本發(fā)明涉及一種具有自適應(yīng)控制功能的水中光無線通信裝置，屬于水中光無線通信和自適應(yīng)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代海洋環(huán)境調(diào)查開發(fā)中，各種資源信息的圖象化和相互共有化，高速大容量的水中數(shù)字無線通信技術(shù)，成為有效地取得和處理海洋環(huán)境尤其是深海環(huán)境資源信息的重要手段。

由于聲波在水中是以折射的形式向遠(yuǎn)方傳遞的，因此傳遞距離比在陸地上要遠(yuǎn)。更重要的是與無線電波相比，聲波對海水的衰減率較低，因此聲波是現(xiàn)階段最成熟有效的海中無線探測和通信的載波。但聲波固有的低速性，使得當(dāng)通信系統(tǒng)處于動態(tài)時，將產(chǎn)生明顯的多普勒效應(yīng)，從而嚴(yán)重地影響通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳送的穩(wěn)定性。特別是隨著各種傳送數(shù)據(jù)的圖象化，聲波的這種固有的低速性妨礙了它成為現(xiàn)代水中高速大容量通信的理想載波。

vlf(verylowfrequency:～10khz)帶域的電磁波(無線電波)對純凈水有較低的衰減率。但因為海水是鹽的電解液，電波對海水的衰減率明顯地比對純凈水要高很多，因此電波亦很難成為海中無線通信的理想載波。

可見光波，無論對純凈水還是海水都具有十分明顯的低衰減，是理想的海水透過窗口。而它固有的高速性可以很好地彌補超聲波在通信容量和穩(wěn)定性方面的不足。光的直線傳播性還可以有效地分割空間，以保證在近距離多點通信時不會產(chǎn)生干涉，是值得期待的水中高速通信載波。特別是可見光led發(fā)出的非相干光，既不會象激光那樣損傷海中生物，又不失光波固有的高速性，同時還可以兼做海中作業(yè)的照明器具。

但由于海水是自然水，它的濁度、色度、透明度都是隨時空間變化的。可見光對自然海水的透過和衰減率也是隨著這些物理參數(shù)的改變而呈現(xiàn)出分光特性。為此，本發(fā)明提出了海水濁度變化自適應(yīng)型的水中可見光無線通信方式。

現(xiàn)有技術(shù)方案

利用可見光波作為信息傳送媒體的水中數(shù)字通信現(xiàn)階段主要有如下方案。

方案(1)是利用海中高透過率窗口，即波長450nm附近的單色藍(lán)光作為信息傳送媒體，在較為純凈的水中實現(xiàn)高速通信的方法(日本太陽誘電株式會社和東洋電機株式會社共同開發(fā)，taiyoyuden,newsrelease2014年5月15日)。

方案(2)是用適當(dāng)?shù)恼`碼訂正符號。例如ldpc(lowdensityparitycheck)碼、turbo碼、rs(reedsolomon)碼等等來改善水中光傳送衰減引起的低信噪比，在較為渾濁的水中實現(xiàn)無線通信的方法(simpson,et.al.，“5mbpsopticalwirelesscommunicationwitherrorcorrectioncodingforunderwatersensornodes”，ieeeoceansconference,seattle,wa,sept.2010)。

現(xiàn)有方案(1)雖然實現(xiàn)了純凈水中的高速可見光無線通信，但海水是自然水，它的濁度是隨時空間變化的?？梢姽鈱ψ匀缓Ｋ耐高^和衰減率也是隨海水濁度的改變而呈現(xiàn)出分光特性。所以該項技術(shù)難以實現(xiàn)在任何海域、任何時間的穩(wěn)定高速通信。

現(xiàn)有方案(2)雖然實現(xiàn)了渾濁水中的可見光無線通信，但由于解碼需要復(fù)雜的算法來處理，所以該項技術(shù)難以實現(xiàn)實時的高速通信。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明的目的：本發(fā)明的目的旨在解決以下問題，1)采用led非相干光源作為通信光源以減小對海洋生物的損傷；2)用與通信光源相同的測量光源實時測量不同海域的光透過率，并給出最大透過率所對應(yīng)的光波長，將此波長用于通信，確保自然海水環(huán)境下通信質(zhì)量的穩(wěn)定性；3)光源是具有紅綠藍(lán)(rgb)3芯片的全彩色型白光led，各芯片所對應(yīng)的光波長可以被獨立控制，以實時切換通信光源的波長，確保用最大透過率所對應(yīng)的光波長進行數(shù)據(jù)傳送；4)采用l-ppm調(diào)制方法，并通過對l值的自適應(yīng)控制確保系統(tǒng)的通信質(zhì)量；5)采用送收一體化的通信模塊，以便于雙方向通信；6)可以采用一般的led照明光源加調(diào)制后進行通信以降低成本。通過上述6個方面的控制和處理，可以在時空間濁度變化的海水信道中確保穩(wěn)定高速的無線通信，且不會對水中生物造成損傷。

技術(shù)方案：如圖1所示，系統(tǒng)由1光無線通信子系統(tǒng)，2光強度測量子系統(tǒng)，3防水耐壓容器三個子系統(tǒng)構(gòu)成。

進一步地，1光無線通信子系統(tǒng)由1(1)光通信模塊，1(2)光信息讀入接口，1(3)光信息發(fā)送光源，1(4)光信息接收器，1(5)光信息讀出接口組成。

進一步地，2光強度測量子系統(tǒng)由2(1)光測量模塊，2(2)光強度測量光源，2(3)光強度檢測器組成。

進一步地，3防水耐壓容器是1個可見光高透過率的防水耐壓容器，確保深海環(huán)境下不受水壓影響。

本發(fā)明采用通信速度自適應(yīng)和波長自適應(yīng)的控制方法。

通信速度自適應(yīng)控制：如圖2所示的l-ppm(pulsepositionmodulationwithllevels)方式直接調(diào)制光強度進行數(shù)字通信。l-ppm調(diào)制方式的傳送速度(比特率)可以用rb＝(log2l)/(l·t)表示。如果脈沖寬度t一定，則l越大，達(dá)到既定的誤碼率所需要的信噪比就越低(圖3)。因此對于高濁度海水的通信路，可以通過對l值的自適應(yīng)控制來確保系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

波長自適應(yīng)控制原理如圖4所示。光無線通信子系統(tǒng)1的光信息發(fā)送光源1(3)和光強度測量子系統(tǒng)2的光強度測量光源2(2)均采用如圖5所示的rgb三芯片混光型的led。各色芯片所發(fā)出的色光都可以獨立控制。由于rgb三色混光后發(fā)出的是白色光，所以1(3)可以在通信的同時作為照明器具使用，以達(dá)到節(jié)能的效果。

光強度檢測器2(3)采用如圖6所示的rgb三色同時測光器。感光部的rgb各色光電二極管(photodiodepd)按馬賽克形狀排列，以確保入射光的rgb成分可以被同時地高精度檢測。測得的三色光強由光測量模塊2(1)選擇出一個最佳透過率的色光，提供給光通信模塊1(1)用于數(shù)據(jù)傳送。光信息接收器采用可見光波段全通型pd，以便于接收來自不同信道的可見光信號。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法既可以實現(xiàn)純凈水中的高速通信，也可以通過對光波長和通信速度的自適應(yīng)控制確保在自然海水中的通信質(zhì)量。

現(xiàn)有的“誤碼訂正符號技術(shù)”雖然可以改善不同水域中光傳送衰減引起的低信噪比，但由于解碼需要復(fù)雜的算法來處理，所以難以實現(xiàn)實時的高速通信。本發(fā)明的通信參數(shù)自適應(yīng)控制方法，可以實現(xiàn)實時處理。

具體實施環(huán)境和方式

本發(fā)明的實施環(huán)境為純凈水和自然海水。在純凈水中可直接用450nm波長附近的藍(lán)光，4-ppm調(diào)制方式雙方向通信，紅光和綠光只用于與藍(lán)光混色產(chǎn)生白光照明，并且可以關(guān)閉光強度測量子系統(tǒng)2。實現(xiàn)的最佳方案如圖7所示。

用于自然海水時，開啟2進行波長自適應(yīng)控制，并且由1(1)調(diào)節(jié)l-ppm中的l值進行通信速度自適應(yīng)控制以確保穩(wěn)定的通信質(zhì)量。實現(xiàn)的最佳方案如圖8所示。

但是本發(fā)明的保護范圍不限于所述實施例。

通信光源不限于rgb三色，可以是任何顏色的可見光。

送收信控制模塊可以一體化，也可以是分離式。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明所述的4-ppm方式(l＝4)。

圖3為本發(fā)明所述的l-ppm方式的誤碼率和信噪比的關(guān)系。

圖4為本發(fā)明所述的波長自適應(yīng)控制原理。

圖5為本發(fā)明所述的rgb三芯片混光型led。

圖6為本發(fā)明所述的rgb三色光電二極管組合測光器(byjp.hamamatsu.com)。

圖7為本發(fā)明所述的在純凈水中實現(xiàn)的最佳方案。

圖8為本發(fā)明所述的在海水中實現(xiàn)的最佳方案。