基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法及系统技术方案

本发明专利技术属于水下无线光通信技术领域，涉及一种基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法及系统，该方法在建立通信链路前，使用空域计算鬼成像技术实现光发射装置与光接收装置的光路对准，相比传统人工对准降低了对准难度、提高了工作效率；本发明专利技术在链路对准阶段采用空域计算鬼成像技术，DMD用于光调制；在通信阶段可采用传统无线光通信或时域计算鬼成像技术，DMD与光功率计结合使用，以防止接收光功率饱和。因此，本发明专利技术能够实现对准系统和通信系统共用同一光路结构，生产成本低，系统结构更加紧凑。更加紧凑。更加紧凑。

【技术实现步骤摘要】
基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法及系统


[0001]本专利技术属于水下无线光通信
，涉及一种基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法及系统。

技术介绍

[0002]当前，全球粮食、资源、能源短缺与全球人口快速增长的矛盾日益突出，海洋资源开发已成为必然的发展趋势，对海洋勘探、海底监测和海洋开发日益增长的需求推动了水下无线通信技术(Underwater Wireless Communication Technology，UWCT)的发展。现有的水下无线通信技术分为三类：水声通信、射频通信和水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication，UWOC)。相比于水声通信和射频通信，UWOC具有带宽高、容量大、抗干扰能力强、保密性好等优势。
[0003]业内悉知，水下无线光通信系统通常采用发光二极管(LED)或激光二极管(LD)作为光源；LED的谱线带宽较宽、调制速率低、适用于短距离传输。与LED相比，LD具有发散角小的特点，光斑尺寸为毫米量级，而在长距离传输时光接收端接收器件的光敏面尺寸也在毫米量级，导致接收端接收光信号具有一定难度。因此，发射端与接收端的对准技术成为水下无线光通信系统中的关键技术；同时，水下无线光通信系统中，光信号在传输时易受海水吸收和散射的影响，造成光信号严重衰减、接收端接收到的光信号信噪比低，导致传输距离受限。因此，研究对准与长距离传输均具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于数字微反射镜(Digital Micromirror Device,DMD)实现双模式切换的水下无线光通信方法及系统，解决了现有技术中存在的发射端与接收端对准困难以及长距离传输受限的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0006]一方面，本专利技术提供了一种基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法，具体步骤如下：
[0007]步骤1、在建立通信链路前，利用空域计算鬼成像方法进行光斑定位，控制单元根据所述光斑位置控制高精度云台，使高精度云台带动光接收装置进行转动，实现水下无线光通信系统发射端与接收端的对准；
[0008]步骤2、对准完成后再将所述水下无线光通信系统切换至相应的通信模式进行通信。
[0009]进一步，所述通信模式包括传统通信模式和时域计算鬼成像通信模式。
[0010]进一步，利用传统通信模式进行通信的具体步骤如下：
[0011]在发射端，输入信号经编码、调制生成调制信号，再将调制信号加载至信号源驱动光源产生光信号，所述光信号经过第一透镜进入水下信道；
[0012]在接收端，经过水下信道后的光信号被第二透镜汇聚成光束，再经过分光镜作用
分为第一支路和第二支路，第一支路的光信号通过光功率计采集光功率P，并通过计算机将采集到的光功率P与光电探测器的饱和阈值P
th
进行比对，以避免光电探测器饱和；第二支路的光信号经光电探测器输出且输出的光信号分为第一输出光信号和第二输出光信号，若存在湍流的影响，则第二输出光信号经过低通滤波单元对第一输出光信号进行补偿；
[0013]最后通过解调、译码恢复出原始信号。
[0014]进一步，利用所述时域计算鬼成像通信模式进行通信的具体步骤如下：
[0015]步骤2.1、对原始信号进行调制产生调制信号；
[0016]步骤2.2、将所述调制信号加载至信号源驱动光源产生光信号，所述光信号经第一透镜进入水下信道；
[0017]步骤2.3、所述光信号经过传输后，通过第二透镜将光信号汇聚至DMD上进行光反射，反射光信号通过第三透镜汇聚；
[0018]步骤2.4、汇聚后的光束经分光镜分为第一支路和第二支路，分光比为I1:I2：第一支路的光信号通过光功率计采集光功率P，并通过计算机将采集到的光功率P与光电探测器的饱和阈值P
th
进行比对，以避免光电探测器饱和；第二支路的光信号经过光电探测器输出且输出的光信号分为第一输出光信号和第二输出光信号，若存在湍流的影响，则第二输出光信号经过低通滤波单元对第一输出光信号进行补偿；
[0019]步骤2.5、通过恢复算法获得原始信号。
[0020]具体地，所述步骤2.1中、对原始信号进行调制的具体方法如下：
[0021]使用基于时域计算鬼成像算法的调制矩阵对原始信号进行调制产生调制信号，数学表达式如下：
[0022]Y
i
(t)＝s(t)H
i
(t)，(i＝1，2...N)
ꢀꢀ
(1)具体地，这里采用Hadamard正交调制矩阵；式(1)中，i表示调制次数，s(t)表示原始信号，H
i
(t)表示Hadamard正交矩阵的第i行，Y
i
(t)表示第i次调制后的信号。
[0023]进一步，所述步骤2.2中的光源采用蓝绿激光器，蓝光波长为445nm～488nm，绿光波长为520nm～532nm，数据发射频率范围2MHz～4GHz。
[0024]进一步，所述步骤2.4中将采集到的光功率P与光电探测器的饱和阈值P
th
进行比对的具体方式如下：
[0025]如果采集功率值P满足P
th
：P＜I2：I1，则计算机控制DMD进行状态切换，降低“1”状态的占比，实现降低接收功率的目的，以避免光电探测器饱和；
[0026]如果采集功率值P满足P
th
：P≥I2：I1，则不做任何处理，DMD的状态不变。
[0027]进一步，所述步骤2.4中，
[0028]第一输出光信号由数据采集单元进行采集，可得到光电探测器在第i次调制期间接收的光强值对应的探测结果为I_SIGNAL_1(t)，其数学表达式如下：
[0029][0030]式(2)中，H
i
(t)，s(t)，i的含义与式(1)相同，T表示信号的长度；
[0031]第二输出光信号经过低通滤波单元处理后由数据采集单元采集得到的光信号为I_SIGNAL_2(t)，若信道存在湍流导致接收信号闪烁，则利用第二输出光信号对第一输出光信号进行补偿，其数学表达式如下：
[0032]I_SIGNAL_1_com(t)＝I_SIGNAL_1(t)*max(I_SIGNAL_2(t))/I_SIGNAL_2(t)
ꢀꢀ
(3)
[0033]式(3)中，I_SIGNAL_1_com(t)表示湍流补偿后的结果。
[0034]进一步，所述步骤2.5具体为：将湍流补偿结果和调制矩阵使用恢复算法恢复原始信号；其中，恢复算法可以采用二阶关联算法，其数学表达式如下：
[0035]O(t)＝<H
i
(t)I_SIGNAL_1_com(t)>
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、在建立通信链路前，利用空域计算鬼成像方法进行光斑定位，控制单元根据所述光斑位置控制高精度云台，使高精度云台带动光接收装置进行转动，实现水下无线光通信系统发射端与接收端的对准；步骤2、对准完成后再将所述水下无线光通信系统切换至相应的通信模式进行通信。2.根据权利要求1所述的基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法，其特征在于，所述通信模式包括传统通信模式和时域计算鬼成像通信模式。3.根据权利要求2所述的基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法，其特征在于，利用所述时域计算鬼成像通信模式进行通信的具体步骤如下：步骤2.1、对原始信号进行调制产生调制信号；步骤2.2、将所述调制信号加载至信号源驱动光源产生光信号，所述光信号经第一透镜进入水下信道；步骤2.3、所述光信号经过传输后，通过第二透镜将光信号汇聚至DMD上进行光反射，反射光信号通过第三透镜汇聚；步骤2.4、汇聚后的光束经分光镜分为第一支路和第二支路，分光比为I1:I2：第一支路的光信号通过光功率计采集光功率P，并通过计算机将采集到的光功率P与光电探测器的饱和阈值P
th
进行比对，以避免光电探测器饱和；第二支路的光信号经过光电探测器输出且输出的光信号分为第一输出光信号和第二输出光信号，若存在湍流的影响，则第二输出光信号经过低通滤波单元对第一输出光信号进行补偿；步骤2.5、通过恢复算法获得原始信号。4.根据权利要求3所述的基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法，其特征在于，所述步骤2.1、对原始信号进行调制的具体方法如下：使用基于时域计算鬼成像算法的调制矩阵对原始信号进行调制产生调制信号，数学表达式如下：Y
i
(t)＝s(t)H
i
(t)，(i＝1，2...N)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，s(t)表示原始信号，H
i
(t)表示Hadamard正交矩阵的第i行，Y
i
(t)表示第i次调制后的信号，i表示调制次数。5.根据权利要求3所述的基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法，其特征在于，所述步骤2.2中光源采用蓝绿激光器，蓝光波长为445nm～488nm，绿光波长为520nm～532nm，数据发射频率范围2MHz～4GHz。6.根据权利要求3所述的基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法，其特征在于，所述步骤2.4中将采集到的光功率P与光电探测器的饱和阈值P
th
进行比对的具体方式如下：如果采集功率值P满足P
th
：P＜I2：I1，则计算机控制DMD进行状态切换，降低“1”状态的占比，实现降低接收功率的目的，以避免光电探测器饱和；如果采集功率值P满足P
th
：P≥I2：I1，则DMD的状态不变。7.根据权利要求3所述的基于DMD实现双模式切换的水下无线光通信方法，其特征在于，所述步骤2.4中，第一输出光信号由数据采集单元进行采集，可得到光电探测器在第i次调制期间接收
的光强值对应的探测结果为I_SIGNAL_1(t)，其数学表达式如下：I_SIGNAL_1(t)＝∫
0T
s(t)H
i
(t)dt，(i＝1，2
…
N)
ꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，H
i
(t)，s(t)，i的含义与式(1)相同，T表示信号的长度；第二输出光信号经过低通滤波单元处理后由数据采集单元采集得到的光信号为I_SIGNAL_2(t)，若信道存在湍流导致接收信号闪烁，则利用第二输出光信号对第一输出光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建磊，吕改蒙，张友为，杨祎，贺锋涛，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：