水下自适应无线光通信装置及方法与流程

本发明涉及一种水下、尤其是海洋环境下自适应无线光通信装置和方法，特别是一种基于监测到的后向散射回波信号全波形、预测对端将要接收到的通信光脉冲的宽度和幅度，从而选择合适的调制编码参数和发射参数，在保证通信余量的前提下获取匹配的通信速率，在不增加额外光源平均功率的情况下，通过降低单脉冲能量、提高激光器重频和减小脉冲位置调制时隙宽度，实现在更好的水质条件下同样的传输距离获得更高的通信速率，或者通过降低激光器重频、提高单脉冲能量和增加脉冲位置调制时隙宽度，实现劣化水质条件下的同样传输距离的低速率通信，充分发挥了水下无线光通信系统的潜能并克服了单一参数水下光通信系统可用性差的难题，可以广泛应用于各种水下无线光通信应用场合。

背景技术：

海洋占地球表面积的近70％，随着人类开发与利用海洋的不断深入，水下传感器数据越来越多，如何在海水下实现大洋深处的有效通信和构建一个水下传感互联网络成为一个难题。由于海水的趋肤效应，大海深处难以采用无线通信，而蓝绿激光由于处于海水的低损耗窗口波长，特别适合用于水下无线光通信；脉冲位置调制由于具有高的峰值功率，可以抵消部分脉冲展宽和幅度衰减的影响，采用脉冲位置调制的蓝绿激光通信系统可以实现水下较长距离的信息传输。水下无线光通信系统性能与水质参数密切相关，不同的水质对发射参数有着不同的要求，水质越差，导致的脉冲时间展宽越大，幅度衰减越严重，则可通信的速率越低，可传输距离越短，要求的激光单脉冲能量越强；水质越好，导致的脉冲时间展宽越小，幅度衰减越轻微，则可通信的速率越高，可传输的距离越长，要求的激光单脉冲能量越弱。随着脉冲激光器技术的不断发展，激光器单脉冲能量和重复频率都在提高，传输距离和通信速率也在不断增加，但是对于同样平均功率的激光器而言，单脉冲能量和重复频率乘积是一个常数，单脉冲能量越高则重复频率就降低，重复频率越高则单脉冲能量就低，需要根据不同的侧重点优化设备。目前水下光通信通常都是基于事先获取到的水质参数统计结果，基于可用性在保证最差水质参数情况下仍然设计预留有一定的余量下的固定通信速率和发射参数下的通信，也即采用设定重复频率和单脉冲能量的激光器，实际上从大的方面看随着季节的变化，水质参数会有比较大的波动，从小的方面看，每天都存在不一样。对于较好水质，脉冲传输展宽小，水体衰减小，此时将会形成接收端信号强度的饱和，可以用更小的发射能量就可以满足通信需求，或者用更高的通信速率进行传输；对于较差水质，脉冲传输展宽增加，全程信道衰减增加，如果仍然按照设定的发射参数，则难以实现同等传输距离的通信，从而造成了设备的浪费和通信的中断，而通过降低通信速率和提高激光器单脉冲能量，实际上仍然可以维持地速率的通信，确保通信链路的连接，对于工程应用具有重要的意义。因而对于目前的水下光通信系统而言，由于发射参数是固定的，在水质较好时，系统性能未能充分发挥，水质较差时，由于通信的中断造成了设备的浪费，极大的限制了水下光通信的应用推广，成为制约水下光通信发展的一个难题。

为了破解上述难题，我们对水下光通信性能的主要影响因素进行了研究。影响激光水下传输的主要参数为吸收系数和散射系数，吸收系数和散射系数共同构成了海水的衰减系数。目前水质参数的测量主要利用专用的吸收/衰减系数测量仪和散射系数测量仪，利用的都是测量接收端和发射端的信号比值，基于传输距离和接收角度，计算待测参数。在水下测量和机载测量时还可以利用后向散射回波信号进行有效衰减系数的测量，有效衰减系数介于吸收系数和衰减系数之间，在接收视场足够大时，等效为漫射衰减系数，可以用来近似估计水下传输性能。针对水下光通信而言，如果在发射时能够利用已有设备简便的测量到散射系数和有效衰减系数，则可以预测给定传输距离下水体导致的衰减和脉冲展宽，从而设计优化的发射参数。

结合水下光通信的优点和水体参数测量的好处，本发明可以实现水下无线光通信系统的自适应调节，获得更为充分的系统性能发挥，并且具有额外开销小的特点，几乎不增加现有设备的复杂性，特别适合于大洋深处多传感器互联和水面平台与水下设备间的通信联络，可以实现通信速率的自适应调节，大幅提升系统效率，在水下光通信领域具有重要的应用前景。

技术实现要素：

本发明要解决的问题在于克服单一参数无线光通信系统在海洋环境应用时所遇到的难题，满足不同水质参数下的自适应参数调节需求，提供一种通用的水下自适应无线光通信装置和方法，该装置可以解决在不同水质条件下、大洋深处较长距离高速信息传输时单一通信速率不能充分发挥系统性能的难题，尽可能的实现更长的通信距离或者更大的通信速率，满足不同水质条件下、大洋深处多传感器互连、水下母船与子船、子船与子船间通信、母船与蛙人以及蛙人之间的通信场合，并可应用于水面大型舰艇编队间水面与水下协同配合，以及深海工作站与深海机器人间的通信。

本发明的技术解决方案如下：

一种水下自适应无线光通信装置，包括光发射终端、光接收终端和主控板；所述的光发射终端包括激光驱动电源、激光器和发射扩束光路，所述的光接收终端包括小口径接收光路、光电探测器和信号放大电路，所述的主控板包括高速数据采集卡、散射系数及衰减系数测量模块、自适应控制模块、编码调制模块和解调译码模块，所述的小口径接收光路将接收到的光信号汇聚到焦点处的光电探测器上，该光电探测器的输出端与所述的信号放大电路的输入端相连，该信号放大电路的输出端与所述的高速数据采集卡的输入端相连，该高速数据采集卡的第一输出端与所述的解调译码模块的输入端相连，第二输出端与所述的散射系数及衰减系数测量模块的输入端相连，该散射系数及衰减系数测量模块的输出端与所述的自适应控制模块的输入端相连，该自适应控制模块的第一输出端与激光驱动电源的第一控制端相连，该自适应控制模块的第二输出端与所述的编码调制模块的输入端相连，该编码调制模块的输出端与激光驱动电源的第二控制端相连，该激光驱动电源的输出端与激光器的输入端相连，沿该激光器的输出光路方向放置所述的发射扩束光路。

所述的激光驱动电源采用成熟的脉冲激光器驱动技术，可以由外部触发信号控制激光出光频率，并由外部模拟信号调节激光单脉冲能量；

所述的激光器为小型化全固态蓝绿激光器，可以由激光器驱动电源驱动，发射脉冲蓝绿激光，适合水下信息传输；

所述的发射光路和接收光路采用卡塞格林结构，收发同光路，发射激光信号经次镜前端的45度反射镜发射出去，接收信号由主、次镜汇集后送光电探测器检测；

所述的光电探测器可以对接收到的光信号进行检测，将光信号转化为电信号，并进一步通过信号放大电路将电信号进行放大；

所述的高速数据采集卡，在触发脉冲的控制下进行高速短时间采集，可以将返回的光信号波形数字化；

所述的散射系数及衰减系数测量模块，对数字化的返回光信号波形进行拟合，求解散射系数和衰减系数；

所述的自适应控制模块，基于求解的散射系数和衰减系数，改变激光驱动电源大小、调制时隙宽度和激光出光频率，实现自适应控制编码调制参数和发射参数。

应用上述水下自适应无线光通信装置进行水下自适应无线光通信的方法，包括如下步骤：

①水体参数主动测量阶段：激光器设置为低固定频率输出，首先以低单脉冲能量发射NL个脉冲，每个脉冲延时T0触发1G高速数据采集卡采集TL时长信号，将NL个脉冲波形进行平均，根据平均后的波形进行指数拟合，求解低脉冲能量情况下测得的漫射衰减系数和散射系数；其次以中脉冲能量发射NM个脉冲，每个脉冲延时T0触发1G高速数据采集卡采集TM，将NM个脉冲波形进行平均，根据平均后的波形进行指数拟合，求解中脉冲能量情况下测得的漫射衰减系数和散射系数；再次以高脉冲能量发射NH个脉冲，每个脉冲延时T0触发1G高速数据采集卡采集TH，将NH个脉冲波形进行平均，根据平均后的波形进行指数拟合，求解高脉冲能量情况下测得的漫射衰减系数和散射系数；最后将三次结果进行平均，即为测量到的衰减系数C和散射系数B；NL、NM和NH为不小于3的整数。

②自适应参数调节阶段：基于测量到的衰减系数C和散射系数B，自适应控制模块改变激光器单脉冲能量，设置脉冲位置调制时隙宽度Ts、调制方式和控制激光器触发时序，实现激光发射参数和编码调制参数的自适应调节；

③信息发送阶段：在发射参数和通信速率设置完成后，进入到信息发送模式，编码调制模块将待发送信息按照设定好的时隙宽度Ts和编码格式编码调制后驱动激光驱动电源，使得激光器发送携带了信息的激光，并通过发射扩束光路发送出去，实现信息的发送；

④信息接收阶段：解调译码模块对接收到的高速采集到的数字化信号进行解调和解码，还原出原始信息，实现信息的接收；

⑤结束通信：在全部待发送信息发送完毕及信息接收完全后，结束通信，并依次断电进入待机状态。

本发明水下自适应无线光通信装置及方法的优点在于：

①本发明采用小型化、高重频、高亮度全固态蓝绿激光器，结合脉冲位置调制，充分利用峰值功率，具有传输距离远、通信速率高、功耗低和体积小特点；

②本发明利用蓝绿激光进行水下通信，由于蓝绿激光处于海水低损耗窗口，因此传输损耗低，外加本发明采用蓝绿增强型光电倍增管作为光电探测器，结合前置放大与主放电路，探测灵敏度好，可通信距离长；

③本发明利用主动照明结合回波信号进行水质光学参数测量，结构紧凑，测量可靠，通用性好；

④本发明利用测量到的光学参数对发射系统进行自适应控制，具有一定的智能特性，可用适应不同的应用场合，充分发挥水下光通信系统的潜能，拓展水下光通信系统可应用环境；

⑤本发明解决了不同水质条件下、大洋深处较长距离高速信息传输时单一通信速率不能充分发挥系统性能的难题，尽可能的实现更长的通信距离或者更大的通信速率，满足不同水质条件下、大洋深处多传感器互连、水下母船与子船、子船与子船间通信、母船与蛙人以及蛙人之间的通信场合，并可应用于水面大型舰艇编队间水面与水下协同配合，以及深海工作站与深海机器人间的通信。

⑥本发明综合利用了水体后向散射系数测量技术和自适应控制技术，通过对后向散射回波信号的测量，求解水体衰减系数和散射系数，进而自适应控制激光器的发射和调制参数，实现了不同环境下的自适应速率通信，具有体积小、集成度高、智能性强的特点。

附图说明

图1为本发明水下自适应无线光通信装置及方法整体结构暨内部逻辑功能单元示意图；

图2为本发明水下自适应无线光通信装置及方法工作的流程图。

图中：1—光发射终端，11—激光驱动电源，12—激光器，13—发射扩束光路，2—光接收终端，21—小口径接收光路，22—光电探测器，23—信号放大电路，3—主控板，31—高速数据采集卡，32—散射系数及衰减系数测量模块，33—自适应控制模块，34—编码调制模块，35—解调译码模块。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

以某场合下的水下自适应无线光通信为实施例，采用脉冲位置调制方式，平均功率1W绿光激光器作为光源，金属封装蓝绿增强型光电倍增管作为探测器，可根据水质的不同自适应实现通信速率的调节，在I类水质下可实现10kbps速率、100米的水下传输距离，II类水质下可实现2.5kbps速率和80米的水下传输距离，III类水质下可实现0.3kbps速率和50米的水下传输距离。

首先请参照图1，图1为本发明水下自适应无线光通信装置及方法整体结构暨内部逻辑功能单元示意图。由图1可见，本发明水下自适应无线光通信装置及方法由光发射终端1、光接收终端2和主控板3构成。其中光发射终端1由激光驱动电源11、激光器12和发射扩束光路13构成；光接收终端2由小口径接收光路21、光电探测器22和信号放大电路23；主控板3由高速数据采集卡31、散射系数及衰减系数测量模块32、自适应控制模块33、编码调制模块34和解调译码模块35组成。其位置及连接关系是：激光驱动电源11分别通过SMA接口与编码调制模块34和自适应控制模块33连接，接收编码调制模块34和自适应控制模块33的控制，驱动激光器12发射携带有信息的脉冲激光，该激光入射到激光器12前面的发射扩束光路13，将射入的激光准直扩束后发射出去；小口径接收光路21位于整个系统的最前端，将接收到的光信号汇聚到焦点处的光电探测器22上，光电探测器22进行光电转换将光信号转化为电信号送入到后端的信号放大电路23，信号放大电路23对信号进行放大；放大后的信号输出给高速数据采集卡31，高速数据采集卡31对放大后的信号进行全波形采集，采集结果分别送散射系数及衰减系数测量模块32进行测量和解调译码模块35进行解调解码，在参数测量阶段，小口径接收光路21收集自身激光器12发射激光的后向散射光信号，经光电探测器22进行光电转换后送信号放大电路23放大后输出；在延时输出触发脉冲的触发下，高速数据采集卡31对放大后的信号进行全波形采集，采集结果送散射系数及衰减系数测量模块32进行测量，散射系数及衰减系数测量模块32可以根据波形拟合结果计算出相应的散射系数和衰减系数，自适应控制模块33基于测量结果自动选择编码调制模块34工作参数和激光器发射参数，最终控制激光驱动电源11的电流幅度、出光频率和编码调制特性，在通信接收阶段，小口径接收光路21收集的是端发射的激光信号，经光电探测器22进行光电转换后送信号放大电路23放大后输出；高速数据采集卡31对放大后的信号进行数字化，解调译码模块35可以对包含有信息的数字化信号进行解调和译码，从而还原出信息，实现信息的接收，最终实现不同水质条件下的自适应通信。

本实施例采用的具体器件为：所述光发射终端1中激光驱动电源11选用上海光机所型号产品，激光器12选用上海光机所平均功率1W系列绿光激光器，发射扩束光路13选用Thorlabs公司4倍扩束准直镜；所述光接收终端2中小口径接收光路21选用Thorlabs公司3“口径、焦距100mm产品，光电探测器22选用选用滨松公司金属封装、蓝绿增强型光电倍增管R9880系列产品，信号放大电路23选用上海XX公司低噪声小信号放大器；所述主控板3为上海光机所基于XinlinxV4 FPGA和TI 6405 DSP自研集成板卡，其中高速数据采集卡31选用Gage公司1G采样速率板卡，散射系数及衰减系数测量模块32、自适应控制模块33、编码调制模块34和解调译码模块35，都由DSP和FPGA通过软件内核编程来实现。

其次请参照图2，图2为本发明水下自适应无线光通信装置及方法工作的流程图。由图2可知，首先进行水体参数主动测量，系统上电，主控板复位，激光器以低、中、高三种单脉冲能量各发射十个脉冲，即NL、NM和NH都为10，测量相应的漫射衰减系数和散射系数，将三种条件下的结果进行平均，即为测量到的衰减系数和散射系数；接着进入自适应参数调节，基于测量到的衰减系数和散射系数，自适应控制模块调节激光器单脉冲能量，重复频率，设置脉冲位置调制时隙宽度和控制激光器触发时序，实现激光发射参数和通信速率的自适应调节；接下来在发射参数和通信速率设置完成后，进入到信息发送模式，编码调制模块将待发送信息按照设定好的时隙宽度编码调制后驱动激光驱动源，使得蓝绿激光器发送携带了信息的蓝绿激光，并通过发射光路发送出去；信息接收模式下，解调译码模块对接收到的高速采集到的数字化信号进行解调和解码，还原出原始信息，实现信息的接收；最后，在全部待发送信息发送完毕和信息接收完全后，结束通信，并依次断电进入待机状态。

结合图1和图2，本发明实施基于水质参数主动测量、调制编码参数和发射参数自动控制实现水下自适应速率的无线光通信的具体过程是：

①水体参数主动测量阶段：将激光器设置为低固定频率输出，首先以低单脉冲能量发射10个脉冲，每个脉冲延时20ns触发1G高速数据采集卡采集100ns时长信号，将10个脉冲波形进行平均，根据平均后的波形进行指数拟合，求解低脉冲能量情况下测得的漫射衰减系数和散射系数；其次以中脉冲能量发射10个脉冲，每个脉冲延时20触发1G高速数据采集卡采集100ns，将10个脉冲波形进行平均，根据平均后的波形进行指数拟合，求解中脉冲能量情况下测得的漫射衰减系数和散射系数；再次以高脉冲能量发射10个脉冲，每个脉冲延时20ns触发1G高速数据采集卡采集100ns，将10个脉冲波形进行平均，根据平均后的波形进行指数拟合，求解高脉冲能量情况下测得的漫射衰减系数和散射系数；最后将三次结果进行平均，即为测量到的衰减系数C和散射系数B；

②自适应参数调节阶段：基于测量到的衰减系数C和散射系数B，自适应控制模块改变激光器单脉冲能量，设置脉冲位置调制时隙宽度Ts、调制方式和控制激光器触发时序，实现激光发射参数和编码调制参数的自适应调节；

③信息发送阶段：在发射参数和通信速率设置完成后，进入到信息发送模式，编码调制模块将待发送信息按照设定好的时隙宽度Ts和编码格式编码调制后驱动激光驱动电源，使得激光器发送携带了信息的激光，并通过发射扩束光路发送出去，实现信息的发送；

④信息接收阶段：解调译码模块对高速采集到的数字化信号进行解调和解码，还原出原始信息，实现信息的接收；

⑤结束通信：在全部待发送信息发送完毕及信息接收完全后，结束通信，并依次断电进入待机状态。