基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统的制作方法

1.本发明涉及水下无线光通信技术领域，具体是一种基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统。


背景技术：

2.近年来，随着人们对海洋探测的不断深入，对于水下无线通信技术的要求也越来越高，与传统的水声通信相比，水下无线光通信技术具有带宽高、抗干扰能力强、功耗低、体积小等优势，使其在商业、军事等领域具有很大的应用前景，在海洋探测、海洋环境监测和海洋资源开发等领域发挥重要作用，已成为世界各国竞相发展的重要通信技术之一。
3.水下无线激光通信虽然具有传输速率高、信息量大、抗电磁干扰能力强以及保密性好等优势，但也存在着传输距离短、链路对准难等不足。在茫茫大海里，激光的准直特性反而降低了通信双方找到彼此的概率。为此，找到一种缓解水下无线激光通信链路对准困难问题的方法至关重要。


技术实现要素：

4.为克服现有水下两个无线激光通信系统链路对准难的问题，本发明提供一种基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统，在水下无线激光通信系统中设置水声定位系统，通过水声定位系统对和本系统进行无线激光通信的另一通信系统的位置进行定位，并发送给中央控制系统，中央控制系统接收到另一通信系统的位置信息后通过机械系统调整激光器发射光束的朝向和探测器探测面的朝向，使两个相互通信的系统进行对准。同时通过设置准直扩束系统 c4将光束的发散角减小并将腰斑尺寸变大，降低收发两端的对准要求。
5.本发明是通过以下技术方案实现的，依据本发明提供的一种基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统，包括中央控制系统a、水声定位系统b、发射系统c、接收系统d和机械系统e；水声定位系统b、发射系统c、接收系统d和机械系统e均与中央控制系统a连接；
6.所述的中央控制系统a包括中央控制模块a0以及与中央控制模块a0连接的水声定位控制模块a1、发射控制模块a2、接收控制模块a3、机械控制模块 a4；
7.所述的水声定位系统b包括信息处理中心b0、应答器b1和多个水声接收器b2～bn；应答器b1和多个水声接收器b2～bn均与信息处理中心b0连接，信息处理中心b0与水声定位控制模块a1连接；通过应答器b1向另一通信系统发送请求通话的信号，通过水声接收器b2～bn接收来自另一通信系统请求通话的信号，并将接收到的信号传递给信息处理中心b0，通过信息处理中心b0分析另一通信系统的相对位置并并经过水声定位控制模块a1传送给中央控制模块a0；
8.所述的发射系统c包括信息处理中心c0、信号处理电路c1、驱动电路c2 和激光器c3；其中，信息处理中心c0与信号处理电路c1连接，信号处理电路 c1与驱动电路c2连接，驱
动电路c2与激光器c3连接，信息处理中心c0还与发射控制模块a2连接；
9.接收系统d包括透镜d0、光电探测器d1和信号处理电路d2；光电探测器 d1与信号处理电路d2连接，透镜d0设置在光电探测器d1之前，信号处理电路d2还与接收控制模块a3连接；
10.机械系统e包括用于接收机械控制模块a4指令的机械控制单元e0和用于控制激光器c3及光电探测器d1探测面朝向的机械臂e1，机械控制单元e0与机械控制模块a4和机械臂e1连接。
11.进一步地，所述的发射系统c还包括准直扩束系统c4，且准直扩束系统 c4与激光器c3连接。所述的准直扩束系统c4是由两块透镜组成的倒望远镜装置，可以减小光束发散角，同时还能增加光束腰斑的尺寸，可以使光信号传输相对较长的距离，同时降低收发两端的对准要求。
12.为了详细说明，定义两个相互通信的基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统分别为系统一和系统二，系统一和系统二具有相同的结构和功能，两者相互进行信号发射和信号接收，并相互进行水声定位；系统一的水声定位控制模块a1发出指令控制水声定位系统b中的信息处理中心b0通过其应答器b1向系统二发送请求通话的信号或通过其多个接收器b2～bn接收来自系统二请求通话的信号，如果未接收到请求信号则持续接收；如果接收到系统二请求通话的信号，则将接收到的请求信号传送给信息处理中心b0，信息处理中心b0经过运算分析得到的系统二的相对位置后经由水声定位控制模块a1反馈给中央控制模块a0；
13.系统一的中央控制模块a0接收到系统二的相对位置信息后向本系统的发射控制模块a2、接收控制模块a3、机械控制模块a4发送指令，发射控制模块 a2、接收控制模块a3、机械控制模块a4接收指令后分别启动发射系统c、接收系统d、机械系统e，中央控制模块a0将系统二的位置信息传送给机械控制模块a4，机械控制模块a4根据系统二的位置信息计算出机械臂e1需要调整的方向和距离，然后将信息传送给机械控制单元e0，由系统一的机械控制单元e0 控制机械臂e1调整激光器c3和探测器d1朝向系统二；
14.系统一的信号处理中心c0将要传递给系统二的信号转换成数字基带信号并传送给信号处理电路c1，信号处理电路c1将数字基带信号转换成适合在信道中传输的带通信号，并进行编码、调制后传送给驱动电路c驱动激光器c3发射光信号，光信号经由准直扩束系统c4进行发射；系统一发射的光信号经过系统二的透镜d0进行汇聚后被系统二的探测器接收，系统二的探测器将接收到的系统一的光信号转换为电信号并送入系统二的信号处理电路d2，经过处理后送入接收控制模块a3进行显示；
15.同时，系统二通过其水声定位系统按照同样的方式与系统一之间进行水声定位，并对系统一发射光信号，系统一的接收系统d接收系统二发射的光信号并转换为电信号后送入系统一的信号处理电路d2，经过处理后送入接收控制系统a3进行显示。
16.进一步地，系统一的水声定位系统b根据一定排布方式下的多个接收器 b2～bn接收到的声波信号的入射角和相位对系统二进行定位，得到系统二的相对位置；同时，系统二的水声定位系统b按照同样的方法对系统一进行定位，得到系统一的相对位置。
17.进一步地，在一种实施例中，所述多个接收器b2～bn以固定的间距按照l 形或矩形进行排列。
18.进一步地，所述透镜d0可以采用菲涅尔透镜。
19.进一步地，在一种实施例中，所述准直扩束系统c4包括透镜ⅰ和透镜ⅱ，透镜ⅰ的焦距小于透镜ⅱ的焦距，透镜ⅰ与透镜ⅱ的中心间距是两个透镜的焦距之和，光束从透镜ⅰ向透镜ⅱ入射依次经过透镜ⅰ和透镜ⅱ，且光束的入射位置在透镜ⅰ的焦点之外。
20.进一步地，所述光电探测器的探测面设置在透镜d0与透镜d0的焦点之间，并距离透镜d0的焦点更近。
21.进一步地，所述系统一激光器发射的光源波长与系统二激光器发射的光源波长不同。且探测器探测面前装有滤光片，系统一的探测器上安装的滤光片对应的光波长范围与系统二发射的光源波长一致，系统二的探测器上安装的滤光片对应的光波长范围与系统一发射的光源波长一致。
22.在一种实施例中，所述系统一发射的光源波长为450nm，系统二发射的光源波长为520nm；系统一的探测器上安装的滤光片对应的光波长范围为520nm，系统二的探测器上安装的滤光片对应的光波长范围为450nm。
23.本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统可达到相当的技术进步性及实用性，并具有广泛的利用价值，其至少具有下列优点：
24.(1)本发明提供了一种基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统，在水下无线激光通信系统中设置水声定位系统和机械系统，通过水声定位系统对对方通信系统的位置进行定位，并发送给中央控制系统，中央控制系统接收到对方通信系统的位置信息后通过机械系统的机械臂调整激光器发射光束的朝向和探测器探测面的朝向，使两个相互通信的系统实现水下自找准。
25.(2)本发明的水声定位系统包括信息处理中心、应答器和多个接收器，通过应答器向对方通信系统发送请求通话的信号，通过接收器接收对方通信系统的应答器发送的请求通话的信号。接收器接收到请求通话的信号之后发送给信息处理中心，信息处理中心根据一定排布方式下的多个接收器接收到的声波信号的入射角和相位对对方通信系统的相对位置进行定位，得到对方通信系统的相对位置并反馈给中央控制系统。
26.(3)本发明还在发射系统中设置准直扩束系统，且准直扩束系统与激光器连接，准直扩束系统是由两块透镜组成的倒望远镜装置。激光器发射的光束通过准直扩束系统可以减小光束的发散角，同时还能增加光束腰斑的尺寸，使激光器发射的光信号不仅可以传输相对较长的距离，也可以在两个通信系统没有完全对准的情况下进行正常通信，从而降低收发两端的对准要求。
27.(4)本发明还在光电探测器的前面设置透镜，且光电探测器的探测面放置在透镜与透镜的焦点之间，通过透镜将发射系统发射的光信号进行会聚，使得照射在光电探测器的光信号功率可以达到光电探测器的接收灵敏度。
28.本发明通过以上方案实现了一种基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统，为水下可见光通信技术提供了一种新的解决方案。
29.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
30.图1是本发明水下自找准无线激光通信系统的结构示意图；
31.图2是水声定位系统中多个接收器的l形排布方式示意图；
32.图3是水声定位系统中多个接收器的矩形排布方式示意图；
33.图4是准直扩束系统的示意图。
34.【元件及符号说明】：
35.1-透镜ⅰ，2-透镜ⅱ，3-光束。
具体实施方式
36.为了更好地理解本发明的内容，下面将结合具体实施例和附图来进一步阐述本发明。以下实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
37.本发明所提供的基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统如图 1所示，包括中央控制系统a、水声定位系统b、发射系统c、接收系统d和机械系统e。水声定位系统b、发射系统c、接收系统d和机械系统e均与中央控制系统a连接，中央控制系统a可对水声定位系统b、发射系统c、接收系统d和机械系统e发送指令并进行控制。
38.所述的中央控制系统a包括中央控制模块a0、水声定位控制模块a1、发射控制模块a2、接收控制模块a3、机械控制模块a4；水声定位控制模块a1、发射控制模块a2、接收控制模块a3、机械控制模块a4均与中央控制模块a0连接。
39.水声定位系统b包括信息处理中心b0、应答器b1和多个水声接收器 b2～bn，多个接收器b2～bn及应答器b1均与信息处理中心b0连接，信息处理中心b0还与水声定位控制模块a1连接。本通信系统的中央控制系统a中的水声定位控制模块a1发出指令控制水声定位系统b中的信息处理中心b0通过其应答器b1向另一通信系统发送请求通话的信号或通过其多个接收器b2～bn接收来自另一通信系统请求通话的信号，如果未接收到请求信号则持续进行接收；如果接收到请求信号，则多个接收器b2～bn将接收到的请求信号传送给对应的信息处理中心b0，信息处理中心b0经过运算分析得到的另一通信系统的相对位置后反馈给水声定位控制模块a1，再由水声定位控制模块a1反馈给中央控制模块a0。建立正常通话后，本通信系统的应答器b1会持续不断的发送一个频率的声波信号，另一通信系统的接收器接收到本通信系统的声波信号后，随时更新本通信系统的位置。同时，另一通信系统也通过其应答器持续不断地发出声波信号供本通信系统的接收器b2～bn接收，本通信系统的接收器b2～bn持续不断的接收另一通信系统发来的定位声波信号并发送给信息处理中心b0，信息处理中心b0随时运算更新另一通信系统的定位信息并经过水声定位控制模块 a1传送给中央控制模块a0。
40.在一种实施例中，水声定位系统b可使用目前已经成熟的超短基线定位算法的定位系统，将多个接收器b2～bn按照一定的排布方式进行排布并与信息处理中心b0连接，信息处理中心b0根据一定排布方式下的多个接收器b2～bn接收到的声波信号的入射角和相位对另一通信系统进行定位，经过运算分析得到相对本通信系统的另一通信系统的相对位置。
41.在一种实施例中，所述的接收器b2～bn以固定的间距按照l形或矩形进行排列，分
别如图2和图3所示。
42.发射系统c包括信息处理中心c0、信号处理电路c1、驱动电路c2、激光器 (ld)c3和准直扩束系统c4；其中，信息处理中心c0与信号处理电路c1连接，信号处理电路c1与驱动电路c2连接，驱动电路c2与激光器(ld)c3连接，激光器(ld)c3与准直扩束系统c4连接，信号处理中心c0还与中央控制系统a中的发射控制模块a2连接。
43.激光器c3的光源采用450nm或520nm左右的蓝光或绿光，对应地，与本通信系统相互通信的另一通信系统的激光器光源则采用520nm或450nm左右的绿光或蓝光，即相互通信的两个通信系统的光源波长必须不相同。
44.如图4所示，所述的准直扩束系统c4是由两块透镜组成的倒望远镜装置，减小光束发散角的同时还能增加光束腰斑的尺寸，使得光信号不仅可以传输相对较长的距离，也可以在本通信系统的发射端与另一通信系统的接收端没有完全对准的情况下，仍可以与另一通信系统进行正常通信，从而降低收发两端的对准要求。在图4中，准直扩束系统c4包括透镜ⅰ和透镜ⅱ，两个透镜均为凸透镜，透镜ⅰ的焦距f1小于透镜ⅱ的焦距f2；透镜ⅰ与透镜ⅱ的中心间距是两个透镜的焦距之和，即f1+f2。激光器发出的光束从透镜ⅰ向透镜ⅱ入射依次经过透镜ⅰ和透镜ⅱ，且光束的入射位置在透镜ⅰ的焦点之外。图4中的虚线代表光束的轮廓线，可以看出，光束经过透镜ⅰ和透镜ⅱ之后，发散角减小，光束腰斑尺寸增加。
45.接收系统d包括透镜d0、光电探测器d1、信号处理电路d2；透镜d0设置在光电探测器d1之前，光电探测器d1通过导线与信号处理电路d2连接，信号处理电路d2还与中央控制系统a中的接收控制模块a3连接。透镜d0可采用菲涅尔透镜，不仅轻薄，聚光能力也比普通透镜优越。为了增加接收端探测面的探测角度，光电探测器的探测面放置在透镜d0与透镜d0的焦点之间，并距离透镜d0的焦点更近，至于放置的具体位置需要根据透镜的直径大小、焦距和探测角度进行计算得到。同时，与另一通信系统的发射系统光源相对应的是，本通信系统的探测器探测面前方需装520nm或450nm的滤光片，此滤光片对应的波长范围应与另一通信系统发射的光源波长相一致。
46.机械系统e包括用于接收机械控制模块a4指令的机械控制单元e0和用于控制激光器c3朝向及光电探测器d1探测面朝向的机械臂e1，机械控制单元 e0与机械控制模块a4和机械臂e1连接。
47.本通信系统的中央控制模块a0接收到另一通信系统的位置信息后向发射控制模块a2、接收控制模块a3、机械控制模块a4发送指令。发射控制模块a2接收指令后启动发射系统c并将要发送的信号传送到信号处理中心c0；接收控制模块a3接收指令后启动接收系统d准备接收另一通信系统发射的信号；机械控制模块a4接收指令后启动机械系统e，同时中央控制模块a0将另一通信系统的位置信息传送给机械控制模块a4，机械控制模块a4根据另一通信系统的位置信息计算出机械臂e1需要调整的方向和距离，然后将调整的方向和距离的信息传送给机械控制单元e0，由机械控制单元e0控制机械臂e1调整激光器c3和探测器d1朝向另一通信系统。
48.下面以具体实施例更加详细地说明：
49.定义两个互相通信的基于水声定位的全双工水下自找准无线激光通信系统分别为系统一和系统二，系统一发射的光源波长为450nm，系统二发射的光源波长为520nm为例，系统二探测器探测面的前方装有450nm的滤光片，同时，系统一探测器探测面的前方装有
520nm的滤光片。
50.系统一的中央控制系统a中的水声定位控制模块a1发出指令控制水声定位系统b中的信息处理中心b0通过其应答器b1向系统二发送请求通话的信号或通过其多个接收器b2～bn接收来自系统二请求通话的信号，如果未接收到请求信号则持续进行接收；如果接收到系统二请求通话的信号，系统一的多个接收器 b2～bn将接收到的请求信号传送给系统一的信息处理中心b0，信息处理中心b0 经过运算分析得到的系统二的相对位置后反馈给系统一的水声定位控制模块a1，再由水声定位控制模块a1反馈给本系统的中央控制模块a0。系统一的信息处理中心b0根据一定排布方式下的多个接收器b2～bn接收到的声波信号的入射角和相位对系统二进行定位，得到系统二的相对位置。
51.系统一的中央控制模块a0接收到系统二的相对位置信息后向本系统的发射控制模块a2、接收控制模块a3、机械控制模块a4发送指令，发射控制模块 a2接收指令后启动发射系统c并将要发送的信号传送到信号处理中心c0，接收控制模块a3接收指令后启动接收系统d准备接收系统二发射的信号，机械控制模块a4接收指令后启动机械系统e，同时中央控制模块a0将系统二的位置信息传送给机械控制模块a4，机械控制模块a4根据系统二的位置信息计算出系统一的机械臂e1需要调整的方向和距离，然后将调整的方向和距离的信息传送给机械控制单元e0，由系统一的机械控制单元e0控制机械臂e1调整激光器c3和探测器d1朝向系统二。
52.系统一的信号处理中心c0将要传递给系统二的文本、语音或视频等信号进行模数转换后转换成数字基带信号并传送给信号处理电路c1，信号处理电路c1 将数字基带信号转换成适合在信道中传输的带通信号，并进行编码和调制后传送至驱动电路c2转换成可以驱动激光器c3的信号，激光器c3将电信号转换成光信号后，经由准直扩束系统c4将光束的发散角减小并将腰斑尺寸变大，进行发射；系统一发射的450nm波长的光信号被系统二的接收系统d接收，经过系统二的透镜d0进行汇聚后被系统二的探测器接收，系统二的探测器将接收到的系统一的光信号转换为电信号并送入系统二的信号处理电路d2，经过放大、滤波等处理之后送入接收控制模块a3进行显示。
53.同时，系统二的中央控制系统a中的水声定位控制模块a1发出指令控制水声定位系统b中的信息处理中心b0通过其应答器b1向系统一发送请求通话的信号或通过其多个接收器b2～bn接收来自系统一请求通话的信号，如果未接收到请求信号则持续进行接收；如果接收到系统一请求通话的信号，则多个接收器 b2～bn将接收到的请求信号传送给系统二的信息处理中心b0，信息处理中心b0 经过运算分析得到的系统一的相对位置后反馈给系统二的水声定位控制模块 a1，再由水声定位控制模块a1反馈给本系统的中央控制模块a0。系统二的信息处理中心b0根据一定排布方式下的多个接收器b2～bn接收到的声波信号的入射角和相位对系统一进行定位，得到系统一的相对位置。
54.系统二的中央控制模块a0接收到系统一的位置信息后向本系统的发射控制模块a2、接收控制模块a3、机械控制模块a4发送指令，发射控制模块a2 接收指令后启动发射系统c并将要发送的信号传送到信号处理中心c0，接收控制模块a3接收指令后启动接收系统d准备接收系统一发射的信号，机械控制模块a4接收指令后启动机械系统e，同时中央控制模块a0将系统一的位置信息传送给机械控制模块a4，机械控制模块a4根据系统一的位置信息计算出系统二的机械臂e1需要调整的方向和距离，然后将调整的方向和距离的信息传送给
机械控制单元e0，由系统二的机械控制单元e0控制机械臂e1调整激光器 c3和探测器d1朝向系统一。
55.系统二的信号处理中心c0将要传递给系统一的文本、语音或视频等信号进行模数转换后转换成数字基带信号并传送给信号处理电路c1，信号处理电路c1 将数字基带信号转换成适合在信道中传输的带通信号，并进行编码和调制后传送至驱动电路c2转换成可以驱动激光器c3的信号，激光器c3将电信号转换成光信号后，经由准直扩束系统c4将光束的发散角减小并将腰斑尺寸变大，进行发射；系统二发射的520nm波长的光信号被系统一的接收系统d接收，经过系统一的透镜d0进行汇聚后被系统一的探测器接收，系统一的探测器将接收到的系统二的光信号转换为电信号并送入系统一的信号处理电路d2，经过放大、滤波等处理之后送入接收控制模块a3进行显示。
56.以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。