CN211063618U

CN211063618U - 一种水下无线光通信与成像探测一体化装置

Info

Publication number: CN211063618U
Application number: CN201922476251.8U
Authority: CN
Inventors: 叶德茂; 刘伟超; 颜世恒; 刘圆; 王彦涛
Original assignee: 713th Research Institute of CSIC
Current assignee: 713th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-07-21
Anticipated expiration: 2029-12-31

Abstract

一种水下无线光通信与成像探测一体化装置，包括安装在水密壳体内的成像探测模块和电源模块，其特征在于：所述装置还包括安装在水密壳体内的光通信模块和光学收发天线，所述的成像探测模块对目标图像进行采集和处理后经通信接口传递给光通信模块；所述的光通信模块包括发送模块和接收模块；所述装置采用双工通信模式，在发送端，发送模块将成像探测模块采集的视频图像处理成信号光后经光学收发天线发送至海水信道，经过一定距离的信号传输后到达接收端的光学收发天线，经接收模块处理后输出到显示终端。本实用新型将蓝光LED无线光通信模块和成像探测模块的主动照明进行一体化设计，共用LED和光学发射镜头，使装置具备体积小、功耗低和效率高的特点。

Description

一种水下无线光通信与成像探测一体化装置

技术领域

本实用新型涉及一种水下无线光通信与成像探测一体化装置(以下简称装置)，解决水下尤其是深海作业过程中信令、图像数据采集和传输的问题，为水下作业实时监控提供技术保障。

背景技术

近几年海洋领域的战略竞争越演越烈，已成为全球重要的安全关切。因此如何高效、便捷、可靠的开展水下作业成为各国研究的热点。由于水下尤其深海作业环境复杂，常年无光照，同时需要考虑平台或作业对象机动的问题，“带缆式”通信方式带来很多不便和安全隐患。因此，如何为作业平台与作业船建立有效的通信链路，如何高效的完成水下图像数据的采集、图像处理和传输成为提高水下作业的关键。国外很多研究机构先后进行了水下无线光通信的各种实验。2010年美国伍兹霍尔研究所水下实验室在海洋科学会议上公布了其团队开发的基于发光二极管（LED-Light Emitting Diode）的水下无线光通信系统，可以在100m范围内达到10-20Mb/s的传输速率。2013年，美国耶鲁大学AquaOptical II技术人员设计的水下无线光通信系统AquaOptical II，传输速率为2.28Mb/s，通信距离为50m。2017年，美国LightSpeed U10水下无线光通信系统，可以实现在100m的距离上大于1Mbps的全双工通信，重量约1.7kg，意大利pisa大学完成通信距离10m，带宽10Mbps。此外，国内中科院西光所、浙江大学、中国海洋大学和南京邮电大学也开展相关技术研究，但在通信速率大于1Mbps条件下其通信距离较短，且兼顾成像探测功能的一体化装置还鲜有报道。因此，针对水下作业数据采集和传输的需要，实用新型一种水下无线光通信与成像探测一体化装置具有较大的工程价值。

实用新型内容

为解决上述问题，提供一种水下无线光通信与成像探测一体化装置。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：

一种水下无线光通信与成像探测一体化装置，包括安装在水密壳体内的成像探测模块和电源模块，所述装置还包括安装在水密壳体内的光通信模块和光学收发天线，所述的成像探测模块对目标图像进行采集和处理后经通信接口传递给光通信模块；所述的光通信模块包括发送模块和接收模块；

所述装置采用双工通信模式，在发送端，发送模块将成像探测模块采集的视频图像处理成信号光后经光学收发天线发送至海水信道，经过一定距离的信号传输后到达接收端的光学收发天线，经接收模块处理后输出到显示终端。

所述的光学收发天线由光学窄带滤波片和发射式光学镜头组成。

所述的发送模块包括依次连接的信号采集与放大模块、编解码模块、调制解调模块、蓝光LED驱动电路、蓝光LED发光板；所述的成像探测模块采集的视频图像传送至信号放大模块，与直流偏置相叠加，通过编解码模块完成信道编解码，而后通过调制解调模块，传送至蓝光LED驱动电路，将视频信号加载到蓝光LED发光板上，视频信号以光束形式发送出去。

所述的蓝光LED发光板的光源采用波长470mm的蓝光；LED排布方式采用等边布局，包括6颗高亮度蓝光LED排成一个圆形阵列；各个LED之间成60度角均匀分布在一个圆周，6颗LED中间区域预留出来为接收机光学透镜窗口。

所述的接收模块包括依次连接的光电探测器、前置放大模块、调制解调模块、编解码模块和均衡处理模块；蓝光光束经光学收发天线的大焦距的聚光透镜聚光照射到光电探测器上，光信号转换为电信号，信号经功率放大、低通滤波后发送至调制解调模块，完成解调，通过编解码模块完成解码，再通过均衡处理，输出到显示终端。

所述的成像探测模块包括ICCD摄像机、以太网接口模块、FPGA和GPU；所述的ICCD摄像机前端通过以太网接口模块高速下传至FPGA缓存内，FPGA将采集到的视频图像发送至GPU,GPU接收到图像后通过回传至FPGA,FPGA接收到数据后进行图像压缩通过以太网发送数据至光通信模块的发送模块。

所述的FPGA采用XILINX XC7K325T3FFG900I芯片。

相对于现有技术，本实用新型将蓝光LED无线光通信模块和成像探测模块的主动照明进行一体化设计，共用LED和光学发射镜头，使装置具备体积小、功耗低和效率高的特点。

附图说明

图1为本实用新型涉及的装置工作场景图；

图2为现有技术中的深度学习分割算法示意图；

图3为本实用新型涉及的通信模块工作原理图；

图4为本实用新型涉及的LED光源布局方式；

图5为本实用新型涉及的成像探测模块工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

应该指出，以下详细说明都是例式性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的技术含义相同。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本装置主要包括光通信模块(双工)、成像探测模块、光学收发天线、电源模块和水密壳体等组成。由于采用双工通信模式，装置（2）与装置（1）的功能和实现原理相同。装置（1）通过内部的光通信模块将蓝光470nm信号光经光学收发天线发射至海水信道，通过一定距离的信道传输后到达装置（2）的光学收发天线，而后经过装置（2）的光通信模块完成信号的接收、滤波和放大，最终完成水下通信的任务。此外，装置除传输数据外，采用装置（1）发出的LED蓝光（信号光）可对作业对象进行主动照明，使其在装置（1）的ICCD探测器上成像，装置（1）通过成像探测模块对目标图像进行采集、处理和自主样本分类，并将处理结果通过光通信模块传输至作业船上。

信号采集与放大模块主要由APD高灵敏度接收板组成，以S8664-30K或者S8664-50K为光学接收器件分别实现140MHz带宽和60MHz带宽的微弱光信号检测。该APD高灵敏度接收板通过OPA2846二级运放实现跨阻放大和压控高通滤波的功能，通过TLV3501-SOT实现迟滞比较器的功能。

编解码和调制解调模块主要由FPGA通信主板完成，主板采用XLINIX Spartan6系列XC6SLS45型FPGA的AC6045核心板作为FPGA的PCB载体，该核心板搭载在FPGA通信主板上，该通信主板具备RJ45网口、USB口和RS232串口等多个外部接口。该通信主板还搭载型号STM32F100C8T6B型单片机，该单片机实现了电流监测的功能，并实现动态调光。该FPGA通信主板采用RTL8211DG型MAC/PHY以太网接口芯片，实现以太网连接。

蓝光LED驱动电路主要由LDO线性调压器和驱动单元组成，该驱动单元采用PMD2001D型驱动器加大功率MOS管D4184的模式进行OOK驱动。该LDO线性调压单元采用LTC3780型LDO控制芯片，具备动态调压、稳流的功能，可以为驱动通道提供从20V到4V的可变电压，同时通过驱动电路精密采样电阻对驱动电流进行采样，在单片机控制下实现恒流驱动。

所述的蓝光LED发光板即蓝光LED发光板，由6颗高亮度蓝光CREE XML2 U3 10WLED排成一个圆形阵列所组成的。各个LED之间成60度角均匀分布在一个圆周，6颗LED中间区域预留出来为接收机光学透镜窗口。采用波长470mm的蓝光；LED排布方式采用等边布局。

所述的接收模块包括依次连接的光电探测器、前置放大模块、调制解调模块、编解码模块和均衡处理模块；由于系统为双工模式，前置放大模块、调制解调模块、编解码模块在发射模块均以阐述，均衡处理模块由FPGA核心板采用均衡算法完成。

蓝光光束经光学收发天线的大焦距的聚光透镜聚光照射到光电探测器上，光信号转换为电信号，信号经功率放大、低通滤波后发送至调制解调模块，完成解调，通过编解码模块完成解码，再通过均衡处理，输出到显示终端。

所述的FPGA采用XILINX XC7K325T3FFG900I芯片。

如图3、4所示，光通信模块主要特点在于通信波长采用“水下窗口”的470nm蓝光，LED排布方式采用“等边”布局，每个LED功率相同。在发送端，信源传送至信号放大电路，与直流偏置相叠加，通过编解码模块完成信道编解码工作，而后通过调制解调模块，传送至蓝光LED驱动电路，将视频信号加载到高频响的蓝光LED发光板上，视频信号以光束形式发送出去，经小焦距的聚光透镜准直，减小了光源发散角。在接收端，蓝光光束经大焦距的聚光透镜聚光，照射到距离聚光透镜焦距处的光电探测器上，由此光信号转换为电信号，信号经功率放大、低通滤波后发送至调制解调模块，完成解调；而后通过编解码模块完成解码，而后通过后均衡等处理，输出到终端。

如图5所示，图像处理模块主要特点在于其架构采用Jetson TX2 系列GPU，内嵌256个CUDA核，换算成运算能力大于1.0 TFLOPS。GPU与FPGA的互联方式采用标准的PCI-Express总线，总线拓扑为4 Lane，5.0Gbps/Lane。相机采用像增强型ICCD，响应光谱在可见光波段。相机前端通过以太网转换模块高速下传至FPGA 缓存内，FPGA采用XILINXXC7K325T3FFG900I芯片，考虑高速信号时钟可能不同步的问题，在该款FPGA接口控制电路上，通过采用基于FIFO的动态相位校正确保时钟高度同步，将采集到的视频图像发送至GPU。GPU接收到图像后通过回传至FPGA，FPGA接收到数据后采用H.265进行图像压缩通过以太网发送数据至通信模块，同时，采用深度学习算法完成对作业对象进行分类。深度学习算法主要特点在于检测网络分为组件检测和整体物体检测两个部分。将这两部分检测整合到一个网络中。考虑实时性，装置采用SSD网络。SSD采用faster中anchorbox的辅助手段进行训练，同时去掉比较耗时的RPN阶段，为保证精度，采用多层featuremap同时进行预测；针对实际水下作业场景中目标类别描述,多视角变换、遮挡、光照、形变、背景干扰、类内多变性以及类间相似性已经成为图像理解中的视觉难题,也是场景中高精度目标识别的难点。采用基于改进深度学习网络YOLOv3为主检测网络方法进行物体分割，如图2所示。具体实施步骤包括：数据准备、网络设计、网络训练(包含网络结构调整、调试、优化)、模型优化等阶段。此处的物体分割方法为现有技术。

光学收发天线主要特点在于中心波长470nm的光学窄带滤波片（半高宽10nm）和发射式光学镜头组成。

电源模块的主要功能是对电池供电进行稳压、降噪，变压。稳压是指当外部电压发生雷击浪涌、静电冲击、电网电压变化、电压跌落、电源谐波超标等异常情况时，该电源模块对内提供的电压要保持不变。降噪是指该电源模块应能将从外部电源耦合进来的共模噪声和差模噪声进行有效抑制，防止外界的高频噪声耦合进本设备对本设备造成干扰。电源模块主要由异常状态监测电路、储能电容和滤噪电容阵列等组成。具体采用了高压电源供电板HO1-P601-2C可调线性高压输出模块，输出电压范围为0-600V。该高压电源供电板还给APD高灵敏度接收板上的OPA2846精密运算放大器提供正负5V的偏置电压。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims

1.一种水下无线光通信与成像探测一体化装置，包括安装在水密壳体内的成像探测模块和电源模块，其特征在于：所述装置还包括安装在水密壳体内的光通信模块和光学收发天线，所述的成像探测模块对目标图像进行采集和处理后经通信接口传递给光通信模块；所述的光通信模块包括发送模块和接收模块；

2.如权利要求1所述的水下无线光通信与成像探测一体化装置，其特征在于：所述的光学收发天线由光学窄带滤波片和发射式光学镜头组成。

3.如权利要求1所述的水下无线光通信与成像探测一体化装置，其特征在于：所述的发送模块包括依次连接的信号采集与放大模块、编解码模块、调制解调模块、蓝光LED驱动电路、蓝光LED发光板；所述的成像探测模块采集的视频图像传送至信号放大模块，与直流偏置相叠加，通过编解码模块完成信道编解码，而后通过调制解调模块，传送至蓝光LED驱动电路，将视频信号加载到蓝光LED发光板上，视频信号以光束形式发送出去。

4.如权利要求3所述的水下无线光通信与成像探测一体化装置，其特征在于：所述的蓝光LED发光板的光源采用波长470mm的蓝光；LED排布方式采用等边布局，包括6颗高亮度蓝光LED排成一个圆形阵列；各个LED之间成60度角均匀分布在一个圆周，6颗LED中间区域预留出来为接收机光学透镜窗口。

5.如权利要求1所述的水下无线光通信与成像探测一体化装置，其特征在于：所述的接收模块包括依次连接的光电探测器、前置放大模块、调制解调模块、编解码模块和均衡处理模块；蓝光光束经光学收发天线的大焦距的聚光透镜聚光照射到光电探测器上，光信号转换为电信号，信号经功率放大、低通滤波后发送至调制解调模块，完成解调，通过编解码模块完成解码，再通过均衡处理，输出到显示终端。

6.如权利要求1所述的水下无线光通信与成像探测一体化装置，其特征在于：所述的成像探测模块包括ICCD摄像机、以太网接口模块、FPGA和GPU；所述的ICCD摄像机前端通过以太网接口模块高速下传至FPGA缓存内，FPGA将采集到的视频图像发送至GPU,GPU接收到图像后通过回传至FPGA,FPGA接收到数据后进行图像压缩通过以太网发送数据至光通信模块的发送模块。

7.如权利要求6所述的水下无线光通信与成像探测一体化装置，其特征在于：所述的FPGA采用XILINX XC7K325T3FFG900I芯片。