一种水下的可见光通信方法、装置及系统与流程

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种水下的可见光通信方法、装置及系统。

背景技术：

由于海水对蓝绿光的衰减比对其它波段光的衰减要小很多，这使得利用蓝绿光进行水下光通信成为可能。

通常，在水下的可见光通信系统中，接收端是采用雪崩光电二极管APD或者单光子雪崩二极管SPAD来接收可见光信息的。在近距离的可见光通信系统中，接收端通常采用APD，在中远距离的可见光通信系统中，接收端通常采用检测灵敏度更高的SAPD。

然而，SPAD受死时间效应和最大接收的光子数的影响较大，当传输距离较近或者光照强度较大的时候，SPAD性能会下降，并且有可能损坏SPAD器件；而APD由于工作在光电转换模式下，检测的光强度和距离都受限，当单独用于水下的可见光通信时面临着传输距离、传输速率的瓶颈问题。

因此，现有的水下的可见光通信系统，在进行水下的可见光通信时的实用性和灵活性都很低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种水下的可见光通信方法、装置及系统，以提高在水下进行可见光通信的实用性和灵活性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水下的可见光通信方法，应用于具有雪崩光电二极管APD接收端和单光子雪崩二极管SPAD接收端的可见光通信系统中，所述方法包括：

当使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述APD接收端的误码率是否低于预设的门限值；

如果所述误码率低于所述门限值，则切换使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息；

当使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述SPAD接收端每秒检测的光子数是否达到预设的最大光子数；

如果所述SPAD接收端每秒检测的所述光子数达到所述最大光子数，则切换使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

优选地，所述方法还包括：

当使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述SPAD接收端检测到的瞬间光强度是否达到预设的光强度阈值；

如果所述SPAD接收端检测到的所述瞬间光强度达到所述光强度阈值，则切换使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

优选地，所述方法还包括：

判断所述误码率是否处于预设的第一区间、且所述瞬间光强度是否处于预设的第二区间；

当所述误码率处于预设的第一区间、且所述瞬间光强度处于预设的第二区间时，同时使用所述APD接收端和所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

一种水下的可见光通信装置，应用于具有雪崩光电二极管APD接收端和单光子雪崩二极管SPAD接收端的可见光通信系统中，所述装置包括：

第一判断模块，用于当使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述APD接收端的误码率是否低于预设的门限值；

第一切换模块，用于如果所述误码率低于所述门限值，则切换使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息；

第二判断模块，用于当使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述SPAD接收端每秒检测的光子数是否达到预设的最大光子数；

第二切换模块，用于如果所述SPAD接收端每秒检测的所述光子数达到所述最大光子数，则切换使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

优选地，所述装置还包括：

第三判断模块，用于当使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述SPAD接收端检测到的瞬间光强度是否达到预设的光强度阈值；

第三切换模块，用于如果所述SPAD接收端检测到的所述瞬间光强度达到所述光强度阈值，则切换使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

优选地，所述装置还包括：

第四判断模块，用于判断所述误码率是否处于预设的第一区间、且所述瞬间光强度是否处于预设的第二区间；

第四切换模块，用于当所述误码率处于预设的第一区间、且所述瞬间光强度处于预设的第二区间时，同时使用所述APD接收端和所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

一种水下的可见光通信系统，包括雪崩光电二极管APD接收端、单光子雪崩二极管SPAD接收端和上述任意一项所述的水下的可见光通信装置。

通过本发明提供的水下的可见光通信方法、装置及系统，当使用APD接收端接收可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断APD接收端的误码率是否低于预设的门限值；如果误码率低于门限值，则切换使用SPAD接收端接收可见光通信系统的发送端发送的可见光信息；当使用SPAD接收端接收可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断SPAD接收端每秒检测的光子数是否达到预设的最大光子数；如果SPAD接收端每秒检测的光子数达到最大光子数，则切换使用APD接收端接收可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。可见，本申请方案利用APD和SPAD的特性构建水下的可见光通信系统，可以结合二者各自的优势，并避免二者各自的劣势，从而提高在水下进行可见光通信的实用性和灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一具体实施例提供的水下的可见光通信方法的流程示意图；

图2是本发明第二具体实施例提供的水下的可见光通信装置的结构示意图；

图3是本发明第三具体实施例提供的水下的可见光通信系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种水下的可见光通信方法，以及一种水下的可见光通信装置及系统，能够提高在水下进行可见光通信的实用性和灵活性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1是本发明第一具体实施例提供的水下的可见光通信方法的流程示意图。

本发明第一具体实施例提供的水下的可见光通信方法，应用于具有雪崩光电二极管APD接收端和单光子雪崩二极管SPAD接收端的可见光通信系统中，所述方法包括以下步骤：

S101：当使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述APD接收端的误码率是否低于预设的门限值；

S102：如果所述误码率低于所述门限值，则切换使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息；

雪崩光电二极管APD是一种p-n结型的光检测二极管，利用载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度，在以硅或锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入的光被P-N结吸收后会形成光电流。

单光子探测被认为是光电探测技术的极限，是近年来发展起来的一项新兴的探测技术，和其他已经发展较为成熟的光电探测技术相比，单光子探测的光可以更为微弱，可达光子量级(10-19W)水平的能量，单光子雪崩二极管(Single PhotonAvalanche Diodes，SPAD)是一种采用盖革模式(APD工作在一种偏压短暂高于其雪崩击穿电压的模式)的单光子探测器件。因此，SAPD检测的灵敏度相较于APD更高，更可以适合中远距离的水下可见光通信。

本发明采用SPAD接收端和APD接收端两种模式，SPAD接收端可以工作在远距离单光子检测模式，APD接收端可以工作在中近距离光电转换检测模式，二者集成在一个接收模块之内。这种方式可以充分利用SPAD和APD的优势，提供多重工作模式。

S103：当使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述SPAD接收端每秒检测的光子数是否达到预设的最大光子数；

S104：如果所述SPAD接收端每秒检测的所述光子数达到所述最大光子数，则切换使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

优选地，所述方法还可以包括：当使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述SPAD接收端检测到的瞬间光强度是否达到预设的光强度阈值；如果所述SPAD接收端检测到的所述瞬间光强度达到所述光强度阈值(即光照强度达到SPAD的工作强度)，则切换使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

在本申请实施例中，采用APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，APD接收端工作在光电模式，则APD接收端对应的是器件的热噪声、背景光噪声；采用SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，SPAD接收端工作在盖革模式，则SPAD接收端对应的是背景光噪声、暗计数以及散粒噪声；因此，当采用不同的接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，就对应不同的检测方式。

采用APD接收端时可以采用电域信号处理的联合信道特性检测方式；采用SPAD接收端时接收到的是光子数，服从泊松分布，可以利用接收光子数的统计概率的概率特性，设计信道信号的联合软信息解调检测方式。

进一步的，本申请实施例提供的方法还可以包括：判断所述误码率是否处于预设的第一区间、且所述瞬间光强度是否处于预设的第二区间；当所述误码率处于预设的第一区间、且所述瞬间光强度处于预设的第二区间时，同时使用所述APD接收端和所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

在本申请实施例中,第一区间可以为2×10^(-3)～10^(-5)，第二区间根据SPAD和APD的具体型号不同而不同，可以根据实际需要设定。

本发明的检测方法的实施条件是系统含有APD和SPAD两套接收端，水下VLC可以实时测试其BER、光照强度等参数。系统可以具有三种工作状态：当工作在APD模式时，系统工作在光电转换条件下，当APD检测的BER(BER表示整个可见光通信传输链路的误比特率，即误码率)低于设定的门限值时，系统转换到SPAD模式；当工作在SPAD模式时，系统工作在光子计数条件下，当SPAD检测的光子数达到每秒检测的最大光子数、或者瞬间光强度提升数倍时，切换到APD工作模式；当系统的BER、光照强度分别处于某一区间时，系统可以使APD和SPAD同时工作，同时工作在光电模式、盖革模式，这时需要联合光子计数模型、电路信号处理模型，优化光电转换电信号、盖革模式光子接收的相关参数以及目标光子接收信道、光电转换信道、信号噪声、BER等因素。

在本申请实施例中,接收信号模型可以表示为：

r(k)＝η(h(t)*p(t))s(k)+ε(k)；

系统优化的目标可以用建立的优化目标函数表示为：

opt{BER/r(k),n(s(k))}。

其中：

h(t)表征无发送信号的信道，n(s(k))表征与发送信号相关的噪声分量，ε(k)为系统噪声，η表示转换因子，r(k)为接收信号模型，表示接收端接收到的信号。

本申请实施例提供的技术方案，利用APD和SPAD的特性构建水下中远距离通信网络，中近距离时，可见光通信系统工作在光电转换模式，利用电域、光域信号联合处理的方法进行检测；远距离时，VLC系统工作在盖革模式，SPAD接收到的是光子个数，可以利用光子的统计特性结合泊松概率联合检测；也可以将光子数和电域信号关联，从而进行电域信号处理；在一定范围内，可见光通信系统工作在光电和盖革结合的模式中，此时需要电域、光域协同进行信号处理。该系统可以在海水环境的水下探测、水下油气管道铺设和某些军事用途中应用，也可以在内河夜晚环境中实现船只之间的信息交互和内河航标导航。

本发明利用新型光通信接收器件单光子雪崩二极管SPAD和普通雪崩二极管APD结合构建水下协作通信方式，结合APD和SPAD二者各自优势，设计了一套基于水下可见光通信的新型通信方案，结合光电模式、盖革模式切换的实际系统，极大地提升了水下的可见光通信的实用性、灵活性和有效性。

此外，本发明还提供了一种上述水下的可见光通信方法对应的水下的可见光通信装置。

参照图2所示，是本发明第二具体实施例提供的水下的可见光通信装置的结构示意图。该装置应用于具有雪崩光电二极管APD接收端和单光子雪崩二极管SPAD接收端的可见光通信系统中。

所述装置包括：

第一判断模块1，用于当使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述APD接收端的误码率是否低于预设的门限值；

第一切换模块2，用于如果所述误码率低于所述门限值，则切换使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息；

第二判断模块3，用于当使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述SPAD接收端每秒检测的光子数是否达到预设的最大光子数；

第二切换模块4，用于如果所述SPAD接收端每秒检测的所述光子数达到所述最大光子数，则切换使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

优选地，所述装置还可以包括：

第三判断模块，用于当使用所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断所述SPAD接收端检测到的瞬间光强度是否达到预设的光强度阈值；

第三切换模块，用于如果所述SPAD接收端检测到的所述瞬间光强度达到所述光强度阈值，则切换使用所述APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

在本申请实施例中，采用APD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，APD接收端工作在光电模式，则APD接收端对应的是器件的热噪声、背景光噪声；采用SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，SPAD接收端工作在盖革模式，则SPAD接收端对应的是背景光噪声、暗计数以及散粒噪声；因此，当采用不同的接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，就对应不同的检测方式。

采用APD接收端时可以采用电域信号处理的联合信道特性检测方式；采用SPAD接收端时接收到的是光子数，服从泊松分布，可以利用接收光子数的统计概率的概率特性，设计信道信号的联合软信息解调检测方式。

进一步的，本申请实施例提供的装置还可以包括：

第四判断模块，用于判断所述误码率是否处于预设的第一区间、且所述瞬间光强度是否处于预设的第二区间；

第四切换模块，用于当所述误码率处于预设的第一区间、且所述瞬间光强度处于预设的第二区间时，同时使用所述APD接收端和所述SPAD接收端接收所述可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。

在本申请实施例中,第一区间可以为2×10^(-3)～10^(-5)，第二区间根据SPAD和APD的具体型号不同而不同，可以根据实际需要设定。

本发明的检测方法的实施条件是系统含有APD和SPAD两套接收端，水下VLC可以实时测试其BER、光照强度等参数。系统可以具有三种工作状态：当工作在APD模式时，系统工作在光电转换条件下，当APD检测的BER(BER表示整个可见光通信传输链路的误比特率，即误码率)低于设定的门限值时，系统转换到SPAD模式；当工作在SPAD模式时，系统工作在光子计数条件下，当SPAD检测的光子数达到每秒检测的最大光子数、或者瞬间光强度提升数倍时，切换到APD工作模式；当系统的BER、光照强度分别处于某一区间时，系统可以使APD和SPAD同时工作，同时工作在光电模式、盖革模式，这时需要联合光子计数模型、电路信号处理模型，优化光电转换电信号、盖革模式光子接收的相关参数以及目标光子接收信道、光电转换信道、信号噪声、BER等因素。

在本申请实施例中,接收信号模型可以表示为：

r(k)＝η(h(t)*p(t))s(k)+ε(k)；

系统优化的目标可以用建立的优化目标函数表示为：

opt{BER/r(k),n(s(k))}。

其中：

h(t)表征无发送信号的信道，n(s(k))表征与发送信号相关的噪声分量，ε(k)为系统噪声，η表示转换因子，r(k)为接收信号模型，表示接收端接收到的信号。

本申请实施例提供的技术方案，利用APD和SPAD的特性构建水下中远距离通信网络，中近距离时，可见光通信系统工作在光电转换模式，利用电域、光域信号联合处理的方法进行检测；远距离时，VLC系统工作在盖革模式，SPAD接收到的是光子个数，可以利用光子的统计特性结合泊松概率联合检测；也可以将光子数和电域信号关联，从而进行电域信号处理；在一定范围内，可见光通信系统工作在光电和盖革结合的模式中，此时需要电域、光域协同进行信号处理。该系统可以在海水环境的水下探测、水下油气管道铺设和某些军事用途中应用，也可以在内河夜晚环境中实现船只之间的信息交互和内河航标导航。

本发明利用新型光通信接收器件单光子雪崩二极管SPAD和普通雪崩二极管APD结合构建水下协作通信方式，结合APD和SPAD二者各自优势，设计了一套基于水下可见光通信的新型通信方案，结合光电模式、盖革模式切换的实际系统，极大地提升了水下的可见光通信的实用性、灵活性和有效性。

本申请实施例提供的水下的可见光通信装置，可以采用上述方法实施例中的水下的可见光通信方法，具体功能可以参照上述任一方法实施例中的步骤描述，此处不再赘述。

此外，本发明还提供了一种上述水下的可见光通信方法对应的水下的可见光通信系统，请参照图3所示，是本发明第三具体实施例提供的水下的可见光通信系统的结构示意图。该系统包括雪崩光电二极管APD接收端5、单光子雪崩二极管SPAD接收端6和上述任意一项所述的水下的可见光通信装置7。

本申请实施例提供的水下的可见光通信系统，可以采用上述方法实施例中的水下的可见光通信方法，具体功能可以参照上述任一方法实施例中的步骤描述，此处不再赘述。

由以上本申请实施例提供的技术方案可见，相对于现有技术，本申请具有如下有益效果：

通过本发明提供的水下的可见光通信方法、装置及系统，当使用APD接收端接收可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断APD接收端的误码率是否低于预设的门限值；如果误码率低于门限值，则切换使用SPAD接收端接收可见光通信系统的发送端发送的可见光信息；当使用SPAD接收端接收可见光通信系统的发送端发送的可见光信息时，判断SPAD接收端每秒检测的光子数是否达到预设的最大光子数；如果SPAD接收端每秒检测的光子数达到最大光子数，则切换使用APD接收端接收可见光通信系统的发送端发送的可见光信息。可见，本申请方案利用APD和SPAD的特性构建水下的可见光通信系统，可以结合二者各自的优势，并避免二者各自的劣势，从而提高在水下进行可见光通信的实用性和灵活性。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。