本發(fā)明是關(guān)于水下無(wú)線通信和能量傳輸技術(shù)，特別涉及一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下充電和通信的裝置及其方法。

背景技術(shù)：

隨著海洋資源開發(fā)和科學(xué)研究的不斷發(fā)展，海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、水下運(yùn)載器、水下機(jī)器人越來(lái)越多的參與到水下探測(cè)中。在水下探測(cè)中，水下運(yùn)載器需要接收布置在海底的傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；水下機(jī)器人需要定期在水下充電平臺(tái)進(jìn)行充電?？紤]到水下布纜及其維護(hù)的困難性和水下插頭使用的不便和高成本。各種裝置和設(shè)備的非接觸供電和相互之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是十分重要的。

現(xiàn)有的技術(shù)方案中，各種設(shè)備之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和非接觸供電過(guò)程是分開進(jìn)行的。水下各種設(shè)備之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，多采用聲學(xué)通信、水下射頻通信或水下無(wú)線光通信。水下各種設(shè)備的非接觸充電，多采用電磁感應(yīng)耦合、磁場(chǎng)共振或激光能量傳輸技術(shù)。現(xiàn)有的水下探測(cè)設(shè)備想要實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和非接觸充電，多是各在上述的通信技術(shù)和充電技術(shù)中選擇一種，分別組建無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和非接觸充電系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)復(fù)雜度高、成本大、維護(hù)困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下充電和通信的裝置及其方法。本發(fā)明能滿足現(xiàn)在日益增長(zhǎng)的水下通信和水下非接觸充電的需求。

為解決技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的解決方案是：

提供一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下充電和通信的裝置，包括具備空腔的耐壓密封部件；該裝置包括分別帶有耐壓密封部件的發(fā)射端裝置和接收端裝置；其中，

所述發(fā)射端裝置包括：安裝在第一耐壓密封部件中且依次相連的信號(hào)產(chǎn)生器、電壓放大器、偏壓驅(qū)動(dòng)模塊和激光二極管，激光二極管的發(fā)射端與第一透鏡相對(duì)布置；第一透鏡設(shè)于第一耐壓密封部件的空腔中且第一耐壓密封部件的壁上設(shè)有能透射激光的玻璃窗口，或者第一透鏡嵌于第一耐壓密封部件的壁上；

所述接收端裝置包括：安裝在第二耐壓密封部件中的光電池板、通信模塊和電能存儲(chǔ)模塊，光電池板分別與通信模塊和電能存儲(chǔ)模塊相連，光電池板與第二透鏡相對(duì)布置；第二透鏡設(shè)于第二耐壓密封部件的空腔中且第二耐壓密封部件的壁上設(shè)有能透射激光的玻璃窗口，或者第二透鏡嵌于第二耐壓密封部件的壁上。

本發(fā)明中，所述第一耐壓密封部件和第二耐壓密封部件均為碳纖維增強(qiáng)塑料制成的耐壓密封部件。

本發(fā)明中，所述第一透鏡和第二透鏡均為凸透鏡，所述激光二極管的發(fā)射端和光電池板分別位于對(duì)應(yīng)凸透鏡的光束準(zhǔn)直焦點(diǎn)位置。

本發(fā)明中，所述激光二極管是波長(zhǎng)450nm的藍(lán)光激光二極管。

本發(fā)明中，所述光電池板是采用GaAs半導(dǎo)體材料制成的光電池板。

本發(fā)明中，所述電能存儲(chǔ)模塊是鋰電池，并設(shè)有對(duì)外的充電接口。

本發(fā)明進(jìn)一步提供了利用前述裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下充電和通信的方法，包括步驟：

發(fā)射端裝置的信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生通信信號(hào)，電壓放大器將該信號(hào)放大后送至偏壓驅(qū)動(dòng)模塊，由其驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)光；激光二極管發(fā)射的激光光束經(jīng)第一透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入海水信道；激光光束經(jīng)海水信道傳輸后到達(dá)第二透鏡，由其聚焦在光電池板上；光電池板將接收到的光能轉(zhuǎn)化為電能，送至電能存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)；與此同時(shí)，光電池板產(chǎn)生的時(shí)變電流中帶有通信信息，通信模塊對(duì)該通信信息進(jìn)行解調(diào)以實(shí)現(xiàn)通信目的。

本發(fā)明還提供了一種用于能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下充電和通信的裝置的發(fā)射端裝置，包括具備空腔的第一耐壓密封部件；還包括：安裝在第一耐壓密封部件中且依次相連的信號(hào)產(chǎn)生器、電壓放大器、偏壓驅(qū)動(dòng)模塊和激光二極管，激光二極管的發(fā)射端與第一透鏡相對(duì)布置；第一透鏡設(shè)于第一耐壓密封部件的空腔中且第一耐壓密封部件的壁上設(shè)有能透射激光的玻璃窗口，或者第一透鏡嵌于第一耐壓密封部件的壁上。

本發(fā)明還提供了一種用于能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下充電和通信的裝置的接收端裝置，包括具備空腔的第二耐壓密封部件；還包括：安裝在第二耐壓密封部件中的光電池板、通信模塊和電能存儲(chǔ)模塊，光電池板分別與通信模塊和電能存儲(chǔ)模塊相連，光電池板與第二透鏡相對(duì)布置；第二透鏡設(shè)于第二耐壓密封部件的空腔中且第二耐壓密封部件的壁上設(shè)有能透射激光的玻璃窗口，或者第二透鏡嵌于第二耐壓密封部件的壁上。

本發(fā)明的工作原理：

本發(fā)明是基于水下無(wú)線光通信技術(shù)與無(wú)線能量傳輸技術(shù)，利用GaAs半導(dǎo)體光電池板良好的光電轉(zhuǎn)化性能和光電探測(cè)性能，將GaAs半導(dǎo)體光電池板同時(shí)看作一個(gè)光電轉(zhuǎn)化器和一個(gè)光電探測(cè)器，以達(dá)到同時(shí)進(jìn)行水下通信和傳輸?shù)哪康摹?/p>

本發(fā)明中：信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的是待傳輸?shù)耐ㄐ判盘?hào)；電壓放大器用于將信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)放大；偏壓驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)激光二極管(LD)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。第一透鏡用于將激光二極管發(fā)出的激光光束準(zhǔn)直，使能量集中發(fā)出，減少能量損耗。第二透鏡用于將激光光束聚焦在光電池板上，以提高光功率密度和提高轉(zhuǎn)化效率，有效增大用于通信的信號(hào)強(qiáng)度；光電池板用于將光能轉(zhuǎn)化為電能，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；通信模塊用于接收、解調(diào)電信號(hào)，不需要額外的電能供應(yīng)就能接收、解調(diào)光電池板產(chǎn)生電信號(hào)，達(dá)到通信的目的，；電能存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)電能并對(duì)外提供充電接口。

水下非接觸充電和水下無(wú)線通信都是水下探測(cè)技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本發(fā)明克服了現(xiàn)有分立系統(tǒng)復(fù)雜度高、成本大、效率低的缺點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出了一種能夠同時(shí)進(jìn)行水下非接觸充電和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难b置。該裝置實(shí)現(xiàn)了使用一套系統(tǒng)，在一次作業(yè)中同時(shí)完成兩種不同任務(wù)，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提升了工作效率。除此之外，本發(fā)明中使用的GaAs半導(dǎo)體光電池板、藍(lán)光激光二極管均為現(xiàn)有市場(chǎng)成熟的通用器件，降低了裝置成本、提高了裝置的通用性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明創(chuàng)新性地使用GaAs半導(dǎo)體光電池板、藍(lán)光激光二極管構(gòu)成的水下裝置，該裝置能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下非接觸充電和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，克服了現(xiàn)有獨(dú)立充電和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、效率低的缺點(diǎn)，大大提高了水下非接觸充電的效率和水下數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

2、本發(fā)明使用的GaAs半導(dǎo)體光電池板、藍(lán)光激光二極管均為現(xiàn)有市場(chǎng)成熟的通用器件，降低了成本、提高了裝置的通用性。

3、本發(fā)明所述的一種水下可同時(shí)充電和通信的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在不做任何改動(dòng)的情況下，裝配到各種設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)特定功能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種用于水下可同時(shí)充電和通信的裝置系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)射端裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的接收端裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖中的附圖標(biāo)記為：

1發(fā)射端裝置；2接收端裝置；10第一耐壓密封部件；11信號(hào)產(chǎn)生器；12電壓放大器；13偏壓驅(qū)動(dòng)模塊；14激光二極管；15第一透鏡；

20第二耐壓密封部件；21第二透鏡；22光電池板；23通信模塊；24電能存儲(chǔ)模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明中能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下充電和通信的裝置，包括分別帶有耐壓密封部件的發(fā)射端裝置1和接收端裝置2；其中，

發(fā)射端裝置1包括：安裝在第一耐壓密封部件10中且依次相連的信號(hào)產(chǎn)生器11、電壓放大器12、偏壓驅(qū)動(dòng)模塊13和激光二極管14，激光二極管14的發(fā)射端與第一透鏡15相對(duì)布置；第一透鏡15設(shè)于第一耐壓密封部件10的空腔中且第一耐壓密封部件10的壁上設(shè)有能透射激光的玻璃窗口，或者第一透鏡15嵌于第一耐壓密封部件10的壁上.

接收端裝置2包括：安裝在第二耐壓密封部件20中的光電池板22、通信模塊23和電能存儲(chǔ)模塊24，光電池板22分別與通信模塊23和電能存儲(chǔ)模塊24相連，光電池板22與第二透鏡21相對(duì)布置；第二透鏡21設(shè)于第二耐壓密封部件20的空腔中且第二耐壓密封部件20的壁上設(shè)有能透射激光的玻璃窗口，或者第二透鏡21嵌于第二耐壓密封部件20的壁上。

其中，第一耐壓密封部件10和第二耐壓密封部件20均為碳纖維增強(qiáng)塑料制成的耐壓密封部件。第一透鏡15和第二透鏡21均為凸透鏡，激光二極管14的發(fā)射端和光電池板22分別位于對(duì)應(yīng)凸透鏡的光束準(zhǔn)直焦點(diǎn)位置。激光二極管14可選擇是波長(zhǎng)450nm的藍(lán)光激光二極管。光電池板22可采用GaAs半導(dǎo)體材料制成。電能存儲(chǔ)模塊24可選擇12V的鋰電池，并設(shè)有對(duì)外的充電接口。發(fā)射端裝置1和接收端裝置2可單獨(dú)生產(chǎn)，相互配合使用。

利用前述裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)水下充電和通信的方法為：發(fā)射端裝置1的信號(hào)產(chǎn)生器11產(chǎn)生通斷鍵控的已調(diào)信號(hào)，電壓放大器12將該信號(hào)放大后送至偏壓驅(qū)動(dòng)模塊13，由其驅(qū)動(dòng)激光二極管14發(fā)光；激光二極管14發(fā)射的激光光束經(jīng)第一透鏡15準(zhǔn)直后進(jìn)入海水信道；激光光束經(jīng)海水信道傳輸后到達(dá)第二透鏡21，由其聚焦在光電池板22上；光電池板22將接收到的光能轉(zhuǎn)化為電能，送至電能存儲(chǔ)模塊24存儲(chǔ)；與此同時(shí)，光電池板22產(chǎn)生的時(shí)變電流中帶有通信信息，通信模塊23對(duì)該通信信息進(jìn)行解調(diào)以實(shí)現(xiàn)通信目的。

具體應(yīng)用實(shí)例：

如圖1所示，發(fā)射端裝置1安放在自治無(wú)人水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱AUV)上，接收端裝置2安放在海底觀測(cè)網(wǎng)中用于水體監(jiān)測(cè)的傳感器上。AUV需要定期對(duì)水下傳感器進(jìn)行非接觸充電，并發(fā)送相關(guān)指令信號(hào)給傳感器。當(dāng)本發(fā)明的裝置處于工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)射端裝置1發(fā)出光源信號(hào)，接收端裝置2接收光源信號(hào)和電能供應(yīng)。

如圖2所示，發(fā)射端裝置1包括第一耐壓密封部件 10、信號(hào)產(chǎn)生器11、電壓放大器12、偏壓驅(qū)動(dòng)模塊13，激光二極管14，第一透鏡 15。信號(hào)產(chǎn)生器11、電壓放大器12、偏壓驅(qū)動(dòng)模塊13，激光二極管14，第一透鏡 15依次連接并都置于第一耐壓密封部件 10中。信號(hào)產(chǎn)生器11產(chǎn)生通斷鍵控(OOK)的已調(diào)信號(hào)，并通過(guò)傳輸線發(fā)送到電壓放大器12；電壓放大器12將信號(hào)發(fā)生器11的信號(hào)進(jìn)行放大，使電壓達(dá)到激光二極管14的工作電壓；偏壓驅(qū)動(dòng)模塊13驅(qū)動(dòng)激光二極管14發(fā)光；最后第一透鏡 15將LD發(fā)出的激光光束準(zhǔn)直，然后發(fā)出進(jìn)入海水信道。

如圖3所示，接收端裝置2包括第二耐壓密封部件 20、第二透鏡 21、光電池板22、通信模塊23和電能存儲(chǔ)模塊24。第二透鏡 21、光電池板22、通信模塊23和電能存儲(chǔ)模塊24依次相連并都置于第二耐壓密封部件 20中。光信號(hào)經(jīng)過(guò)海水信道的傳輸?shù)竭_(dá)第二透鏡 21后，第二透鏡 21將激光光束聚焦在光電池板22上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成了電信號(hào)。此時(shí)的光電池板22不僅將光能轉(zhuǎn)化為電能，而且產(chǎn)生的時(shí)變電流中帶有通信信息，通信模塊23不需要額外的電能供應(yīng)就能接收、解調(diào)光電池板22產(chǎn)生電信號(hào)，達(dá)到通信的目的，與此同時(shí)，電能存儲(chǔ)模塊24能通過(guò)內(nèi)部的蓄電池存儲(chǔ)電能并對(duì)外提供充電接口。

最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實(shí)施例，還可以有很多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容中直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。