CN110138457A - 具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，包括依次相连接的计算装置、以太网模块和光调制解调器，光调制解调器通过线缆与光学接收装置和光学发射装置相连接，其中：感光二极管检测光学发射装置发出的光照度，进而调用控制算法调节光学发射装置的工作电流与光照度；温度检测装置检测光学接收装置的内部温度，进而调节光电二极管的驱动电压和放大增益；光调制解调器根据接收的光照度、实际误码率和传输延迟，自动调节其传输速度。通过上述措施，达到了实时监测工作状态，以及自动调整工作电流、驱动电压，确保器件工作在线性区并且优化数据传输速度的技术目的。

Description

具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其是涉及具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统。

背景技术

目前，用于水下通信的方式有有线通信和无线通信两种。有线通信技术主要应用于水下航行器与操控母船之间的通信，它通过在水下航行器和操控母船间布放导线或光缆，在二者间建立通信回路，进行可靠的双向通信，以实现遥控、遥测信息的实时传输。由于需要在水下铺设光缆或者导线，当水下探测设备移动时，会制约设备的灵活性。另外，随着设备间距离的增大，光缆或者导线的成本增大，也不便于在水下小型设备上搭载。与有线通信方式相比，无线通信更适合水下作业。

近些年，水下机器人技术发展迅速，使其在海洋探测等领域的使用得到普及，它能够在水下航行并独立完成监测和收集信息等特定功能。水下机器人通常分为两种：遥控机器人（Remotely Operated Vehicle，简称ROV）和自主式水下机器人（AutonomousUnderwater Vehicle，简称AUV）。ROV 带有线缆，由母船提供动力并进行人工控制，但受到线缆的制约，缺乏灵活性。AUV 是一种无缆、智能水下机器人，它自带能源，依靠机载中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）进行处理决策，独立完成包括定位、信息采集等各种操作，以完成人类赋予的使命，它代表了水下机器人的发展方向。AUV 的不足之处是受限于能源供给问题，且CPU 处理能力有限，所以只能负责一些短程、不复杂的工作。在上述海洋观测技术的应用过程中，无论是观测数据的实时传输还是控制指令的下达，都需要满足传输要求的水下无线通信技术的支持。

水下可见光通信技术是一种新兴的水下无线通信技术，它在海洋环境监测和海洋军事等方面起到至关重要的作用。可见光波长范围为380nm~780nm，其光波频率高，可承载能力强，能够实现大容量数据传输；光在海水中受温度和盐度的影响较小，抗干扰能力强；光在水中的传播速度约为真空中传播速度的3/4，传输时延小；光波具有良好的方向性，当光信号被第三方拦截时，接收方能及时发现通信链路故障，易于保密；光波波长较短，所以收发天线短，体积小型化。它克服了电磁波在海洋中传输衰减严重；声波传输时延大、速率低、带宽窄、安全性差、易受水下环境影响等缺点。

虽然现有中国专利CN105572807B，一种水下湿插拔的光通信接口装置及其光通信方法，公开了利用特殊的光学器件引出光纤中的光源，利用现有较为成熟的水下 无线光通信技术完成光纤接口的对接、光通信链路建立的目标，将复杂的水下机械操作过程转化为水下较为容易实现的无线光通信过程，极大地提高工作效率，提高可靠性，同时也解决了当前水下湿插拔光纤通信接口寿命短、制造成本高的问题，为水下光通信 提供了一种相比较传统水下湿插拔接口更为简单、便捷、可靠的方法。

现有中国专利CN201610887844.1，基于光照时间的水下LED无线光通信系统及其应用，公开了水下LED无线光通信系统的发射系统包括LED灯、LED灯的驱动电路，以及能够控制LED灯开闭及发光时长的控制器模块；该发射系统的控制器模块可用通过现有电子控制技术自行搭建硬件形式的控制器，也可以利用智能手机的内置软件实现软件功能模块控制的方式，从而更便利地实现水下激光通信。

但是在目前的水下可见光通信领域，由于光线收发路径上功率衰减严重，造成发射功率较大，收发器件易进入饱和区、损失传输速率和增大传输延迟的问题，尤其是温度上升波动的情况下通信系统的工作稳定性是一个研究课题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明旨在提供具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，包括依次相连接的计算装置、以太网模块和光调制解调器，光调制解调器通过线缆与光学接收装置和光学发射装置相连接，其中：感光二极管检测光学发射装置发出的光照度，进而调用控制算法调节光学发射装置的工作电流与光照度；温度检测装置检测光学接收装置的内部温度，进而调用控制算法调节光电二极管的驱动电压和放大增益；光调制解调器根据光学接收装置接收的光照度、实际误码率和传输延迟，自动调节其传输速度。通过上述措施，以达到实时监测光学收发装置的温度、电压、电流，以及自动调整发射装置的工作电流、接收装置的驱动电压，确保器件工作在线性区并且优化数据传输速度的技术目的。

为此，本发明所采用的技术方案是：具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，包括依次相连接的计算装置、以太网模块和光调制解调器，所述计算装置还连接有其他外围电路，光调制解调器通过线缆与光学接收装置和光学发射装置相连接，其中，其他外围电路包括温度检测装置、感光二极管、声光报警装置和冷却装置。其中：

感光二极管与光学发射装置内的LED光学阵列相连接，用于检测光学发射装置发出的光照度，进而调用控制算法调节光学发射装置的工作电流与光照度；

温度检测装置与光学接收装置内的光电二极管相连接，用于检测光学接收装置的内部温度，进而调用控制算法调节光电二极管的驱动电压和放大增益；

光调制解调器根据光学接收装置接收的光照度、实际误码率和传输延迟，自动调节其传输速度。

进一步地，所述光学发射装置内部包括依次相连接的D/A转换电路、LED调制驱动电路和LED光学阵列，LED调制驱动电路还连接有电流测量装置，其中：所述D/A转换电路与光调制解调器相连接，LED调制驱动电路和感光二极管具有电缆连接，感光二极管安装于LED光学阵列的可视范围内。

进一步地，所述光学接收装置内部包括依次相连接的光电二极管、差分放大电路和A/D转换电路，所述光电二极管还连接有光电流测量装置和光电二极管驱动模块，并与外部的温度测量装置相连接，所述A/D转换电路与光调制解调器相连接，所述光电二极管驱动模块用于提供光电二极管工作所需的电压源。

更优地，光学发射装置具有自动调节光照度的能力，此调节流程为：1）感光二极管实时检测光学发射装置内部LED光学阵列的照度，并且将检测到的光学发射装置的照度传送给LED调制驱动电路；2）LED调制驱动电路根据检测到的照度和目标照度的差异，调用控制算法，得出并且调节至适用于LED调制驱动电路的工作电流；3）LED调制驱动电路的工作电流影响LED光学阵列输出的照度。

更优地，光学接收装置具有自动调节其放大增益的能力，其调节流程为：1）温度检测装置实时检测光学接收装置的内部温度，传送到光学接收装置内部的光电二极管驱动模块；2）光电流测量装置实时检测光学接收装置所接收的光电流，并且传送到光电二极管驱动模块；3）光电二极管驱动模块根据检测到的内部温度以及接收光电流，计算得出所需的目标驱动电压，并且调节到所需的目标驱动电压；4）光电二极管通过驱动电压改变其放大增益。

更优地，光调制解调器具有自动调节传输速度的能力，其调节流程为：1）光调制解调器根据光电二极管接收的光照度，结合经验值表，得出粗略的预设传输速度；2）光调制解调器根据预设传输速度、实际误码率和传输延迟，得出更精细的目标传输速度。

更优地，光学接收装置具有自动校准内部光电二极管驱动电压的能力，具体步骤为：

S1.计算装置停止光学发射装置和光学接收装置的数据传输过程；

S2.设置光学接收装置的驱动电压为新的数值；

S3.调整系统光学结构，使得光学接收装置能接收来自光学发射装置发出的可见光线；

S4.连续改变光学发射装置的输出照度，使光学接收装置内部的光电流测量装置实时测量光电流值；

S5.计算装置判断光学接收装置是否处于线性区，如果不处于线性区，则重复执行步骤S2-S5，否则，执行步骤S6；

S6.结束驱动电压的自动控制，恢复数据传输过程；

其中：步骤S5判断是否处于线性区的方法为：判断所测量的光电流值序列与光学发射装置的输出照度之间存在是否线性相关，如果存在，则表明光学接收装置处于线性区。

本发明具有如下有益效果：

首先，本发明所述的可见光通信系统可检测内部的温度、发射照度、接收光照度和工作电流，利于实时监控和全面掌控系统工作状态；

其次，本发明的光学发射装置可通过检测发出的光照度，进而调用控制算法调节光学发射装置的工作电流与光照度；光学接收装置通过温度检测装置检测其内部温度，进而调用控制算法调节光电二极管的驱动电压和放大增益，从而确保光学收发部分始终工作于线性区，利于系统工作稳定和减小传输延迟；

第三，系统通过光调制解调器根据光学接收装置接收的光照度、实际误码率和传输延迟，基于接收光照度影响数据传输速度的经验值精细调节目标的数据传输速度，达到传输速度、误码率和传输延迟的最优化。

附图说明

图1是具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统的组成结构示意图；

图2是具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统的其他外围电路的组成结构示意图；

图3是具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统的光学发射装置的组成结构示意图；

图4是具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统的光学接收装置的组成结构示意图；

图5是具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统的光学发射装置自动调节光照度的调节流程示意图；

图6是具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统的光学接收装置自动调节其放大增益的调节流程示意图；

图7是具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统的自动调节传输速度的调节流程示意图；

图8是具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统自动校准内部光电二极管驱动电压的执行流程图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

本发明所述的具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，其组成结构如图1所示，包括依次相连接的计算装置1、以太网模块3和光调制解调器4，所述计算装置1还连接有其他外围电路2，光调制解调器4通过线缆与光学接收装置5和光学发射装置6相连接。

以太网模块3通常为适用于计算机的网络适配器，俗称网卡，负责在计算机内存数据和以太网数据包之间进行格式转换，此处的以太网数据包具体到网络层（即IP层）。光调制解调器4用于在以太网数据包格式和数字基带信号之间相互转化，其与以太网模块3之间具有有线网络连接，内部具有载波侦测、数据同步、自动纠错和信道均衡功能；水下可见光通信的调制样式为数字调制，通常采用QAM/OFDM等现代调制方式。光学发射装置5用于将调制后的数字基带信号转换到空间光信号，光学接收装置6用于将空间光信号解调，得到数字基带信号。

其他外围电路2的组成结构如图2所述，包括温度检测装置201、感光二极管202、声光报警装置203和冷却装置204。其中：温度检测装置201实时检测系统中光学发射装置6、光学接收装置5的内部温度，以此作为调整驱动电压、工作电流或者启动风冷/水冷、声光报警的依据。

所述的可见光通信系统可检测内部的温度、发射照度、接收光照度和工作电流，利于实时监控和全面掌控系统工作状态，具有较强的实用价值。

在上述结构中：感光二极管202与光学发射装置6内的LED光学阵列603相连接，用于检测光学发射装置发出的光照度，从而便于调用控制算法调节光学发射装置6的工作电流与光照度；温度检测装置201与光学接收装置5内的光电二极管501相连接，用于检测光学接收装置5的内部温度，从而便于调用控制算法调节光电二极管501的驱动电压和放大增益。

光调制解调器4根据光学接收装置6接收的光照度、实际误码率和传输延迟，自动调节其传输速度。

光学发射装置6内部的组成结构如图3所示，包括依次相连接的D/A转换电路601、LED调制驱动电路602和LED光学阵列603，LED调制驱动电路602还连接有电流测量装置604，其中：所述D/A转换电路601与光调制解调器4相连接，LED调制驱动电路602和感光二极管202具有电缆连接，感光二极管202安装于LED光学阵列603的可视范围内。

D/A转换电路将来自光调制解调器4的数字基带信号转换到模拟基带信号，LED调制驱动电路602用于将模拟中频电信号转换到用于通信传输的可见光信号，由于水下可见光传输衰减严重，导致其功率消耗较大；LED光学阵列603用于光链路整形，以便实现良好的聚光、均匀化和热传导；电流测量装置604用于精细测量LED调制驱动电路602工作过程的电流消耗，从而监控光学发射装置6的实时工况。

所述光学接收装置内部的组成结构如图4所示，包括依次相连接的光电二极管501、差分放大电路503和A/D转换电路504，所述光电二极管501还连接有光电流测量装置502和光电二极管驱动模块505，并与外部的温度测量装置201相连接，所述A/D转换电路501与光调制解调器4相连接。其中：光电二极管501用于接收光信号并转换为与光照度具有线性关系的模拟电信号，光电流测量装置502用于测量光学接收装置所接收的光信号强度，光电二极管驱动模块505用于提供光电二极管工作所需的驱动电压源，差分放大电路503用于滤除传输干扰和净化信号，A/D转换电路504用于将模拟电信号转换输出离散的采样值序列，即为数字基带信号；此数字基带信号可传入光调制解调器4，经载波检测、数据同步、自动纠错等步骤得到原始的网络数据包。光电二极管驱动模块505用于提供光电二极管工作所需的电压源。

在一种更优的实施例中，光学发射装置具有自动调节光照度的能力，此调节流程如图5所示，具体过程为：

1）感光二极管装置实时检测光学发射装置内部LED光学阵列的照度，并且将检测到的光学发射装置的照度传送给LED调制驱动电路；

2）LED调制驱动电路根据检测到的照度和目标照度的差异，调用控制算法，得出并且调节至适用于LED调制驱动电路的工作电流；

3）LED调制驱动电路的工作电流影响LED光学阵列输出的照度。

其中：感光二极管装置检测照度的数据输出为4~20mA电流信号、RS232信号、CAN信号以及I2C信号中的任意一种，LED调制驱动电路自动调节工作电流的控制算法为数字PID控制算法，其表示式类似于k1*P+k2*I+k3*D；当LED调制驱动电路通过一段时间连续检测，发现得到的实际照度低于目标照度后，需增加工作电流输出。

从图5可以看出，在工作电流影响光照度的过程中，环境温度变动起着不良干扰作用。通过测量光照度、用控制算法改变工作电流，构成负反馈回路，对温度变动的干扰因素加以抵消和抑制，利于改善光发射的稳定性和提高可见光通信可靠性，以及确保光学收发部分始终工作在线性区，减小传输误码率和延迟。

在一种更优的实施例中，光学接收装置具有自动调节其放大增益的能力，其调节流程如图6所示，具体过程为：

1）温度检测装置实时检测光学接收装置的内部温度，传送到光学接收装置内部的光电二极管驱动模块；

2）光电流测量装置实时检测光学接收装置所接收的光电流，并且传送到光电二极管驱动模块；

3）光电二极管驱动模块根据检测到的内部温度以及接收光电流，计算得出所需的目标驱动电压，并且调节到所需的目标驱动电压；

4）光电二极管通过驱动电压改变其放大增益。目前已知光电二极管的放大增益与其工作温度相关，而光接收装置离开线性区、处于饱和区或者接近关断区，都将大大降低通信效率或者导致通信错误。在水下可见光通信过程为了使光学接收装置始终处于线性区，改变其驱动电压是一种较为简便的办法。此方法在光电二极管装置的计算区内置经验公式，根据已测得的内部温度和接收端光电流，可得出所需的目标驱动电压，从而使得光电二极管维持一致性的放大增益并始终处于线性工作区。

在一种更优的实施例中，光调制解调器具有自动调节传输速度的能力，其调节流程如图7所示，具体过程为：

1）光调制解调器根据光电二极管接收的光照度，结合经验值表，得出粗略的预设传输速度；

2）光调制解调器根据预设传输速度、实际误码率和传输延迟，得出更精细的目标传输速度。

光电二极管接收的光照度可实时通信过程中由计算装置1实时计算得出，不同的光照度对应不同等级的粗略传输速度，为此可在光调制解调器的计算区和存储区内置此经验公式。加入预设传输速度、实际误码率和传输延迟的负反馈机制，可使得传输速度的调节更加精细、准确，达到最优的传输速度、误码率和网络延迟的最佳配比：当实际误码率和传输延迟增加时，需降低设置的传输速度；而当实际误码率和传输延迟均较小时，可考虑设置较高的传输速度。所设置的传输速度等级应参考当前的光照度数值，不应偏离太大，总体来讲光照度弱时，应当设置较低的数据传输速度。

系统通过光调制解调器根据光学接收装置接收的光照度、实际误码率和传输延迟，基于接收光照度影响数据传输速度的经验值精细调节目标的数据传输速度，从而可达到传输速度、误码率和传输延迟的最优化。

在一种更优的实施例中，光学接收装置具有自动校准内部光电二极管驱动电压的能力，其执行的流程图如图8所示，具体步骤为：

S1.计算装置停止光学发射装置和光学接收装置的数据传输过程；

S2.设置光学接收装置的驱动电压为新的数值；

S3.调整系统光学结构，使得光学接收装置能接收来自光学发射装置发出的可见光线；

S4.连续改变光学发射装置的输出照度，使光学接收装置内部的光电流测量装置实时测量光电流值；

S5.计算装置判断光学接收装置是否处于线性区，如果不处于线性区，则重复执行步骤S2-S5，否则，执行步骤S6；

S6.结束驱动电压的自动控制，恢复数据传输过程。

在上述步骤中，由于自动校准需要使自身包含的光学发射装置和光学接收装置直接通信，为此必须首先停止与外部的光通信过程，如同步骤S1。连续改变光学发射装置的输出照度，需出现通信协议允许的最低照度和最高照度，观测在整个过程光学接收装置是否始终工作于线性区；如不始终工作于线性区，说明光学接收装置的此驱动电压不合适，必须加以调整。

此方法通过较快的扫描方法迅速判断当前光接收装置的驱动电压是否合适、是否始终工作于线性区，对于通讯链路故障排除、提高水下可见光通信可靠性具有十分有利的效果。

其中：步骤S5判断是否处于线性区的方法为：判断光学接收装置内部所测量的光电流值序列与光学发射装置的输出照度值序列之间存在是否线性正相关，如果存在，则表明光学接收装置处于线性区。光学发射装置的输出照度可通过其内部感光二极管的检测结果获得。

判断两个值序列线性相关的方法为线性回归分析法。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，其特征在于，包括依次相连接的计算装置、以太网模块和光调制解调器，所述计算装置还连接有其他外围电路，光调制解调器通过线缆与光学接收装置和光学发射装置相连接，其所述其他外围电路包括温度检测装置、感光二极管、声光报警装置和冷却装置，其中：

感光二极管与光学发射装置内的LED光学阵列相连接，用于检测光学发射装置发出的光照度，进而调用控制算法调节光学发射装置的工作电流与光照度；

温度检测装置与光学接收装置内的光电二极管相连接，用于检测光学接收装置的内部温度，进而调用控制算法调节光电二极管的驱动电压和放大增益；

光调制解调器根据光学接收装置接收的光照度、实际误码率和传输延迟，自动调节其传输速度。

2.根据权利要求1所述的具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，其特征在于，所述光学发射装置内部包括依次相连接的D/A转换电路、LED调制驱动电路和LED光学阵列，LED调制驱动电路还连接有电流测量装置，其中：所述D/A转换电路与光调制解调器相连接，LED调制驱动电路和感光二极管具有电缆连接，感光二极管安装于LED光学阵列的可视范围内。

3.根据权利要求1所述的具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，其特征在于，所述光学接收装置内部包括依次相连接的光电二极管、差分放大电路和A/D转换电路，所述光电二极管还连接有光电流测量装置和光电二极管驱动模块，并与外部的温度测量装置相连接，所述A/D转换电路与光调制解调器相连接，所述光电二极管驱动模块用于提供光电二极管工作所需的电压源。

4.根据权利要求3所述的具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，其特征在于，光学发射装置具有自动调节光照度的能力，此调节流程为：

1）感光二极管实时检测光学发射装置内部LED光学阵列的照度，并且将检测到的光学发射装置的照度传送给LED调制驱动电路；

2）LED调制驱动电路根据检测到的照度和目标照度的差异，调用控制算法，得出并且调节至适用于LED调制驱动电路的工作电流；

3）LED调制驱动电路的工作电流影响LED光学阵列输出的照度。

5.根据权利要求4所述的具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，其特征在于，光学接收装置具有自动调节其放大增益的能力，其调节流程为：

1）温度检测装置实时检测光学接收装置的内部温度，并且将检测到的内部温度传送到光学接收装置内部的光电二极管驱动模块；

2）光电流测量装置实时检测光学接收装置所接收的光电流，并且传送到光电二极管驱动模块；

3）光电二极管驱动模块根据检测到的内部温度以及接收光电流，计算得出所需的目标驱动电压，并且调节到所需的目标驱动电压；

4）光电二极管通过驱动电压改变其放大增益。

6.根据权利要求5所述的具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，其特征在于，光调制解调器具有自动调节传输速度的能力，其调节流程为：1）光调制解调器根据光电二极管接收的光照度，结合经验值表，得出粗略的预设传输速度；

2）光调制解调器根据预设传输速度、实际误码率和传输延迟，得出更精细的目标传输速度。

7.根据权利要求1至6任意一条所述的具备状态监控以及工况自适应的水下可见光通信系统，其特征在于，光学接收装置具有自动校准内部光电二极管驱动电压的能力，具体步骤为：

S1.计算装置停止光学发射装置和光学接收装置的数据传输过程；

S2.设置光学接收装置的驱动电压为新的数值；

S3.调整系统光学结构，使得光学接收装置能接收来自光学发射装置发出的可见光线；

S4.连续改变光学发射装置的输出照度，使光学接收装置内部的光电流测量装置实时测量光电流值；

S5.计算装置判断光学接收装置是否处于线性区，如果不处于线性区，则重复执行步骤S2-S5，否则，执行步骤S6；

S6.结束驱动电压的自动控制，恢复数据传输过程；

其中：步骤S5判断是否处于线性区的方法为：判断所测量的光电流值序列与光学发射装置的输出照度之间存在是否线性相关，如果存在，则表明光学接收装置处于线性区。