CN207947783U - 一种可见光潜水通信装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种可见光潜水通信装置，所述通信装置包括发射端和接收端，所述发射端包括模拟信号发生器、数字信号发生器、信号调制模块、LED驱动模块和发射器电光转换模块；所述接收端包括接收器电光转换模块、滤波检波模块和信号解调模块；所述模拟信号发生器与所述信号调制模块连接，所述数字信号发生器与所述信号调制模块连接，所述信号调制模块连接所述LED驱动模块，所述LED驱动模块与所述发射器电光转换模块连接，所述发射器电光转换模块与接收器电光转换模块建立连接关系；所述接收器电光转换模块与所述滤波检波模块连接，所述滤波检波模块与所述信号解调模块连接。本实用新型适合水下环境，且能够进行高效快速的信息传输。

Description

一种可见光潜水通信装置

技术领域

本实用新型涉及通信技术领域，具体涉及一种可见光潜水通信装置。

背景技术

广阔无垠的海洋孕育着生命，蕴藏着矿藏、生物、石油和化学等大量的宝贵资源，而且对全球的气候及环境有重大影响，在军事和民用领域有着至关重要的作用，与人类的生存和发展息息相关。与机遇并存的是危机和挑战，近些年，翻船事故频发，从韩国翻船事故到“东方之星”的惨痛悲剧，无不证明了这一点。虽然有着英勇的潜水员参与救助，但在分秒必争的救援作业中，我们不能否认若有一套优良的装备则救援过程会顺利不少。

在对海洋的探索过程以及潜水救援方面，潜水装备起着至关重要的作用。而现如今，水下近距离通信普遍存在通信质量差，不稳定，带宽小，传输速度慢等特点，这为潜水员的交流合作造成了很大的不便。潜水救援时有线通信限制潜水员活动范围，且可能危及潜水员安全。除此之外，随着经济和消费水平的提高，参与娱乐潜水的人越来越多，潜水通信装置的需求越来越大，研究潜水通信装置使潜水的娱乐性也会提高不少。

水下通信是现代通信技术上困难而又急需解决的问题。在水下救援，水下科考，海洋监控等领域有诸多应用。目前的潜水通信，普遍采用水声通信和水下无线电通信，但是其制作成本高，水下通信时受到的干扰多，且保密性差，带宽窄，只能传输音频。现存的水下通信技术主要有三类：(1)超低频范围的长波无线电传输，由于通信速率极低，而且受水下设备的电磁干扰较大，所以在实际应用中并未得到广泛的应用。(2)水声通信，在技术上已经得到了较成熟的发展。目前的水声通信，是在发射端将高频的超声波调制加载发射信号并传送出去，在接收端由接收机检波，恢复信号。载频一般在40～50KHz，作用距离可达200～800m，通信速率一般为最高1200bps，最远距离可达10Km。可见海水中声传输速度仍然较慢(不大于1500m/s)，通信速率不高，而且所需设备体积大，费用高。(3)水下可见光通信，是基于水下可见光中的蓝绿光(400～580nm)部分在水中的吸收和散射相对较小，形成一个透射窗口。在此波段利用对光信号的调制解调，实现水介质中的光信号传输，属于水下无缆通信，具有光的高传输速度(3×10 8m/s)的特性，而且能达到更高的通信速率(几兆到几百兆)。

可见光通信(Visible Light Communication，简称VLC)技术是一种新型无线通信手段，通信时LED会发出人眼不可见但能被光电检测器捕获并检测的闪烁信号，实现在照明的同时传递数据。该通信技术具有信息容量大、简易方便、成本较低、安全保密、通信带宽高、传输速率快等优点，尤其适合应用于水下场合通信。对水下可见光通信系统的设计与制作将为水下信息传输、语音交流和图像共享等的实现提供技术基础，对于我国海洋产业的开发利用亦将具有巨大的实用价值，对潜水产业的发展尤为有利。

光电检测器件种类很多，如：光敏电阻、硅光电池、光子计数器、光电倍增管以及电荷藕合器件(CCD：Charge-Coupled Device)，但其物理基础基本是基于半导体的光电效应以及电子的场效应。普通二极管虽然在通常的遥控器等器件中广泛使用，但是在高速的通信系统中，使用的光电检测器件主要有三种：PIN二极管(PIN:Positive IntrinsicNegative diode)、雪崩光电二极管(APD:Avalanche Photonic Diode)以及光电倍增管(PMT:Photo Multiplier Tube)。其中前两者是基于PN结的光电效应，而后者是基于光阴极的电子倍增效应。

因此，研发一种适合水下环境且高效快速的信息传输设备具有极其重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可见光潜水通信装置，用以解决上述背景技术中所面临的问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种可见光潜水通信装置，所述通信装置包括发射端和接收端，所述发射端包括模拟信号发生器、数字信号发生器、信号调制模块、LED驱动模块和发射器电光转换模块；所述接收端包括接收器电光转换模块、滤波检波模块和信号解调模块；所述模拟信号发生器与所述信号调制模块连接，所述数字信号发生器与所述信号调制模块连接，所述信号调制模块连接所述LED驱动模块，所述LED驱动模块与所述发射器电光转换模块连接，所述发射器电光转换模块与接收器电光转换模块建立连接关系；所述接收器电光转换模块与所述滤波检波模块连接，所述滤波检波模块与所述信号解调模块连接。

如上所述的一种可见光潜水通信装置，所述发射器电光转换模块包括放大电路，所述放大电路采用三级放大电路，三级放大电路中前两个三极管电路用于放大模拟信号电压，三级放大电路中第三个三极管电路用于放大模拟信号电流。

如上所述的一种可见光潜水通信装置，所述发射器电光转换模块还包括驱动电路、电源电路和温度保护电路。

如上所述的一种可见光潜水通信装置，所述信号调制模块连接有第一ARM开发板，第一ARM开发板用于通过信号调制模块进行信号调制处理。

如上所述的一种可见光潜水通信装置，所述接收器电光转换模块包括光敏二极管和双电压比较器，所述光敏二极管用于进行光电检测，光敏二极管连接双电压比较器，所述双电压比较器用于对光敏二极管接收光照时产生的电阻值变化转化为电信号并进行电压比较。

如上所述的一种可见光潜水通信装置，所述光敏二极管采用PIN-13DSB硅光电二极管，所述双电压比较器采用LM393双电压比较器。

如上所述的一种可见光潜水通信装置，所述接收器电光转换模块包括电平转换电路、滤波电路、峰值检波电路、放大电路和电源电路。

如上所述的一种可见光潜水通信装置，所述信号解调模块连接有第二ARM开发板，第二ARM开发板用于通过信号解调模块进行信号解调。

如上所述的一种可见光潜水通信装置，所述信号解调模块连接有模拟信号输出口和数字信号输出口。

本实用新型具有如下优点：通过水下可见光通信能实现与陆上无线电通信手段一样安装便捷、使用方便的无线通信。适合在海底乃至深海的通信作业，省去了海水中铺设缆线的高昂费用、避免了水下水密耐压的技术难题，从而大幅削减了科研经费，并使项目更容易开展。由于光波一般调制在较高频率上，其调制带宽更大，因而适用于大容量快速无缆通信链路的实现。由于可见光通信的方向性极强，在小发散角条件下，光通信功率损耗较小，只需较小的功率即可实现通信，通信终端功耗很低，易于实现自容和在设备上的集成。可见光通信由于良好的方向性使其传输的数据具有高度保密性，除非其通信链路被截断，否则信息很难被截获。水下可见光通信设备相比水声通信设备，尺寸要小得多，轻便的多。由于大功率发光二极管和激光二极管，以及接收端的光电二极管、雪崩二极管、光电倍增管等光电器件的广泛应用，由这些器件制成的可见光通信系统的容量更大，价格更低，相比更具竞争优势，是一种更易于被接受的通信手段。

附图说明

图1为可见光潜水通信装置结构示意图；

图2为发射端电路原理示意图；

图3为发射端数字信号的光发射原理图；

图4为接收端电路原理示意图；

图5为LM393双电压比较器结构图；

图6为接收端电平转换电路图；

图7为可见光潜水通信装置测试对比图；

图8为三级放大电路应用仿真图；

图9为实施例中前置放大电路示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图9所示，一种可见光潜水通信装置，所述通信装置包括发射端1和接收端2，所述发射端1包括模拟信号发生器101、数字信号发生器102、信号调制模块103、LED驱动模块104和发射器电光转换模块105；所述接收端2包括接收器电光转换模块201、滤波检波模块202和信号解调模块203；所述模拟信号发生器101与所述信号调制模块103连接，所述数字信号发生器102与所述信号调制模块103连接，所述信号调制模块103连接所述LED驱动模块104，所述LED驱动模块104与所述发射器电光转换模块105连接，所述发射器电光转换模块105与接收器电光转换模块201建立连接关系；所述接收器电光转换模块201与所述滤波检波模块202连接，所述滤波检波模块202与所述信号解调模块203连接。

参见图2，可见光潜水通信装置的一个实施例中，所述发射器电光转换模块105包括放大电路，所述放大电路采用三级放大电路，三级放大电路中前两个三极管电路用于放大模拟信号电压，三级放大电路中第三个三极管电路用于放大模拟信号电流。为了检测三级放大电路的放大效果，利用信号发生器向三级放大电路输入幅度为9mV，频率分别为20Hz、100Hz、500Hz、1kHz、15kHz和30kHz，占空比为50％的正弦信号，并通过示波器同时观察信号发生器的输出波形和三级放大电路的输出波形。此外，如图8所示，通过Multisim软件进行相应的仿真，得出信号发生器的输出波形和三级放大电路的输出波形。将仿真结果与示波器检测结果进行对比，结果表明，在低频模拟信号的频率范围内(20Hz-30kHz)，三级放大电路的输出波形无明显失真。且在100Hz-30kHz的频率范围内，放大电路对输入信号幅度的放大倍数基本一致为130-160倍，只有在频率特别小时，放大电路的放大倍数才较小。

再次参见图2，可见光潜水通信装置的一个实施例中，所述发射器电光转换模块105还包括驱动电路、电源电路和温度保护电路。

可见光潜水通信装置的一个实施例中，所述信号调制模块103连接有第一ARM开发板，第一ARM开发板用于通过信号调制模块103进行信号调制处理。当信号源的频率较高时(30kHz以上)，三级放大电路对其的放大效果较差，且输出信号波形有所失真，高电平处呈尖峰状，无法直接驱动LED工作，此时采用数字信号的方式进行通信。参见图3，第一ARM开发板调制处理后输出的数字信号电平为TTL电平格式，即“1”用5V表示，“0”用低电平0V表示，通过信号电平的高低控制高速率模拟开关FSAV330的闭合，从而控制LED的亮、灭。FSAV330的S端口输入TTL格式的数字信号，1A端口接LED灯，当信号为5V高电平时，FSAV330的1A端口和1B1端口处于断开状态，此时LED不亮；当信号为0V时，FSAV330的1A端口和1B1端口处于闭合状态，此时LED与电阻R2串联，调整R2阻值即可使LED在5V工作电压下发光。由于FSAV330的工作速率高达300MHz，因此完全可以满足高速率数字信号的通信要求。实际示波器检测表明，当输入的数字信号达到MHz级别时，光发射模块的输出信号(即LED的驱动信号)波形无明显失真。

可见光潜水通信装置的一个实施例中，所述接收器电光转换模块201包括光敏二极管和双电压比较器，所述光敏二极管用于进行光电检测，光敏二极管连接双电压比较器，所述双电压比较器用于对光敏二极管接收光照时产生的电阻值变化转化为电信号并进行电压比较。对于频率较低的模拟信号，选用光敏二极管作为光电检测器。光敏二极管的核心部分是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积较大，电极面积较小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。此二极管具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高、温度不敏感、适用场合受限制较少等特点，而且价格便宜、尺寸小、质量小、稳定性好、使用方便。将光敏二极管接收光照时产生的电阻值变化转化为电信号需要电压比较器，参见图5，本实施例选用LM393双电压比较器。它的工作机制是把光敏二极管由于光照导致的电阻值变化转化为电压值变化，再将其传入LM393的同相输入端INB+，并与反相输入端INA-的基准电压相比较，当INB+电压大于INA-端电压时，LM393的输出端OUT输出高电平电压，当INB+电压小于INA-端电压时，OUT输出低电平电压，此时开关指示灯亮。

可见光潜水通信装置的一个实施例中，所述光敏二极管采用PIN-13DSB硅光电二极管，所述双电压比较器采用LM393双电压比较器。PIN-13DSB硅光电二极管，具有300～1100nm的宽光谱响应范围和极佳的蓝光响应度，响应时间为5.7ns，同时光敏面积大，光电转换效率较高，且其串联电阻与寄生电容小，使前置放大电路设计更为简单，响应时间能够适用100Mb/S以下通信系统。

可见光潜水通信装置的一个实施例中，所述接收器电光转换模块201包括电平转换电路、滤波电路、峰值检波电路、放大电路和电源电路。光检测信号经前置放大、主级放大及比较判决后转换为TTL的输出电平。前置放大电路如图9所示，光信号经光电二极管转换为电流信号后，通过I-V转换电路和前置放大器进行放大。本实施例中中选用Ti公司的OPA380运算放大器，其内部结构为电压并联负反馈放大器，这使得它在I-V转换方面具有优良的性能，且具有宽频带和低噪声等优点，其上限截止频率为

f_H＝1/2πR_tC_t

R_t是互阻放大器的等效输入电阻，其阻值很小，响应时间常数小，使得波形失真减小，它通过牺牲一部分增益使频带宽度得到延伸，同时具有低噪声的特性，输入阻抗小，使得其在光电传感方面具有极强的优势。信号经OPA380放大后，幅值约为300mV，为便于比较器判决，还需一级主运算放大器进一步放大。本实施例中使用OPA2652运算放大器，并将放大倍数10。最后，将放大后的信号通过具有200ns响应时间与轨到轨输出能力的高速比较器LM311进行判决并转换为TTL电平。电平转换电路如图6所示，由于LM311输出引脚是集电极开漏输出，所以在其输出端加一上拉电阻R3，使其能够输出高电平。

可见光潜水通信装置的一个实施例中，所述信号解调模块203连接有第二ARM开发板，第二ARM开发板用于通过信号解调模块203进行信号解调。本实施例中采用的是STM32F767开发板，底板可以同时支持F767和F429核心板，支持音视频播放，可软解WAV/MP3/FLAC/APE/AVI等音视频格式，支持硬件JPEG解码等多种功能。信号源将信号输入至第一ARM开发板进行调制，而在接收端2，来自接收器电光转换模块201的电信号传输至第二ARM开发板经解调后输出。

可见光潜水通信装置的一个实施例中，所述信号解调模块203连接有模拟信号输出口和数字信号输出口。

深海澄清海水主要包含水分子、溶解物质和悬浮物三种成分。其中水介质对光的吸引作用与光的波长密切相关，对蓝绿光的吸收最小，对红光的吸收最多。溶解物质主要是溶解的无机盐和有机化合物，包含NaCl、MgCl₂、Na₂SO₄、CaCl₂和KCl等多种离子，其中无机盐占海水浓度的3.5％-3.9％，而NaCl是无机盐浓度的90％。溶解物质吸收何种频段的可见光由其电子特性决定。深海海水中的悬浮物包括悬浮粒子、浮游植物和叶绿素等。其中悬浮粒子含量较少，其浓度约为10-20μg/kg。由于缺乏光合作用，浮游植物和叶绿素的含量也较低，因此深海海水比较澄清，对光主要是散射衰减。综上所述，可以采取自来水加食盐并混合少量湖水的方式来模拟深海海水环境。

参见图7，首先，在空气中进行了通信测试，并对设备进行了调试。实验中以信号发生器产生的信号作为传输信号，并用示波器对发射端1和接收端2的信号进行检测，以音频和图像作为信号源时，装置输出端能够对原信号进行良好还原，模拟信号在传输过程中受到噪声影响有所失真，但是影响不大，经过测试，通信距离能达到10米以上，通信速率能达3Kb/s；数字信号的还原度更为出色，通信速率可达2Mb/s，但通信距离相对较短。用手机连接发射端1，播放随机音乐，接收端2能够准确输出这一音乐。两人分别手持发射端1和接收端2，逐渐扩大两者距离，发现音乐声音逐渐减小，直至10米时人耳基本听不到接收端2传出的声音。在传输数字信号时，两人分别手持发射端1和接收端2，并逐渐扩大两者距离，同时进行图像传输。实验发现，随发射端1和接收端2距离的增大，接收到的图像失真越来越严重。空气中的实验和水下实验表明，基于可见光通信的潜水通信装置设计和制作是成功的。当接收端和发射端距离在10米以内时，潜水通信装置能够正常工作。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种可见光潜水通信装置，其特征在于：所述通信装置包括发射端和接收端，所述发射端包括模拟信号发生器、数字信号发生器、信号调制模块、LED驱动模块和发射器电光转换模块；所述接收端包括接收器电光转换模块、滤波检波模块和信号解调模块；所述模拟信号发生器与所述信号调制模块连接，所述数字信号发生器与所述信号调制模块连接，所述信号调制模块连接所述LED驱动模块，所述LED驱动模块与所述发射器电光转换模块连接，所述发射器电光转换模块与接收器电光转换模块建立连接关系；所述接收器电光转换模块与所述滤波检波模块连接，所述滤波检波模块与所述信号解调模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种可见光潜水通信装置，其特征在于：所述发射器电光转换模块包括放大电路，所述放大电路采用三级放大电路，三级放大电路中前两个三极管电路用于放大模拟信号电压，三级放大电路中第三个三极管电路用于放大模拟信号电流。

3.根据权利要求1所述的一种可见光潜水通信装置，其特征在于：所述发射器电光转换模块还包括驱动电路、电源电路和温度保护电路。

4.根据权利要求1所述的一种可见光潜水通信装置，其特征在于：所述信号调制模块连接有第一ARM开发板，第一ARM开发板用于通过信号调制模块进行信号调制处理。

5.根据权利要求1所述的一种可见光潜水通信装置，其特征在于：所述接收器电光转换模块包括光敏二极管和双电压比较器，所述光敏二极管用于进行光电检测，光敏二极管连接双电压比较器，所述双电压比较器用于对光敏二极管接收光照时产生的电阻值变化转化为电信号并进行电压比较。

6.根据权利要求5所述的一种可见光潜水通信装置，其特征在于：所述光敏二极管采用PIN-13DSB硅光电二极管，所述双电压比较器采用LM393双电压比较器。

7.根据权利要求1所述的一种可见光潜水通信装置，其特征在于：所述接收器电光转换模块包括电平转换电路、滤波电路、峰值检波电路、放大电路和电源电路。

8.根据权利要求1所述的一种可见光潜水通信装置，其特征在于：所述信号解调模块连接有第二ARM开发板，第二ARM开发板用于通过信号解调模块进行信号解调。

9.根据权利要求1所述的一种可见光潜水通信装置，其特征在于：所述信号解调模块连接有模拟信号输出口和数字信号输出口。