CN115118337B - 一种基于面光源的跨动态水-大气界面通信*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于面光源的跨动态水‑大气界面通信***，包括依次设置的LED阵列、均光膜，APD和后端的信号处理模块；LED阵列为波长位于450nm～570nm的多个LED排布组成的发光板，均光膜位于LED阵列后；LED阵列发出的光线依次通过所述均光膜、水‑大气界面抵达光电探测器的有效探测面上。本发明结构简单，将离散的LED点光源阵列变成均匀的面光源，输出高亮度大面积的光斑，实现通信***的高速率与大覆盖面积；同时由于面光源的发光面大，出射光线方向随机，在小的阵列体积下实现了大的分集发送结构，适用于跨动态水面可见光通信***。本发明的光学天线结构简单，有效平稳由于动态水面折射而导致的信道链路增益的变化，满足不同环境下跨水面可见光通信的需要。

Description

一种基于面光源的跨动态水-大气界面通信***
技术领域
本发明涉及跨水面可见光通信和光源设计领域，尤其涉及一种基于面光源的跨动态水-大气界面通信设计方案。
背景技术
近年来，水下活动和相关的无线通信引起了学术界和工业界的极大兴趣。为了高效、安全地探索和获取海洋数据，必须在水下平台(如水下无人飞行器(UUV)和传感器)和陆地平台(如无人飞行器(UAV)和基站)之间建立通信链路。跨水面可靠通信在水下监测和水下救援任务等各种应用中发挥着重要作用。
射频波、声波和光波是在空气和水中传输的三种现有无线载体。尽管射频信号可以传播很长的距离(可达几十公里)，并在空气中达到很高的传输速率(可达数百Mbps)，但由于吸收和衰减高，它们只能在水中传播几米。声波可以在水中传播数公里，一直是水下通信的首选。然而，声学通信***的传输速率仅为每秒千比特量级，无法达到潜在应用的要求。此外，声波大部分会被水面反射，在空气中衰减很大。综上所述，射频和声波都不能单独用于跨动态水面的通信。
光无线通信的最新进展促进了将光波作为跨动态水面通信的替代方案的考虑。已经证明，水对蓝绿色窗口(从450nm到570nm)的光表现出可接受的衰减，为水下光无线通信奠定了基础。与射频波和声波相比，光波具有几个明显的优势。首先，光波在水和空气介质中的传播衰减都是可以接受的。其次，根据菲涅耳公式，对于中小入射角，大部分光能可以通过W2A界面。第三，OWC可以以相对较低的成本提供高传输速率。这些吸引人的特性使OWC成为一种有前途的跨W2A接口通信技术。
在实际通信场景中，波浪形表面可能会随机改变传播到空气中的光的方向。发射器和接收器可能会随着环境而波动，并且在实际的W2A-OWC场景中不能完全对齐。现有的跨水面无线光通信***，不能很好的解决上述问题。
发明内容
本发明技术解决的问题：克服现有技术的不足，提供一种基于面光源的跨动态水-大气界面通信***，光学天线结构简单，有效平稳由于动态水面折射而导致的信道链路增益的变化，有效提高***抗干扰能力，输出大面积的光斑，实现通信***的高覆盖范围与鲁棒性，满足不同环境下跨水面可见光通信的需要。
本发明技术解决方案：一种基于面光源的跨动态水-大气界面通信***，包括依次设置的LED阵列、电控均光膜、雪崩光电探测器APD和后端的信号处理模块；所述LED阵列为多个LED以环形或方形等间隔排布组成的发光板，电控均光膜位于LED阵列后，用于使LED阵列发出的离散的点光源光线变为均匀的面光源光线，以此增大发端光线的起点位置与出射角度多样性，电控均光膜的效果通过加在其两端上的电压连续改变，以此来适应不同的环境，电控均光膜两端的电压和其布设位置与LED的最佳间距需通过仿真确定；LED阵列发出的光线依次通过所述均光膜、水-大气界面抵达所述光电探测器的有效探测面上；水-大气界面由于风和潮汐的影响，处于波动中，对入射光束随机折射并改变光束的方向和能量分布；信号处理模块离线完成接收信号解调和译码。
所述LED发光波长位于450nm～570nm的蓝绿窗口，以此减小光在水下信道的衰减，保证通信***的传输距离。
所述电控均光膜两端的电压和其布设位置与LED的最佳间距需通过仿真确定的过程为：使用蒙特卡洛仿真，输入不同的水上水下距离和LED发散角参数，使用海浪谱生成不同风速下的海浪曲面，对于LED发射的每一束光线，计算经过折射后在接受平面上的位置，得到接受平面上随时间变化的光强分布图，以光强变化的方差判断信道的稳定性，确定不同情况下的最优参数。
在所述APD的有效探测面之前放置对应发射波长的滤光片，用于从环境光中滤出所需色光；或是在光电探测器表面镀滤光膜用于从环境光中滤出所需色光，选取滤光片的波段范围需要与LED的峰值波长对应。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明结构简单，能有效提高发射端分集密度，输出高亮度大面积的光斑，实现通信***的高速率与小型化。同时，配合相应发射波长的滤光片，光电探测器能较好地接收到对应LED发射的信号，适合处于深度衰落的信道。
(2)本发明的尺寸、结构简单，可以很好的抵抗由动态水面折射导致的收端链路增益的波动问题。
附图说明
图1为基于面光源的跨动态水-大气界面通信***链路设计框图；
图2为本发明较佳实例提供的光线结构图；
图3为基于图2所示实例，光电探测器接收平面所成光斑图样；
图4为基于图2所示实例，光电探测器接收到的光强变化与未使用该方案接收到的光强变化对比。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种基于面光源的跨动态水-大气界面通信***包括：依次设置的LED阵列、均光膜，雪崩光电探测器APD和后端的信号处理模块；LED阵列为波长位于450nm～570nm的多个LED排布组成的发光板，均光膜位于LED阵列后；LED阵列发出的光线依次通过所述均光膜、水-大气界面抵达所述光电探测器的有效探测面上。雪崩光电探测器APD输出的电信号将会在电脑上进行解调与译码的离线处理。
光电探测器前和LED后中的前后是根据光的传播方向去定义的，光入射的方向为前，光出射的方向为后。
其中，LED阵列由多个LED均匀排布组成，以此均光前的光源尽可能均匀，且光源的面积尽可能大。
其中，LED发光波长位于450nm～570nm的蓝绿窗口，以此减小光在水下信道的衰减，保证通信***的传输距离。
其中，均光膜用于使LED阵列发出的离散的点光源光线变为均匀的面光源光线，以此增大发端光线的起点位置与出射角度多样性。
其中，均光膜与LED阵列之间的距离与LED之间的间距及发散角设计，需要保证均光膜各部分都有光斑覆盖。
其中，APD的有效探测面之前放置对应发射波长的滤光片，用于从环境光中滤出所需色光；或是在光电探测器表面镀滤光膜用于从环境光中滤出所需色光。
其中，LED阵列使用同一信号源，即所有LED严格同步发射相同的信号。
需要说明的是，所述LED阵列、均光膜和滤光片波长范围可以任意选择，包括但不局限于蓝绿光源。波长范围需要根据实际需求进行选择。
本发明中的设计方案，具体包括放置在发射端LED阵列后的均光膜，放置在接收端光电探测器前的滤光片，和在其中间的随机折射界面，如图2所示，为一较佳实施例的示意图。
其中，均光膜的作用是将LED阵列发射的光线发散，从而满足不同抗干扰性能的要求，因此LED与均光膜的距离影响了最后入射到APD的光强。中间的动态界面是水面，可以看作是由不同波长，不同频率，不同方向的正弦平面的组合。如图1所示，为基于面光源的跨动态水-大气界面通信***链路设计方案框图。
在图2所示可见光通信***中，发射端为理想的面光源阵列，波长为532nm。对应的，接收端放置532nm的滤光片，用于减小环境噪声与饱和接收光信号并将其转化为电信号。
具体的，透镜相关参数如表1所示。
表1
水上距离 水下距离 光源发散角 光源形状 接收孔径
5m 5m 30° 正方形 10cm
对于图2所示的发明实例，其光电探测器接收平面所成光斑图样如图3所示。对比于未使用该方案的光斑图样，图中光斑的均匀程度明显更高，面光源的面积越大，光斑也更加均匀，显示了该方案对光源良好的发散效果。光斑直径约为6m，可以通过滤波片分离不同色光，能够有效提高***的通信覆盖范围和信噪比。
为了得到具体的接收端光功率随时间的变化，图4仿真得到使用本发明与不使用本发明的对比，可以发现，在使用了本发明后，接收光功率强度随时间的变化程度明显降低，说明本方案在抗动态界面随机折射的优势。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于面光源的跨动态水-大气界面通信***，其特征在于：包括依次设置的LED阵列、电控均光膜、雪崩光电探测器APD和后端的信号处理模块；所述LED阵列为多个LED以环形或方形等间隔排布组成的发光板，电控均光膜位于LED阵列后，用于使LED阵列发出的离散的点光源光线变为均匀的面光源光线，以此增大发端光线的起点位置与出射角度多样性，电控均光膜的效果通过加在其两端上的电压连续改变，以此来适应不同的环境，电控均光膜两端的电压和其布设位置与LED的最佳间距需通过仿真确定；LED阵列发出的光线依次通过所述电控均光膜、水-大气界面抵达所述雪崩光电探测器APD的有效探测面上；水-大气界面由于风和潮汐的影响，处于波动中，对入射光束随机折射并改变光束的方向和能量分布；信号处理模块离线完成接收信号解调和译码；
所述电控均光膜两端的电压和其布设位置与LED的最佳间距需通过仿真确定的过程为：使用蒙特卡洛仿真，输入不同的水上水下距离和LED发散角参数，使用海浪谱生成不同风速下的海浪曲面，对于LED发射的每一束光线，计算经过折射后在接受平面上的位置，得到接受平面上随时间变化的光强分布图，以光强变化的方差判断信道的稳定性，确定不同情况下的最优参数。
2.根据权利要求1所述的基于面光源的跨动态水-大气界面通信***，其特征在于：所述LED发光波长位于450nm～570nm的蓝绿窗口，以此减小光在水下信道的衰减，保证通信***的传输距离。
3.根据权利要求1所述的基于面光源的跨动态水-大气界面通信***，其特征在于：在所述雪崩光电探测器APD的有效探测面之前放置对应发射波长的滤光片，用于从环境光中滤出所需色光；或是在雪崩光电探测器APD表面镀滤光膜用于从环境光中滤出所需色光，选取滤光片的波段范围需要与LED的峰值波长对应。
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