现了船舶之间的可见光通信，且能够提高船舶间通信的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为现有技术中的应用于室外的可见光通信系统的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的可见光通信装置的结构示意图；

图3A为本实用新型中LED和第二透镜间隔分布的示意图；

图3B为本实用新型中一个LED的一组第一透镜的分布示意图；

图4A为本实用新型中发送模块的LED的相对辐射功率谱的示意图；

图4B为本实用新型中接收模块的一个滤光片透过率频谱的示意图；

图5为多种数字调制方式性能比较示意图；

图6为本实用新型的可见光通信装置的发送模块的示意图；

图7为本实用新型的可见光通信装置的接收模块的示意图；

图8为本实用新型的可见光通信装置的接收模块输出的信号示意图；

图9为本实用新型的可见光通信装置的接收模块的信息显示的示意图；

图10为现有技术中可见光通信系统的发射接收示意图；

图11为现有技术中可见光通信系统中发送模块和接收模块之间的距离引起的损耗的示意图；

图12为现有技术中可见光通信系统的半功率角引起的增益的示意图。

具体实施方式

图2示出了本实用新型一实施例提供的可见光通信装置的结构示意图，如图2所示，本实施例的可见光通信装置包括：用于发出光信号的发送模块和用于接收光信号的接收模块；

在本实施例中，发送模块包括：多个发出光信号的LED；所述LED中设有用于降低所述LED的半功率角的第一透镜；

所述接收模块包括：用于接收光信号的光电探测器；所述光电探测器的前端设有用于汇聚平行光的第二透镜。

在本实施例中，第一透镜可将LED的半功率角降低到30以内，且第一透镜和LED芯片连接，可将LED发出的可见光转换为平行光，如图2所示。

另外，在实际应用中，可将LED和所述光电探测器间隔分布在同一信号灯上，为此，在光电探测器的外围嵌套有不透光套筒。由此，可以防止发送模块中的LED对光电探测器造成的近端串扰。为了进一步防止近端串扰，LED和光电探测器可在信号灯上穿插分布/间隔分布，如图3A所示。

应说明的是，前述发送模块中多个发出光信号的LED可包括：发出蓝色光信号的LED(对应图3A中的蓝色LED)，发出红色光信号的LED(对应图3A中的红色LED)，发出绿色光信号的LED(对应图3A中的绿色LED)。特别地，本实施例中位于信号灯上的LED可为发出单色光信号的LED。也就是说，LED的驱动单元控制LED发出单色光。

此外，由于LED和光电探测器位于同一个信号灯上，为了防止前述的近端串扰，可使发送模块采用半双工工作方式，所述接收模块采用半双工工作方式。另外，需要说明的是，在图3A中显示有了绿色接收透镜、蓝色接收透镜、红色接收透镜，在实际应用中，这三个接收透镜均为菲涅尔透镜。其中，绿色接收透镜表示的含义为：第一，该绿色接收透镜后面的滤光片(如下所述的第二滤光片)用于透过绿色光；第二，由于接收透镜旁边设置的是发出红色光的LED和发出蓝色光的LED(如图3A所示)，为较好的防止近端串扰，该处区域的接收透镜可用于接收绿色光。为此，在图3中左上角区域设置为绿色接收透镜。

相应地，蓝色接收透镜表示的含义为：第一，该蓝色接收透镜后面的滤光片(如下所述的第三滤光片)用于透过蓝色光；第二，由于接收透镜旁边设置的是发出红色光的LED和发出绿色光的LED(如图3A所示)，为较好的防止近端串扰，该处区域的接收透镜可用于接收蓝色光；为此，在图3中右上角区域设置为蓝色接收透镜。

红色接收透镜表示的含义：第一，该红色接收透镜后面的滤光片(如下所述的第一滤光片)用于透过红色光；第二，由于接收透镜旁边设置的是发出蓝色光的LED和发出绿色光的LED(如图3A所示)，为较好的防止近端串扰，该处区域的接收透镜可用于接收红色光。为此，在图3中下方区域设置为红色接收透镜。

前述的LED可为红绿蓝三色LED。三色LED要比单色LED在通信信道中的抗湍流方面性能更好。这样用三色LED通信可以减弱信道中湍流对信号的影响，提高信噪比，增加高速通信的可靠性。同时，单色LED与白光LED相比具有更窄的频带，可以进一步通过光学滤波滤除背景光噪声，提高信噪比。

LED的选型主要从电光转换效率、最大直流电流、封装类型等角度来考虑。三色LED的封装一共有两种形式，第一种是多芯片LED，另外一种是单芯片LED。这两种封装LED的数据手册会给出光通量大小，一般不会给出出射光光功率。LED作为可见光通信的光源，重点考虑LED的输出功率。光通量和光功率有如下关系：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{lum}}={683}_{\mathrm{lm}/W}\underset{\mathrm{\λ}}{\∫}V\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

Φ_lum为光通量，V(λ)为视觉函数，P(λ)为功率谱密度。考虑到三色LED中单色光的光谱宽度不大于20nm，所以假定每种单色光的V(λ)为一个常数值。下面通过表一的对比说明单芯片的LED比多芯片的LED的性能高，如下表中单芯片的LED的光功率高。表一中是以红色LED为例进行说明。

表一：

经过比较表一中的数值发现单芯片LED电光转换效率更高，在一定电功率情况下，能输出更大的光功率即输出功率，从而提高了发送信号的输出功率，增加通信可靠性。所以本实施例的图3中的三色LED中每一LED可采用单芯片封装实现。

可理解的是，前述发送模块中每一颗LED配有一组第一透镜，第一透镜用于减小LED的半功率角，加大特定方向光强。第一透镜减少了由于LED半功率角大引起的损耗。一组第一透镜可如图3B所示。

在本实施例中，一组第一透镜可包括四片子透镜，所有的子透镜都位于LED芯片的前端，且所有的子透镜的中心必须与LED芯片的LED保持在一条直线上。四片子透镜中最大的子透镜的直径可为35毫米，且最大的子透镜距离LED芯片的LED灯的距离可为45毫米。

优选地，前述光电探测器前端的第二透镜可为菲涅尔透镜。当前，常规透镜无法较好的满足接收模块的需求，相对比常规透镜，菲涅尔透镜具有厚度更薄、焦距更小的优势。

另外，菲涅尔透镜可以保证较小的聚焦比，以及菲涅尔透镜的制作材料来源丰富，成本低廉。通常，菲涅尔透镜采用聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，简称PMMA)材料制备。

在本实施例中，前述的接收模块中，光电探测器与所述第二透镜之间设有用于滤除背景光的带通滤光片。该处的背景光是相对于透过光来说的，例如，透过光为红色光，则除红色光之外的所有其他颜色光均为背景光。由于前述的LED发出的光为单色光，为此，本实施例中光电探测器与所述第二透镜之间设有用于透过红色光的第一滤光片、用于透过绿色光的第二滤光片、用于透过蓝色光的第三滤光片中的一种或多种。

也就是说，在每一个菲涅尔透镜后面可安装一个带通滤光片，该带通滤光片的通带和阻带的频谱特性与发送模块中LED的发光频谱对应。

本实施例中的每个带通滤光片只能透过一种颜色的信号光，阻止其他频率的光透过。带通滤光片保证透过光信号，滤除背景光噪声。由于图3A中示出可发出三种颜色光的LED，故本实施例中的带通滤光片可为分别透过红色光的第一滤光片、透过蓝色光的第三滤光片、透过绿色光的第二滤光片。

发送模块的LED相对辐射功率谱和接收模块中带通滤光片透过率频谱如图4A和图4B所示。其中，图4A中的虚线表示标准人眼的视觉曲线，图4A中的实线表示图3A中红色LED的相对辐射功率频谱曲线。图4B中的实线表示带通滤光片透过率的频谱曲线。

在一种可选的实现方式中，所述发送模块的编码方式可为红外编码方式、PPM编码方式或莫尔斯编码方式等。本实施例中优选使用红外编码方式。

进一步地，无线光通信中常用的数字调制主要有：OOK调制、脉冲位置调制(PPM)、脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation,简称PAM)、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,简称PDM)和副载波调制等。副载波调制又分为单载波调制和多载波调制。常见的单载波调制有：频移键控(Frequency-shift keying，简称FSK)调制、相移键控(phase-shift keying，简称PSK)调制等，常见的多载波调制有正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM)技术等。

图5示出了前述的调制方式的性能的示意图。其中图5是以OOK调制方式达到特定误码率所需的信噪比及其带宽利用率为标准进行归一化得到的。

图5中对不同码型的OOK调制以及不同形式的PPM调制的性能进行了比较。从图5中可看出，采用不同调制方式，达到特定误码率所需要的信噪比与带宽利用率不同。可以通过选取调制方式，增加信号带宽来降低所需的信噪比，亦可通过选取所需信噪比较大的调制方式来降低信号所需带宽。由图5中可见，采用多进制的PPM调制方式可以有效降低接收端所需的信噪比。采用软判决PPM可以比硬判决PPM得到更好的性能。在室外的可见光通信装置中，接收模块的信噪比对可见光通信装置的影响较大，因而可以通过采用多进制的PPM来降低所需的信噪比。例如可以选取8-PPM或16-PPM的数字调制方式，使接收端所需的信噪比远小于采用OOK调制时所需的信噪比。

图6示出了本实用新型的可见光通信装置的发送模块的示意图，如图6所示，本实施例的发送模块包括：

第一上位机、第一电平转换单元、第一单片机、编码单元、所述LED的驱动单元、LED；

在本实施例中，所述第一上位机的输出端与所述第一电平转换单元的输入端连接，所述第一电平转换单元的输出端连接所述第一单片机的输入端，所述第一单片机的输出端连接所述编码单元的输入端，所述编码单元的输出端连接所述LED的驱动单元的输入端，所述LED的驱动单元驱动所述多个发出光信号的LED发出可见光。

具体地，所述第一上位机用于接收输入的信息，输出串口信号至所述第一电平转换单元，所述第一电平转换单元用于将串口信号(即RS-232电压信号)转换为逻辑门电路(Transistor-Transistor Logic，简称TTL)电压信号，并输出至所述单片机，所述单片机根据通信协议将所述TTL电压信号进行封装，并将封装后的信息发送编码单元，所述编码单元用于对封装后的信息进行红外编码，并输出脉冲信号至所述LED的驱动单元，所述LED的驱动单元根据所述脉冲信号驱动LED发出可见光。

在具体应用中，LED的驱动单元可根据脉冲信号输出流过LED的变化的电流，以使LED发出不同频率的可见光信号。

图7示出了本实用新型的可见光通信装置的接收模块的示意图，如图7所示，本实施例的接收模块包括：

光电探测器、连接所述光电探测器的前置放大器、求和滤波单元、数据恢复单元、解码单元、第二单片机、第二电平转换单元和第二上位机；

其中，所述前置放大器的输入端连接所述光电探测器，所述前置放大器的输出端连接所述求和滤波单元的输入端，所述求和滤波单元的输出端连接所述数据恢复单元的输入端，所述数据恢复单元的输出端连接所述解码单元的输入端，所述解码单元的输出端连接所述第二单片机的输入端，所述第二单片机的输出端连接所述第二电平转换单元的输入单元的输入端，所述第二电平转换单元的输出端连接所述第二上位机的输入端。

具体地，光电探测器将接收的光信号转换为电信号，并将电信号发送前置放大器，前置放大器对电信号进行低噪声放大，并输出低噪声放大信号至求和滤波单元，求和滤波单元对至少三路的低噪声放大信号进行求和处理，并滤除求和后的电信号中的噪声，将滤除噪声的电信号发送至数据恢复单元，以使数据恢复单元恢复出数字信号，并数字信号发送至解码单元，所述解码单元根据数字信号输出解码信号至第二单片机，第二单片机根据通信协议对解码信号进行比对，比对无误后发送至第二电平转换单元，第二电平转换单元对无误的电平信号转换后通过串口发送至能够识别电平信号的第二上位机，以使第二上位机对识别的电平信号进行显示。

上述的可见光通信装置能够较好的实现船舶检可见光通信的稳定传输，且能够提高船间可见光通信装置的通信传输速率和实现自动可靠地通信。

另外，通过试验证明上述可见光通信装置的可靠性，可见光通信系统实验条件如下表二：

表二

在指定的实验条件下，分别完成了三种颜色独立工作下的通信功能测试。实验具体结果见图8和图9。实验结论初步验证了远距离可见光通信装置的可行性，并且实现了通信的主要功能，包括字母、汉字、数字的发送，大大增强了现有的船上灯光通信的功能。同时，提高了通信速率和可靠性。

具体地，下面结合图10至图12对图1所示的可见光通信系统的缺陷进行说明，以及说明图2中所示的可见光通信装置的优点。

图10为可见光通信系统的发射接收示意图，如图11所示，假设发送模块和接收模块之间的距离为d，发送模块发射角φ为发射方向偏离发射机与接收机之间连线的角度，接收模块光探测器入射角为ψ。

从发送模块到接收模块，未考虑大气损耗时的接收功率表达式为：

$P_r=P_{\mathrm{Tx}}\frac{(m+1)A}{{2\mathrm{\πd}}^2}{\cos }^m{\mathrm{\φT}}_s\left(\mathrm{\ψ}\right)g\left(\mathrm{\ψ}\right)\cos \mathrm{\ψ},0\≤\mathrm{\ψ}\≤{\mathrm{\Ψ}}_c$

其中，P_TX为发送端功率，m与光源半功率角有关：φ为LED的发射角(如图2所示)，ψ为光电探测器的入射角(如图10所示)，A为光电探测器接收天线面积，d为发送模块到接收模块之间的距离，T(ψ)为滤波单元的透过率，g(ψ)为设定的光电探测器前端透镜的增益。

当可见光通信系统调整精确时，即图10中的φ和ψ都为0，此时发送模块到接收模块之间的链路损耗为：

$\begin{array}{c}{L}_p=10\log \frac{P_{\mathrm{Tx}}}{P_r}\\ =10\log \frac{P_{\mathrm{Tx}}}{P_{\mathrm{Tx}}\frac{(m+1)A}{{2\mathrm{\πd}}^2}{T}_s\left(0\right)g\left(0\right)}\\ =10\log \frac{2\mathrm{\π}}{m+1}\frac{d^2}{A}\frac{1}{T_s\left(0\right)g\left(0\right)}\\ =20\log d-10\log \frac{m+1}{2\mathrm{\π}}-10\log A-10\log T_s\left(0\right)-10\log g\left(0\right)\end{array}---\left(1\right)$

由上述计算公式(1)可知，影响可见光通信系统中链路损耗的因素包括：距离d、表征半功率角的m、接收天线面积A、接收滤波单元透过率以及光电探测器前端的透镜增益g(0)。通常变化范围较大的有d、m和A。

在实际试验中，由上述的距离d引起的链路损耗如图11所示，当距离d在2km以内时，随着d的增长，衰减迅速增加；当距离d大于2km时，随距离d的增长，衰减变化的减缓。

由上述图11可知，接收模块靠近发送模块时(d<2km)，光束的发散角较大，因而距离增加，接收到的光强度会迅速下降；接收模块远离发送模块时(d>2km)，光束的发散角较小，接近平行光，因而随距离的增加，接收到的光强度下降缓慢。

另外，在实际试验中，由半功率角Φ_1/2引起的增益如图12所示，当LED的半功率角较小时(小于3⁰)，可以将几乎所有的光功率集中在一个方向上发射从而达到较大的增益，随着光源半功率角从0⁰到10⁰变化，由半功率角Φ_1/2带来的增益会迅速降低。

由此，本实施例中的可见光通信装置通过在LED中嵌设一组第一透镜，进而使的LED的半功率角小于3⁰，能够较好的实现船舶检可见光通信的稳定传输，且能够提高船间可见光通信装置的通信传输速率和实现自动可靠地通信。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于船舶的可见光通信装置，其特征在于，包括：用于发出光信号的发送模块和用于接收光信号的接收模块；

所述发送模块包括：多个发出光信号的发光二极管LED；所述LED中设有用于降低所述LED的半功率角的第一透镜；

所述接收模块包括：用于接收光信号的光电探测器和用于汇聚平行光的第二透镜；所述第二透镜位于所述光电探测器的前端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二透镜为菲涅尔透镜。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器与所述第二透镜之间设有用于透过红色光的第一滤光片、用于透过绿色光的第二滤光片、用于透过蓝色光的第三滤光片中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器的外围嵌套有不透光套筒。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述LED和所述光电探测器间隔分布在同一信号灯上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个发出光信号的LED包括：

发出蓝色光信号的LED，发出红色光信号的LED，发出绿色光信号的LED。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述发送模块采用半双工工作方式，所述接收模块采用半双工工作方式。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发送模块的编码方式为下述编码方式中的一种：

红外编码方式、脉冲位置调制PPM编码方式、莫尔斯编码方式。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发送模块还包括：

第一上位机、第一电平转换单元、第一单片机、编码单元、所述LED的驱动单元；

所述第一上位机的输出端与所述第一电平转换单元的输入端连接，所述第一电平转换单元的输出端连接所述第一单片机的输入端，所述第一单片机的输出端连接所述编码单元的输入端，所述编码单元的输出端连接所述LED的驱动单元的输入端，所述LED的驱动单元驱动所述多个发出光信号的LED发出可见光。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收模块还包括：

连接所述光电探测器的前置放大器、求和滤波单元、数据恢复单元、解码单元、第二单片机、第二电平转换单元和第二上位机；

所述前置放大器的输入端连接所述光电探测器，所述前置放大器的输出端连接所述求和滤波单元的输入端，所述求和滤波单元的输出端连接所述数据恢复单元的输入端，所述数据恢复单元的输出端连接所述解码单元的输入端，所述解码单元的输出端连接所述第二单片机的输入端，所述第二单片机的输出端连接所述第二电平转换单元的输入单元的输入端，所述第二电平转换单元的输出端连接所述第二上位机的输入端。