CN208171258U - 一种水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置 - Google Patents

Abstract

一种水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，包括安装在载人潜水器上的发射装置和固定在海底传感器上的接收装置，发射装置包括双轴万向台、图像探测器、激光发射器、数字图像微处理器及运动控制单片机；双轴万向台通过步进电机一、步进电机二、高精度旋转台一、高精度旋转台二、俯仰U型支架和偏航U型支架实现对图像探测器、激光发射器的俯仰、偏向旋转效果；接收装置包括串联的光控开关、电源和接收响应光源，光控开关受光面在会聚透镜的焦点上，光控开关在受光面被激光照射时使电路连通；扩束镜在接收响应光源正前方。本实用新型使用自动瞄准捕获跟踪系统保证收发两端对准的速度和精度，同时在潜水器受水波微扰时，仍可以保持光通信链路畅通。

Description

一种水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置

技术领域

本实用新型属于一种瞄准捕获跟踪装置，具体涉及一种水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置。

背景技术

已有的自动瞄准捕获跟踪系统多应用于空地通信、卫星通信，一般不用于水下通信。当前水下一般采用声通信，光通信速度优于声通信。水下光通信有许多优点：穿透能力强，工作频率高，通信频带宽，数据传输能力强，波束隐蔽安全，且设备尺寸、重量小，因此在潜艇通信、海洋探测等方面有广阔的应用前景。若将光通信应用于水下，收发双端的对准十分关键；在收发双端对准后，由于水下环境复杂，光通信链路的维持十分困难。

目前的深海探测对样品的保真性要求很高，从海底将样品取出的过程中，温度、压强、pH值的变化会改变样品原有的性质，对测量结果产生影响，因此，深海原位探测越来越受到重视。深海原位探测中，如何快速采集海底传感器的数据是目前面临的重要问题。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，以弥补现有技术的不足，实现载人潜水器和海底传感器之间的高速光通信。

一种水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于包括发射装置和接收装置，所述发射装置安装在载人潜水器上，所述接收装置固定在海底传感器上；

所述发射装置包括双轴万向台、图像探测器、激光发射器、数字图像微处理器及运动控制单片机；所述双轴万向台包括步进电机一、步进电机二、高精度旋转台一、高精度旋转台二、俯仰U型支架和偏航U型支架，其中步进电机一连接并带动高精度旋转台一旋转，步进电机二连接并带动高精度旋转台二，偏航U型支架固定于高精度旋转台一上方，且偏航U型支架固定于高精度旋转台一的竖直转轴上，从而随高精度旋转台一的竖直转轴旋转，所述俯仰U型支架一端的外侧与高精度旋转台二相连，二者共同固定在偏航U型支架的内侧，俯仰U型支架随高精度旋转台二绕水平轴线旋转，从而组成可俯仰、偏向旋转的双轴万向台；

图像探测器和激光发射器固定在俯仰U型支架上，图像探测器以电路连接数字图像微处理器，步进电机一和步进电机二连接运动控制单片机，数字图像微处理器和运动控制单片机间以电路连接；以上发射装置固定在载人潜水器内的通信平台上；

所述接收装置包括光控开关、电源、会聚透镜、接收响应光源、扩束镜；其中光控开关与电源、接收响应光源以电路串联连接，光控开关的受光面在会聚透镜的焦点上，光控开关在受光面被激光照射时使电路连通；扩束镜在接收响应光源正前方；以上接收装置固定在海底传感器防水罩内的平台上。

所述的水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于上述步进电机一与步进电机二在使用时接DM542步进电机驱动器，DM542步进电机驱动器采用24V电压供电。

所述的水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于上述激光发射器采用蓝绿激光，

所述的水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于所述的水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于上述激光发射器根据海水清澈程度可采用波长为450、473、488或532nm的激光；

所述的水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于上述图像探测器使用CMOS，激光发射器和图像探测器指向相同。

所述的水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于上述接收响应光源可采用蓝绿激光或LED光源。

所述的水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置的应用，其特征在于上述装置用于载人潜水器上和海底传感器上的两个信号端的对准。

利用上述装置实现载人潜水器上和海底传感器上的两个信号端的对准的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将发射装置设置在载人潜水器上，所述接收装置18固定在海底传感器上，发射装置17的激光发射器和图像探测器面向接收装置的受光面；

2）开启图像探测器和激光发射器保持开启；

3）运动控制单片机控制步进电机一、步进电机二转动；步进电机一带动高精度旋转台一，步进电机二带动高精度旋转台二，高精度旋转台一带动偏航U型支架绕竖直轴旋转，高精度旋转台二带动俯仰U型支架绕水平轴旋转，两种旋转叠加，最终效果是俯仰U型支架带动与之固定的图像探测器和激光发射器做回形线扫描运动；

4）当激光发射器发出的光束被接收装置的会聚透镜会聚到光控开关的受光面上时，说明激光发射器恰好指向接收装置；此时光控开关接通电源和接收响应光源，接收响应光源发光，经过扩束镜扩束后以大发散角射向发射装置；

5）发射装置上的图像探测器不断将图像传送给数字图像微处理器，一旦数字图像微处理器判断图像探测器拍摄到接收响应光源的光斑，立即向运动控制单片机通信，运动控制单片机即刻控制步进电机一、步进电机二停止回形线扫描，并根据亮斑在视场中的位置微调俯仰U型支架、偏航U型支架的指向，实现对准；

6）当发射装置受到水的扰动时，图像探测器会检测到接收响应光源的光斑移出视场中心（图像中央长和宽为整幅图像长和宽的十分之一的矩形区域），此时数字图像微处理器向运动控制单片机传输指令，俯仰U型支架、偏航U型支架的指向朝着光斑移动方向跟进，使光斑回到视场中心；

若光斑完全移出视场，则重启步骤3）的回形线扫描运动，再次瞄准捕获，直到两个信号端对准。

本实用新型的有益效果是，目前的深海探测对样品的保真性要求很高，为了最大限度地避免样品受检测时环境改变的影响，本实用新型提供一种方法将检测传感器置于海底，进行原位探测，其数据由载人潜水器下潜获取。在获取传感器数据时，在载人潜水器与探测传感器之间搭建距离较近（100米以内）的通信光路。使用自动瞄准捕获跟踪系统保证收发两端对准的速度和精度，同时在潜水器受水波微扰时，仍可以保持光通信链路畅通。

附图说明

图1为本实用新型发射装置示意图（图中含计算机）。

图2为本实用新型接收装置示意图。

图3为本实用新型的模块化示意图。

图中1.步进电机一，2.步进电机二，3.高精度旋转台一，4. 高精度旋转台二，5.图像探测器，6.激光发射器，7.俯仰U型支架，8.偏航U型支架，9.数字图像微处理器，10.运动控制单片机，11.计算机，12.光控开关，13.电源，14.会聚透镜，15.接收响应光源，16.扩束镜，17，发射装置，18，接收装置。

具体实施方式

如图3，一种水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征是包括载人潜水器上的发射装置17和固定在海底传感器上的接收装置18两部分。

如图1，载人潜水器 17 上的发射装置，其特征是发射装置由激光发射器 6 、图像探测器 5 、双轴万向台、运动控制单片机 10 及数字图像微处理器 9 组成。其中双轴万向台由步进电机一 1 、步进电机二 2 、高精度旋转台一 3 、高精度旋转台二 4 、俯仰U型支架 7 、偏航U型支架 8 连接成，连接方式为步进电机一 1 连接并带动高精度旋转台一 3，步进电机二 2 连接并带动高精度旋转台二 4 ，高精度旋转台一 3 与偏航U型支架 8 固定连接，偏航U型支架 8 可随高精度旋转台一 3 旋转，偏航U型支架 8 的左内侧固定连接高精度旋转台二 4 ，俯仰U型支架 7 左外侧与高精度旋转台二 4 固定连接，俯仰U型支架7 右外侧与偏航U型支架 8 右内侧以转轴连接，组成可俯仰、偏航旋转的双轴万向台。激光发射器 6 和图像探测器 5 固定在双轴万向台的俯仰U型支架 7 上，图像探测器 5 以电路连接数字图像微处理器 9 ，步进电机一 1 和步进电机二 2 以电路连接运动控制单片机 10 ，数字图像微处理器 9 和运动控制单片机 10 间以电路连接。以上发射装置17固定在载人潜水器内的通信平台上。

如图2，固定在海底传感器上的接收装置，其特征是由光控开关 12 、会聚透镜 14、接收响应光源 15 、扩束镜 16 和电源 13 组成。其中光控开关 12 与电源 13 、接收响应光源 15 之间以电路串联连接，光控开关 12 的受光面在会聚透镜 14 的焦点上，扩束镜 16 在接收响应光源 15 正前方。以上接收装置18固定在海底传感器防水罩内的平台上。

实施例

该装置的工作流程是，数字图像微处理器 9 和运动控制单片机 10 分别与计算机11连接，先启动计算机 11 ，计算机11给两个单片机供电，图像探测器 5 保持开启，激光发射器 6 保持开启，运动控制单片机 10 控制步进电机一 1 、步进电机二 2 转动；步进电机一 1带动高精度旋转台一 3 ，步进电机二 2 带动高精度旋转台二 4 ，高精度旋转台一 3 带动偏航U型支架8 绕竖直轴旋转，高精度旋转台二 4 带动俯仰U型支架 7 绕水平轴旋转，两种旋转叠加，最终效果是俯仰U型支架 7 带动与之固定的图像探测器 5 和激光发射器 6 做回形线扫描运动。当激光发射器 6 发出的光束被接收装置的会聚透镜 14 会聚到光控开关 12 的受光面上时，激光发射器 6 恰好指向接收装置。此时光控开关 12 接通电源 13 和接收响应光源 15 ，接收响应光源 15 发光，经过扩束镜 16 扩束后以大发散角射向发射装置。发射装置上的图像探测器 5 不断将图像传送给数字图像微处理器 9。一旦数字图像微处理器 9 判断图像探测器 5 拍摄到接收响应光源 15 的光斑，立即向运动控制单片机 10 通信，运动控制单片机 10 即刻控制步进电机一 1 、步进电机二 2停止回形线扫描，并根据亮斑在视场中的位置微调俯仰U型支架 7 、偏航U型支架 8 的指向，实现对准。

当发射装置受到水的扰动时，图像探测器 5 会检测到接收响应光源 15 的光斑移出视场中心。此时数字图像微处理器 9 向运动控制单片机 10 传输指令，俯仰U型支架7 、偏航U型支架 8 的指向朝着光斑移动方向跟进，使光斑回到视场中心。若光斑完全移出视场，则重启扫描程序，再次瞄准捕获，直到两个信号端对准。在对准后采集数据的时候，可用计算机11来存储这些数据。

在本实施例中，载人潜水器 17 上的发射装置在进行对准前，应使海底传感器 18处于有效扫描范围内。若接收装置受光面（会聚透镜 14 ）的半径为80mm，则可采取两个高精度旋转台的扫描间隔为0.1°。

Claims (3)

1.一种水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于包括发射装置（17）和接收装置（18），所述发射装置（17）安装在载人潜水器上，所述接收装置（18）固定在海底传感器上；

所述发射装置（17）包括双轴万向台、图像探测器（5）、激光发射器（6）、数字图像微处理器（9）及运动控制单片机（10）；所述双轴万向台包括步进电机一（1）、步进电机二（2）、高精度旋转台一（3）、高精度旋转台二（4）、俯仰U型支架（7）和偏航U型支架（8），其中步进电机一（1）连接并带动高精度旋转台一（3）旋转，步进电机二（2）连接并带动高精度旋转台二（4），偏航U型支架（8）固定于高精度旋转台一（3）上方，且偏航U型支架（8）固定于高精度旋转台一（3）的竖直转轴上，从而随高精度旋转台一（3）的竖直转轴旋转，所述俯仰U型支架（7）一端的外侧与高精度旋转台二（4）相连，二者共同固定在偏航U型支架（8）的内侧，俯仰U型支架（7）随高精度旋转台二（4）绕水平轴线旋转，从而组成可俯仰、偏向旋转的双轴万向台；

图像探测器（5）和激光发射器（6）固定在俯仰U型支架（7）上，图像探测器（5）以电路连接数字图像微处理器（9），步进电机一（1）和步进电机二（2）连接运动控制单片机（10），数字图像微处理器（9）和运动控制单片机（10）间以电路连接；

所述接收装置包括光控开关（12）、电源（13）、会聚透镜（14）、接收响应光源（15）及扩束镜（16）；其中光控开关（12）与电源（13）、接收响应光源（15）以电路串联连接，光控开关（12）的受光面在会聚透镜（14）的焦点上，光控开关（12）在受光面被激光照射时使电路连通；扩束镜（16）在接收响应光源（15）正前方。

2.如权利要求1所述的水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于上述步进电机一（1）与步进电机二（2）在使用时接DM542步进电机驱动器，DM542步进电机驱动器采用24V电压供电。

3.如权利要求1所述的水下光通信自动瞄准捕获跟踪装置，其特征在于上述激光发射器（6）采用蓝绿激光。