【技术实现步骤摘要】
基于单光子探测器的水下无线光通信装置及方法
[0001]本专利技术涉及水下无线光通信
，尤其涉及一种基于单光子探测器的水下无线光通信装置及方法。
技术介绍
[0002]随着对海洋特性认知、开发的逐步深入，无人潜器、水下机器人和海底预置系统的应用日益广泛，节点数量逐渐增多，已成为海洋信息网络的重要组成部分。与此同时，水下平台间传输信息带宽需求大幅增长，如何铰链分散在各水域的动态、静态节点，快速卸载各网络节点数据，提升信息传输能力，满足高带宽、实时性、隐蔽性的通信要求，成为水下通信领域亟待解决的问题。
[0003]近年来，低损耗水下无线光通信技术(Underwater optical wireless communication,UOWC)得到广泛关注，其拥有更高的传输速率、更低的传输链路时延亦即更低的收发系统能耗，典型的UOWC系统的传输速率和通信距离可以到数Gbps/数十米量级、数Mbps/百米量级，是未来深海水下信息传输的重要技术手段。然而，在远距离水下无线光通信中，水下信道复杂，水体衰减、大分子颗粒物引起的散射以及水下湍流引起的平坦衰落共同作用影响光链路的传输，光信号在经过远距离传输后到达接收端的能量十分微弱，传统水下无线光通信技术难以满足远距离通信要求。近年来，随着单光子探测器件的发展，从器件端提升了接收机的探测灵敏度，是未来突破水下无线光通信的作用距离的关键。然而，单光子探测器的引入虽然在灵敏度上有助于提高水下无线光通信系统作用距离，但受限于部分单光子探测器靶面尺寸(诸如Si
‑>GMAPD成熟产品约200μm)，系统的光学视场角很小，在水下通信时，链路的对准面临很大挑战。同时，高灵敏的信号探测也带来了背景噪声敏感等问题，在不同水质条件与不同背景噪声干扰下，难以通过单一参数设置完成信息的鲁棒解调，对水下单光子无线光通信的环境适应性与通信误码率也提出了更高的要求。因此，针对上述问题，本专利技术提出了一种基于单光子探测的水下无线光通信装置及其方法，用以解决或部分解决当前水下高灵敏度无线光通信的技术难题。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于根据现有技术不足，设计一种基于单光子探测器的水下双向无线光通信装置及方法，提升水下通信距离，满足不同水质环境下远距离无线光通信的要求。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]提供一种基于单光子探测器的水下无线光通信装置，其特征在于，
[0007]包括双向通信的第一单光子通信装置和第二单光子通信装置，其均包括激光发射单元、信号接收单元、信号综合处理单元和电源模块；
[0008]激光发射单元将接收到得调制电信号加载到光信号中并输出，同时发射辅助对准激光进行通信装置对准；
[0009]信号接收单元通过单光子探测器将接收到的光信号转换为电信号并对外传输，同
时接收辅助对准激光完成通信装置对准；
[0010]信号综合处理单元接收上位机的通信信息后转化为调制电信号传输给激光发射单元，并将信号接收单元传输的电信号解调恢复为通信信息后传送给上位机。
[0011]接上述技术方案，激光发射单元包括两个光路，其中一个光路包括信标激光器和第一准直器；另一个光路包括多个信源激光器、合束器、第二准直器、二向色镜和扩束光学系统；合束器用以将多个信源激光器输出的激光合成一路后输出；第一准直器用以将信标激光准直后输出；第二准直器用以将信源激光准直后输出；二向色镜与第一准直器、第二准直器连接，用以将经过准直后的信源激光与信标激光合束后输出给扩束光学系统。
[0012]接上述技术方案，一个激光发射单元的信源激光器与另一个激光发射单元的信标激光器的波长相同。
[0013]接上述技术方案，信号接收单元包括两路光路，其中一路具体包括顺次连接的接收光学系统、二向色镜、滤光片组件、第一汇聚光学系统、单光子探测器；接收光学系统接收激光发射单元发射的激光，二向色镜用以将信源激光与信标激光分离，其中信源激光经滤光片组件滤光后输出给第一汇聚光学系统，以汇聚信源激光能量到单光子探测器的靶面，单光子探测器用以接收信源激光能量，并转换为数字脉冲信号，输出给信号综合处理单元；
[0014]另一路包括第二汇聚光学系统和相机，第二汇聚光学系统与二向色镜相连，相机与外部计算机连接；第二汇聚光学系统用以汇聚信标激光能量到相机的靶面，相机接收信标激光光斑，并根据光斑位置完成发射与接收光轴对准。
[0015]接上述技术方案，其中第一单光子通信装置的信号接收单元的滤光片组件的带通中心波长范围覆盖第二单光子通信装置的激光发射单元的多个信源激光器的波长，截止波长范围覆盖第一激光发射单元的多个信源激光器的波长。
[0016]接上述技术方案，第二单光子通信装置的接收单元的滤光片组件的带通中心波长范围覆盖第一单光子通信装置激光发射单元的多个信源激光器的波长，截止波长范围覆盖第二光子通信装置的激光发射单元的多个信源激光器的波长。
[0017]接上述技术方案，单光子探测器为盖革模式APD单光子探测器、光子计数型PMT单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。
[0018]接上述技术方案，相机为CCD相机或CMOS相机。
[0019]接上述技术方案，信号综合处理单元包括信息传输模块、电平转换模块、调制功能模块、解调功能模块、系统初始化模块。
[0020]本专利技术还提供了一种基于单光子探测器的水下无线光通信方法，该通信方法基于上述技术方案的基于单光子探测器的水下无线光通信装置，包括以下步骤：
[0021]第一步，完成第一单光子通信装置与第二单光子通信装置的发射与接收光轴对准；
[0022]第二步，通过激光发射单元发射低能量、中能量、高能量激光，分别利用信号接收单元采集的散射回波计数评估水质环境的吸收系数与散射系数，将三次测量的平均值作为当前水质环境的吸收系数与散射系数；
[0023]第三步，根据吸收系数与散射系数之和的值确定当前水质条件，当低于清洁海水衰减系数时，设置低能量、高重频调制实现信源激光器输出；当高于清洁海水衰减系数时，设置高能量、低重频调制实现信源激光器输出；
[0024]第四步，信号接收单元通过单光子探测器统计单个符号周期环境的背景噪声光子计数率与最大信息光子计数率，并进行在线信号解调的最小脉冲间隔阈值、信号恢复判决阈值的设置，以适应不同背景环境与传输距离下的通信，重复第三、四步实现连续通信传输。所述第一步包括：利用两单光子通信装置信标激光与相机完成辅助对准，使两端信源激光汇聚光斑中心落在相机对准中心位置。
[0025]所述第二步包括：
[0026]1)信标激光器设置为固定频率输出，首先以低单脉冲能量发射N
L
个脉冲，触发探测器与数据采集装置获取T
L
时长后向散射信号，根据散射波形进行指数拟合，求得低脉冲能量下水体吸收系数A
L
散射系数B
L
[0027]2)依次采用同样方法发送中能量N<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于单光子探测器的水下无线光通信装置，其特征在于，包括双向通信的第一单光子通信装置和第二单光子通信装置，其均包括激光发射单元、信号接收单元、信号综合处理单元和电源模块；激光发射单元将接收到得调制电信号加载到光信号中并输出，同时发射辅助对准激光进行通信装置对准；信号接收单元通过单光子探测器将接收到的光信号转换为电信号并对外传输，同时信号接收单元接收辅助对准激光完成通信装置对准；信号综合处理单元接收上位机的通信信息后转化为调制电信号传输给激光发射单元，并将信号接收单元传输的电信号解调恢复为通信信息后传送给上位机。2.根据权利要求1所述的基于单光子探测器的水下无线光通信装置，其特征在于，激光发射单元包括两个光路，其中一个光路包括信标激光器和第一准直器；另一个光路包括多个信源激光器、合束器、第二准直器、二向色镜和扩束光学系统；合束器用以将多个信源激光器输出的激光合成一路后输出；第一准直器用以将信标激光准直后输出；第二准直器用以将信源激光准直后输出；二向色镜与第一准直器、第二准直器连接，用以将经过准直后的信源激光与信标激光合束后输出给扩束光学系统。3.根据权利要求2所述的基于单光子探测器的水下无线光通信装置，其特征在于，一个激光发射单元的信源激光器与另一个激光发射单元的信标激光器的波长相同。4.根据权利要求1所述的基于单光子探测器的水下无线光通信装置，其特征在于，信号接收单元包括两路光路，其中一路具体包括顺次连接的接收光学系统、二向色镜、滤光片组件、第一汇聚光学系统、单光子探测器；接收光学系统接收激光发射单元发射的激光，二向色镜用以将信源激光与信标激光分离，其中信源激光经滤光片组件滤光后输出给第一汇聚光学系统，以汇聚信源激光能量到单光子探测器的靶面，单光子探测器用以接收信源激光能量，并转换为数字脉冲信号，输出给信号综合处理单元；另一路包括第二汇聚光学系统和相机，第二汇聚光学系统与二向色镜相连，相机与外部计算机连接；第二汇聚光学系统用以汇聚信标激光能量到相机的靶面，相机接收信标激光光斑，并根据光斑位置完成发射与接收光轴对准。5.根据权利要求4所述的基于...
【专利技术属性】
技术研发人员：王晨晟，杜卫超，叶骏伟，余徽，丁露，
申请(专利权)人：华中光电技术研究所中国船舶集团有限公司第七一七研究所，
类型：发明
国别省市：
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