用于船舶的可见光通信装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种用于船舶的可见光通信装置，包括：用于发出光信号的发送模块和用于接收光信号的接收模块；所述发送模块包括：多个发出光信号的发光二极管LED；所述LED中设有用于降低所述LED的半功率角的第一透镜；所述接收模块包括：用于接收光信号的光电探测器和用于汇聚平行光的第二透镜；所述第二透镜位于所述光电探测器的前端。上述装置能够实现在船舶之间的可见光通信，且能够提高船舶间通信的可靠性。
【专利说明】用于船舶的可见光通信装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及光通信技术，尤其涉及一种用于船舶的可见光通信装置。
【背景技术】
[0002]可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，一般指波长在400到700纳米之间的光，利用这个带宽范围内的光进行通信的技术即为可见光通信技术。近年来，发出可见光的发光二极管(Light Emitting D1de，简称LED)的性能不断提高，使LED具有效率高、光通量大、带宽窄、寿命长、性能稳定等优点，这些优点使基于LED的可见光通信成为可能。
[0003]LED的可见光通信是以LED作为光源，以光电转换器件或者光学成像器件作为光电探测器，以大气为传输媒质，将发送信号调制在LED发出的可见光上进行通信的无线光通信技术。这种通信技术有通信安全性高、无需无线电频谱认证、无电磁干扰、信道带宽大、传输速率高。
[0004]图1示出了现有技术中的应用于室外的可见光通信系统，如图1所示，图1中可见光通信系统包括:发送模块和接收模块；所述发送模块包括编码单元、LED驱动单元和LED ；所述接收模块包括:光电探测器、前置放大器、滤波单元、数据恢复单元、解码单元。
[0005]发送模块把发送信息转换成高低变化的电流，LED驱动单元驱动电流流过LED，调制LED出射光的功率，LED发出携带发送信息的可见光。
[0006]接收模块的光电探测器把光信号转变为电信号，前置放大器对电信号进行低噪声放大，并经过滤波单元滤除电域噪声，数据恢复单元从滤除电域噪声的滤波单元中恢复出数字信号，数字信号通过解码单元得到发送信息。
[0007]然而，应用于室外远距离的可见光通信系统，一方面随着距离的增长其性能会下降，并且可见光通信系统内部采用的滤波、汇聚、耦合器件会带来部分光学损耗；另一方面，可见光通信系统还会受到外部天气条件因素，如雨、雪、雾衰减的影响。
[0008]若将上述可见光通信系统应用于船舶之间进行通信，其缺陷包括:船间通信距离远，信号衰减大，通信传输媒质中的湍流影响明显，严重影响船舶检可见光通信的高速稳定传输。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种用于船舶的可见光通信装置，实现在船舶之间进行通信，且提高船舶间通信的可靠性和稳定性。
[0010]本发明的用于船舶的可见光通信装置，包括:
[0011]用于发出光信号的发送模块和用于接收光信号的接收模块；
[0012]所述发送模块包括:多个发出光信号的LED ;所述LED中设有用于降低所述LED的半功率角的第一透镜；
[0013]所述接收模块包括:用于接收光信号的光电探测器和用于汇聚平行光的第二透镜；所述第二透镜位于所述光电探测器的前端。
[0014]可选地，所述第二透镜为菲涅尔透镜。
[0015]可选地，所述光电探测器与所述第二透镜之间设有用于透过红色光的第一滤光片、用于透过绿色光的第二滤光片、用于透过蓝色光的第三滤光片中的一种或多种。
[0016]可选地，所述光电探测器的外围嵌套有不透光套筒。
[0017]可选地，所述LED和所述光电探测器间隔分布在同一信号灯上。
[0018]可选地，所述多个发出光信号的LED包括:
[0019]发出蓝色光信号的LED，发出红色光信号的LED，发出绿色光信号的LED。
[0020]可选地，所述发送模块采用半双工工作方式，所述接收模块采用半双工工作方式。
[0021]可选地，所述发送模块的编码方式为下述编码方式中的一种:
[0022]红外编码方式、脉冲位置调制(Pulse Posit1n Modulat1n,简称PPM)编码方式、莫尔斯编码方式。
[0023]可选地，所述发送模块还包括:
[0024]第一上位机、第一电平转换单元、第一单片机、编码单元、所述LED的驱动单元；
[0025]所述第一上位机的输出端与所述第一电平转换单元的输入端连接，所述第一电平转换单元的输出端连接所述第一单片机的输入端，所述第一单片机的输出端连接所述编码单元的输入端，所述编码单元的输出端连接所述LED的驱动单元的输入端，所述LED的驱动单元驱动所述多个发出光信号的LED发出可见光。
[0026]可选地，所述接收模块还包括:
[0027]连接所述光电探测器的前置放大器、求和滤波单元、数据恢复单元、解码单元、第二单片机、第二电平转换单元和第二上位机；
[0028]所述前置放大器的输入端连接所述光电探测器，所述前置放大器的输出端连接所述求和滤波单元的输入端，所述求和滤波单元的输出端连接所述数据恢复单元的输入端，所述数据恢复单元的输出端连接所述解码单元的输入端，所述解码单元的输出端连接所述第二单片机的输入端，所述第二单片机的输出端连接所述第二电平转换单元的输入单元的输入端，所述第二电平转换单元的输出端连接所述第二上位机的输入端。
[0029]由上述技术方案可知，本发明的用于船舶的可见光通信装置，通过在发送模块的LED中嵌设降低LED半功率角的第一透镜，在接收模块的光电探测器的前端设置用于汇聚平行光的第二透镜，可使得可见光通信装置应用于船舶之间，实现了船舶之间的可见光通信，且能够提高船舶间通信的可靠性和稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为现有技术中的应用于室外的可见光通信系统的结构示意图；
[0031]图2为本发明一实施例提供的可见光通信装置的结构示意图；
[0032]图3A为本发明中LED和第二透镜间隔分布的示意图；
[0033]图3B为本发明中一个LED的一组第一透镜的分布示意图；
[0034]图4A为本发明中发送模块的LED的相对辐射功率谱的示意图；
[0035]图4B为本发明中接收模块的一个滤光片透过率频谱的示意图；
[0036]图5为多种数字调制方式性能比较示意图；
[0037]图6为本发明的可见光通信装置的发送模块的示意图；
[0038]图7为本发明的可见光通信装置的接收模块的示意图；
[0039]图8为本发明的可见光通信装置的接收模块输出的信号示意图；
[0040]图9为本发明的可见光通信装置的接收模块的信息显示的示意图；
[0041]图10为现有技术中可见光通信系统的发射接收示意图；
[0042]图11为现有技术中可见光通信系统中发送模块和接收模块之间的距离引起的损耗的不意图；
[0043]图12为现有技术中可见光通信系统的半功率角引起的增益的示意图。
【具体实施方式】
[0044]图2示出了本发明一实施例提供的可见光通信装置的结构示意图，如图2所示，本实施例的可见光通信装置包括:用于发出光信号的发送模块和用于接收光信号的接收模块；
[0045]在本实施例中，发送模块包括:多个发出光信号的LED ;所述LED中设有用于降低所述LED的半功率角的第一透镜；
[0046]所述接收模块包括:用于接收光信号的光电探测器；所述光电探测器的前端设有用于汇聚平行光的第二透镜。
[0047]在本实施例中，第一透镜可将LED的半功率角降低到30以内，且第一透镜和LED芯片连接，可将LED发出的可见光转换为平行光，如图2所示。
[0048]另外，在实际应用中，可将LED和所述光电探测器间隔分布在同一信号灯上，为此，在光电探测器的外围嵌套有不透光套筒。由此，可以防止发送模块中的LED对光电探测器造成的近端串扰。为了进一步防止近端串扰，LED和光电探测器可在信号灯上穿插分布/间隔分布，如图3A所不。
[0049]应说明的是，前述发送模块中多个发出光信号的LED可包括:发出蓝色光信号的LED (对应图3A中的蓝色LED)，发出红色光信号的LED (对应图3A中的红色LED)，发出绿色光信号的LED(对应图3A中的绿色LED)。特别地，本实施例中位于信号灯上的LED可为发出单色光信号的LED。也就是说，LED的驱动单元控制LED发出单色光。
[0050]此外，由于LED和光电探测器位于同一个信号灯上，为了防止前述的近端串扰，可使发送模块采用半双工工作方式，所述接收模块采用半双工工作方式。另外，需要说明的是，在图3A中显示有了绿色接收透镜、蓝色接收透镜、红色接收透镜，在实际应用中，这三个接收透镜均为菲涅尔透镜。其中，绿色接收透镜表示的含义为:第一，该绿色接收透镜后面的滤光片(如下所述的第二滤光片)用于透过绿色光；第二，由于接收透镜旁边设置的是发出红色光的LED和发出蓝色光的LED (如图3A所示)，为较好的防止近端串扰，该处区域的接收透镜可用于接收绿色光。为此，在图3中左上角区域设置为绿色接收透镜。
[0051]相应地，蓝色接收透镜表示的含义为:第一，该蓝色接收透镜后面的滤光片(如下所述的第三滤光片)用于透过蓝色光；第二，由于接收透镜旁边设置的是发出红色光的LED和发出绿色光的LED (如图3A所示)，为较好的防止近端串扰，该处区域的接收透镜可用于接收蓝色光；为此，在图3中右上角区域设置为蓝色接收透镜。
[0052]红色接收透镜表示的含义:第一，该红色接收透镜后面的滤光片(如下所述的第一滤光片)用于透过红色光;第二，由于接收透镜旁边设置的是发出蓝色光的LED和发出绿色光的LED (如图3A所示)，为较好的防止近端串扰，该处区域的接收透镜可用于接收红色光。为此，在图3中下方区域设置为红色接收透镜。
[0053]前述的LED可为红绿蓝三色LED。三色LED要比单色LED在通信信道中的抗湍流方面性能更好。这样用三色LED通信可以减弱信道中湍流对信号的影响，提高信噪比，增加高速通信的可靠性。同时，单色LED与白光LED相比具有更窄的频带，可以进一步通过光学滤波滤除背景光噪声，提高信噪比。
[0054]LED的选型主要从电光转换效率、最大直流电流、封装类型等角度来考虑。三色LED的封装一共有两种形式，第一种是多芯片LED，另外一种是单芯片LED。这两种封装LED的数据手册会给出光通量大小，一般不会给出出射光光功率。LED作为可见光通信的光源，重点考虑LED的输出功率。光通量和光功率有如下关系:
【权利要求】
1.一种用于船舶的可见光通信装置，其特征在于，包括:用于发出光信号的发送模块和用于接收光信号的接收模块； 所述发送模块包括:多个发出光信号的发光二极管LED ;所述LED中设有用于降低所述LED的半功率角的第一透镜； 所述接收模块包括:用于接收光信号的光电探测器和用于汇聚平行光的第二透镜；所述第二透镜位于所述光电探测器的前端。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二透镜为菲涅尔透镜。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器与所述第二透镜之间设有用于透过红色光的第一滤光片、用于透过绿色光的第二滤光片、用于透过蓝色光的第三滤光片中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器的外围嵌套有不透光套筒。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述LED和所述光电探测器间隔分布在同一信号灯上。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个发出光信号的LED包括: 发出蓝色光信号的LED，发出红色光信号的LED，发出绿色光信号的LED。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述发送模块采用半双工工作方式，所述接收模块采用半双工工作方式。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发送模块的编码方式为下述编码方式中的一种: 红外编码方式、脉冲位置调制PPM编码方式、莫尔斯编码方式。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发送模块还包括: 第一上位机、第一电平转换单元、第一单片机、编码单元、所述LED的驱动单元； 所述第一上位机的输出端与所述第一电平转换单元的输入端连接，所述第一电平转换单元的输出端连接所述第一单片机的输入端，所述第一单片机的输出端连接所述编码单元的输入端，所述编码单元的输出端连接所述LED的驱动单元的输入端，所述LED的驱动单元驱动所述多个发出光信号的LED发出可见光。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收模块还包括: 连接所述光电探测器的前置放大器、求和滤波单元、数据恢复单元、解码单元、第二单片机、第二电平转换单元和第二上位机； 所述前置放大器的输入端连接所述光电探测器，所述前置放大器的输出端连接所述求和滤波单元的输入端，所述求和滤波单元的输出端连接所述数据恢复单元的输入端，所述数据恢复单元的输出端连接所述解码单元的输入端，所述解码单元的输出端连接所述第二单片机的输入端，所述第二单片机的输出端连接所述第二电平转换单元的输入单元的输入端，所述第二电平转换单元的输出端连接所述第二上位机的输入端。
【文档编号】H04B10/116GK104079352SQ201410264509
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】张明伦, 赵鹏, 贾银杰, 朱贺田, 王超, 郭旭景 申请人:北京邮电大学