专利名称：Led光源水下语音通信系统与潜水头盔的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学通信技术领域，尤其涉及一种LED光源水下语音通信的系统与潜 水头盔。
背景技术：
对于水下群体作业来说，潜水员之间的信息沟通是任务高效、准确执行的保障，也 是团队协同工作得以顺利开展的前提。由于水下环境的特殊性，目前潜水员之间只能依靠 手势来传递一些简单的消息，严重制约着大规模、高精度水下作业的发展。目前，水下无线通信广泛使用的是声学通信技术，声学通信技术具有通信距离远、 可靠性高等优点，但同时也存在水声信道传输延时长、传输速率低、功耗高等缺点。现有研究表明，海洋中也存在一个类似于大气中存在的透光窗口，在该窗口的光 波在海水中的衰减较无线电波小多个数量级。LED由于其节能、环保、亮度高和寿命长等优 势是潜水员探照头灯的理想光源。而LED有别于其它照明光源的另一个重要特点是，它可 以被高速调制(MHz)。在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下技术缺陷利用声学技 术进行水下语音通信的传输延时长、传输速率低。
发明内容
(一)要解决的技术问题为解决上述缺陷，本发明提供了一种LED光源水下语音通信的系统与潜水头盔， 以利用光通信技术的方法实现水下语音通信，从而减小传输延时，提高传输速率。( 二 )技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种LED光源水下语音通信系统。该系统用于潜 水员的水下作业，包括发送端组件和接收端组件，其中，发送端组件，用于采集第一潜水员 的声音，该第一潜水员对应于包含该发送端组件的第一水下语音通信系统，将所采集的第 一潜水员的声音转换为电信号，利用该电信号对LED光源的LED光信号进行调制，并发送调 制后的LED光信号；接收端组件，用于接收第二水下语音通信系统发送端组件发送的调制 后的LED光信号，将该LED光信号转换为电信号，并从该电信号中解调出与该第二水下语音 通信系统对应的第二潜水员的声音。优选地，本发明LED光源水下语音通信系统中，LED光源水下语音通信系统设置于 潜水头盔，LED光源为潜水头盔的LED阵列照明头灯。LED光信号为450-550纳米波段内蓝 绿光。LED光信号的调制速率为10kHz-20MHz。优选地，本发明LED光源水下语音通信系统中，发送端组件包括麦克风、发送装 置和LED光源，其中，麦克风，用于将所采集的第一潜水员的声音信号转换为电模拟信号； 发送装置，与麦克风和LED光源相连接，用于对电模拟信号进行编码转换为电数字信号，利 用该电数字信号调制LED光源，获得LED光信号，并发送该LED光信号。优选地，系统还包括透镜组单元，该透镜组单元位于LED光源的光路后端，由两片单凸透镜组成，用于收敛LED 光源的发散角和/或准直LED光源。优选地，本发明LED光源水下语音通信系统中，接收端组件包括光电探测装置、 接收装置和耳机，其中，光电探测装置，用于接收第二水下语音通信系统的发送端组件发送 的被调制后的LED光信号，并将LED光信号转换为电数字信号；接收装置，与光电探测装 置和耳机相连接，用于根据电数字信号，解调出电模拟信号，并利用模拟电模拟信号驱动耳 机，还原第二潜水员的声音。优选地，系统还包括光学集中器，该光学集中器位于光电探测 装置的光路前端，为一片双凸透镜，用于收敛光束，提高光电探测装置所接收的LED光信号 的强度。优选地，本发明LED光源水下语音通信系统中，系统还包括自组网通信协议组件。 该自组网通信协议组件，用于采用时分多址接入TDMA的静态信道共享方案，实现水下多人 群体通信。根据本发明的另一个方面，还提供了一种LED光源潜水头盔。该潜水头盔包括头 盔本体和上述的水下语音通信系统。(三)有益效果本发明LED光源水下语音通信的系统与潜水头盔，以潜水员头盔上的照明LED作 为信号发射器，可实现水下光学无线语音通信。相比于目前主流的水下语音通信技术，这种 光学无线水下语音通信方式具有带宽高、延时小、传输距离适中、无电磁污染、与照明结合 降低成本、减轻潜水员装备载荷等优势。
图1为本发明实施例LED光源水下语音通信系统中透镜组单元收敛LED光源发散 角的示意图；图2是本发明实施例LED光源水下语音通信潜水头盔的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种LED光源水下语音通信系统。该系 统包括发送端组件和接收端组件。其中，发送端组件，用于采集第一潜水员的声音，该第一 潜水员对应于包含该发送端组件的第一水下语音通信系统，将所采集的第一潜水员的声音 转换为电信号，利用该电信号对LED光源的LED光信号进行调制，并发送调制后的LED光信 号；接收端组件，用于接收第二水下语音通信系统发送端组件发送的调制后的LED光信号， 将该LED光信号转换为电信号，并从该电信号中解调出与该第二水下语音通信系统对应的 第二潜水员的声音。该系统可以用于潜水员们的水下群体作业时进行信息交互。本实施例中，采用LED光源的LED光信号作为潜水员在水下进行语音通信的载体， 相比于目前主流的采用声学技术的水下语音通信技术，这种采用光学技术的水下语音通信 方式具有带宽高、传输延时小、传输速率高等优点。在本发明进一步的实施例中，水下语音通信系统设置于潜水头盔，LED光信号的光源为潜水头盔的LED阵列照明头灯。本实施例中，以潜水头盔上的照明LED作为信号发射器 实现水下语音通信，具有如下优点1)与照明结合降低成本，2)可以减轻潜水员装备载荷。在本发明优选的实施例中，为了适应在深水中进行通信的环境要求，LED光信号为 450-550纳米波段内蓝绿光。因海水在450-550纳米波段内具有透光窗口，因此采用此频率 的LED光信号可以提高光信号在水下传输的距离和质量。在本发明优选的实施例中，LED光信号的调制速率为10kHz-20MHz。最优地，LED 光信号的调制速率为16kHz，64kHz，128kHz或256kHz等常用的语音调制速率。其中优选为 最通用的64kHz语音调制速率。因LED光源与其他光源的优点在于其可以高速调制，完全 可以满足进行语音通信的要求。在本发明的一个具体实施例中，发送端组件包括麦克风、发送装置和LED光源。 其中，麦克风，用于将所采集的第一潜水员的声音信号转换为电模拟信号；发送装置，与麦 克风和LED光源相连接，用于将电模拟信号进行编码转换为电数字信号，并利用该电数字 信号调制LED光源，获得LED光信号，并发送该光信号。优选地，LED光源的光路后端还可以设置透镜组单元，用于收敛LED光源的发散角 和/或准直LED光源。该透镜组单元可以用两片单凸透镜组成。图1为本发明实施例LED 光源水下语音通信系统中透镜组单元收敛LED光源发散角的示意图。如图1所示，由LED 光源发射的较为发散的光通过透镜组单元后，以近似平行的角度出射，从而提高了传输信 号的准确性和效率。优选地，发送装置包括采样单元、编码单元、信号放大单元和光源驱动单元，其 中采样单元，与麦克风相连接，用于对电模拟信号进行采样；编码单元，与采样单元相连 接，用于对采样信号进行数字编码，获得电数字信号；信号放大单元，与编码单元相连接，用 于将电数字信号进行多级电流放大；光源驱动单元，与信号放大单元相连接，用于根据多级 电流放大的电数字信号，采用部分电流调制的方式，调制LED光源。在本发明的另一具体实施例中，接收端组件包括光电探测装置、接收装置和耳 机。其中，光电探测装置，用于接收第二水下语音通信系统的发送端组件发送的被调制后的 LED光信号，并将LED光信号转换为电数字信号；接收装置，与光电探测装置和耳机相连接， 用于根据电数字信号，解调出电模拟信号，并利用模拟电模拟信号驱动耳机，还原潜水员的 声音。优选地，光电探测装置的光路前端还可以设置光学集中器用于收敛光束，提高光 电探测装置所接收的LED光信号的强度。该光学集中器可以为一片双凸透镜。优选地，接收装置包括滤波放大单元、解码单元和语音驱动单元。其中，滤波放大 单元，与光电探测器相连接，用于对电数字信号进行滤波放大，提取所需的语音电信号；解 码单元，与滤波放大单元相连接，用于根据语音电信号解调出电模拟信号；语音驱动单元， 用于根据电模拟信号驱动耳机，还原潜水员的声音。在本发明的再一具体实施例中水下语音通信系统还包括自组网通信协议组件。自 组网通信协议组件，用于通过内嵌网络通信协议，实现水下多人群体通信。水下自组通信协 议组件采用时分多址接入TDMA的静态信道共享方案。方案具体内容是多个用户构成一个 通信网后，首先通过一些握手机制确认该临时网内各用户的关系，也就是确定了哪个潜水 员节点被当作临时基站。该临时基站在通信起始阶段负责全网时钟同步和分配各用户所占的时隙间隔，而且在本通信网生存期内，要一直转发收到的信号。其它用户同步后，按照临 时基站分配的时隙，发送自己的语音信号；临时基站将自己的数据和收到的其它用户的数 据，按照预先定义好的规则广播出去。各潜水员可以选择性地听取其它潜水员的话音。当 通信结束时，临时基站取消转发功能，回复到初始状态。根据本发明的另一个方面，还提供了一种LED光源潜水头盔。该LED光源潜水头 盔包含头盔本体和上文中提到的水下语音通信系统。以下用本发明的优选实施例来说明本发明。以下优选实施例中的附加技术特征， 均可应用于本发明水下语音通信系统及潜水头盔，而不再进行另行说明。实施例一在潜水头盔里安置微型麦克，将采集到的语音信号经过调制电路编码后，驱动LED 头灯，实现信号发射。潜水头盔同时安装小型光电探测系统和发声设备，捕捉光信号，经过 滤波、放大、光电转换和解调，还原出语音信号，完成信号接收。其中，系统采用的信号发射 源为半导体照明LED(阵列)光源；语音信号经过采集、调制编码、转化为数字信号，通过快 速调节LED驱动电流完成信号的发射。通过内嵌网络通信协议(如前文所述)，可实现水下 多人群体通信。实施例二 图2是本发明实施例LED光源水下语音通信潜水头盔的结构示意图。如图2所示， 该潜水头盔包括以下几个部分发射组件部分主要包括麦克风、采样单元、编码单元、光源驱动单元、LED头灯和 光学透镜组单元等。对于光信号，采用LED阵列，并配合透镜组单元。该透镜组单元可调节 其光路参数，改变出光发散角度。在LED的驱动方面，采用部分电流调制方案。由于LED的电压电流特性中存在一 个阈值，全开全关会导致非线性效应，使信号畸变。因此，要在一定基准电流下，加载信号。 此外，大功率LED芯片的工作电流在IOOOmA左右，为了保证大电流下的高速驱动能力，应对 输入信号进行多级电流放大。接收组件部分主要由光学集中器、光电探测器光电二极管(Si PIN)、滤波放大单 元、解码单元、语音驱动单元组成。通过对电信号的滤波，将有用信号提取出来，抑制噪声， 提高接收灵敏度。裸探测器增益较小，通过前置光学集中器提高接收光信号的强度。自组网协议部分通过内嵌网络通信协议，可实现水下多人群体通信。综上，本发明的优点在于将水下通信与照明相结合，减小体积、降低成本，减轻潜 水员装备载荷；同时系统具有带宽高、延迟小，可实现实时保真的语音通信；传播距离适 中，多人使用无互相干扰；适用性强，消除了透光窗口飘移的影响；无电磁污染，对敏感设 备和生物无影响等特点。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种LED光源水下语音通信系统，其特征在于，该系统用于潜水员的水下作业，包 括发送端组件和接收端组件，其中，所述发送端组件，用于采集第一潜水员的声音，该第一潜水员对应于包含该发送端组 件的第一水下语音通信系统，将所采集的第一潜水员的声音转换为电信号，利用该电信号 对LED光源的LED光信号进行调制，并发送调制后的LED光信号；所述接收端组件，用于接收第二水下语音通信系统发送端组件发送的调制后的LED光 信号，将该LED光信号转换为电信号，并从该电信号中解调出与该第二水下语音通信系统 对应的第二潜水员的声音。
2.根据权利要求1所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述水下语音通信 系统设置于潜水头盔，所述LED光源为所述潜水头盔的LED阵列照明头灯。
3.根据权利要求1所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述LED光信号为 450-550纳米波段内蓝绿光。
4.根据权利要求1所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述LED光信号的 调制速率为10kHz-20MHz。
5.根据权利要求4所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述LED光信号的 调制速率为 16kHz，64kHz，128kHz 或 256kHz。
6.根据权利要求1所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述发送端组件包 括麦克风、发送装置和LED光源，其中，所述麦克风，用于将所采集的第一潜水员的声音信号转换为电模拟信号；所述发送装置，与所述麦克风和所述LED光源相连接，用于对所述电模拟信号进行编 码转换为电数字信号，利用该电数字信号调制所述LED光源，获得LED光信号，并发送该LED 光信号。
7.根据权利要求6所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述系统还包括透 镜组单元，该透镜组单元位于所述LED光源的光路后端，由两片单凸透镜组成，用于收敛所述LED 光源的发散角和/或准直所述LED光源。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述发 送装置包括采样单元、编码单元、信号放大单元和光源驱动单元，其中所述采样单元，与所述麦克风相连接，用于对所述电模拟信号进行采样；所述编码单元，与所述采样单元相连接，用于对采样信号进行数字编码，获得电数字信号；所述信号放大单元，与所述编码单元相连接，用于所述将所述电数字信号进行多级电 流放大；所述光源驱动单元，与所述信号放大单元相连接，用于根据所述多级电流放大的电数 字信号，采用部分电流调制的方式，调制所述LED光源。
9.根据权利要求1所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述接收端组件包 括光电探测装置、接收装置和耳机，其中，所述光电探测装置，用于接收所述第二水下语音通信系统的发送端组件发送的被调制 后的LED光信号，并将所述LED光信号转换为电数字信号；所述接收装置，与所述光电探测装置和耳机相连接，用于根据所述电数字信号，解调出 电模拟信号，并利用所述模拟电模拟信号驱动所述耳机，还原所述第二潜水员的声音。
10.根据权利要求9所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述系统还包括 光学集中器，该光学集中器位于所述光电探测装置的光路前端，为一片双凸透镜，用于收敛光束，提 高所述光电探测装置所接收的所述LED光信号的强度。
11.根据权利要求9或10所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于，所述接收装 置包括滤波放大单元、解码单元和语音驱动单元，其中，所述滤波放大单元，与所述光电探测器相连接，用于对所述电数字信号进行滤波放大， 提取所需的语音电信号；所述解码单元，与所述滤波放大单元相连接，用于根据所述语音电信号解调出电模拟 信号；所述语音驱动单元，用于根据所述电模拟信号驱动耳机，还原所述第二潜水员的声音。
12.根据权利要求1-7，9-11中任一项所述的LED光源水下语音通信系统，其特征在于， 所述系统还包括自组网通信协议组件，所述自组网通信协议组件，用于采用时分多址接入TDMA的静态信道共享方案，实现水 下多人群体通信。
13.一种LED光源潜水头盔，其特征在于，该潜水头盔包括头盔本体和权利要求1-12中 任一项所述的水下语音通信系统。
全文摘要
本发明公开了一种LED光源水下语音通信的系统与潜水头盔。本发明采用LED光源的LED光信号作为潜水员在水下进行语音通信的载体，相比于目前主流的采用声学技术的水下语音通信技术，这种采用光学技术的水下语音通信方式具有带宽高、传输延时小、传输速率高等优点。
文档编号A42B3/00GK102098111SQ201110038048
公开日2011年6月15日 申请日期2011年2月15日 优先权日2011年2月15日
发明者刘育梁, 施安存, 段靖远, 王锐, 金钰 申请人:中国科学院半导体研究所