一种水下无线光通信系统

1.本发明实施例涉及水下通信技术领域，尤其涉及一种水下无线光通信系统。


背景技术：

2.海洋资源的开发和采集几乎与水下通信密不可分，水下无线通信（uwc）在水下航行中起着至关重要的作用，它也是水下传感器网络的关键技术之一。因此，对uwc技术的传输速率和传输距离的要求也越来越高。其中，水下无线光通信（uwoc）以带宽高、抗干扰能力强等特点在水下通信中具有广阔的应用前景，它在实现高速率的传输的同时还能远距离传播。然而由于光在水中传输时会受到吸收、散射、湍流、气泡等干扰因素的影响，会导致uwoc系统的失准，从而影响通信质量。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种水下无线光通信系统，以实现发射端的波束控制以及接收端的自对准，从而避免失准的影响，提升信息传输速率。
4.本发明实施例提供了一种水下无线光通信系统，该系统包括：发射端和接收端；其中，所述发射端包括光束发射模块和光学相控阵，所述光束发射模块用于发射根据通信信息调制得到的通信光束，所述光学相控阵用于调节所述通信光束的出射方向；所述接收端包括追踪模块和信息解调模块，所述追踪模块用于接收经所述光学相控阵调节后出射的目标通信光束，并对所述目标通信光束进行对准，所述信息解调模块用于对接收到的所述目标通信光束进行解调以得到所述通信信息。
5.可选的，所述光学相控阵的绝缘层厚度为2微米，硅厚度为220纳米。
6.可选的，所述光学相控阵的边缘耦合器为倒锥形结构。
7.可选的，所述光学相控阵的光栅天线为完全浅蚀刻，占空比为0.5，光栅周期为0.659微米，天线宽度为0.55微米，蚀刻宽度为0.5微米。
8.可选的，所述光束发射模块的光源为激光二极管。
9.可选的，所述光束发射模块的调制方式为无归零开关键控。
10.可选的，所述追踪模块包括：光方向传感器，用于根据不同区域对所述目标通信光束的接收量生成各个区域的光感应信号；电机，用于根据所述光感应信号调整所述光方向传感器的感光平面的方向，以对所述目标通信光束进行对准。
11.可选的，所述光方向传感器包括金属壁，以及在所述金属壁两侧对称设置的尺寸相同的第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管用于生成所述光感应信号。
12.可选的，所述光束发射模块包括综合测试仪、偏置三通和直流电源，所述综合测试
仪用于通过其中的模式生成器生成伪随机二进制序列作为所述通信信息，所述直流电源用于驱动所述激光二极管的所述偏置三通，以调制得到所述通信光束。
13.可选的，所述接收端还包括功率放大器、低通滤波器和数字分析仪，所述追踪模块接收到的所述目标通信光束依次通过所述功率放大器放大及所述低通滤波器滤波后由所述数字分析仪对通信质量进行分析。
14.本发明实施例提供了一种水下无线光通信系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括光束发射模块和光学相控阵，通过光束发射模块发射根据通信信息调制得到的通信光束，再通过光学相控阵调节通信光束的出射方向，接收端包括追踪模块和信息解调模块，追踪模块在接收到经光学相控阵调节后出射的目标通信光束之后可以对目标通信光束进行对准，再通过信息解调模块对接收到的目标通信光束进行解调以得到所需的通信信息。本发明实施例所提供的水下无线光通信系统，实现了发射端的波束控制以及接收端的自对准，使得系统对入射角具有良好的灵敏度，扩大了接收端的视场，提高了接收光功率与信噪比，在保证低误码率的同时实现高传输速率，使得整个uwoc链路坚实可靠。
附图说明
15.图1为本发明实施例一提供的水下无线光通信系统的结构示意图；图2为本发明实施例一提供的光方向传感器的结构示意图；图3为本发明实施例一提供的另一种水下无线光通信系统的结构示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
17.在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
18.此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本发明实施例的范围的情况下，可以将第一光电二极管称为第二光电二极管，且类似地，可将第二光电二极管称为第一光电二极管。第一光电二极管和第二光电二极管两者都是光电二极管，但其不是同一光电二极管。术语“第一”、“第二”等不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
19.实施例一图1为本发明实施例一提供的水下无线光通信系统的结构示意图，本实施例可适
用于在水下进行无线光通信的情况。如图1所示，该系统包括：发射端100和接收端200；其中，所述发射端100包括光束发射模块101和光学相控阵102，所述光束发射模块101用于发射根据通信信息调制得到的通信光束，所述光学相控阵102用于调节所述通信光束的出射方向；所述接收端200包括追踪模块201和信息解调模块202，所述追踪模块201用于接收经所述光学相控阵102调节后出射的目标通信光束，并对所述目标通信光束进行对准，所述信息解调模块202用于对接收到的所述目标通信光束进行解调以得到所述通信信息。
20.其中，光学相控阵（opa）102为实现二维波束控制提供了一种强大的片上方法，它可以工作在光波段的激光作为信息载体，因而不受传统无线电波的干扰，而且激光的波束窄，不易被侦查，具备良好的保密性。另外，相比于大面积的电学相控阵，光学相控阵可以集成在一块芯片上，具有尺寸小、质量轻、灵活性好以及功耗低等优势。将光学相控阵应用在水下无线光通信中，可实现快速而准确的片上波束控制，使其在uwoc系统中具有强大的鲁棒性。
21.具体的，发射端100可以通过光束发射模块101对通信信息进行调制，即对通信信息进行处理加到光载波上，使其变为适合于光传输的形式，从而得到通信光束，进一步再将该通信光束发射出去。其中，光束发射模块101可以通过宽带激光器发射该通信光束，并具体可以选用激光二极管作为光源。同时可选的，所述光束发射模块101的调制方式为无归零开关键控（nrz-ook），以降低误码率。发射得到的通信光束，如来自宽带激光器的稳定横向电（te）光可以通过光学相控阵102的端射耦合系统及透镜光纤耦合到opa芯片中，然后将激发的te0模式通过宽带多模干扰（mmi）耦合器树传输到光栅天线阵列（可包括64个光栅天线阵元，阵列周期约为2.0微米）中。光学相控阵102可以在阵元中引入相位差来完成波束偏转，具体可以通过集成加热器加热和扫描激光波长来实现阵列方向和天线方向的二维波束控制。遵循光栅方程，天线方向的外耦合角可表示为，其中的neff表示te0模式的有效指数，表示水下空间光波长，表示光栅周期。其中，可选的，光学相控阵102的制造采用标准cmos工艺，绝缘层厚度为2微米，硅厚度为220纳米。进一步可选的，所述光学相控阵102的边缘耦合器为倒锥形结构，从而提高光纤到opa芯片的耦合效率。进一步可选的，所述光学相控阵102的光栅天线为完全浅蚀刻，占空比为0.5，光栅周期为0.659微米，天线宽度为0.55微米，蚀刻宽度为0.5微米。作为水下通信的一项重要性能指标，水下光通信的探测范围由视场（fov）决定，而视场与光学相控阵102的转向角有关，通过集成，光学相控阵102为通信光束转向提供了一种紧凑、可靠和非机械的解决方案，同时仍然保持通信光束的相对较小发散度以及较宽的转向角范围。进一步的，发射端100可以通过光学相控阵102动态的调节通信光束的出射方向，同时接收其反射信号，从而知晓接收端200的位置，以便更好的实现对准。
22.接收端200可以通过追踪模块201接收发射端射出的目标通信光束，并可以调整其接收目标通信光束的角度，具体可以在检测到其感光平面未正对目标通信光束，或者与正对方向偏转较大的情况下向偏转方向的相反方向进行调整，以实现对准。接收端200还可以通过信息解调模块202对追踪模块201接收到的目标通信光束进行解调以得到所需的通信信息，相应的，在追踪模块201完成对准后，信息解调模块202解调所得到的通信信息将更加准确。
23.在上述技术方案的基础上，可选的，所述追踪模块201包括：光方向传感器，用于根据不同区域对所述目标通信光束的接收量生成各个区域的光感应信号；电机，用于根据所述光感应信号调整所述光方向传感器的感光平面的方向，以对所述目标通信光束进行对准。具体的，可以使用光方向传感器，具体可以是二维光方向传感器作为光接收器进行感光，并且可以在光方向传感器上的不同区域分别进行感光，然后可以根据各个区域对目标通信光束的接收量确定光方向传感器的感光平面与目标通信光束之间的角度，具体则可以通过光方向传感器上的各个区域分别生成对应的光感应信号，以便利用光感应信号进行处理。在获得光感应信号后，可以配合追踪电路对光感应信号加以利用，并判断出光方向传感器当前的偏转方向，从而生成电机驱动信号。相应的，追踪模块201可以通过电机来实现对准的机械转动过程，其中的电机可以是由pwm控制的伺服电机，不同的电机驱动信号可以控制电机向不同的方向偏转，同时在电机与光方向传感器之间增加机械传动装置，即可通过电机实现对光方向传感器的感光平面方向的调整，从而实现追踪目标通信光束并指向特定方向。其中，光方向传感器和追踪电路可以集成在cmos单片光电探测器上。
24.进一步可选的，如图2所示，所述光方向传感器包括金属壁211，以及在所述金属壁211两侧对称设置的尺寸相同的第一光电二极管212和第二光电二极管213，所述第一光电二极管212和所述第二光电二极管213用于生成所述光感应信号。具体的，金属壁211可以通过堆叠工艺中的金属层、触点和过孔进行创建，金属壁211不透光，则当光方向传感器有一定的偏转时，目标通信光束与金属壁211之间形成角度（不等于0），会在一侧的光电二极管上形成微尺度阴影，即减少了一侧光电二极管上对目标通信光束的接收量，使得所生成的光感应信号（光电流）变小，从而可以根据不同的光电流值确定光方向传感器的偏转情况。其中，第一光电二极管212与第二光电二极管213的尺寸相同，即感光面的长宽相同，同时金属壁211还可以与第一光电二极管212的感光面及第二光电二极管213的感光面垂直，从而更方便于根据光感应信号确定光方向传感器的偏转情况，当目标通信光束平行于金属壁211入射（=0）时，在第一光电二极管212与第二光电二极管213上对目标通信光束的接收量相同，从而两个光电二极管产生的光电流值相同，而当目标通信光束与金属壁211之间的角度为（不等于0）时，由于其中一侧的光电二极管对目标通信光束的接收量减少，导致其产生的光电流值比另一侧的光电二极管所产生的光电流值小，从而可以通过直接对两个光电流值的比较方便的确定光方向传感器的偏转情况。其中，两侧光电二极管所产生的光电流值与角度之间的关系可以参考如下关系式：其中，i
l
表示第一光电二极管212产生的光电流，ir表示第二光电二极管213产生的光电流，表示对应于反射光与到达金属壁211在第一光电二极管212一侧的总光的比率，表示对应于反射光与到达金属壁211在第二光电二极管213一侧的总光的比率，h表示金
属壁211的高度，l表示两个光电二极管的长度（垂直金属壁211方向），其中的和取决于工艺、布局和封装，即具体为常数，根据该关系式可以确定i
l
与ir之间的电流比与光强度无关，而只取决于角度。进一步的，考虑到视野和精度之间的权衡，金属壁211的高度可以设置为12微米，从而优化了光方向传感器的性能，同时由于该物理尺寸远大于吸收光的波长，使得衍射对光方向传感器性能的影响较小。基于上述结构，光方向传感器可以覆盖120度的范围，并达到1.9度的对准精度。
25.在上述技术方案的基础上，可选的，如图3所示，所述光束发射模块包括综合测试仪111、偏置三通112和直流电源113，所述综合测试仪111用于通过其中的模式生成器生成伪随机二进制序列作为所述通信信息，所述直流电源113用于驱动所述激光二极管114的所述偏置三通112，以调制得到所述通信光束。进一步可选的，如图3所示，所述接收端还包括功率放大器203、低通滤波器204和数字分析仪205，所述追踪模块201接收到的所述目标通信光束依次通过所述功率放大器203放大及所述低通滤波器204滤波后由所述数字分析仪205对通信质量进行分析。具体的，可以对使用激光二极管114、光学相控阵102以及nrz-ook调制方案的uwoc系统模拟在水箱300内进行测试，以确定其可行性。在发射端，可以将激光二极管（可带准直透镜）114安装在热电冷却器（tec）模块（具体可以选用sanoor sn-ldm-t-p）上，综合测试仪（j-bert，具体可以选用安捷伦e4832a）111中的模式生成器可以生成伪随机二进制序列（prbs）215-1模式作为通信信息，直流电源（dc，具体可以选用sanoor激光驱动器-5a）113通过驱动激光二极管（具体可以选用蓝色ld）114的偏置三通（具体可以选用微型电路zfbt-6gw）112以将通信信息调制得到通信光束。激光二极管114的激光在发射后经过光学相控阵102调节并经由水箱300传输至接收端，在接收端，cmos单片光电探测器（具体则可以通过追踪模块201）收集光并产生光电流，其输出信号由功率放大器（具体可以选用小型电路zhl-6a-s ）203放大，并由低通滤波器（如800mhz）204滤波后提供给数字分析仪205进行分析，分析过程可以包括：通过宽带示波器分析眼图，使用参数网络分析仪（如rohde和schw-arz矢量网络分析仪zvb 8）测量小信号系统带宽等等，进一步还可以通过综合测试仪111对误码率（ber）和数据速率进行测量，同时还可以由综合测试仪111为数字分析仪205提供时钟。
26.本发明实施例所提供的水下无线光通信系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括光束发射模块和光学相控阵，通过光束发射模块发射根据通信信息调制得到的通信光束，再通过光学相控阵调节通信光束的出射方向，接收端包括追踪模块和信息解调模块，追踪模块在接收到经光学相控阵调节后出射的目标通信光束之后可以对目标通信光束进行对准，再通过信息解调模块对接收到的目标通信光束进行解调以得到所需的通信信息。本发明实施例所提供的水下无线光通信系统，实现了发射端的波束控制以及接收端的自对准，使得系统对入射角具有良好的灵敏度，扩大了接收端的视场，提高了接收光功率与信噪比，在保证低误码率的同时实现高传输速率，使得整个uwoc链路坚实可靠。
27.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。