水下采集信息平台的上传双向通信系统技术方案

水下信息采集平台的数据上传或下载系统及方法。采用另一运动平台对其进行水下现场搜索、发现、与其接近、对准并实现激光通信，下载、传输其收集存储的数据。它为水下各种信息收集平台将采集的信息上传下载提供一种高速、大容量、非接触式的双向通讯装置及方法，并兼用于高亮度大视场水下激光照明及采用激光束为水下平台充电。

【技术实现步骤摘要】
水下采集信息平台的上传双向通信系统
本专利技术属于水下信息采集平台的数据上传或下载系统及方法；采用另一运动平台对其进行水下搜索、发现、与其接近、对准并实现相互激光通信，下载、传输其收集存储的数据。它为水下各种信息收集平台将采集的信息上传下载提供一种高速、大容量、非接触的双向通讯装置及方法，并兼用于高亮度大视场水下激光照明及采用激光束为水下平台充电。
技术介绍
锚定或以其它方式安置于水下的信息采集平台(以下简称为锚定平台)，可以采用各种传感器在水下长期的进行各种信息的采集、监测并存储。但如何将其采集的信息上传是一极大挑战，长期难以得到满意的解决。经常只有将平台回收到船上或岸上后才能将存储的信息下载，极为不便、不安全、费时及高成本。采用水中声波通信可以实现水下平台信息的发送，与水下或水面的接收端平台进行数据或指令交换。该方法优点是作用距离较远、技术成熟，但缺点是传输速率低(10kbps左右)，对于需要上传大容量数据并不现实可行。对于有些应用场合必须保持声波静默的，无法采用声波通讯。本申请采用另一个水下运动平台作为“中介”(以下简称为运动平台)，由其接近锚定平台，然后双方通过激光通信的方法，实现锚定平台在水下现场直接将信息上传下载至运动平台，再由运动平台将信息带回。该设想在该应用领域相关部门引起了极大的兴趣(具有保密协议的讨论)。如果确实能根据该设想，实现水下两平台之间的双向激光通讯链接并实用，显然它具有诸如传输速率高(可达Mbps)，隐蔽性好，不易被他人发现，体积小、成本低，适合小型水下无人平台承载等优点。但实现该设想也存在明显的技术挑战，主要的两大技术挑战是：一、由于水对光传输的严重衰减，水下可视距离短，根据不同的水况，在强烈照明下，一般仅为几米到十几米的范围。如何在茫茫大海的水下实现运动平台与锚定平台之间的相互发现、并建立起激光通讯的“握手”链接是关键难题。不但两平台需要相互看得见，还要通讯光束与接收对得上。其中的主要因数是工作场景决定的工作距离。对于大气或空间的光通讯，作用距离在几公里以上，采用的激光束发散角必须小至几个毫弧度(mrad)量级，因此对得准是关键。而对于水下平台的应用，可视距离本就只可能为米级，搜索及照明的激光束发散角都在几度以上，因此看得见更是关键。这一差异，决定了水下通讯系统与非水下通讯系统并非简单的光传输介质不同，它们并无简单的可类比性。二、水下，尤其是在海底，水况复杂，经常存在严重及多变的水流及浪涌冲击，两平台相互位置处于不断的变动之中，如何压缩通讯需要的时间，以及如何尽可能长时间的维持双方通讯链接，是与大气或空间环境下进行无线光通讯的另一重大差别。在这两方面，至今并未发现有任何明确的解决方法或技术的公示。常规采用光束在大气或空间环境下进行无线通讯的公示，对解决上述难题并无多少可以被借鉴的价值或启示。
技术实现思路
本申请针对上述两个难点及挑战，提出以下解决方法，包括系统、技术、相应设备的设计、构成及使用方法。本专利技术之目的是解决水下的主动运动平台及锚定平台两类平台装置的基本构成设计，以及它们具体的使用技术或方法，以实现在两类水下平台之间的相互发现、接近、建立激光通讯的“握手”即链接、实现信息上传下载，并在通讯期间保持通讯链接的稳定。同时，本专利技术也提出除了可同时采用运动平台通讯光源作为水下照明光源外，还可用它对水下锚定平台进行激光充电，以补充其能源，延长其在水下工作时间。在本申请中，“运动平台”代表有人或无人的水下运动平台，能主动运动，发现并靠近、对准锚定平台。“水下锚定平台”，可以是简单投放在水底的平台，或其它在水下安置位置(包括锚定)相对固定的平台，其基本任务为在水下，利用各种传感器监测、采集各种相关数据，并将它们存储以待上传。其地理位置及在水下的深度参数为已知。本专利技术对相关的整个工作场景的设想是：运动平台根据已知的锚定平台地理位置及水深参数，被投放、进入到该区域及水深范围。开启激光照明光源并在其半球方向范围内进行大视场(如1°至30°)或可变视场的扫描搜索。运动平台具有CCD实时探测器可进行实时观察。一旦扫描搜索激光束覆盖到锚定平台，处于待机状态的锚定平台接收到搜索激光信号被唤醒，进入到工作状态。锚定平台同时具有广角接收装置，当运动平台的照明搜索激光束在水下进行搜索时，即使它可能并未直接的覆盖照到锚定平台，但如果激光束离锚定平台距离不远，由于水中微颗粒对光的漫散射较强，锚定平台广角接收装置可以感知到运动平台的搜索激光束的漫散射光，而感知到运动平台的存在及方位。根据接收到搜索激光信号的方位，锚定平台向外发射视场大于1°的应答激光信号或闪光灯标信号。运动平台根据接收到应答激光信号时对应的搜索激光发射方位，或根据锚定平台的闪光灯标信号，确认锚定平台的方位，调节运动平台的方位状态，至接收到的应答激光信号强度超过特定值，并对该方向进行锁定，向该方向发射代表身份的编码激光束。锚定平台在接收到运动平台的编码身份激光信号后，确认其身份无误，回答自己特定的激光身份编码应答信号。双方确认相互发现及身份，并确定双方实现光对接通讯的链接。运动平台根据锚定平台应答编码信号与运动平台发射的编码激光信号之间的延迟时间，判定双方之间的距离。具有主动运动能力的运动平台根据该方位及距离信息，进一步向锚定平台靠拢。完成双方通讯“握手”。需要强调说明的是，运动平台可以搜索发现锚定平台的距离范围，在实际的水下环境中，一般不会超过20米，它与大气或空间光通讯轻易几公里至几十、几百公里的作用距离完全不是一个数量级，也因此相应的各种具体技术方法、手段等并不能简单的相互套用。在水下的激光束照明搜索，采用小的光束发散角虽然可以理论上增加作用距离，但是细的光束及小的光斑对照明搜索也是个不良因数，不利于判定目标。实际搜索时，激光束的发散角会在1度至30度的范围。锚定平台对搜索激光束在水中漫散射的感知，更是建立在广角大视场的基础之上。当然对漫散射光的的感知可以用于“发现”，但对通讯链接而言，依靠漫散射光的可靠性不够。在此过程中，运动平台的CCD实时探测器进行实时观察，包括对在水中可视的激光束方位的观察，并对搜索或发现锚定平台提供辅助。由于从运动平台进行照明，并从运动平台进行的观察依赖于光的来回双程通过两平台间的距离及目标物的漫反射，严重影响了观测的作用距离，可以想象，在锚定平台能源条件允许情况下，根据事先设定的时间段，锚定平台若启动其激光源，间歇发出“灯标”闪光信号，可显著增强被运动平台CCD实时探测器发现的概率及作用距离。或者锚定平台可以通过其广角接收能力，对运动平台发出的照明激光束在水中的漫散射来感知运动平台的存在，而间歇发出“灯标”闪光信号，或向对应照明光存在的方位发出激光束信号。因为依靠“见到”对方激光束在水中的漫散射而开始双方的相互发现，其视场几乎为全方位，因此显著降低或回避了光束需要“覆盖”直接打到到对方的难题。在对使用声纳并无限制的场景下，运动平台也可先发出搜索声信号，一旦锚定平台接收到搜索声信号，它被唤醒进入到工作状态，发出应答声信号。运动平台根据应答声信号的方位、延迟时间，确认与锚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下信息监测采集平台(以下简称为锚定平台)的数据上传或下载系统及方法，其特征为：采用另一“中介”运动平台(以下简称为运动平台)对锚定平台进行水下搜索、发现、与其接近、对准并实现相互激光通信，下载、传输其收集存储的数据；运动平台激光照明光束的方位及视场可变，并兼用于通讯及为锚定平台充电；锚定平台为通过锚定或其它方法基本固定于水下或水底特定地点，或是投放在水底的平台，它安装有各种传感器，监测、采集水下各种相关数据，并将它们存储以待上传；锚定平台还包括具有通光窗口的密封罩，对运动平台搜索激光束的漫散射广角接收装置，激光通讯信号接收及通讯解调装置，声纳，激光源，激光通讯调制装置，对外激光发射装置包括激光光束扫描或切换装置或分束装置，激光充电接收及充电装置；运动平台包括具有通光窗口的密封罩，激光源，激光照明装置，外来激光信号接收及通讯解调装置，对外激光发射装置，激光光束扫描或切换或分束装置，激光通讯调制装置，声纳，CCD实时监测装置及CCD实时成像定位探测器；运动平台根据已知的锚定平台地理及水深参数，投放、进入到该区域及水深范围，通过声纳、激光照明光源及CCD实时监测进行搜索，或通过对锚定平台的闪光灯标信号的感知发现锚定平台；一旦锚定平台接收到搜索声信号，它回应预定声信号对运动平台进行引导；一旦锚定平台感知到扫描搜索激光束在水中的漫散射信号或直接被扫描搜索激光束覆盖，处于待机状态的锚定平台激光源被唤醒，进入到工作状态，发射闪光灯标信号，或根据感知到的搜索激光信号的方位，向该方位发射应答激光信号；双方以身份编码激光信号确认身份；运动平台根据双方编码信号间的延迟时间，判定双方之间的距离，并根据相关方位及距离信息，进一步向锚定平台靠拢对准，完成双方通讯“握手”并启动双向激光通讯，实现锚定平台数据的上传下载；按需要由运动平台对锚定平台用激光束进行充电；运动平台根据CCD实时成像定位探测器接收的锚定平台窗口图像，控制激光束的扫描或运动平台的姿态对锚定平台进行对准锁定。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水下信息监测采集平台(以下简称为锚定平台)的数据上传或下载系统及方法，其特征为：采用另一“中介”运动平台(以下简称为运动平台)对锚定平台进行水下搜索、发现、与其接近、对准并实现相互激光通信，下载、传输其收集存储的数据；运动平台激光照明光束的方位及视场可变，并兼用于通讯及为锚定平台充电；锚定平台为通过锚定或其它方法基本固定于水下或水底特定地点，或是投放在水底的平台，它安装有各种传感器，监测、采集水下各种相关数据，并将它们存储以待上传；锚定平台还包括具有通光窗口的密封罩，对运动平台搜索激光束的漫散射广角接收装置，激光通讯信号接收及通讯解调装置，声纳，激光源，激光通讯调制装置，对外激光发射装置包括激光光束扫描或切换装置或分束装置，激光充电接收及充电装置；运动平台包括具有通光窗口的密封罩，激光源，激光照明装置，外来激光信号接收及通讯解调装置，对外激光发射装置，激光光束扫描或切换或分束装置，激光通讯调制装置，声纳，CCD实时监测装置及CCD实时成像定位探测器；运动平台根据已知的锚定平台地理及水深参数，投放、进入到该区域及水深范围，通过声纳、激光照明光源及CCD实时监测进行搜索，或通过对锚定平台的闪光灯标信号的感知发现锚定平台；一旦锚定平台接收到搜索声信号，它回应预定声信号对运动平台进行引导；一旦锚定平台感知到扫描搜索激光束在水中的漫散射信号或直接被扫描搜索激光束覆盖，处于待机状态的锚定平台激光源被唤醒，进入到工作状态，发射闪光灯标信号，或根据感知到的搜索激光信号的方位，向该方位发射应答激光信号；双方以身份编码激光信号确认身份；运动平台根据双方编码信号间的延迟时间，判定双方之间的距离，并根据相关方位及距离信息，进一步向锚定平台靠拢对准，完成双方通讯“握手”并启动双向激光通讯，实现锚定平台数据的上传下载；按需要由运动平台对锚定平台用激光束进行充电；运动平台根据CCD实时成像定位探测器接收的锚定平台窗口图像，控制激光束的扫描或运动平台的姿态对锚定平台进行对准锁定。


2.权利要求1中的激光源，其特征为：运动平台的激光源为波长范围500-520nm内的LD激光器，连续输出功率为10-200瓦；锚定平台的激光源为波长范围450-500nm内的LD激光器，连续输出功率为10-200瓦；两平台采用不同波长的LD激光源，在发射及接收的同一光路中采用相应的分光介质膜片，实现两平台双方同时进行数据及指令的发送及接收功能。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘京郊，杜大勇，侯晓帆，何耀杰，
申请(专利权)人：北京华夏光谷光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11