本发明属于水下无线通信技术领域，具体涉及一种激光信号恢复模块、多点对准的水下激光通信系统及方法。
背景技术：
无线通信技术一般包括微波通信、声通信以及光通信。微波由于在水中衰减大，不适合应用在水下无线通信中；水声通信目前在水下无线通信领域中应用较广，且传输距离远，但存在着传输速率慢、抗干扰性能差，功耗高等缺点，很难满足目前海洋探测中对数据传输的高速率要求；而水下无线光通信是目前新兴的一种水下无线通信技术，光源主要包括led光和蓝绿激光。由于激光的准直度高，功率集中以及响应速度快，并且蓝绿色波段的激光在水下有较强的穿透性，因此可以实现水下长距离高速率的无线通信。
但水下激光通信对方向性要求较高，实现水下激光通信的前提是激光通信的发射端和接收端能够在较高的精度下对准，特别是在一点对多点的协作通信场景中，需要要求通信发射端能够自动调整发射角度去对准不同的接收端并建立通信。例如水面的发射端要对水底的多个接收端传输信息，此时就需要发射端在完成一次传输后自动调整方向对准下一个接收端。本发明基于对准方向自调的水下激光通信系统使用了陀螺仪对发射角度进行解算，计算出激光需要调整的方向与角度，通过云台控制激光发射端转动角度来自动对准接收端。
复杂的水下环境也是影响水下激光通信通信距离以及误码率的主要因素。较浑浊的水中或者距离较远时，激光信号将会衰减较大，加上水体的干扰以及散射等，激光信号将会叠加较多的噪声，影响误码率。目前国内的一些水下激光通信的研究都停留在实验室阶段，没有考虑到实际的应用场景，未对接收的激光信号进行专门的信号恢复。本发明考虑到在实际中的应用，在激光发射功率不能更大的情况下，能够实现更远的通信距离以及更高的通信速率，提出了专门的激光信号恢复模块，对激光接收信号进行自动增益控制(agc)以及自相关检测，提高接收信号的稳定性以及抗干扰能力，当接收信号较弱时控制增益变大。另外，接收信号过强时由于信号脉冲展宽也会影响误码率，因此信号过强时也会控制增益减小。经处理后的激光脉冲信号由可调阈值比较器恢复成数字脉冲信号。
技术实现要素：
本发明的第一个目的在于提供一种激光信号恢复模块，对经过传输后被削弱的激光信号进行恢复。
本发明一种激光信号恢复模块，包括dac电路、压控放大电路、adc采样电路、脉冲峰值保持电路、自相关电路和可调阈值比较器电路。其中，所述的dac电路、压控放大电路、adc采样电路、脉冲峰值保持电路组成自动增益控制电路；压控放大电路的输入接口接收外部输入的信号；dac电路的电压输出端连接到压控放大电路的控制输入端连接；脉冲峰值保持电路的输出接口连接到adc采样电路的采样接口。自相关电路的输出接口连接到可调阈值比较器电路及脉冲峰值保持电路的输入接口；adc采样电路的采样接口连接脉冲峰值保持电路的输出接口，数字信号并口输出接口连接到激光通信核心处理模块；dac电路的输入接口与外部的激光通信核心处理模块连接。
所述的压控放大电路包括以高速运放为中心的一级放大电路和以压控增益放大器为中心的可变增益电路。外部用于信号恢复控制的激光通信核心处理模块通过dac电路改变压控增益放大器的控制电压，实现对可变增益电路的增益进行控制；脉冲峰值保持电路通过采样保持芯片来保持信号输出端的电压；使用比较器对瞬时输入电压以及当前输出电压进行比较，并输出控制信号。脉冲峰值保持电路通过双路复用选择器来控制脉冲峰值保持电路的工作模式。脉冲峰值保持电路内设置有用于保存峰值电压的电容c27；当系统需要更新接收信号的峰值电平时，对电容c27进行放电。自相关电路通过延迟器和乘法器进行脉冲信号的自相关检测，通过将接收信号与该接收信号延迟后的信号进行乘法运算以及低通滤波的处理，抑制掉自相关较弱的噪声信号，有效提高信号的信噪比。可调阈值比较器电路通过比较器和数控电位器将经过恢复的激光信号转换为数字信号并输出。
作为优选，所述的dac电路包括数模转换器u4，电容c34、电容c35和电容c36。数模转换器u4的型号为tlv5636。数模转换器u4的第5引脚接地；数模转换器u4的第8引脚连接到电容c34、电容c35的正极及正5v电源vcc；电容c34及电容c35的负极均接地；数模转换器u4第6引脚与电容c36的一端连接，电容c36的另一端接地；数模转换器u4的第1引脚、第2引脚、第3引脚、第4引脚与外部的激光通信核心处理模块spi通信。数模转换器u4的第7引脚作为dac电路的数模转换输出端，接压控放大电路的控制输入端。
作为优选，所述的压控放大电路包括高速运放u2和压控增益放大器u3。高速运放u2的型号为opa842；压控增益放大器u3的型号为vca821。高速运放u2的第7引脚接电容c15、电容c14的正极，并连接到正5v电源vcc；电容c15、电容c14的负极均接地。高速运放u2的第4引脚连接到电容c12、电容c13的负极并连接到负5v电源vee；电容c12及电容c13的正极均接地；高速运放u2的第3引脚连接到电阻r26的一端；电阻r26的另一端接地；高速运放u2的第2引脚连接到电阻r27和电阻r28的一端；电阻r27的另一端接地；高速运放u2的第6引脚与电阻r28的另一端以及电阻r29的一端连接；电阻r29的另一端连接至电阻r30的一端及控增益放大器u3的第6引脚。电阻r30的另一端接地；高速运放u2的第3引脚接收外部输入的待恢复信号。
所述压控增益放大器u3的第14引脚和第1引脚均连接到电容c18、电容c19的正极并连接到正5v电源vcc；电容c18及电容c19的负极均接地；压控增益放大器u3的第7引脚和第8引脚均连接到电容c16、电容c17的负极并连接到负5v电源vee；电容c16、电容c17的正极均接地。压控增益放大器u3的第5引脚连接到电阻r31的一端，电阻r31的另一端连接到压控增益放大器u3的第4引脚；压控增益放大器u3的第3引脚连接到电阻r32的一端，电阻r32的另一端接地；压控增益放大器u3的第9引脚连接到电阻r33的一端，电阻r33的另一端接地；压控增益放大器u3的第12引脚连接到电阻r34的一端；压控增益放大器u3的第10引脚连接到电阻r34的另一端以及电阻r35的一端；电阻r35的另一端为压控放大电路的放大信号输出端，连接到自相关电路的输入端；压控增益放大器u3的第2引脚连接至dac电路的数模转换输出端。
作为优选，所述的adc采样电路包括模拟数字转换器u9。模拟数字转换器u9的型号为ads8505。模拟数字转换器u9的第28引脚和第27引脚均连接到电容c38、电容c37的正极并连接到正5v电源；电容c38及电容c37的负极均接地；模拟数字转换器的第3引脚连接到电容c39的正极；电容c39的负极接地；模拟数字转换器u9的第1引脚连接到电阻r46以及电阻r45的一端，第4引脚连接到电阻r46的另一端及电容c40的正极，第5引脚连接到电容c40的负极并接地；电阻r45的另一端为adc采样电路的输入端，连接到脉冲峰值保持电路的保持信号输出端；模拟数字转换器u9的第2引脚、第14引脚、第25引脚、第23引脚均接地。
所述模拟数字转换器u9的第22、21、20、19、18、17、16、15、13、12、11、10、9、8、7、6引脚组成16位并口数据线连接至外部的激光通信核心处理模块的16位输入接口。模拟数字转换器u9的第26引脚、第24引脚分别连接到外部的激光通信核心处理模块的adc读取状态输出端和adc读取控制输入端。
作为优选，脉冲峰值保持电路包括比较器u8、采样保持芯片u6和双路复用选择器u7。比较器u8的型号为tlv3501；采样保持芯片u6的型号为lf298；双路复用选择器u7的型号为sn74lvc2g53。
所述采样保持芯片u6的第3引脚连接到电容c25、电容c26的负极并连接负5v电源；电容c25、电容c26的正极均接地；采样保持芯片u6的第12引脚连接到电容c28、电容c29的正极并连接到正5v电源；电容c28、电容c29的负极均接地；采样保持芯片u6的第8引脚连接到电容c27的一端；电容c27的另一端接地。采样保持芯片u6的第10引脚连接到电阻r43的一端，电阻r43的另一端接地。双路复用选择器u7的第8引脚连接到电容c30、电容c31的正极并连接到正5v电源；电容c30、电容c31的负极均接地；比较器u8的第7引脚连接到电容c32、电容c33的正极并连接到正5v电源，电容c32、电容c33的负极均接地。
所述双路复用选择器u7的第6引脚连接到电阻r44的一端，电阻r44的另一端接正5v电源；采样保持芯片u6的第1引脚与比较器u8的第3引脚相连；采样保持芯片u6的第7引脚与比较器u8的第2引脚相连；采样保持芯片u6的第11引脚与双路复用选择器u7的第1引脚相连；双路复用选择器u7的第2引脚、第3引脚、第4引脚均接地；双路复用选择器u7的第7引脚与比较器u8的第6引脚相连；比较器u8的第4引脚及第8引脚均接地。采样保持芯片u6的1引脚为脉冲峰值保持电路的信号输入端，连接到自相关电路的输出端。采样保持芯片u6的7引脚为脉冲峰值保持电路的保持信号输出端，连接到adc采样电路的输入端。
作为优选，自相关电路包括延迟器u1和乘法器u5。延迟器u1的型号为elmec-cda；乘法器u5的型号为ad835。延迟器u1的第1引脚，为自相关电路的输入端，连接到压控放大电路的放大信号输出端及电阻r36的一端；乘法器u5的第8引脚连接到电阻r36的另一端以及电阻r38的一端；电阻r38的另一端接地；延迟器u1的第4引脚连接到电阻r37的一端；乘法器u5的第1引脚连接到电阻r37的另一端以及电阻r39的一端；电阻r39的另一端接地；乘法器u5的第5引脚连接到电阻r40、电阻r41的一端；电阻r40的另一端与电容c24的一端连接；电容c24的另一端接地；乘法器u5的第4引脚连接到电阻r41的另一端以及电阻r42的一端；电阻r42的另一端接地；乘法器u5的第3引脚连接到电容c20、电容c21的负极并连接到负5v电源；电容c20、电容c21的正极均接地；乘法器u5的第6引脚连接到电容c23、电容c22的正极并连接到正5v电源；电容c23、电容c22的负极均接地；乘法器u5的第2引脚和第7引脚均接地；延迟器u1的第2引脚、第3引脚、第6引脚及第5引脚均接地；电阻r40远离乘法器u5的那端为自相关电路的输出端。
所述的可调阈值比较器电路包括第二比较器u10和数控电位芯片u11。比较器u10的型号是tlv3501，数控电位芯片u11的型号是tpl0202。比较器u10的第7引脚连接到电容c41、电容c42的正极并连接到3.3v电源；电容c41、电容c42的负极均接地；数控电位芯片u11的第1引脚连接到电容c43的正极和3.3v电源；电容c43的负极接地；数控电位芯片u11的第14引脚连接到电阻r47的一端；比较器u10的第2引脚连接到电阻r47的另一端；比较器u10的第3引脚连接到电阻r48及电阻r49的一端，电阻r48的另一端连接到自相关电路的输出端；比较器u10的第6引脚连接到电阻r49的另一端；比较器u10的第4引脚和第8引脚均接地；数控电位芯片u11的第7引脚、第13引脚、第17引脚均接地，第15引脚接3.3v电源。
本发明的第二个目的在于提供一种应用前述激光信号恢复模块的多点对准的水下激光通信系统及其通信方法。
本发明一种基于多点对准自调的水下激光通信系统，包括激光通信核心处理模块、激光信号恢复模块、实时网络传输模块、对准方向自调控制模块、云台、激光发射电路、前级接收电路和前述的激光信号恢复模块。所述激光发射电路中的发射筒镜以及前级接收电路中的接收筒镜均安装在云台上。云台由激光通信核心处理模块通过对准方向自调控制模块进行控制。所述的对准方向自调控制模块包括ttl转485通讯电路以及陀螺仪电路。ttl转485通讯电路将激光通信核心处理模块输出单ttl电平转换为rs485电平，通过rs485串口控制云台转动。陀螺仪电路安装在云台上。陀螺仪电路的输出接口连接到激光通信核心处理模块，用于输出检测到的云台姿态信号。激光通信核心处理模块控制激光发射电路通过发射筒镜进行激光发射；激光发射电路经过发射筒镜向目标发射经过调制后的激光通信脉冲。前级接收电路通过接收筒镜和雪崩光电二极管检测外部输入的激光通信脉冲，并传输给激光信号恢复模块。激光信号恢复模块对接收的激光信号进行自动增益控制以及自相关检测处理后，将激光信号传输给激光通信核心处理模块。
作为优选，本发明一种基于多点对准自调的水下激光通信系统还包括实时网络传输模块。所述的激光通信核心处理模块与上位机通过实时网络传输模块进行通信。实时网络传输模块使用以太网w5100s模块。
作为优选，所述的ttl转485通讯电路包括电平转换芯片u13、串行数据接口p1，高频滤波电容c48、匹配电阻r50。电平转换芯片u13的型号为max485。电平转换芯片u13的第8引脚连接到电容c43的正极并连接到正5v电源；电容c43的负极接地；电平转换芯片u13的第7引脚连接到电阻r50的一端，第6引脚连接到电阻r50的另一端；电平转换芯片u13的第2引脚和第3引脚相连，第5引脚接地。电平转换芯片u13的第1引脚、第4引脚分别为ttl转485通讯电路的串口接收信号线和串口发送信号线，第2引脚和第3引脚相连为模式控制线，均连接到激光通信核心处理模块。电平转换芯片u13的第6引脚和第7引脚为rs485电平的串口接收信号线和串口发送信号线，均连接到云台。
所述的陀螺仪电路包括陀螺仪芯片u12。陀螺仪芯片u12的型号是mpu6050。所述的陀螺仪芯片u12的第13引脚连接到电容c46、电阻r51、电阻r52的一端以及磁珠fb4的一端；电容c46的另一端接地；磁珠fb4的另一端接3.3v电源；陀螺仪芯片u12的第8引脚连接到电容c47的一端；电容c47的另一端接地；陀螺仪芯片u12的第8引脚和第13引脚相连；陀螺仪芯片u12的第20引脚连接到电容c44的一端，电容c44的另一端接地；陀螺仪芯片u12的第10引脚接电容c45的一端，电容c45的另一端接地；陀螺仪芯片u12的第24引脚连接到电阻r51的另一端；陀螺仪芯片u12的第23引脚连接到电阻r52的另一端；陀螺仪芯片u12的第9引脚连接到电阻r53的一端；电阻r53的另一端接地；陀螺仪芯片u12的第1引脚、第11引脚、第8引脚均接地。陀螺仪芯片u12的第6引脚、第7引脚、第9引脚、第12引脚、第23引脚、第24引脚均连接到激光通信核心处理模块。
该多点对准的水下激光通信系统的通信方法具体如下：
步骤一、使用n个多点对准的水下激光通信系统构建一个水下激光通信场景，n≥3；n个多点对准的水下激光通信系统分为1个主节点和n-1个从节点。主节点在水面上；n-1个从节点分别设置在水底的各个需要通信的位置。主节点与上位机通信。
步骤二、通信时，主节点通过云台调整发射接收角度对准需要通信的从节点，并发射请求连接信号；该从节点感应到主节点的请求信号后向主节点返回应答信号建立通信链路开始数据传输；主节点再将从节点发送上来的信号传输给上位机，完成数据交互；
步骤三、当需要更换通信的从节点时，主节点再次通过云台调整发射接收角度自动对准新需要建立通信连接的从节点，实现一点对多点的水下激光通信。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过信号调理技术对受到水体衰减以及散射干扰的激光信号进行恢复，以达到在更长的通信距离下实现较高的通信速率，为水下无线视频传输等应用提供技术保障。
2、本发明利用云台实现了任意两个基于多点对准自调的水下激光通信系统内的发射筒镜和接收筒镜的自动对准，从而能够实现空间上分离的多个水下目标之间的激光通信。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明中信号恢复模块的系统框图；
图3为本发明中dac电路的电路原理图；
图4为本发明中压控放大电路的电路原理图；
图5为本发明中adc采样电路的电路原理图；
图6为本发明中脉冲峰值保持电路的电路原理图；
图7为本发明中自相关电路的电路原理图；
图8为本发明中可调阈值比较器电路的电路原理图；
图9为本发明中对准方向自调控制模块的系统框图；
图10为本发明中ttl转485通讯电路的电路原理图；
图11为本发明中陀螺仪电路的电路原理图；
图12为本发明构建的一点对多点的水下激光通信应用场景的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于多点对准自调的水下激光通信系统，为半双工通信模式，单个水下激光通信系统既能当接收端也能当发射端，具体包括激光通信核心处理模块1、激光信号恢复模块2、实时网络传输模块3、对准方向自调控制模块4、云台5、激光发射电路6、前级接收电路7和电源模块8。激光发射电路6中的发射筒镜以及前级接收电路7中的接收筒镜均安装在云台5上，以实现激光自对准的功能。云台5由激光通信核心处理模块1通过对准方向自调控制模块4进行控制。激光通信核心处理模块1与上位机通过实时网络传输模块3进行通信，实现通信数据的实时传输监测。实时网络传输模块3与上位机之间通过rj45接口通信。电源模块8为激光发射电路6、前级接收电路7分别提供发射高压、接收雪崩光电二极管(apd)的反偏电压，同时为激光通信核心处理模块1提供系统工作电压。
在电源电路提供的高压驱动下，激光通信核心处理模块1控制激光发射电路通过发射筒镜进行激光发射；激光发射电路经过发射筒镜向目标发射经过调制后的激光通信脉冲。激光采用520nm的绿色激光。前级接收电路7通过接收筒镜和雪崩光电二极管(apd)检测其他水下激光通信系统发出的激光通信脉冲，并传输给激光信号恢复模块。激光信号恢复模块对接收的激光信号进行自动增益控制以及自相关检测处理后，将激光信号传输给激光通信核心处理模块1，从而提高系统在复杂水下环境中的通信能力，增加通信距离，降低误码率。
激光通信核心处理模块1采用cycloneⅳ核心板，其主要实现的功能有：对发射数据进行ppm调制后驱动激光发射电路6发射激光脉冲；对接收到的激光脉冲信号进行ppm解调；通过对准方向自调控制模块4内的ttl转485通讯电路控制云台转向对准；控制对准方向自调控制模块4内的陀螺仪获取方位角并解算出对准已知的接收目标需要移动的角度和方位；驱动实时网络传输模块3，从上位机获取需实时传输的数据，或者将接收到的数据实时传输给上位机；使用spi总线协议驱动激光信号恢复模块2内的dac电路2-1产生电压控制信号，使用16位并口数据线获取激光信号恢复模块2内的adc采样电路2-3的峰值电压信号，以此来控制激光信号恢复模块2的放大增益，使信号始终保持峰值稳定；使用spi总线协议控制比较器阈值。
如图2所示，激光信号恢复模块2包括dac电路2-1、压控放大电路2-2、adc采样电路2-3、脉冲峰值保持电路2-4、自相关电路2-5和可调阈值比较器电路2-6。其中，dac电路2-1、压控放大电路2-2、adc采样电路2-3、脉冲峰值保持电路2-4组成自动增益控制电路，实现了自动增益控制(agc)功能，自相关电路2-5对激光信号进行硬件自相关处理提高信号信噪比，可调阈值比较器电路2-6将脉冲信号转换为数字信号。dac电路2-1通过spi总线连接到激光通信核心处理模块1，电压输出端连接到压控放大电路2-2；压控放大电路2-2的输入接口从前级接收电路7输入信号，输出接口向自相关电路2-5输出信号；自相关电路2-5的输出接口连接到可调阈值比较器电路2-6及脉冲峰值保持电路2-4的输入接口；adc采样电路2-3的采样接口连接脉冲峰值保持电路2-4的输出接口，数字信号并口输出接口连接到激光通信核心处理模块1；可调阈值比较器电路2-6的输出接口将经过恢复的激光信号传输给激光通信核心处理模块1。
如图3所示，dac电路2-1包括数模转换器u4，电容c34、电容c35和电容c36。其中电容c34、电容c36为高频滤波电容，电容c35为低频滤波电容。数模转换器u4的型号为tlv5636，采用spi总线连接到激光通信核心处理模块1。数模转换器u4的第5引脚接地；数模转换器u4的第8引脚连接到电容c34、电容c35的正极及正5v电源vcc；电容c34及电容c35的负极均接地；数模转换器u4第6引脚与电容c36的一端连接，电容c36的另一端接地；数模转换器u4的第1引脚、第2引脚、第3引脚、第4引脚连接到激光通信核心处理模块1(spi数据输入端tlv5636din、spi时钟输入端tlv5636sclk、spi片选端tlv5636cs、帧同步输入端tlv5636fs)。数模转换器u4的第7引脚作为dac电路2-1的数模转换输出端vcavg，接压控放大电路2-2的控制输入端(即压控增益放大器u3的第2引脚)。
如图4所示，压控放大电路2-2包括高速运放u2、压控增益放大器u3、电容c13、电容c15、电容c17、电容c19、电容c12、电容c14、电容c16、电容c18、电阻r26、电阻r27、电阻r29、电阻r30、电阻r32、电阻r33、电阻r35、电阻r28、电阻r34、电阻r31。电容c13、电容c15、电容c17、电容c19均为高频滤波电容，电容c12、电容c14、电容c16、电容c18均为低频滤波电容。电阻r26、r27、r29、r30、r32、r33、r35均为匹配电阻，电阻r28、r34为反馈电阻，电阻r31为增益设置电阻。高速运放u2的型号为opa842；压控增益放大器u3的型号为vca821。
高速运放u2的第7引脚接电容c15、电容c14的正极，并连接到正5v电源vcc；电容c15、电容c14的负极均接地。高速运放u2的第4引脚连接到电容c12、电容c13的负极并连接到负5v电源vee；电容c12及电容c13的正极均接地；高速运放u2的第3引脚连接到电阻r26的一端以及前级接收电路的信号输出端in；电阻r26的另一端接地；高速运放u2的第2引脚连接到电阻r27和电阻r28的一端；电阻r27的另一端接地；高速运放u2的第6引脚与电阻r28的另一端以及电阻r29的一端连接；电阻r29的另一端连接至电阻r30的一端及控增益放大器u3的第6引脚。电阻r30的另一端接地；
压控增益放大器u3的第14引脚和第1引脚均连接到电容c18、电容c19的正极并连接到正5v电源vcc；电容c18及电容c19的负极均接地；压控增益放大器u3的第7引脚和第8引脚均连接到电容c16、电容c17的负极并连接到负5v电源vee；电容c16、电容c17的正极均接地。压控增益放大器u3的第5引脚连接到电阻r31的一端，电阻r31的另一端连接到压控增益放大器u3的第4引脚；压控增益放大器u3的第3引脚连接到电阻r32的一端，电阻r32的另一端接地；压控增益放大器u3的第9引脚连接到电阻r33的一端，电阻r33的另一端接地；压控增益放大器u3的第12引脚连接到电阻r34的一端；压控增益放大器u3的第10引脚连接到电阻r34的另一端以及电阻r35的一端；电阻r35的另一端为压控放大电路2-2的放大信号输出端agout，连接到自相关电路2-5的输入端；压控增益放大器u3的第2引脚连接至dac电路2-1的数模转换输出端vcavg(即数模转换器u4的第7引脚)。高速运放u2及压控增益放大器u3的其余引脚均悬空。
压控放大电路2-2由高速运放u2构成的一级放大电路以及压控增益放大器u3构成的可变增益电路组成。激光通信核心处理模块1通过改变数模转换器u4的输出电压对压控增益放大器u3构成的可变增益电路的增益进行控制。
如图5所示，adc采样电路2-3的主要功能是对峰值电压进行采样，通过16位并口数据线连接到激光通信核心处理模块1，具体包括模拟数字转换器u9、电容c39、电容c40、电容c38、电容c37、电阻r45和电阻r46。其中电容c39、电容c40为补偿电容，电容c38为低频滤波电容，电容c37为高频滤波电容，电阻r45、r46为补偿电阻。模拟数字转换器u9的型号为ads8505。
模拟数字转换器u9的第28引脚和第27引脚均连接到电容c38、电容c37的正极并连接到正5v电源vcc；电容c38及电容c37的负极均接地；模拟数字转换器的第3引脚连接到电容c39的正极；电容c39的负极接地；模拟数字转换器u9的第1引脚连接到电阻r46以及电阻r45的一端，第4引脚连接到电阻r46的另一端及电容c40的正极，第5引脚连接到电容c40的负极并接地；电阻r45的另一端为adc采样电路2-3的输入端，连接到脉冲峰值保持电路的保持信号输出端peakout(即采样保持芯片u6的第7引脚输出端)；模拟数字转换器u9的第2引脚、第14引脚、第25引脚、第23引脚均接地。
模拟数字转换器u9的第22、21、20、19、18、17、16、15、13、12、11、10、9、8、7、6引脚分别为16个并口数据输出端adc_d0到adc_d15，组成16位并口数据线连接至激光通信核心处理模块1的16位输入接口。模拟数字转换器u9的第26引脚、第24引脚分别连接到激光通信核心处理模块1的adc读取状态输出端adc_busy和adc读取控制输入端adc_b/y。
如图6所示，脉冲峰值保持电路2-4包括比较器u8、采样保持芯片u6、双路复用选择器u7、电容c25、电容c28、电容c30、电容c32、电容c26、电容c29、电容c31、电容c33、电容c27、电阻r44、电阻r43。其中电容c25、电容c28、电容c30、电容c32为高频滤波电容，电容c26、电容c29、电容c31、电容c33为低频滤波电容、电容c27为采样保持电容，电阻r44为上拉电阻，电阻r43为下拉电阻。比较器u8的型号为tlv3501；采样保持芯片u6的型号为lf298；双路复用选择器u7的型号为sn74lvc2g53。
采样保持芯片u6的第3引脚连接到电容c25、电容c26的负极并连接负5v电源vee；电容c25、电容c26的正极均接地；采样保持芯片u6的第12引脚连接到电容c28、电容c29的正极并连接到正5v电源vcc；电容c28、电容c29的负极均接地；采样保持芯片u6的第8引脚连接到电容c27的一端；电容c27的另一端接地。采样保持芯片u6的第10引脚连接到电阻r43的一端，电阻r43的另一端接地。双路复用选择器u7的第8引脚连接到电容c30、电容c31的正极并连接到正5v电源vcc；电容c30、电容c31的负极均接地；比较器u8的第7引脚连接到电容c32、电容c33的正极并连接到正5v电源vcc，电容c32、电容c33的负极均接地。
双路复用选择器u7的第6引脚连接到电阻r44的一端，电阻r44的另一端接正5v电源vcc；采样保持芯片u6的第1引脚与比较器u8的第3引脚相连；采样保持芯片u6的第7引脚与比较器u8的第2引脚相连；采样保持芯片u6的第11引脚与双路复用选择器u7的第1引脚相连；双路复用选择器u7的第2引脚、第3引脚、第4引脚均接地；双路复用选择器u7的第7引脚与比较器u8的第6引脚相连；比较器u8的第4引脚及第8引脚均接地。采样保持芯片u6的1引脚为脉冲峰值保持电路的信号输入端，连接到自相关电路2-5的输出端esa_out。采样保持芯片u6的7引脚为脉冲峰值保持电路的保持信号输出端peakout，连接到adc采样电路2-3的输入端。采样保持芯片u6及比较器u8的其余引脚均悬空。
脉冲峰值保持电路2-4通过采样保持芯片u6来保持信号输出端的电压；使用比较器u8对瞬时输入电压以及当前输出电压进行比较，并输出控制信号。当处于峰值保持状态时，该控制信号被选通并且控制采样保持芯片u6的工作状态。当输入信号比当前的输出信号高时，采样保持芯片u6会被切换到跟随模式，输出信号电平将会跟随到达当前的输入信号电平。反之，当输入信号比当前输出信号低时，采样保持芯片u6会被切换到保持模式，输出信号的电平将会保持当前的输出电平；双路复用选择器u7用来控制脉冲峰值保持电路的工作模式，双路复用选择器u7的公共端连接到采样保持芯片u6的逻辑控制端第6脚，两路选通端的一路连接比较器u8的输出端第6脚，另一路接上拉电阻r44拉高电平。采样保持电容c27用于保存峰值电压，当系统需要更新接收信号的峰值电平时，需要对采样保持电容c27进行放电，通过将采样保持芯片u6的控制端第6脚拉高来使其工作在输出跟随输入状态，以此来释放之前保持的峰值电压。电容c27为采样保持电容，其容值选择与脉冲信号的脉冲宽度以及峰值有关，本发明选用低温漂、低漏电流的68pf贴片电容。当双路复用选择器u7选通为比较器u8的输出时，峰值保持电路工作在峰值保持状态以保持目前信号的峰值；双路复用选择器u7的第5脚为开关控制端，连接到激光通信核心处理模块1；采样保持芯片u6的第7脚为峰值保持电路的峰值电平输出端，连接到adc采样电路2-3。
如图7所示，自相关电路2-5包括延迟器u1、乘法器u5、电阻r36、电阻r38、电阻r37、电阻r39、电阻r41、电阻r42、电阻r40、电容c24、电容c21、电容c23、电容c20、电容c22。其中电阻r36、r37、r38、r39、r41、r42为匹配电阻，电阻r40为低通滤波电阻，电容c24为低通滤波电容、电容c21、电容c23为低频滤波电容、电容c20、电容c22为高频滤波电容。延迟器u1的型号为elmec-cda，延迟时间为8.5纳秒，乘法器u5的型号为ad835。
延迟器u1的第1引脚，为自相关电路2-5的输入端。连接到压控放大电路2-2的放大信号输出端agout及电阻r36的一端；乘法器u5的第8引脚连接到电阻r36的另一端以及电阻r38的一端；电阻r38的另一端接地；延迟器u1的第4引脚连接到电阻r37的一端；乘法器u5的第1引脚连接到电阻r37的另一端以及电阻r39的一端；电阻r39的另一端接地；乘法器u5的第5引脚连接到电阻r40、电阻r41的一端；电阻r40的另一端与电容c24的一端连接；电容c24的另一端接地；乘法器u5的第4引脚连接到电阻r41的另一端以及电阻r42的一端；电阻r42的另一端接地；乘法器u5的第3引脚连接到电容c20、电容c21的负极并连接到负5v电源vee；电容c20、电容c21的正极均接地；乘法器u5的第6引脚连接到电容c23、电容c22的正极并连接到正5v电源vcc；电容c23、电容c22的负极均接地；乘法器u5的第2引脚和第7引脚均接地；延迟器u1的第2引脚、第3引脚、第6引脚及第5引脚均接地；电阻r40远离乘法器u5的那端为自相关电路2-5的输出端esa_out。
自相关电路的作用是在硬件上实现脉冲信号的自相关检测，通过将接收信号与该信号延迟后的信号进行乘法运算以及低通滤波的处理，抑制掉自相关较弱的噪声信号，有效提高信号的信噪比。由于激光脉冲信号的脉宽在100ns左右，为了使脉冲信号的拥有较高的自相关性，本发明选择8.5ns的延迟器。低通滤波电阻r40与低通滤波电阻c24构成了后级的低通滤波网络，电阻r40选值20欧姆，电容c24选值27pf。延迟器u1的第1脚为信号输入端，连接到增益控制放大电路的输出端。低通滤波电阻r40与低通滤波电容c24的公共连接点为自相关电路输出端，连接到阈值可调比较器电路2-6。
如图8所示，可调阈值比较器电路2-6包括第二比较器u10、数控电位芯片u11、电容c41、电容c43、电容c42、电阻r47、电阻r48、电阻r49。其中电容c41、电容c43为高频滤波电容，电容c42、为低频滤波电容，电阻r47、r48为匹配电阻，电阻r49为反馈电阻。比较器u10的型号是tlv3501，数控电位芯片u11的型号是tpl0202.
比较器u10的第7引脚连接到电容c41、电容c42的正极并连接到3.3v电源3.3v；电容c41、电容c42的负极均接地；数控电位芯片u11的第1引脚连接到电容c43的正极和3.3v电源3.3v；电容c43的负极接地；数控电位芯片u11的第14引脚连接到电阻r47的一端；比较器u10的第2引脚连接到电阻r47的另一端；比较器u10的第3引脚连接到电阻r48及电阻r49的一端，电阻r48的另一端连接到自相关电路2-5的输出端esa_out；比较器u10的第6引脚连接到电阻r49的另一端；比较器u10的第4引脚和第8引脚均接地；数控电位芯片u11的第7引脚、第13引脚、第17引脚均接地，第15引脚接3.3v电源3.3v。比较器u10及数控电位芯片u11的其余引脚均悬空。
可调阈值比较器电路2-6主要由比较器u10以及数控电位器u11组成。比较器的作用是将接收的激光脉冲信号变换为高低电平的数字信号。由于水下激光通信环境的不确定性，当比较器阈值低于噪声峰值时，将产生误码信号。为了减少环境噪声对通信性能的影响，减小误码率，本发明采用了数控阈值的方式，根据接收信号的噪声特性对比较器阈值进行动态的调整。比较器u10与电阻r49、电阻r48构成迟滞比较器，可调阈值比较器2-6的信号输入端连接到自相关电路2-5的输出端。数控电位器u11产生可调的阈值电压，通过spi总线连接到激光通信核心处理模块1，对阈值电压进行设置。数控电位器u11的第2引脚、第3引脚、第4引脚为spi通信总线，均连接到激光通信核心处理模块1(数控阈值时钟端tpl_clk、数控阈值数据端tpl_d、数控阈值片选端tpl_cs)。比较器u10的第6引脚为阈值可调比较器电路2-6的输出端，连接到激光通信核心处理模块1的signal_channel输入端。
实时网络传输模块3使用以太网w5100s模块。实时网络传输模块3主要功能是实现水下激光通信实时在线传输，使用以太网技术实现。实时网络传输模块3连接到pc端，pc端可实时向发射端发送数据，然后通过发射端将实时的数据通过水下激光通信传输给接收端，pc端可实时从接收端接收从水下发射端通过水下激光通信传输过来的数据，实现实时在线的水下激光通信，能够应用在实时的水下传感器数据在线采集场景。实时网络传输模块3使用spi总线以及8位并口模式与激光通信核心处理模块1进行数据交互，通过rj45接口与pc端连接实现以太网通信。
如图9所示，对准方向自调控制模块4包括ttl转485通讯电路4-1以及陀螺仪电路4-2。ttl转485通讯电路4-1的输入接口、输出接口与激光通信核心处理模块1、云台5分别连接。ttl转485通讯电路4-1将激光通信核心处理模块1输出单ttl电平转换为rs485电平，通过rs485串口控制云台转动。陀螺仪电路4-2安装在云台上。陀螺仪电路4-2的输出接口连接到激光通信核心处理模块1，用于输出检测到的云台姿态信号。陀螺仪电路4-2的作用是获得目前激光的发射角度，从而来精确的控制云台5转向，达到对准接收目标的目的。当水下激光通信的接收目标从一个接收端变成另一个接收端，通过陀螺仪电路4-2的角度计算以及待对准接收端的位置信息，可以通过云台5精确的控制发射端转向并且对准接收端。
如图10所示，ttl转485通讯电路4-1包括电平转换芯片u13、串行数据接口p1，高频滤波电容c48、匹配电阻r50。电平转换芯片u13的型号为max485。电平转换芯片u13的第8引脚连接到电容c43的正极并连接到正5v电源vcc；电容c43的负极接地；电平转换芯片u13的第7引脚连接到电阻r50的一端，第6引脚连接到电阻r50的另一端；电平转换芯片u13的第2引脚和第3引脚相连，第5引脚接地。
电平转换芯片u13的第1引脚、第4引脚分别为ttl转485通讯电路4-1的串口接收信号线和串口发送信号线，第2引脚和第3引脚相连为模式控制线，均连接到激光通信核心处理模块1(具体分别连接到激光通信核心处理模块1的485数据接收端pin_31_485r、485数据发送端pin_28_485t、485模式选择端pin_30_mod)。电平转换芯片u13的第6引脚和第7引脚为rs485电平的串口接收信号线和串口发送信号线，分别连接到云台5的四线串行数据接口p1的两根数据线(2、3引脚)，四线串行数据接口p1的另两根线分别接正5v电源vcc和地线。
如图11所示，陀螺仪电路4-2包括陀螺仪芯片u12、电容c46、电容c47、电容c44、电容c45、电阻r53、磁珠fb4。其中，电容c46、电容c47为高频滤波电容，电容c44、电容c45为匹配电容，电阻r51、r52、r53均为匹配电阻。陀螺仪芯片u12的型号是mpu6050
陀螺仪芯片u12的第13引脚连接到电容c46、电阻r51、电阻r52的一端以及磁珠fb4的一端；电容c46的另一端接地；磁珠fb4的另一端接3.3v电源；陀螺仪芯片u12的第8引脚连接到电容c47的一端；电容c47的另一端接地；陀螺仪芯片u12的第8引脚和第13引脚相连；陀螺仪芯片u12的第20引脚连接到电容c44的一端，电容c44的另一端接地；陀螺仪芯片u12的第10引脚接电容c45的一端，电容c45的另一端接地；陀螺仪芯片u12的第24引脚连接到电阻r51的另一端；陀螺仪芯片u12的第23引脚连接到电阻r52的另一端；陀螺仪芯片u12的第9引脚连接到电阻r53的一端；电阻r53的另一端接地；陀螺仪芯片u12的第1引脚、第11引脚、第8引脚均接地。陀螺仪芯片u12的第6引脚、第7引脚、第9引脚、第12引脚、第23引脚、第24引脚均连接到激光通信核心处理模块1(具体分别连接到激光通信核心处理模块1的扩展i2c数据端pin_137_xda、扩展i2c时钟端pin_136_xcl、i2c从机地址端pin_138_ad0、中断信号端pin_141_int、i2c时钟端pin_142_scl、i2c数据端pin_129_sda)。陀螺仪芯片u12的其余引脚均悬空。
激光发射电路6采用520nm波长1w功率的绿色激光模组，通过激光通信核心处理模块1将发送数据经过ppm调制后产生的ttl电平脉冲时序发射激光脉冲。
前级接收电路7使用apd(雪崩光电二极管)将激光脉冲信号转换为电流信号，经跨阻放大电路后转换为电压信号，然后通过前级接收电路7的信号输出端in连接到激光信号恢复模块2。
电源模块8为系统提供所有的工作电压，其中激光发射6电路需要5v与12v的电压；前级接收电路7需要5v与200v电压；激光通信核心处理模块1需要5v电压；激光信号恢复模块2需要±5v双电源电压；对准方向自调控制模块4需要5v电压。激光信号恢复模块2、对准方向自调控制模块4、实时网络传输模块3均需要的3.3v电压从激光通信核心处理模块1获得。
该基于多点对准自调的水下激光通信系统的通信方法具体如下：
如图12所示，四个基于多点对准自调的水下激光通信系统共同形成一个典型的一点对多点的水下激光通信应用场景。将四个前述的基于多点对准自调的水下激光通信系统分别作为设备a、b、c和d。设备a为主节点，设备b、设备c及设备d均为从节点。主节点在水面上；各个从节点均在水底。主节点与各个从节点通过云台调节发射筒镜、接收筒镜后，能够相互对准进行通信。上位机通过以太网与设备a内的激光通信核心处理模块1通过电缆相连，进行水下激光通信数据的实时收发。作为主节点的设备a首先通过云台调整发射接收角度对准需要通信的从节点，并发射请求连接信号；该从节点感应到主节点的请求信号后向主节点返回应答信号建立通信链路开始数据传输，主节点通过以太网实时的与上位机完成数据交互；当从节点完成当前的节点通信后，主节点继续调整发射角度自动对准下一个需要建立通信连接的从节点设备。
该应用场景适用与多个安装在水底的水下传感器的无线数据采集工作，通过水面上的主设备与水底的从设备端自动对准并建立通信连接，实现多个水底传感器的高速数据实时采集。本发明提出的基于多点对准自调的水下实时激光通信系统也适用与其他需要对水下多点目标分别进行无线通信的应用场景。
本发明的工作过程为：首先对准方向自调控制模块4通过对方位角的解算，通过rs485总线控制云台5调整方向使需要相互通信的两个水下激光通信系统进行对准(接收筒镜对准发射筒镜)。
通信时，两个水下激光通信系统分别作为发射端和接收端。发射端通过激光通信核心处理模块1将数据进行ppm调制后由激光发射电路6发射激光脉冲。接收端通过apd将激光脉冲转换为电流信号；前级接收电路7将电流信号放大成电压信号后送给激光信号恢复模块2，对激光接收信号进行自动增益控制(agc)以及自相关检测，提高接收信号的稳定性以及抗干扰能力，当接收信号较弱时控制增益变大。另外，接收信号过强时由于信号脉冲展宽也会影响误码率，因此信号过强时也会控制增益减小。经处理后的激光脉冲信号由可调阈值比较器恢复成数字脉冲信号，再由激光通信核心处理模块1对其进行ppm解调，完成一次通信功能。另外，实时网络传输模块3根据应用场景进行使用。假设水面的发射端将要对水底的接收端传输信息，此时可使发射端连接上位机pc，实现大量数据实时的传输发射；另外，假设水底的发射端将要向水面的接收端传输实时在线的传感器数据，此时可使水面的接收端连接上位机pc，实现在线实时的水底传感器数据采集功能。