一种水下全双工LED光成像MIMO实时通信系统及方法

一种水下全双工led光成像mimo实时通信系统及方法
技术领域
1.本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种水下全双工led光成像mimo实时通信系统及方法。


背景技术：

2.我国拥有广阔的海洋面积，海上灾害预警、海岸警戒、资源勘探、污染监测等活动都需要利用通信技术将水下数据实时或准实时地传输至水面，然后转发至岸基或卫星。然而，目前适合远距离水下通信中的水声通信却存在带宽窄，水下射频通信却存在传播衰耗大的问题。考虑到海水对波长为450nm～550nm的蓝绿光衰减相对较小，因此基于蓝绿光波段的水下无线光通信技术可作为水下通信的有力补充。为此桂林电子科技大学的苏浩明的硕士学位论文“水下可见光非成像mimo关键技术研究”和浙江大学的宋宇航的硕士学位论文“基于mimo-ofdm水下无线可见光通信系统”中各提出了一种非成像mimo水下无线可见光通信系统。然而由于系统的发射端发出的多路可见光信号在水下光传输的过程中，会受到水质吸收、散射、湍流、以及收发失准等影响，系统的接收端采用多路独立的光电探测器来接收这些可见光信号时，势必使得后续对于多路可见光信号的检测变得异常困难，因而需要设计复杂的信号检测算法才能实现对非对称分布的多路可见光信号的检测，而对于对称分布的多路可见光信号的检测却无能为力。


技术实现要素：

3.本发明针对现有非成像mimo水下无线可见光通信系统对多路可见光信号的检测困难和复杂的问题，提供一种水下全双工led光成像mimo实时通信系统及方法。
4.为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
5.一种水下全双工led光成像mimo实时通信系统，包括2个主轴相重合的通信端；每个通信端由位于水下的通信机和位于水上的上位机组成；每个通信机包括密闭防水的通信壳体、以及设置在该通信壳体内部的led可见光源阵列、准直透镜阵列、成像透镜、耦合光纤阵列、光电探测器阵列、发射电学模块和接收电学模块。上位机的输出端与通信机的发射电学模块的输入端电连接，发射电学模块的输出端与led可见光源阵列电连接；led可见光源阵列由2n个led可见光源组成，这2n个led可见光源固定在光源支架上，并以通信机的主轴为中心呈中心对称排布；准直透镜阵列由2n个准直透镜组成，这2n个准直透镜固定在通信壳体的前端面的边缘，并以通信机的主轴为中心呈中心对称排布；光源支架位于通信壳体的前端面的正后方；准直透镜阵列在通信壳体的前端面上的排布形状与led可见光源阵列在光源支架的光源安装平面上的排布形状完全相同；准直透镜阵列的1个准直透镜分别对应led可见光源阵列的1个led可见光源，准直透镜的主光轴与其对应的led可见光源的主光轴重合。成像透镜固定在通信壳体的前端面的中心，且成像透镜的主光轴与通信机的主轴重合；成像透镜的前端面设有成像滤光片；耦合光纤阵列由2n个耦合光纤组成，这2n个耦合光纤固定在光纤支架上，并以通信机的主轴为中心呈中心对称排布；光纤支架位于通信壳
体的前端面的正后方；耦合光纤阵列在光纤支架的光纤安装平面上的排布形状与准直透镜阵列在通信壳体的前端面上的排布形状完全相同；耦合光纤阵列的1个耦合光纤分别对应准直透镜阵列的1个准直透镜，耦合光纤的主光轴与其对应的准直透镜的主光轴平行；所有耦合光纤的入射面均处于成像透镜的焦平面上，且成像透镜所形成的2n个成像光斑分别落在2n个耦合光纤的入射面上；光电探测器阵列由2n个光电探测器组成，这2n个光电探测器的输入端分别与2n个耦合光纤的出射面连接；光电探测器阵列的输出端与接收电学模块的输入端电连接，接收电学模块的输出端与上位机的输入端电连接。上述n为大于等于1的正整数。
6.上述方案中，2n个led可见光源的主光轴与通信机的主轴的距离相等，2n个准直透镜的主光轴与通信机的主轴的距离相等，2n个耦合光纤的主光轴与通信机的主轴的距离。
7.上述方案中，led可见光源的主光轴与通信机的主轴的距离等于准直透镜的主光轴与通信机的主轴的距离，且led可见光源的主光轴与通信机的主轴的距离和准直透镜的主光轴与通信机的主轴的距离均大于每个耦合光纤的主光轴与通信机的主轴的距离。
8.上述方案中，耦合光纤的主光轴与通信机的主轴的距离r为：
[0009][0010]
式中，r为led可见光源的主光轴与通信机的主轴的距离，也即准直透镜的主光轴与通信机的主轴的距离；l为2个通信端的前端面之间的距离，也即通信距离；f为成像透镜的焦距。
[0011]
上述方案中，耦合光纤的半径r
光纤
的取值范围为：
[0012][0013]
式中，r为耦合光纤的主光轴与通信机的主轴的距离；d为成像透镜的直径；f为成像透镜的焦距。
[0014]
上述方案中，同一个通信端的2n个led可见光源的中心波长相同，而2个通信端的led可见光源阵列的2n个led可见光源的中心波长不同。
[0015]
上述方案中，通信前端面中心的成像滤光片与另一个通信端的led可见光源阵列的中心波长相同。
[0016]
上述方案中，通信壳体的前端面、光源支架的光源安装平面和光纤支架的光纤安装平面三者相互平行，且均垂直于通信机的主轴。
[0017]
一种水下全双工led光成像mimo实时通信方法，包括步骤如下：
[0018]
步骤1、在作为发送端的通信端处，上位机将信源信号发送至通信机的发射电学模块，发射电学模块对信源信号进行基带信号处理和led驱动后送入led可见光源阵列；
[0019]
步骤2、led可见光源阵列的2n个led可见光源在发射信号的驱动下发出2n路可见光，这2n路可见光经过准直透镜阵列的2n个准直透镜同时发射到水下信道；
[0020]
步骤3、在作为接收端的通信端处，通信机的成像透镜将通过水下信道接收到的可见光分离并形成2n个光斑，这2n个光斑分别落在耦合光纤阵列的2n个耦合光纤的入射面上形成2n路可见光；耦合光纤阵列的2n个耦合光纤将2n路可见光送至光电探测器阵列的2n个光电探测器；光电探测器阵列的2n个光电探测器对2n路可见光进行光电转换后送至接收电
学模块；
[0021]
步骤4、接收电学模块对光电转换后的2n路可见光进行放大、迫零检测和基带信号处理后送至上位机，上位机将其还原为信源信号。
[0022]
发射电学模块的基带信号过程依次为rs编码、插入帧同步和位同步码、8b转10b编码、以及串并转换；接收电学模块的基带信号过程依次为并串转换、8b转10b译码、判断帧同步和位同步码、以及rs译码。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
[0024]
1、相对于传统的非成像水下无线可见光通信系统，本发明的成像水下无线可见光通信系统可以利用成像透镜将接收光信号分离形成多个光斑，以降低不同链路光信号之间的干扰，简化接收端信号处理相关设备复杂度，可分离不同入射方向光信号，降低多址干扰和对准要求，从而无需采用额外的mimo解调算法，就可以独立恢复出原始信号；
[0025]
2、考虑到成像透镜形成的成像光斑大小分布会随通信距离的改变而变化，当通信距离较长时，接收端接收到的光信号近似平行光，会使得单一成像透镜所成像的光斑间距较小，而常用光电探测器的感光面直径大小约为几毫米，因此当接收端成像光斑分布范围远小于整个光电探测器阵列探测靶面时，成像光斑无法被接收端对应apd检测器阵列直接检测接收。虽然可通过在接收端成像透镜后加上凹透镜或其他透镜扩大不同光路成像光斑的间距，但是通过增加凹透镜来扩大成像光斑间距会引入像差，导致接收端光学系统复杂度增加。由于光纤的直径远小于光电探测器尺寸，为此，本发明通过在成像透镜和光电探测器阵列之间增设耦合光纤阵列，利用光纤阵列进行光信号耦合并传导至光电探测器的光学接收系统，这样光电探测器阵列可以任意设置在通信壳体的任意地方，而不一定需要位于成像透镜的正后方，从而在有效分离光斑的基础上有效降低了通信机的尺寸，使得通信机更易于移动布设；
[0026]
3、本发明在不增加接收端光学系统复杂度的基础上可实现对间距较小的成像光斑分离接收检测。
附图说明
[0027]
图1为一种水下全双工led光成像mimo实时通信系统的结构示意图。
[0028]
图2为通信机的发射电学模块和接收电学模块的原理框图。
[0029]
图3为一种水下全双工led光成像mimo实时通信系统的实测误码率性能曲线。
[0030]
图中标号：1、led可见光源阵列；2、准直透镜阵列；3、成像透镜；4、耦合光纤阵列；5、光电探测器阵列；6、滤光片。
具体实施方式
[0031]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
[0032]
一种水下全双工led光成像mimo实时通信系统，如图1所示，包括2个通信端。每个通信端由位于水下的通信机和位于水上的上位机组成。每个通信机包括密闭防水的通信壳体、以及设置在该通信壳体内部的led可见光源阵列1、准直透镜阵列2、成像透镜3、耦合光纤阵列4、光电探测器阵列5、发射电学模块和接收电学模块。n为大于等于1的正整数。
[0033]
2个通信端均可以分为上位机、发射部分和接收部分三个部分，其中发射部分包括led可见光源阵列1、准直透镜阵列2和发射电学模块，接收部分包括成像透镜3、耦合光纤阵列4、光电探测器阵列5和接收电学模块。这样在进行2个通信端进行全双工通信时，通信端a的发射部分与通信端b的接收部分进行通信，通信端b的发射部分与通信端a的接收部分进行通信。
[0034]
1.1)发射电学模块
[0035]
发射电学模块包括发射信号处理单元和led驱动单元。发射信号处理单元的输入端形成发射电学模块的输入端，发射信号处理单元的输出端与led驱动单元的输入端连接，led驱动单元的输出端形成发射电学模块的输出端。上位机的输出端与通信机的发射电学模块的输入端电连接，发射电学模块的输出端与led可见光源阵列1电连接。在本实施例中，发射信号处理单元由fpga信号处理板卡构成，用于完成基带信号处理，其通过以太网端口获得上位机信源信号，并对信源信号进行rs编码、插入帧同步和位同步码、8b转10b编码、以及串并转换后送入led驱动单元。如图2所示。
[0036]
1.2)发射光学模块
[0037]
led可见光源阵列1由2n个led可见光源组成，这2n个led可见光源固定在通信壳体的前端面的正后方的光源支架上，并以通信机的主轴为中心呈中心对称排布。2n个led可见光源的主光轴与通信机的主轴的距离相等，且均为r。在本实施例中，led可见光源阵列1由4个led可见光源组成，这4个led可见光源分别位于光源支架的四个边角。光源支架的光源安装平面和通信壳体的前端面相互平行，且均垂直于通信机的主轴。
[0038]
准直透镜阵列2由2n个准直透镜组成，这2n个准直透镜固定在通信壳体的前端面的边缘，并以通信机的主轴为中心呈中心对称排布。2n个准直透镜的主光轴与通信机的主轴的距离相等，且均为r。在本实施例中，准直透镜阵列2由4个准直透镜，这4个准直透镜分别位于通信壳体的前端面的四个边角。准直透镜用于减小光束发散角。
[0039]
准直透镜阵列2在通信壳体的前端面上的排布形状与led可见光源阵列1在光源支架的光源安装平面上的排布形状完全相同。准直透镜阵列2的1个准直透镜分别对应led可见光源阵列1的1个led可见光源，准直透镜的主光轴与其对应的led可见光源的主光轴重合。
[0040]
2.1)接收光学模块
[0041]
成像透镜3固定在通信壳体的前端面的中心，且成像透镜3的主光轴与通信机的主轴重合。为了滤除信道环境中可见光的干扰，成像透镜3的前端面设有滤光片6。成像透镜3将近似平行入射的可见光进行分离得到2n路光信号，在焦平面处会成像有对应的2n个光斑。在本实施例中，成像透镜3使用gcl-010123平凸透镜，其口径d为76mm，焦距f为300mm。
[0042]
耦合光纤阵列4由2n个耦合光纤组成，这2n个耦合光纤固定在通信壳体的前端面的正后方的光纤支架上，并以通信机的主轴为中心呈中心对称排布。2n个耦合光纤的主光轴与通信机的主轴的距离相等，且均为r。在本实施例中，耦合光纤阵列4由4个耦合光纤组成，这4个耦合光纤分别位于光纤支架的四个边角。光纤支架的光纤安装平面和通信壳体的前端面相互平行，且均垂直于通信机的主轴。
[0043]
耦合光纤阵列4在光纤支架的光纤安装平面上的排布形状与准直透镜阵列2在通信壳体的前端面上的排布形状完全相同。耦合光纤阵列4的1个耦合光纤分别对应准直透镜
阵列2的1个准直透镜，耦合光纤的主光轴与其对应的准直透镜的主光轴平行。所有耦合光纤的入射面均处于成像透镜3的焦平面上，成像透镜3所形成的成像光斑落在其所对应的耦合光纤的入射面上。
[0044]
为了减少各光路互相干扰，本发明利用成像透镜3将发射光信号进行分离并形成多个光斑。但是如果直接采用光电探测器阵列5来接收成像透镜3所分离的光斑，受限于光电探测器尺寸，成像透镜3所形成的成像光斑分布范围远小于整个光电探测器阵列5探测靶面时，成像光斑无法被光电探测器阵列5直接检测接收。为此，本发明在成像透镜3与光电探测器阵列5之间设计了小口径的耦合光纤阵列4来对光斑信号进行接收传导。在对耦合光纤阵列4所使用的耦合光纤的芯径进行选择时，每个耦合光纤的半径r
光纤
的取值范围因介于之间。在考虑耦合光纤阵列4在焦平面上排布时，根据几何光学原理，耦合光纤的主光轴与通信机的主轴的距离r与led可见光源的主光轴与通信机的主轴的距离r、通信距离l、以及成像透镜3的焦距f有关，且这样才能保证成像透镜3所形成的成像光斑能够耦合到耦合光纤阵列4的每个耦合光纤上。其中r为耦合光纤的主光轴与通信机的主轴的距离；r为led可见光源的主光轴与通信机的主轴的距离，也即准直透镜的主光轴与通信机的主轴的距离；d为成像透镜3的直径；f为成像透镜3的焦距；l为2个通信端的前端面之间的距离，也即通信距离。由于耦合光纤距离较短，损耗较小，耦合光纤后端紧靠光电探测器进行光电转换，能够有效地将光信号传导至光电探测器。
[0045]
光电探测器阵列5由2n个光电探测器组成。光电探测器阵列5的1个光电探测器分别对应耦合光纤阵列4的1个耦合光纤，光电探测器的入射端与其对应的耦合光纤的出射端面耦合连接。在本实施例中，光电探测器阵列5由4个光电探测器组成，这4个光电探测器可以固定在通信壳体的任意空隙中，从而减小通信机的尺寸。
[0046]
上述接收光学部分可以有效分离检测不同光路的成像光斑，从而为基于空间复用的mimo通信系统提供了关键方法基础，提高mimo通信系统的复用增益。
[0047]
2.2)接收电学模块
[0048]
接收电学模块包括信号放大单元和接收信号处理单元。信号放大单元的输入端形成接收电学模块的输入端，信号放大单元的输出端与接收信号处理单元的输入端连接，接收信号处理单元的输出端形成接收电学模块的输出端。光电探测器阵列5的输出端与接收电学模块的输入端电连接，接收电学模块的输出端与上位机的输入端电连接。在本实施例中，接收信号处理单元由fpga信号处理板卡构成，用于完成mimo检测和基带信号处理，其通过mimo检测算法对接收信号放大单元送来的放大信号进行检测，并对检测信号进行并串转换、8b转10b译码、判断帧同步和位同步码、以及rs译码来恢复信源信号，最终通过以太网返回到接收端的上位机。如图2所示。
[0049]
当2个通信端在进行实时双工通信时，2个通信端的led可见光源阵列1分别采用中心波长不同的led可见光源阵列1，而同一个通信端的led可见光源阵列1的2n个led可见光源的中心波长相同。如在本实施例中，2个通信端的led可见光源阵列1的中心波长分别为450nm(蓝光)和530nm(绿光)。中心波长为450nm的led可见光源选择lxr0-sr00的灯珠，该款灯珠供电电压为12v，工作电流为700ma。中心波长为530nm的led可见光源选择晶元灯珠，该
款灯珠供电电压为7v，工作电流为700ma。绿光光束发散角实测为3.54
°
，蓝光光束发散角实测为3.86
°
。此外，成像滤光片6与另一个通信端的led可见光源阵列1的中心波长相同，以避免收发端之间和本光源的后向散射光束以及背景光干扰。在本实施例中，2个通信端均采用过滤蓝绿光波长的滤光片6。
[0050]
上述系统所实现的一种水下全双工led光成像mimo实时通信方法，其包括步骤如下：
[0051]
步骤1、在作为发送端的通信端处，上位机将信源信号发送至通信机的发射电学模块，发射电学模块对信源信号进行基带信号处理和led驱动后送入led可见光源阵列1；其中基带信号过程依次为rs编码、插入帧同步和位同步码、8b转10b编码、以及串并转换。
[0052]
步骤2、led可见光源阵列1的2n个led可见光源在发射信号的驱动下发出2n路可见光，这2n路可见光经过准直透镜阵列2的2n个准直透镜同时发射到水下信道。
[0053]
步骤3、在作为接收端的通信端处，通信机的成像透镜3将通过水下信道接收到的可见光分离并形成2n个光斑，这2n个光斑分别落在耦合光纤阵列4的2n个耦合光纤的入射面上形成2n路可见光；耦合光纤阵列4的2n个耦合光纤将2n路可见光送至光电探测器阵列5的2n个光电探测器；光电探测器阵列5的2n个光电探测器对2n路可见光进行光电转换后送至接收电学模块。
[0054]
步骤4、接收电学模块对光电转换后的2n路可见光进行放大、迫零检测和基带信号处理后送至上位机，上位机将其还原为信源信号；其中基带信号过程依次为并串转换、8b转10b译码、判断帧同步和位同步码、以及rs译码。
[0055]
由于本发明在通信机的接收光学部分中利用成像透镜3、耦合光纤阵列4和光电探测阵列进行光信号接收和转换，成像透镜3降低子信道间的光信号干扰，因此在通信机的接收电学部分无需复杂的mimo检测算法，只要利用迫零检测可以直接求得基带信号，这样能够在不过多增加接收端光学系统复杂度的基础上可实现对间距较小的成像光斑分离接收检测，并简化检测算法。图3为本发明的实测的误码率性能曲线，由图可以看出当通信距离为12～24米时，系统误码率性能非常好，误码率接近0，当小于12米和大于24米时，由于光斑出现了混叠，产生了互干扰，误码率性能有所下降。
[0056]
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。