[发明专利]一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统

说明书

本申请公开了一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，该系统为收发一体结构，包括发射光源、调制电路、聚光透镜、接收光学组件和信号处理组件；发射光源包括LD光源和由若干LED光源组合而成的LED阵列光源。每个LED光源由独立开关进行控制；调制电路控制发射光源输出不同类型或功率的光信号；聚光透镜与发射光源通过空间光路连接，对发射光源输出的光信号进行汇聚和准直；以及，接收邻居节点发出的光信号并进行汇聚；接收光学组件设置在发射光源远离聚光透镜的一侧；信号处理组件将光信号转换为电信号并恢复出原始数据；本发明满足近距离和远距离的光能量要求以及低速率和高速率的速率可变要求，能够有效实现通信双方的对准。

技术领域

本申请涉及水下无线光通信技术领域，更具体地，涉及一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统。

背景技术

现有的水下无线通信方式主要分为3种：水声通信、射频通信和光通信。凭借传输距离远、性能可靠等优点，水声通信仍然占据着水下无线通信技术的主导地位。但是，声波由于其可用带宽被限制在20kHz的低频范围内，其传输速率被限制在几十kb/s左右，而且存在高时延、带宽窄、多途效应明显等缺陷。而射频通信可实现速率达到百kb/s的水下通信，但由于其在水下传输时存在趋肤效应，能量会急剧衰减，而且频率愈高，衰减愈快，因此传输距离受到限制，仅适合应用于浅水的近距离通信。由此可见，水声通信与射频通信都无法同时满足高速率、长距离传输的需求。

与声、射频信号相比，光波频率更高，其承载信息的能力也更强，更易于实现水下大容量的数据传输；再有，无线光通信具有不易受海水温度和盐度变化影响的特点，抗干扰能力强；而且，光波相较于声波而言，具有更好的方向性。在光通信中，蓝绿光的波长位于水的透射窗口，水对蓝绿光的吸收系数小，使得蓝绿光通信可在水下传输相对较远的距离，同时可获得较高的传输速率。因此，水下蓝绿光通信受到广泛的关注。

当前水下可见光通信主要分为激光通信和基于蓝绿光LED的可见光通信。激光通信功率大，可在水下传输较远的距离，但存在相干闪烁的问题，且实现通信需要精确对准，为实际操作、应用造成困难。基于蓝绿光LED的水下光通信使用非相干光，集照明与通信功能为一体，且无需严格对准，为“动中通”的实现提供方案。因此，两种通信方式各有利弊，均无法满足水下蓝绿光通信速率可调且距离可变的要求。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，发射单元采用LED和LD两种光源，满足近距离和远距离的光能量要求以及低速率和高速率的速率可变要求；同时，接收单元采用高灵敏度的光电倍增管PMT探测器，以进一步提升水下无线光通信的传输距离。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，该系统为采用双光源的收发一体结构，包括发射光源、调制电路、聚光透镜、接收光学组件和信号处理组件；

所述发射光源包括LD光源和LED阵列光源；所述LED阵列光源由若干LED光源组合而成，且每个所述LED光源由独立开关进行控制，以实现输出光信号的功率调制；所述LD光源和LED光源呈环状分布，使发射光源形成中空的环状结构；

所述调制电路与发射光源电连接，用于控制发射光源输出不同类型或不同功率的光信号：

所述聚光透镜与发射光源通过空间光路连接，用于对发射光源输出的光信号进行汇聚和准直后发射出去；以及，接收邻居节点发出的光信号并进行汇聚；

所述接收光学组件设置在发射光源远离聚光透镜的一侧，其端部伸入发射光源的环状结构内部，与聚光透镜通过空间光路连接，用于探测聚光透镜接收和汇聚后的光信号，并将所述光信号转换为电信号；

所述信号处理组件将接收光学组件输出的电信号恢复为原始数据。

优选的，上述速率可调且距离可变的水下蓝绿光通信系统，所述调制电路对发射光源输出的光信号进行调制，具体为：