用于提升水下无线光通信系统工作距离的准直光路设计方法与流程

1.本发明涉及水下无线光通信技术领域，设计了一种同轴透镜组用于光路准直，以延长采用阵列形式光发射和光接收水下无线光通信系统的工作距离。


背景技术：

2.海洋资源的探索和开发对人类未来的发展有着深远的影响。近年来，各国都在加大对海洋资源的开发力度，各种海洋观测设备被研制出来并投放到海洋中使用。由于设备与基站、设备与设备都需要建立通信链路用于传递指令和数据，而传统有缆的通信方式给水下设备的使用带来了诸多限制，所以目前对于水下无线通信的需求也在大量增加。如今水下通信方式主要有射频通信、水声通信和光通信。由于高频电磁波在水中的衰减较大，在空气中有广泛应用的高速射频通信技术在水下的传输距离极短；水声通信是目前应用最广泛的水下通信方式，虽具有传输距离远的优点，但其速率低、带宽窄、时延长、易受水环境影响等缺点限制了其应用范围。相较之下，光通信有着安全性好、带宽资源丰富、时延低等优势，非常适合在几十米到百米工作距离下的较高速率通信，因此近年来受到了广泛的关注和研究。
3.目前的水下无线光通信系统中，常见的光源选择包括激光二极管(ld)和发光二极管 (led)两种。前者高带宽、高功率密度、方向性好的优势使得其适合水下长距离通信，但对光束的对准有着严格的要求；而后者发散角较大，适用于对光束对准要求较低的近距离通信，此外led发出的光还可以提供照明，方便水下图像采集。得益于半导体加工技术的飞速提升，led的体积越做越小，光功率密度越做越高，使得更多的研究工作都选择led作为光源。为了延长光通信系统的传输距离，许多研究使用多颗led组成的阵列代替单颗led 作为光源，有效提升了经过水下信道后到达探测面的光功率，进而延长了系统的传输距离。 led作为半导体器件，其构造与光电二极管相似，也可以工作在光伏模式下作为探测器使用。与led阵列作为光源类似，选用多颗led组成的阵列作为探测器，能够增大光的探测面积，延长系统的传输距离。由于led具有较大的发散角，在光通信系统中往往需要在光发射和光探测两端添加适当的光学元件用于提升光信号的方向性，即准直光路，进而提高光功率的利用率。传统的光路准直方法在光发射端加透镜以准直，在光探测端加透镜以会聚，使得光发射和光探测两端成共轭关系。在收发端均采用阵列的形式下，探测端的光功率不再均匀分布，而是携带了光源像的信息，使得信号光不能集中覆盖在有效探测面上，导致光功率的浪费。


技术实现要素：

4.本发明设计了一种新的准直光路，主要应用于采用阵列形式光发射和光探测的水下无线光通信系统，解决传统准直光路带来的光发射阵列和光探测阵列相互共轭的问题，并有效延长了系统的传输距离。
5.为实现上述目的，本发明采用的具体方案如下：
6.一种用于提升水下无线光通信系统工作距离的准直光路设计方法，包含绿光led
阵列、发射端聚光镜l1、物镜l2、接收端聚光镜l3和红光led探测阵列；
7.所述的绿光led阵列将调制过的电信号转换为光信号；所述的发射端聚光镜将led阵列所发出的绿光尽可能多地收集到光路中，并对光源成像；所述的物镜用于准直并匀化光路，并接收光源像；所述接收端聚光镜将光信号会聚到探测器阵列的有效探测面上；所述红光 led探测阵列将光信号转换为电信号；
8.进一步地，所述的led阵列由9颗0402封装绿光led串联组成，发光波长为530nm；所述的led探测阵列由4颗0402封装红光led组成，发光波长为630nm。
9.进一步地，本发明设计了由发射端聚光镜、物镜和接收端聚光镜组成的准直光路，将绿光led阵列发出的光尽可能多地收集到系统中以减少光功率的浪费，同时对光进行准直和匀化，使得光信号经过水信道后形成有一定大小的均匀光斑，在接收阵列附近经过再次会聚后照射到探测器阵列的有效探测面上。相比传统的准直光路，即在光发射端准直、接收端会聚，本设计主要有两大改进：提升系统的工作距离，光路注重对光信号的收集与利用，减少光功率的浪费，使得光信号在经过水信道到达接收端时仍有足够的光功率密度，以满足探测器阵列对光强的需求；改变共轭关系，打破传统准直方式中光发射端和光接收端相互共轭的关系，使得到达探测阵列的光功率近似均匀分布，不携带光源像信息，能够有效覆盖到探测阵列的有效面积上。
10.进一步地，本发明使用绿光led阵列作为系统的光源，在光源后距离l处放置聚光镜，收集尽量多的光信号的同时对光源成放大实像于像面上。将物镜放置在光源的实像面上，物镜与发射端聚光镜相距l'。再将接收端聚光镜放置于物镜后距离d1的位置，并在其后相距d2处放置探测器。如此设计的准直光路中，光源阵列、发射端聚光镜和物镜构成照明系统，物镜和接收端聚光镜构成放映系统。因为光源像(照明系统的出射窗)与物镜(放映系统的孔径光阑)重合，发射端聚光镜既是照明系统的孔径光阑，也是放映系统的入射窗，使得发射端聚光镜的各点均以相同孔径角的光束成像，可以做到像面上的照度均匀。
11.接收端聚光镜上的照度分布为
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其中k1是聚光镜透过率，k2是物镜的透过率，l是光源亮度，d是物镜的出瞳直径，w' 是像方视场角，f'2是物镜焦距。l'≈β2f'2，l'2是放映距离。β2是像的放大率。接收端聚光镜上的照度与物镜的相对孔径平方成正比，与像的放大率平方成反比。
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为了提升像面上的照度，物镜需要具有尽可能大的相对孔径，并且透射过物镜的光在穿过水下信道后的光斑尽量小。在接收端为了会聚尽可能多的光，放置在探测平面前的接收端聚光镜也要选用尽量大的口径，最后将探测用的led阵列置于接收端聚光镜后。该透镜组将由9颗led灯珠阵列组成的光源先匀化成近似均匀的光斑，经准直后穿过水下信道，最后在接收端led探测器平面上将光会聚成一个和有效探测面相匹配的高照度光斑，有效解决了发射端平面和接收端平面构成共轭关系的问题，从而延长了系统的工作距离。
附图说明
[0015]
图1为本发明中所涉及的水下无线光通信系统的装置示意图；
[0016]
图2为准直透镜组的光路仿真图
[0017]
图3为本发明中发射端和接收端的印刷电路板模型；
具体实施方式
[0018]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例及附图进行详细说明；
[0019]
首先需要说明的是，本发明中所用各种电子元器件、透镜均为可以购买到的产品；本领域技术人员在阅读理解申请文件的基础上，依据其掌握的电子电路技术知识及几何光学知识完全可以再现本发明；
[0020]
本发明设计了一种用于提升水下无线光通信系统工作距离的准直光路设计方法，解决了传统准直光路导致的光发射端和光探测端相互共轭导致光功率浪费的问题。该方法所应用的水下无线光通信系统流程如图1所示，包括绿光led阵列、发射端聚光镜、物镜、接收端聚光镜、红光led探测阵列；
[0021]
图2为准直光路设计仿真图，发射端聚光镜选用直径25mm、焦距45mm的凸透镜，放置于光发射阵列后距离l处。选用边长为250mm的大口径方形菲涅尔透镜作为物镜，放置在光源的实像面上，其中像距由牛顿公式：
[0022][0023]
给出，其中f'为聚光镜焦距，l为物距，l
′
为像距。接收端聚光镜选用边长250mm、焦距200mm 的大口径菲涅尔透镜，与物镜相距d1，最后将led探测阵列置于聚光镜后d2处。本设计中l 为55mm，l'为247.5mm，d1为7m，d2为200mm。以图2中led阵列上的点(i)为例，(i)发出的光从不同角度入射到l1，三束光分别用数字1、2、3表示。点(i)在l2上形成实像(i')，从点(i')发出的三条射线被l2偏转后均匀分布在l3上。通过上述关系，led阵列上的每个点都被均匀地投影到l3上。因此，在l3上有一个照度几乎均匀的大光斑。最后通过3聚焦，在探测器平面上得到一个照明均匀的高功率密度光斑。
[0024]
图3为本发明中提出的绿光和红光led阵列的印刷电路板渲染图；所述的发射端采用单层铝基板加工技术，避免高功率led的过热问题；
[0025]
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。