本实用新型涉及通信技术领域，更具体地说，涉及一种水下可见光通信系统。
背景技术：
水下无线通信是海洋信息处理的基础关键技术，目前水下无线通信包括：电磁波通信、水声通信、磁感应通信、激光通信和可见光通信等，由于水下可见光通信是以可见光作为载体，具有传输速率高和保密性强等优点，所以水下可见光通信是水下无线通信主要采用的通信方式。
但是，受限于可见光在水下的传输距离以及可见光传输所处的复杂水下环境影响，当前的水下可见光通信系统无法实现远距离的通信。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型提供一种水下可见光通信系统，以实现水下可见光通信系统的远距离高速通信。
技术方案如下：
一种水下可见光通信系统，所述系统包括：第一收发装置、第二收发装置和至少一个可见光中继装置，所述至少一个可见光中继装置串联的设置在所述第一收发装置与所述第二收发装置之间的通信信道上；
所述第一收发装置，用于将与所述第一收发装置对应的第一终端生成的第一信号转换为第一可见光信号并将所述第一可见光信号发送至所述通信信道上；
所述可见光中继装置，用于对所述第一可见光信号进行中继传输；
所述第二收发装置，用于接收所述可见光中继装置发送的第一可见光信号并将所述第一可见光信号还原为所述第一信号，以及用于将与所述第二收发装置对应的第二终端生成的第二信号转换为第二可见光信号并将所述第二可见光信号发送至所述通信信道上；
所述可见光中继装置，还用于对所述第二可见光信号进行中继传输；
所述第一收发装置，还用于接收所述可见光中继装置发送的第二可见光信号并将所述第二可见光信号还原为所述第二信号。
可选地，所述可见光中继装置、所述第一收发装置和第二收发装置分别包括接收单元和发送单元；
所述接收单元包括依次连接的光电检测阵列、放大器、解调器和解码器；所述发送单元包括依次连接的编码器、调制器和发光阵列。
可选地，所述光电检测阵列由至少一个光电检测器组成，所述发光阵列由至少一个发光单元组成。
可选地，所述发光阵列中的各个发光单元设置在同一个水平面上；
和/或
所述光电检测阵列中的各个光电检测器设置在同一个水平面上。
可选地，所述可见光中继装置、所述第一收发装置和所述第二收发装置分别封装在一个壳体中；
所述发光阵列中至少一个发光单元在所述壳体上的高度与其他发光单元在所述壳体上的高度不同；和/或所述光电检测阵列中至少一个光电检测器在所述壳体上的高度与其他光电检测器在所述壳体上的高度不同。
可选地，所述光电检测器的法向量是所述壳体对应的球心与所述光电检测器之间的连线，且连线的方向从所述壳体对应的球心指向光电检测器。
可选地，所述可见光中继装置还包括分别与所述接收单元和所述发送单元连接的中继单元；
所述中继单元，用于向所述发送单元发送与所述第一终端进行通信的第三信号；
所述发送单元，还用于将所述第三信号转换为第三可见光信号，并将所述第三可见光信号发送至所述通信信道上；
所述第一收发装置，还用于接收所述可见光中继装置发送的第三可见光信号并将所述第三可见光信号还原为所述第三信号；
所述中继单元，还用于向所述发送单元发送与所述第二终端进行通信的第四信号；
所述发送单元，还用于将所述第四信号转换为第四可见光信号，并将所述第四可见光信号发送至所述通信信道上；
所述第二收发装置，还用于接收所述可见光中继装置发送的第四可见光信号并将所述第四可见光信号还原为所述第四信号。
从上述的技术方案可以可知，在水下水下可见光通信系统的第一收发装置和第二收发装置之间的通信信道上串联设置至少一个可见光中继装置，通过每个可见光中继装置对通信信道上的可见光信号进行中继转发，如此，在第一收发装置和第二收发装置之间的通信信道上每增加一个可见光中继装置，就可以增加可见光信号的传输距离，实现了水下可见光通信系统的远距离高速通信。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例公开的一种水下可见光通信系统的框图；
图2为本实用新型另一实施例公开的一种水下可见光通信系统的框图；
图3为本实用新型实施例公开的接收单元的框图；
图4为本实用新型实施例公开的发送单元的框图；
图5为本实用新型另实施例公开的发光单元和光电检测器分布示意图；
图6为本实用新型实施例公开的光电检测器分布示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例提供一种水下可见光通信系统，如图1所示，该系统包括：第一收发装置100、第二收发装置101和至少一个可见光中继装置102，所述至少一个可见光中继装置102串联的设置在所述第一收发装置100与所述第二收发装置101之间的通信信道上；
所述第一收发装置100，用于将与所述第一收发装置对应的第一终端103生成的第一信号转换为第一可见光信号并将所述第一可见光信号发送至所述通信信道上；
所述可见光中继装置102，用于对所述第一可见光信号进行中继传输；所谓中继传输是指：由通信信道上串联的各个可见光中继装置102依次传输第一可见光信号，具体的各个可见光中继装置102的工作过程是：将接收到的所述第一可见光信号还原为所述第一信号，将还原得到的第一信号再转换为第一可见光信号并将该第一可见光信号发送至所述通信信道上。该过程中可见光中继装置对第一可见光信号进行还原并再生，降低了第一信号传输中的误码率，提高了信号传输的准确性，提升通信系统的可靠性。
以通信信道上设置一个可见光中继装置102为例，该可见光中继装置102接收第一收发装置100发送的第一可见光信号，将该第一可见光信号还原为第一信号，将还原得到的第一信号再次转换为第一可见光信号并发送至通信信道上，使得第二收发装置101可以从通信信道上获取到该第一可见光信号，实现通过一个可见光中继装置102对第一可见光信号的中继传输。
在通信信道上设置多于一个可见光中继装置102时，以串联设置三个可见光中继装置102为例，这三个可见光中继装置102分别视为第一个可见光中继装置102、第二个可见光中继装置102、第三个可见光中继装置102、这三个可见光中继装置102的工作过程如下：
第一个可见光中继装置102接收第一收发装置100发送的第一可见光信号，将该第一可见光信号还原为第一信号，将还原得到的第一信号再次转换为第一可见光信号并发送至通信信道上，使得第二个可见光中继装置102可以从通信信道上获取到第一可见光信号。
第二个可见光中继装置102将从通信信道上获取到的第一可见光信号(第一个可见光中继装置102转换得到的可见光信号)还原为第一信号，将还原得到的第一信号再次转换为第一可见光信号并发送至通信信道上，使得第三个可见光中继装置102可以从通信信道上获取到第一可见光信号。
同样的，第三个可见光中继装置102再次执行与第二个可见光中继装置102相同的功能，不同之处在于第三个可见光中继装置102获取到的第一可见光信号是第二个可见光中继装置102转换得到的可见光信号，第三个可见光中继装置102将其转换得到的第一可见光信号发送至通信信道上，使得第二个可见光中继装置102可以从通信信道上获取到第一可见光信号，实现通过三个可见光中继装置102对第一可见光信号的中继传输。
所述第二收发装置101，用于接收所述可见光中继装置102发送的第一可见光信号并将所述第一可见光信号还原为所述第一信号，进而第二收发装置101将第一信号发送至与第一终端通信的第二终端，从而实现第一终端和第二终端之间的信号交互，以及用于将与所述第二收发装置对应的第二终端104生成的第二信号转换为第二可见光信号并将所述第二可见光信号发送至所述通信信道上，其中第二信号可以是第二终端在接收到第一信号后，向第一终端反馈的响应信号，或者是第二终端在没有接收到第一信号的情况下向第一终端发送的除具备响应功能之外的信号，如指示第一终端执行某种操作的请求信号等；同样的对于第一信号来说，第一信号可以是第一终端在接收到第二信号后，向第二终端反馈的响应信号，或者是第一终端在没有接收到第一信号的情况下向第二终端发送的除具备响应功能之外的信号。
所述可见光中继装置102，还用于对所述第二可见光信号进行中继传输；所谓中继传输是指：由通信信道上串联的各个可见光中继装置102依次传输第二可见光信号，具体的各个可见光中继装置102的工作过程是：将接收到的所述第二可见光信号还原为所述第二信号，将还原得到的第二信号再转换为第二可见光信号，并将转换得到的所述第二可见光信号发送至所述通信信道上，该过程中可见光中继装置对第二可见光信号进行还原并再生，降低了第二信号传输中的误码率，提高了信号传输的准确性，提升通信系统的可靠性。对于通信信道上串联的各个可见光中继装置102如何实现对第二可见光信号的中继传输，请参阅对第一可见光信号的中继传输的说明，对此本实施例不再阐述。
所述第一收发装置100，还用于接收所述可见光中继装置102发送的第二可见光信号并将所述第二可见光信号还原为所述第二信号，从而实现第一终端和第二终端借助于可见光中继装置的信号交互。
上述实施例中，在第一收发装置和第二收发装置之间的通信信道上串联设置了至少一个可见光中继装置，通过可见光中继装置对通信信道上的可见光信号进行中继传输，这样在第一收发装置和第二收发装置之间的通信信道上每增加一个可见光中继装置，就可以增加可见光信号的传输距离，实现水下可见光通信系统的远距离高速通信。
在本实用新型一实施例中，水下可见光通信系统如图2所示，该水下可见光通信系统中的可见光中继装置102、所述第一收发装置100和第二收发装置101分别包括接收单元和发送单元，即第一收发装置、第二收发装置和可见光中继装置包括有相同的接收单元和相同的发送单元。可相互通信的第一终端和第二终端借助于图2所示水下可见光通信系统进行通信的过程如下：
第一终端向第一收发装置的发送单元发送第一信号，由发送单元将该第一信号转换为第一可见光信号，并将该第一可见光信号发送到通信信道上。位于通信信道上的第一个可见光中继装置中的接收单元接收到该第一可见光信号后，将该第一可见光信号还原转换为第一信号，并将第一信号发送至第一个可见光中继装置中的发送单元，该发送单元将还原得到的第一信号转换为第一可见光信号，并将该第一可见光信号发送至通信信道上，进而第二个可见光中继装置的接收单元接收到该第一可见光信号，该第二个可见光中继装置中的接收单元和发送单元执行与第一个可见光中继装置中的接收单元和发送单元相同的操作，再次生成第一可见光信号并发送至通信信道上，设置在通信信道上的其他可见光中继装置依次执行与第一个可见光中继装置中的接收单元和发送单元相同的操作，直到第一可见光信号由最后一个可见光中继装置中的发送单元发送至通信信道上，然后第二收发装置中的接收单元接收到该第一可见光信号后将其转换为第一信号，并将转换得到的第一信号发送至第二终端，从而实现第一终端和第二终端之间的信号交互。对于通信信道上第一收发装置100、串联的各个可见光中继装置102和第二收发装置101中的发送单元和接收单元如何实现对第二可见光信号的传输，请参阅对第一可见光信号的传输的说明，对此本实施例不再阐述。
对于上述接收单元和发送单元，对应的结构分别如图3和图4所示。其中接收单元的结构如图3所示，接收单元包括依次连接的光电检测阵列、放大器、解调器和解码器。光电检测阵列用于接收通信信道上传输的可见光信号，并将其转换为电信号；放大器用于对电信号进行放大，以便后续解调器和解码器对电信号的解调和解码；所述解调器用于对放大器输出的电信号进行解调；解码器用于对解调后的电信号进行解码还原，得到原始信号(在接收单元接收到第一可见光信号的情况下，原始信号为第一信号；在接收单元接收到第二可见光信号的情况下，原始信号为第二信号)。
具体的，光电检测阵列接收第一可见光信号，并将其转换为电信号；进而放大器对转换得到的电信号进行放大；由解调器和解码器依次对电信号进行解调和解码，还原得到第一信号。光电检测阵列、放大器、解调器和解码器，对第二可见光信号的处理过程相同，对此本实施例不再阐述。其中，接收单元中还可包括一个分别与光电检测阵列和放大器连接的存储模块，其能够对光电检测阵列转换得到的电信号进行存储，以便于放大器对转换得到的电信号进行处理。
发送单元的结构如图4所示，包括依次连接的编码器、调制器和发光阵列。编码器对原始信号进行编码，其中原始信号为接收到的第一终端生成的第一信号，或者为接收到的第二终端生成的第二信号，或者为接收到的接收单元还原得到的第一信号或第二信号，调制器对编码后的原始信号进行调制，并驱动所述发光阵列发射与原始信号对应的可见光信号。
具体的，编码器对接收单元还原得到的第一信号进行编码，调制器对编码后的信号进行调制，并驱动所述发光阵列发送第一可见光信号。发送单元发送第二可见光信号的过程与发送第一可见光信号的过程相同，对此本实施例不再阐述。
从上述接收单元和发送单元的介绍可知，在可见光中继装置102中，接收单元可以对接收到的可见光信号进行解调解码，并由发送单元对接收单元还原后得到的原始信号进行编码和调制，以再生得到可见光信号，该还原及再生的方式降低原始信号传输中的误码率，提高了信号传输的准确性，提升通信系统的可靠性。
在本实施例中，光电检测阵列由至少一个光电检测器组成，发光阵列由至少一个发光单元组成，即水下可见光通信系统采用了MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)方式，具体的，光电检测阵列由多个光电检测器组成，光电检测器可以采用APD(avalanche photodiode，雪崩光电二极管)、PMT(photomultiplier tube，光电倍增管)、SPAD(Single photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)和石墨烯光电检测器中的至少一种，以取得更佳的探测效果。发光阵列由多个发光单元例如LED组成。而针对包括多个发光单元的发光阵列，采用RC(Repetition Coding，重复传码)算法，令多个发光单元同时传输且传输的信息相同，以降低误码率，提升通信系统的可靠性。
在本实施例中，发光阵列和光电检测阵列的一种分布设置方式是：发光阵列中的各个发光单元设置在同一个水平面上；和/或所述光电检测阵列中的各个光电检测器设置在同一个水平面上，如图5所示，各个发光单元和各个光电检测器均匀的设置在同一个水平面上。在这里需要说明的一点是：对于第一收发装置、可见光中继装置和第二收发装置来说，均对应有一个发光阵列和光电检测阵列，则对于同一个装置的发光阵列和光电检测阵列来说，该同一个装置中的各个发光单元和各个光电检测器设置在同一个水平面上，而非所有装置的发光单元和光电检测器设置在同一个水平面上。
对于任意一个装置(第一收发装置、可见光中继装置和第二收发装置中的任意一个)来说，该装置内的发光单元和光电检测器所在水平面是该装置对应的水平面，如该装置所在水平面，或者该装置封装在一个壳体中，水平面为封装该装置的壳体的横切面。
上述发光阵列的分布设置方式能够获得更大的发射角，光电检测阵列的分布设置方式能够增大接收范围，如此令发射端的发射角变大，接收端的接收范围增大，接收端在发射角覆盖的范围内都可以收到信号，而不必令收发端在一条直线上，可以理解，第一收发装置、可见光中继装置和第二收发装置既为发射端又为接收端，在第一收发装置、可见光中继装置和第二收发装置中的任意一个装置发送信号时视为发射端，其他为接收端，通过上述分布设置增大发射角和接收范围，由此可以降低水下可见光通信系统中第一收发装置、可见光中继装置和第二收发装置对准的难度。
在本实施例中，可见光中继装置、所述第一收发装置和所述第二收发装置分别封装在一个壳体中，相对应的发光阵列和光电检测阵列的另一种分布设置方式是：发光阵列中至少一个发光单元在所述壳体上的高度与其他发光单元在所述壳体上的高度不同；和/或所述光电检测阵列中至少一个光电检测器在所述壳体上的高度与其他光电检测器在所述壳体上的高度不同。
在这里需要说明的一点是：对于第一收发装置、可见光中继装置和第二收发装置来说，均对应有一个发光阵列和光电检测阵列，则发光阵列中至少一个发光单元在壳体上的高度与其他发光单元在壳体上的高度不同，是针对同一个装置的发光阵列来说，而非多个装置的不同发光阵列。同样的对于光电检测阵列来说同样如此，对同一个装置的光电检测阵列来说，光电检测阵列中至少一个光电检测器在壳体上的高度与其他光电检测器在壳体上的高度不同。
具体的，以壳体的外表面为球面来说，以其接地的水平面为底，光电检测器在壳体上的位置与该底的距离即为高度，高度不同的设置即说明它们并不位于同一个水平面上，各个光电检测器位于不同高度上，如可以如图6所示，呈螺旋状均匀的分布设置在球面上，该方式能够增大接收范围，降低了水下可见光通信系统中第一收发装置、可见光中继装置和第二收发装置对准的难度。
在本实施例中，在设置光电检测器时，令光电检测器的法向量是所述壳体对应的球心与所述光电检测器之间的连线，且连线的方向从所述壳体对应的球心指向光电检测器，该设置方式能够减少可见光信道秩的缺失，改善可见光通信信道。
在实际应用中，可以采用发光阵列中的各个发光单元均匀的分布设置在球面上，各个发光单元位于同一个水平面上，光电检测阵列中的各个光电检测器以螺旋状均匀的分布设备在球面上，光电检测器的法向量是所述壳体对应的球心与所述光电检测器之间的连线，且连线的方向从所述壳体对应的球心指向光电检测器的设置方式，以最大限度的提高通信的质量。
在本实用新型一实施例中，可见光中继装置还包括分别与所述接收单元和所述发送单元连接的中继单元，所述中继单元，用于向所述发送单元发送与所述第一终端进行通信的第三信号，其中第三信号可以是中继单元在接收到第一信号后，向第一终端反馈的响应信号，以表明第一收发装置到该中继单元所在的可见光中继装置之间的通信正常，或者是中继单元在没有接收到第一信号的情况下向第一终端发送的除具备响应功能之外的信号，如指示第一终端执行某种操作的请求信号等，使得中继单元可以与第一终端进行通信，这样就可以将中继单元视为一个终端，实现第一终端通过水下可见光通信系统与多个终端(中继单元和第二终端)进行通信，并且通过可视为终端的中继单元实现在不同距离向第一终端反馈信号的需求；
所述发送单元，还用于将所述第三信号转换为第三可见光信号，并将所述第三可见光信号发送至所述通信信道上；
所述第一收发装置，还用于接收所述可见光中继装置发送的第三可见光信号并将所述第三可见光信号还原为所述第三信号；
所述中继单元，还用于向所述发送单元发送与所述第二终端进行通信的第四信号，同样的对于第四信号来说，第四信号可以是中继单元在接收到第二信号后，向第二终端反馈的响应信号，以表明第一收发装置到该中继单元所在的可见光中继装置之间的通信正常，或者是中继单元在没有接收到第一信号的情况下向第二终端发送的除具备响应功能之外的信号，使得中继单元可以与第二终端进行通信，这样就可以将中继单元视为一个终端，实现第二终端通过水下可见光通信系统与多个终端(中继单元和第一终端)进行通信，并且通过可视为终端的中继单元实现在不同距离向第二终端反馈信号的需求；
所述发送单元，还用于将所述第四信号转换为第四可见光信号，并将所述第四可见光信号发送至所述通信信道上；
所述第二收发装置，还用于接收所述可见光中继装置发送的第四可见光信号并将所述第四可见光信号还原为所述第四信号。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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。