提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及声光通信技术领域，具体的说是一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置及其应用，包括发射机构和接收机构，其特征在于，所述发射机构中设有依次相连的DHPIM双头脉冲间隔调制模块、激光激发及扫描控制模块、脉冲CO2激光器，其中脉冲CO2激光器输出的光信号经光束整形机构处理后，经过空气传输使得激光信号在到达水面后，以光击穿的方式与水介质相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播；所述接受机构中设有位于水下的光纤水听器，光纤水听器进行声波信号的接收；本发明专利技术与现有技术相比，能够有效降低数据丢失或被破译的概率；提高了传输容量和带宽效率，简化系统实现复杂度。简化系统实现复杂度。

【技术实现步骤摘要】
提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置及其应用

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[0001]本专利技术涉及声光通信
，具体的说是一种能够大幅减小系统能耗、提高通信距离、保障通信信息安全性和保密性的提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置及其应用。

技术介绍
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[0002]随着资源环境的日益变化，海洋逐渐成为国家战略发展的重点。海洋水下目标探测在未来战争中和国民经济生产中的地位日益突出，如海战中进行实时信息交换、通信联络、指挥控制等，所以在海洋环境下的探测显得十分重要。光声探测技术结合激光与声波的优点，通过机载或船载大功率激光器将激光聚焦于海水中激发声波。采用高能量脉冲CO2激光器可以在一定程度上提高光声转换效率，降低能量损耗，高灵敏度的水听器可以接受远距离的传输声波从而提高通信距离。另外，将光束整形为环形可以减小激光在进行跨介质传播时受到的水雾影响，从而提高激光在大气中的穿透度，减小能量损耗，实现远距离激发。光声效应所激发声波的声源级高、声波脉冲窄、频谱范围宽，能够很好地应用于海洋环境并实现精准探测。

技术实现思路
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[0003]本专利技术针对传统空中与海洋通信信号损耗大、安全性较差、通信距离短、困难大等问题，提供一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置及其应用。
[0004]本专利技术通过以下措施达到：
[0005]一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置，包括发射机构和接收机构，其特征在于，所述发射机构中设有依次相连的DHPIM双头脉冲间隔调制模块、激光激发及扫描控制模块、脉冲CO2激光器，其中脉冲CO2激光器输出的光信号经光束整形机构处理后，经过空气传输使得激光信号在到达水面后，以光击穿的方式与水介质相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播；所述接受机构中设有位于水下的光纤水听器，光纤水听器进行声波信号的接收；所述光束整形机构用于实现实心光束到空心光束的变换，设有依次同轴放置的第一平凹透镜、第二平凹透镜、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜，其中第一平凹透镜的凹面朝向光传播方向，第二平凹透镜平面朝向光传播方向，第一圆锥透镜的锥面朝向光传播方向，第二圆锥透镜平面朝向光传播方向，光束整形机构中各透镜间距离满足下式：
[0006][0007]其中，ω0为经由第一平凹透镜和第二平凹透镜组成的扩束准直系统扩束后的光束半径，γ为遮拦比，n为空气与圆锥透镜间的相对折射率，θ为圆锥透镜顶角。
[0008]本专利技术所述光束整形机构中还设有平移台控制机构以及光学导轨，进一步，所述第一圆锥透镜、第二圆锥透镜顶角相同，在第一圆锥透镜、第二圆锥透镜底部安装有平移台，平移台固定在光学导轨上。
[0009]本专利技术所述接收机构设有光纤MEMS水听器、声电转换模块、预处理放大滤波模块及DHPIM解调模块，所述光纤MEMS水听器完成激光声信号的接收，所述声电转换模块将声信号转化为电信号，所述预处理放大滤波模块对电信号进行放大滤波处理，方便对信号进行解调，所述DHPIM解调模块对脉冲及空时隙位置信息按照映射关系解调数据并输出。
[0010]本专利技术发射机构中所述DHPIM调制模块将RAM(随机存取存储器)中的数据读取并进行缓存，然后将每一个缓存数据进行调制；所述脉冲CO2激光器受控于调制编码的输出信号，实现激光脉冲的发射；所述激光激发及扫描控制模块实现脉冲信号的触发；所述光束整形机构通过圆锥透镜将实心激光束转换为环形空心激光束。
[0011]本专利技术还设有工控机，控制脉冲信号发射频率及能量的工控机输出端经DHPIM调制模块和激光激发扫描控制模块与脉冲CO2激光器的输入端相连，脉冲CO2激光器的输出端经扫描镜及振镜系统后由光束整形机构将实心激光束转换为环形空心激光束，激光束依次通过空气信道和水声信道后与水听器建立无线通信，水听器的输出端经声电转换模块及预处理放大滤波模块后连接DHPIM解调模块的输入端，DHPIM解调模块的输出端与工控机相连。
[0012]本专利技术中激光器为高能量脉冲CO2激光器，脉冲重复频率为1
‑
20Hz，多模下脉冲能量为250mJ，平均功率为5W，脉冲宽度为50～150ns。水听器为光纤MEMS水听器，线性频带宽度为1～10kHz，灵敏度级
‑
210dB(参考值为1V/μPa)。
[0013]本专利技术还提出了一种如上所述提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置的使用方法，其特征在于，发射机构通过DHPIM调制模块将信号数据转换为具有DHPIM调制特征的脉冲序列，调制好的脉冲序列送至激光驱动电路控制激光器发射特定序列的激光脉冲，输出的激光脉冲由光束整形机构将实心激光束转换为环形空心激光束，环形激光束经过空气传输使得激光能量在到达水面之后以光击穿的方式与水介质相互作用，把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播，通过水下任意位置的光纤水听器进行声波信号的接收，声波信号经声电转换为电信号后，经过放大滤波送至DHPIM解调模块的输入端，DHPIM解调模块提取数字序列信号中的脉冲及空时隙位置信息并通过相应的映射关系转换为数据组，实现从空中到水下的信号传输，进行信息的传输从而实现水声通信。
[0014]本专利技术所述提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置的使用方法具体包括以下步骤：
[0015]步骤1：DHPIM调制模块完成二进制序列的串并进行转换，二进制转变为十进制，将调制数据缓存起来，每一个调制数据都由其对应的十进制由双头脉冲间隔调制方式判断头时隙脉冲宽度，通过计数生成不同脉宽，再根据调制数据通过计数产生信息时隙数和保护时隙数，对缓存所有数据完成调制，再将二进制序列转换为时隙序列输出，从而完成信号的调制；
[0016]步骤2：DHPIM调制模块输出的调制信号经驱动电路加载于脉冲CO2激光器驱动模块，输出不同时隙类型的脉冲激光信号；
[0017]步骤3：光束整形机构通过圆锥透镜将实心激光束转换为环形空心激光束；
[0018]步骤4：激光脉冲经过大气信道到达水面，以光击穿的方式与水介质实现相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播；
[0019]步骤5：声波信号经过水声信道进行传播，由水听器接收声波信号，将其转换为电信号并经滤波放大电路后输出到DHPIM解调模块；
[0020]步骤6：DHPIM解调模块对接收到的序列信号进行解调，在检测到脉冲信号后进入有效信号检测状态，根据接收到的起始脉冲时隙计算信息时隙和保护时隙的个数，将这些信息映射为原始信源并进行存储，对解调数据进行串转换后输出二进制信息。
[0021]本专利技术所述步骤1中，DHPIM调制采用两种不同脉冲宽度的起始脉冲，其后加入1
‑
2个保护时隙和调制信息时隙数目，其中调制信息取决于与调制数据相对应的十进制编码，S
k
作为DHPIM调制后符号，k为调制符号对应的十进制数，d
k
为信息帧中信息时隙的个数，M为调制阶数，符号S
k
由头部时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置，包括发射机构和接收机构，其特征在于，所述发射机构中设有依次相连的DHPIM双头脉冲间隔调制模块、激光激发及扫描控制模块、脉冲CO2激光器，其中脉冲CO2激光器输出的光信号经光束整形机构处理后，经过空气传输使得激光信号在到达水面后，以光击穿的方式与水介质相互作用，进而把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播；所述接受机构中设有位于水下的光纤水听器，光纤水听器进行声波信号的接收；所述光束整形机构用于实现实心光束到空心光束的变换，设有依次同轴放置的第一平凹透镜、第二平凹透镜、第一圆锥透镜、第二圆锥透镜，其中第一平凹透镜的凹面朝向光传播方向，第二平凹透镜平面朝向光传播方向，第一圆锥透镜的锥面朝向光传播方向，第二圆锥透镜平面朝向光传播方向，光束整形机构中各透镜间距离满足下式：其中，ω为经由第一平凹透镜和第二平凹透镜组成的扩束准直系统扩束后的光束半径，γ为遮拦比，n为空气与圆锥透镜间的相对折射率，θ为圆锥透镜顶角。2.根据权利要求1所述的一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置，其特征在于，所述光束整形机构中还设有平移台控制机构以及光学导轨，所述第一圆锥透镜、第二圆锥透镜顶角相同，在第一圆锥透镜、第二圆锥透镜底部安装有平移台，平移台固定在光学导轨上。3.根据权利要求1所述的一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置，其特征在于，所述接收机构设有光纤MEMS水听器、声电转换模块、预处理放大滤波模块及DHPIM解调模块，所述光纤MEMS水听器完成激光声信号的接收，所述声电转换模块将声信号转化为电信号，所述预处理放大滤波模块对电信号进行放大滤波处理，方便对信号进行解调，所述DHPIM解调模块对脉冲及空时隙位置信息按照映射关系解调数据并输出。4.根据权利要求1所述的一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置，其特征在于，发射机构中所述DHPIM调制模块将RAM(随机存取存储器)中的数据读取并进行缓存，然后将每一个缓存数据进行调制；所述脉冲CO2激光器受控于调制编码的输出信号，实现激光脉冲的发射；所述激光激发及扫描控制模块实现脉冲信号的触发；所述光束整形机构通过圆锥透镜将实心激光束转换为环形空心激光束。5.一种如权利要求1
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4中任意一项所述的提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置的使用方法，其特征在于，发射机构通过DHPIM调制模块将信号数据转换为具有DHPIM调制特征的脉冲序列，调制好的脉冲序列送至激光驱动电路控制激光器发射特定序列的激光脉冲，输出的激光脉冲由光束整形机构将实心激光束转换为环形空心激光束，环形激光束经过空气传输使得激光能量在到达水面之后以光击穿的方式与水介质相互作用，把激光脉冲转化成为声波信号在水下向各个方向进行传播，通过水下任意位置的光纤水听器进行声波信号的接收，声波信号经声电转换为电信号后，经过放大滤波送至DHPIM解调模块的输入端，DHPIM解调模块提取数字序列信号中的脉冲及空时隙位置信息并通过相应的映射关系转换为数据组，实现从空中到水下的信号传输，进行信息的传输从而实现水声通
信。6.根据权利要求5所述的一种提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置的使用方法，其特征在于，所述提高光声转换效率的空中与水下激光致声通信装置的使用方法具体包括以下步骤：步骤1：DHPIM调制模块完成二进制序列的串并进行转换，二进制转变为十进制，将调制数据缓存起来，每一个调制数据都由其对应的十进制由双头脉冲间隔调制方式判断头时隙脉冲宽度，通过计数生成不同脉宽，再根据调制数据通过计数产生信息时隙数和保护时隙数，对缓存...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵扬，李鹏，周志权，赵占峰，陈铖，李迎春，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：