WO2021109453A1 - 一种新型高鲁棒水下光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水下通信技术领域，提供了一种新型高鲁棒水下光通信系统，分为发送模块和接收模块。该新型高鲁棒水下光通信系统实现在太阳光、人造光源的强干扰下进行高鲁棒性水下光通信。本系统使用了与频率无关的全新物理方法，可与现有的MIMO，CDMA等方式结合使用从而获得更好通信效果。使用圆偏振光作为信号传输避免了水下因平台旋转而造成的信道错位问题，同时海洋环境良好的保偏性使信号特性不易丢失。

Description

一种新型高鲁棒水下光通信系统 技术领域
本发明属于水下通信技术领域，特别涉及一种新型高鲁棒水下光通信系统。
 背景技术
水下无线通信技术是组建水下传感网，实现信息采集、传输的关键技术，探寻高速有效的水下无线通信技术对水下传感网系统的组建和正常运行至关重要。水下可见光通信技术利用发光二极管等发出的肉眼无法辨识的高速明暗闪烁信号来传输信息，具有高带宽、低延迟、体积小、功耗低等特点，可有效应用于近距离水下通信这一场景。近年来，水下光通信系统已成为研究热点，并已在抗干扰、鲁棒性、高带宽传输等领域取得了一定进展，被视为水下近距离高带宽低延迟通信的最佳解决方案。然而,目前对于水下光通信依旧存在抗干扰差的问题。水下通信过程中，受环境水体、浮游生物、有机物、悬浮颗粒等物质的吸收和散射作用，对光波产生不同程度的干扰，造成光强衰减，极大影响光通信质量，产生极高的误码率。此外，环境光（自然光、人工光）也会对水下光通信产生巨大影响。亟需一种能够应用于复杂环境下的高带宽、低延迟水下光通信系统，实现高速信息传输。
 技术问题
为满足技术背景中的需求，本发明提供一种高鲁棒性水下光通信系统。
 技术解决方案
一种新型高鲁棒水下光通信系统，分为发送模块和接收模块；
发送模块包括镜片组1、光接收器2、差分放大器3、比较器4和嵌入式微控制器5；在进行信号接收时，经过环境信道的光信号经过镜片组1，镜片组1将基准光和信号光分开，两种光分别进入对应接收器2，接收器2将光模拟信号转化为电模拟信号，两路电模拟信号输入到差分放大器3上，将信号光与基准光进行差分放大后，差分信号送入到比较器4中，比较器4将模拟信号转化为数字信号，数字信号输入到嵌入式微控制器5中，最终经过解码获得目标数据；
接收模块包括嵌入式微控制器5、信号反相器6、大功率LED调制电路7、大功率LED8和镜片组1；系统进行信号发送时，嵌入式微控制器5将所要发送的信息分组，然后将分组的信息进行编码，编码后的信息送入到信号反相器6中，信号反相器6分别将正相信号和反相信号输出到两个对应的大功率LED调制电路7上，大功率LED调制电路7调制大功率LED8，将数字信号转化为光信号，大功率LED 8发射出的光经过镜片组1，将全向信号光转化为线偏振光再转化为圆偏振光，发射到环境中去。
所述的镜片组1包括偏振片9和四分之一波片10；在进行信号发送时，信号光先通过偏振片9将全向光转换为线偏振光，再经过四分之一波片10将线偏振光转化为圆偏振光；在进行信号接收时带信号的圆偏振光经过四分之一波片10将圆偏振光转化为线偏振光，转化后的光经过偏振片9，偏振片9将环境光和正交信道的信号滤除，保留本信道光信号。
所述的光接收器2用于接收400～760nm波段的可见光，并将其转换为模拟量。
所述的嵌入式微控制器5，在发送模式中，将数据进行编码，将数字量输入到信号反相器6中，信号反相器6输出正相和反相信号；在接收模式中，嵌入式微控制器5接收比较器4传来的数字信号，并将其解码获得目标数据。
   所述的大功率LED8的输出功率30W，满足10MHz的开关速率。
所述的编码采用差分方式，进行信号干扰去除，进行编码的两个信道分别进行顺逆时针信号进行编码，两个信号振幅相等，相位相反。该方法可以更加准确的识别信号并去除环境光干扰。
 有益效果
本发明系统给出了一种高鲁棒性水下光通信系统，实现在太阳光、人造光源的强干扰下进行高鲁棒性水下光通信。本系统使用了与频率无关的全新物理方法，可与现有的MIMO，CDMA等方式结合使用从而获得更好通信效果。使用圆偏振光作为信号传输避免了水下因平台旋转而造成的信道错位问题，同时海洋环境良好的保偏性使信号特性不易丢失。
 附图说明
图1是本系统的系统流程图。
   图2是本系统镜头组的示意图。
   图3是本系统编码传输示意图。
   图中：1镜片组；2光接收器；3差分放大器；4比较器；5嵌入式微控制器；6信号反相器；7大功率LED调制电路；8大功率LED；9偏振片；10四分之一波片。编码示意图中图(a)、(b)为发送端编码示意图，编码中圆圈为顺（逆）时针圆偏振光，图(c)、(d)为差分通信原理示意图。
 本发明的实施方式
以下结合技术方案和说明书附图，进一步说明本发明的具体实施方式。
   如图2所示系统进行信号发送时，嵌入式微控制器将所要发送的信息分组，然后将分组的信息进行编码，编码后的信息送入到信号反相器6中，信号反相器6分别将正相信号和反相信号输出到两个调制电路7上，调制电路调制大功率LED8，将数字信号转化为光信号，大功率LED 8发射出的光经过镜片组1，将全向信号光转化为线偏振光再转化为圆偏振光，发射到环境中去。
   在进行信号接收时，经过环境信道的光信号经过镜片组1，镜片组1将基准光和信号光分开，两种光分别进入对应接收器2，信号接收器将光模拟信号转化为电模拟信号，两路模拟信号输入到高速差分放大器3上，将信号光与基准光进行差分放大，差分信号送入到高速比较器4中，高速比较器将模拟信号转化为数字信号，数字信号输入到嵌入式微控制器中，最终经过解码获得目标数据。

Claims (10)

  1. 一种新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，该新型高鲁棒水下光通信系统分为发送模块和接收模块；
    所述的发送模块包括镜片组（1）、光接收器（2）、差分放大器（3）、比较器（4）和嵌入式微控制器（5）；在进行信号接收时，经过环境信道的光信号经过镜片组（1），镜片组（1）将基准光和信号光分开，两种光分别进入对应接收器2，接收器2将光模拟信号转化为电模拟信号，两路电模拟信号输入到差分放大器（3）上，将信号光与基准光进行差分放大后，差分信号送入到比较器（4）中，比较器（4）将模拟信号转化为数字信号，数字信号输入到嵌入式微控制器（5）中，最终经过解码获得目标数据；
    所述的接收模块包括嵌入式微控制器（5）、信号反相器（6）、大功率LED调制电路（7）、大功率LED（8）和镜片组（1）；系统进行信号发送时，嵌入式微控制器（5）将所要发送的信息分组，然后将分组的信息进行编码，编码后的信息送入到信号反相器（6）中，信号反相器（6）分别将正相信号和反相信号输出到两个对应的大功率LED调制电路（7）上，大功率LED调制电路（7）调制大功率LED（8），将数字信号转化为光信号，大功率LED（8）发射出的光经过镜片组（1），将全向信号光转化为线偏振光再转化为圆偏振光，发射到环境中去。
  2. 根据权利要求1所述的新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，所述的镜片组（1）包括偏振片（9）和四分之一波片（10）；在进行信号发送时，信号光先通过偏振片（9）将全向光转换为线偏振光，再经过四分之一波片（10）将线偏振光转化为圆偏振光；在进行信号接收时带信号的圆偏振光经过四分之一波片（10）将圆偏振光转化为线偏振光，转化后的光经过偏振片（9），偏振片（9）将环境光和正交信道的信号滤除，保留本信道光信号。
  3. 根据权利要求1或2所述的新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，所述的光接收器（2）用于接收400～760nm波段的可见光，并将其转换为模拟量。
  4. 根据权利要求1或2所述的新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，所述的嵌入式微控制器（5），在发送模式中，将数据进行编码，将数字量输入到信号反相器（6）中，信号反相器（6）输出正相和反相信号；在接收模式中，嵌入式微控制器（5）接收比较器（4）传来的数字信号，并将其解码获得目标数据。
  5. 根据权利要求3所述的新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，所述的嵌入式微控制器（5），在发送模式中，将数据进行编码，将数字量输入到信号反相器（6）中，信号反相器（6）输出正相和反相信号；在接收模式中，嵌入式微控制器（5）接收比较器（4）传来的数字信号，并将其解码获得目标数据。
  6. 根据权利要求1、2或5所述的新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，所述的大功率LED（8）的输出功率30W，满足10MHz的开关速率。
  7. 根据权利要求3所述的新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，所述的大功率LED（8）的输出功率30W，满足10MHz的开关速率。
  8. 根据权利要求4所述的新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，所述的大功率LED（8）的输出功率30W，满足10MHz的开关速率。
  9. 根据权利要求1、2、5、7或8所述的新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，所述的编码采用差分方式，进行信号干扰去除，进行编码的两个信道分别进行顺逆时针信号进行编码，两个信号振幅相等，相位相反。
  10. 根据权利要求6所述的新型高鲁棒水下光通信系统，其特征在于，所述的编码采用差分方式，进行信号干扰去除，进行编码的两个信道分别进行顺逆时针信号进行编码，两个信号振幅相等，相位相反。
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