CN104038292A - 水下短距离高速无线光信息透明传输装置 - Google Patents

Abstract

一种水下短距离高速无线光信息透明传输装置，包括发射模块和接收模块，所述的发射模块沿待发送电信号方向依次包含LED调制驱动电路、蓝绿混合LED阵列、发射光路、扩束镜和均匀化片，所述的接收模块依次包含大视场接收光路、滤光片、菲涅尔透镜、光电探测器和光电检测调理电路。本发明可以解决在水下短距离高速信息透明传输的上述难题，满足湖泊、河流和海洋环境应用，尤其大洋深处多传感器互连、水下数据收集、ROV数据交互和水面平台与水下设备间的连续的通信场合，在海洋应用领域具有重要的意义。

Description

水下短距离高速无线光信息透明传输装置

技术领域

本发明涉及水下无线光信息，特别是一种水下短距离高速无线光信息传输装置。

背景技术

湖泊、河流和海洋占地球表面积的近70%，随着人类开发与利用水下资源尤其是海洋资源的不断深入，越来越多的水下探测设备、监测平台和传感器投入使用，如何在水下实现数据的有效传输成为一个难题。目前常用的方式包含有线传输和无线传输两种方式，对于有线传输方式，传输信息速率稳定可靠，但需要携带通信缆，存在缠绕、断裂和对接风险，成本高昂，同时带来了操控性和机动性的限制，对于无线通信而言，由于海水的趋肤效应，大海深处难以采用高频无线电通信，而声波在海水中的损耗非常小，因此目前水下无线通信主要采用声通信方式，但是声波传输时的旁瓣较大，方向性不强，虽然通信距离较长但通信速率较低，保密性差，同时由于需要使用换能器，效率较低，功耗较大，成本也不低，难于满足水下应用日渐增加的信息量传输需求。与此同时声通信受水下环境影响严重，背景噪声较大，迫切需要一种新的短距离的高速无线信息传输手段。蓝绿波段光信号由于处于海水的低损耗窗口波长，适合用于水下无线光信息传输；由于传输距离短，可以直接对光源驱动电路采用内调制方式，既可以利用模拟调制又可以通过数字调制改变出光强度、相位、频率和时间特性，实现信息的透明传输，因此蓝绿光信号特别适合作为载体用于水下短距离高速信息传输；此外随着LED技术的不断发展，高效的蓝光LED和绿光LED成本越来越低，效率越来越高，发射端采用LED进行信息传输可以获得大的发散角，接收端进一步采取大接收视场接收设计，大幅减低了收发互相对准的难度和要求，克服了普通光通信对准要求高的难题。结合低成本蓝光和绿光LED技术、成熟的高速内调制技术和大视场接收技术，本发明可以实现米级的水下传输距离，Mbps量级的传输速率，可以作为目前水下通信的一种有益补充和短距离无线应用的主要手段，与目前使用的各种通信方法对接容易，并且具有成本低廉、水下环境适应性好、扩展升级方便、保密性强，通信速率高的特点，特别适合于大洋深处多传感器互联、ROV传感器的数据收集和水面平台与水下设备间的连续，具有重要和广阔的应用前景。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服在湖泊、河流和海洋环境应用时克服上述现有有缆通信手段用于水下机动通信时，成本高昂，存在缠绕、断裂和对接风险，同时还有操控的局限性，以及无线声通信保密性差、功耗大和成本高的问题；满足目前日益增长的水下机动性高、短距离、高速率、隐蔽通信的要求，提供一种水下短距离高速无线光信息透明传输装置与方法。该装置可以解决在水下短距离高速信息透明传输的上述难题，满足湖泊、河流和海洋环境应用，尤其大洋深处多传感器互连、水下数据收集、ROV数据交互和水面平台与水下设备间的连续的通信场合，在海洋应用领域具有重要的意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种水下短距离高速无线光信息透明传输装置，其特点是包括发射模块和接收模块，所述的发射模块沿待发送电信号方向依次包含LED调制驱动电路、蓝绿混合LED阵列、发射光路、扩束镜和均匀化片，所述的接收模块依次包含大视场接收光路、滤光片、菲涅尔透镜、光电探测器和光电检测调理电路；

LED调制驱动电路输入端接待发送电信号，受LED调制驱动电路11的控制，所述的蓝绿混合LED阵列发射出携带有信息的蓝绿光信号，经扩束镜形成所需的发散角，均匀化片光斑均匀化，发射出均匀化的蓝绿光信号；所述的接收模块的接收光路接收光信号，经滤光片滤除杂光，经菲涅尔透镜将所述的光信号汇聚，被处于焦平面的光电探测器探测，将光信号转换为电信号，送光电检测调理电路进行放大、滤波和整形，还原出发送的电信号，实现信息的透明传输。

所述的蓝绿混合LED阵列是由蓝光LED和绿光LED间隔均匀交叉分布构成的。同时发射蓝光和绿光，并起到互相备份的功能，单个LED失效对总发光功率影响小并不影响其他部件正常工作，确保发光功能正常，适合不同水质的应用场合，可用性强，可靠性高，克服了单一光源应用场合受限的缺点；

所述的LED调制驱动电路，采用成熟的内调制电流驱动方式，可以通过模拟调制和数字调制实现LED发光信号强度、相位、频率和时间间隔的变化，将待发送信息高速调制到光信号上，实现信息的透明传输；

所述的发射光路采用扩束镜，可以将蓝绿混合LED阵列发出的蓝绿光信号扩束整形成所需要的发散角，配以均匀化衍射片，实现光信号的均匀发射；

所述的大视场接收光路，包含滤光片和菲涅尔透镜，可以有效滤除蓝绿波段以外的光信号和大幅降低背景噪声影响并实现大的接收视场，从而减小了对准要求，克服了光通信所要求的高对准度；

所述的光电探测器可以对光信号进行检测，将携带有发送信息的光信号转化为电信号，并进一步通过光电检测调理电路将电信号进行放大和解调，实现发送信息的还原；

本发明综合利用了LED成本低廉、蓝绿光信号在水下传输衰减小、光信道带宽大和传输速率高特性，发射端将信息通过内调制方式直接驱动蓝绿混合LED阵列，加载到蓝绿光信号上并以大发散角均匀发射出去，接收端通过大视场接收光路进行滤波接收、光电探测器进行光电转换和信号调理电路还原信息，实现了水下短距离的高速信息无线透明传输，具有非接触式、对准度要求低、体积小，重量轻，可靠性好，成本低、性价比高的特点。

应用上述水下短距离高速无线光信息透明传输装置进行高速无线光信息透明传输的方法，包括下列步骤：

①发射模块将待发送电信号直接加载在LED调制驱动电路上，LED调制驱动电路将待发送电信号内调制蓝绿混合LED阵列，驱动蓝绿混合LED阵列发射出携带有待发送电信号特性的蓝绿光信号，使得发出的蓝绿光信号参数按照电信号的规律变化，蓝绿混合LED阵列发出的携带有待发送信息的蓝绿光信号再经过发射光路内部的扩束镜获得所需的发散角，并经过均匀化片形成均匀的光场发射出去；

②接收模块将接收光路上接收到的光信号经过滤光片滤除背景光场后，由菲涅尔透镜汇聚到光电探测器上进行接收，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并送光电检测调理电路进行放大、滤波和整形，还原出发送的电信号，实现信息的透明传输。

本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置的优点在于：

①本发明采用价格低廉、技术成熟、高效发光的LED作为光源，低价的菲涅尔透镜作为汇聚光路，具有成本低、功耗低、重量轻和体积小的特点；

②本发明采用蓝光和绿光混合LED阵列进行信息传输，由于蓝绿激光处于海水低损耗窗口，因此传输损耗低，传输距离比其他波段光信号和无线信号更长，并且水下环境适应性好，可以适用于各种水质，同时由于采用阵列交叉结构，包含串联和并联，单颗LED失效对整体性能影响小，具有高可靠、多冗余备份的特点；

③本发明采用了大发散角均匀化光场和宽视场接收光路与光学滤波器，具有对准度要求不高、外界干扰影响小的特点；

④本发明采用蓝绿光信号进行水下无线信息透明传输，避免了有线通信方式存在的缠绕、切断和对接等问题，与目前使用的各种通信方法对接容易，扩展升级方便，保密性强，通信速率高的特点，特别适合于大洋深处多传感器互联、ROV传感器的数据收集和水面平台与水下设备间的连续，以及抛弃式场合应用。

附图说明

图1为本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置整体构成示意图；

图2为本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置发送端构成示意图；

图3为本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置接收端构成示意图；

图4为本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置发送端蓝绿混合LED交叉阵列示意图。

图中：1—发射模块，11—LED调制驱动电路，12—蓝绿混合LED阵列，13—发射光路，131—扩束镜，132—均匀化片，2—接收模块，21—接收光路，211—滤光片，212—菲涅尔透镜，22—光电探测器，23—光电检测调理电路。

具体实施方式

本发明装置以某场合下的水下短距离高速无线光信息透明传输装置为实施例，发射端封装在一个带通光窗口（口径约30mm）的密封圆筒，接收端被封装在一个带通光窗口（口径约60mm）的密封圆筒中，内部采用4×4蓝光和绿光LED交叉混合阵列作为光源，内调制采用模拟调制直接改变电流大小控制出光强度方式，发射端发散角大于±15°，金属封装光电二极管作为探测器，接收视场大于±10°，实现了I类水质5米传输距离，III类水质1米传输距离，传输速率1Mbps可以传输数据、语音和视频多媒体信息。

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。

首先请参照图1，图1为本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置整体构成示意图。由图1可见，本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置由发射模块1和接收模块2组成，两者分别安装在发送终端和接收终端上；

其次请参照图2，图2为本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置发送端内部构成示意图。由图2可见，本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置发送端1由LED调制驱动电路11，蓝绿混合LED阵列12以及发射光路13组成，其中发射光路13又由扩束镜131和均匀化片132组成。其位置和连接关系是：所述的LED调制驱动电路11安装在蓝绿混合LED阵列12后方，LED调制驱动电路11输入端接外部待发送信号，LED调制驱动电路11的输出端通过导线连接到蓝绿混合LED阵列12的输入端，受LED调制驱动电路11的控制蓝绿混合LED阵列12发射出携带有信息的蓝绿光信号，在蓝绿混合LED阵列12的前方安装有发射光路13，其中扩束镜131在蓝绿混合LED阵列12的前方，将蓝绿混合LED阵列12发发射出的光信号进行光束变换，形成所需的发散角，均匀化片132在扩束镜131的前方，与扩束镜同光轴安装固定，进一步将变换后的光斑均匀化，最后发射出均匀化的蓝绿光信号；

再次请参照图3，图3为本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置接收端内部构成示意图。由图3可见，本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置接收端2由接收光路21，光电探测器22和光电检测调理电路23组成。其中接收光路21又由滤光片211和菲涅尔透镜212组成。其位置和连接关系是：所述的接收光路21在最前面，其中滤光片211在前，后面为菲涅尔透镜212，两者同光轴安装固定，将进入的光信号滤除杂光后汇聚到焦平面，在其焦点处安装有光电探测器22，光电探测器22直接焊接固定在光电检测调理电路23上，将接收到的光信号转换为电信号并送光电检测调理电路23进行放大、滤波和整形，还原出发送的电信号，实现信息的透明传输。

最后请参照图4，图4为为本发明水下短距离高速无线光信息透明传输装置发送端蓝绿混合LED交叉阵列示意图。由图4可知，蓝绿混合LED阵列采用了矩阵交叉方式，兼顾了并联和串联方式，有效的克服了单颗LED发光强度不均匀和单颗LED失效的问题。其位置与连接关系是：一个蓝光LED间隔一个绿光LED，最终形成一个N×N的蓝绿LED交叉阵列，其中第一列N个LED首先并联在一起，正端接驱动电路输入正端，负端再接着与后续第二列并联在一起的N个LED正端串联，以此类推，第N-1列并联在一起的N个LED负端与第N列并联的LED正端串联在一起，最后第N列的LED负端接驱动电路负端，形成一个兼有N列并联和N行串联的N×N共N2个LED的交叉蓝绿LED阵列。

本实施例采用的具体器件为：所述的发射端蓝绿混合LED阵列12选用AvagoTechnologies公司的高亮度LED构成4×4共16颗高亮度LED颗粒（N=4），其中包括8颗蓝光LED和8颗绿光LED，单颗功率为0.25W，总的光功率为4W，LED调制驱动电路11选用MAXIM公司的MAX16832高调光比LED驱动器，能根据输入的电压大小快速改变驱动电流大小，从而由输入的待发送电信号驱动LED发光强度的变化，单颗LED发散角为±30°，扩束镜131采用Thorlabs公司2倍扩束镜，获得±15°发散角，均匀化片132选用Thorlabs公司1°、口径Ф25.4mm均匀化衍射片，获得约±16°发散角的均匀发射光场，接收端接收光路21中滤光片211选用EdmundOptics公司口径Ф50mm宽带滤光片，带宽为100nm，接收光路21中菲涅尔透镜212选用Edmund Optics公司口径Ф50mm、焦距为55mm的菲涅尔透镜，光电探测器22选用OSI Optoelectronics公司PIN-25DP光敏面Ф27.9mm的金属封装蓝绿增强型硅光电二极管，按照口径与焦距比值估算接收视场角约为±14°，光电检测调理电路23选用EOSystems公司EM-21放大电路，放大倍数可达100～1000。

结合图1、图2、图3和图4，本发明实施基于蓝绿混合LED作为光源、大光敏面光电二极管作为探测器实现水下短距离高速无线光信息透明传输的具体过程是：

①发射模块1将待发送电信号直接加载在LED调制驱动电路11上，LED调制驱动电路11将待发送电信号内调制4×4蓝绿混合LED阵列12，采用模拟调制方式直接驱动4×4蓝绿混合LED阵列12发射出调制有待发送电信号幅度特性的蓝绿光信号，使得发出的蓝绿光信号强度按照电信号的规律变化，4×4蓝绿混合LED阵列12发出的携带有待发送信息的蓝绿光信号再经过发射光路13内部的扩束比为2的扩束镜131获得所需的±15°发散角，并经过衍射角度为1°的均匀化片132形成均匀的光场发射出去，总发散角达到±16°，满足要求的大的发散角指标；

②接收模块2将接收光路21上接收到的光信号经过口径为Ф50mm、透过率达到80%的蓝绿波段滤光片211滤除背景光场后，由焦距为55mm的菲涅尔透镜212汇聚到光敏面为Ф27.9mm的金属封装蓝绿增强型硅光电二极管的光电探测器22上，获得大的接收视场角为±14°并将光信号转换为电信号，该电信号再进入到成熟的商用小信号滤波放大电路组成的光电检测调理电路23中，进行滤波、放大后输出还原后的电信号，实现信息的透明传输。

Claims (2)

1.一种水下短距离高速无线光信息透明传输装置，其特征是包括发射模块和接收模块，所述的发射模块沿待发送电信号方向依次包含LED调制驱动电路、蓝绿混合LED阵列、发射光路、扩束镜和均匀化片，所述的接收模块依次包含大视场接收光路、滤光片、菲涅尔透镜、光电探测器和光电检测调理电路；

LED调制驱动电路输入端接待发送电信号，受LED调制驱动电路11的控制，所述的蓝绿混合LED阵列发射出携带有信息的蓝绿光信号，经扩束镜形成所需的发散角，均匀化片光斑均匀化，发射出均匀化的蓝绿光信号；所述的接收模块的接收光路接收光信号，经滤光片滤除杂光，经菲涅尔透镜将所述的光信号汇聚，被处于焦平面的光电探测器探测，将光信号转换为电信号，送光电检测调理电路进行放大、滤波和整形，还原出发送的电信号，实现信息的透明传输。

2.根据权利要求1所述的水下短距离高速无线光信息透明传输装置，其特征在于所述的蓝绿混合LED阵列是由蓝光LED和绿光LED间隔均匀交叉分布构成。