本發(fā)明屬于無(wú)線光通信，尤其涉及一種跨域中繼式射頻-激光通信模組及通信方法。

背景技術(shù)：

1、海洋面積占地球表面積70％以上。人類目前已探索的海洋區(qū)域只有5％，還有95％的廣闊海域是未知的，人類對(duì)海底蘊(yùn)含的豐富資源和能量更是利用甚少。海洋信息網(wǎng)絡(luò)是人類關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋的重要技術(shù)手段之一。以物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新型信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在試圖連接陸地上的所有物體，卻難以覆蓋廣闊的海域，特別是水下的世界。

2、海洋的傳感數(shù)據(jù)是人類認(rèn)識(shí)海洋的重要信息，比如海洋動(dòng)力、生態(tài)、地質(zhì)、氣象等環(huán)境信息。海洋信息一般通過(guò)生物、化學(xué)等傳感機(jī)制獲取，這些傳感器一般部署在水下。傳感器中的海洋信息再回傳到陸地監(jiān)控中心或海面作業(yè)平臺(tái)。海洋勘探、海洋數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全服務(wù)等海洋應(yīng)用均依賴于海洋信息的可靠高效傳輸。

3、海洋信息的傳輸需要穿越水-空氣界面，然而，激光通信鏈路性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于水上無(wú)線電鏈路，成為制約海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸。

4、通過(guò)上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題及缺陷為：

5、激光通信鏈路性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于水上無(wú)線電鏈路，成為制約海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種跨域中繼式射頻-激光通信模組。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種跨域中繼式射頻-激光通信模組包括：

3、節(jié)點(diǎn)構(gòu)建模塊、中繼模塊、同步控制模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、態(tài)勢(shì)感知模塊；

4、節(jié)點(diǎn)構(gòu)建模塊，與中繼模塊連接，用于以多模藍(lán)綠激光通信技術(shù)構(gòu)建水下信號(hào)節(jié)點(diǎn)，利用5g射頻通信技術(shù)，構(gòu)建水上蜂窩網(wǎng)絡(luò)搭建空中信號(hào)節(jié)點(diǎn)；

5、中繼模塊，與節(jié)點(diǎn)構(gòu)建模塊、同步控制模塊連接，用于使用海上浮/潛標(biāo)進(jìn)行電—光信號(hào)轉(zhuǎn)換中繼，空海聯(lián)合組網(wǎng)生成跨域異構(gòu)射頻-激光通信；

6、同步控制模塊，與中繼模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、態(tài)勢(shì)感知模塊連接，用于

7、調(diào)制解調(diào)模塊，與同步控制模塊、態(tài)勢(shì)感知模塊連接，用于利用fpga芯片設(shè)計(jì)高精度同步控制模塊，對(duì)系統(tǒng)多源信號(hào)實(shí)現(xiàn)ms級(jí)高精度時(shí)延調(diào)控；

8、態(tài)勢(shì)感知模塊，與同步控制模塊、調(diào)制解調(diào)模塊連接，用于基于yolov5設(shè)計(jì)了廣角光斑定位與態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)進(jìn)行高海況下水下無(wú)人動(dòng)平臺(tái)與固定站間的光通信快速對(duì)準(zhǔn)。

9、進(jìn)一步，所述節(jié)點(diǎn)構(gòu)建模塊：

10、由大氣5g蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)、海面浮標(biāo)射頻—激光通信轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、水下激光通信系統(tǒng)組成。

11、進(jìn)一步，所述大氣5g蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)有的機(jī)載/岸基/天基5g網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。

12、進(jìn)一步，所述海面浮標(biāo)射頻—激光通信轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括射頻5g接收處理、信息解調(diào)、通信激光發(fā)射模塊、浮標(biāo)載體組成。

13、進(jìn)一步，所述水下激光通信系統(tǒng)包括以太網(wǎng)模塊、fpga信息處理模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大處理模塊組成。

14、進(jìn)一步，所述中繼模塊：

15、是一種具備發(fā)送器、接收器、天線以及與無(wú)線終端接口的硬件設(shè)備；作為橋接的無(wú)線基站，ap安裝在漂浮網(wǎng)關(guān)上；發(fā)送器和接收器用于與移動(dòng)終端建立通信連接；通過(guò)利用電磁波在空氣中傳輸和接收數(shù)據(jù)，無(wú)線局域網(wǎng)利用電磁波在空氣中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而無(wú)需線纜介質(zhì)；ap連接到水下光通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建起無(wú)線移動(dòng)終端-ap-水下平臺(tái)的局域網(wǎng)。

16、本發(fā)明的另一目的在于提供一種跨域中繼式射頻-激光通信模組通信方法包括：

17、步驟1，通過(guò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建模塊以多模藍(lán)綠激光通信技術(shù)構(gòu)建水下信號(hào)節(jié)點(diǎn)，利用5g射頻通信技術(shù)，構(gòu)建水上蜂窩網(wǎng)絡(luò)搭建空中信號(hào)節(jié)點(diǎn)；

18、步驟2，通過(guò)中繼模塊使用海上浮/潛標(biāo)進(jìn)行電—光信號(hào)轉(zhuǎn)換中繼，空海聯(lián)合組網(wǎng)生成跨域異構(gòu)射頻-激光通信；

19、步驟3，通過(guò)同步控制模塊利用fpga芯片設(shè)計(jì)高精度同步控制模塊，對(duì)系統(tǒng)多源信號(hào)實(shí)現(xiàn)ms級(jí)高精度時(shí)延調(diào)控；

20、步驟4，通過(guò)調(diào)制解調(diào)模塊利用mimo技術(shù)、dmd結(jié)構(gòu)光調(diào)制與awi信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)并行鏈路配合，同步調(diào)制解調(diào)無(wú)線電與光信號(hào)；

21、步驟5，通過(guò)態(tài)勢(shì)感知模塊基于yolov5設(shè)計(jì)了廣角光斑定位與態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)進(jìn)行高海況下水下無(wú)人動(dòng)平臺(tái)與固定站間的光通信快速對(duì)準(zhǔn)。

22、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，所述計(jì)算機(jī)設(shè)備包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行所述跨域中繼式射頻-激光通信模組通信方法的步驟。

23、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行所述跨域中繼式射頻-激光通信模組通信方法的步驟。

24、本發(fā)明的另一目的在于提供一種信息數(shù)據(jù)處理終端，所述信息數(shù)據(jù)處理終端用于實(shí)現(xiàn)所述跨域中繼式射頻-激光通信模組。

25、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問(wèn)題，請(qǐng)從以下幾方面分析本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：

26、第一、本發(fā)明提出光電協(xié)同海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的新思路，在信息傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上通過(guò)激光通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的高效融合、通過(guò)光、電鏈路的協(xié)同協(xié)作，提高通信網(wǎng)絡(luò)的性能，設(shè)計(jì)射頻-激光浮標(biāo)中繼通信與藍(lán)綠激光跨空-水通信雙模式通聯(lián)鏈路。射頻-激光浮標(biāo)中繼通信，基于空基、陸基、天基、船載等多數(shù)據(jù)組網(wǎng)，無(wú)人機(jī)兩架次編組掛載雙吊艙，空間端雙工雙向通信，水下浮標(biāo)平臺(tái)半雙工通信；藍(lán)綠激光跨空-水單工單向通信，激光直接入水，重復(fù)性發(fā)送信息。雙模式通聯(lián)鏈路極限距離、通信視場(chǎng)、通信速率相互匹配，使用基于視覺(jué)與激光光斑的粗對(duì)準(zhǔn)、精跟蹤技術(shù)，適用于各種復(fù)雜水域。

27、本發(fā)明提出了一種基于無(wú)線電與大功率ld/led水下無(wú)線光通信復(fù)合的中繼式跨域通信方案，在傳統(tǒng)的無(wú)線光通信收發(fā)基礎(chǔ)利用大規(guī)模mimo技術(shù)、dmd結(jié)構(gòu)光調(diào)制與awi信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)自主設(shè)計(jì)了大帶寬、高保密的無(wú)線電-光傳輸轉(zhuǎn)換模塊；利用gd32芯片設(shè)計(jì)了高精度同步控制模塊，保證低時(shí)延、低誤碼的中繼式跨域信息互聯(lián)。同時(shí)結(jié)合高靈敏度面陣ccd探測(cè)器感知光斑位置，基于yolov8開發(fā)水下散斑識(shí)別對(duì)準(zhǔn)算法，輸出方位信息輔助半主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水域低成本、低時(shí)延、高速率、遠(yuǎn)距離大容量全天候跨域通信。

28、具有以下功能：

29、整體樣機(jī)具備大氣距離3000m，0.3db/m衰減水質(zhì)下通信距離80米、傳輸速率3～5mbps、誤碼率小于7.1×10-4；

30、樣機(jī)體積小、能耗低、支持掛載各種水上/水下無(wú)人平臺(tái)與固定站，并可輔助實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)光斑對(duì)準(zhǔn)；

31、樣機(jī)具備3級(jí)海況、強(qiáng)湍流與噪聲光條件下跨域通信能力；

32、本發(fā)明一種無(wú)線電-光中繼的新型新質(zhì)信息傳輸手段，從技術(shù)原理層面突破現(xiàn)有海洋信息傳輸所面臨的困境，并通過(guò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)樣機(jī)，驗(yàn)證了方案的可行性，作品的難點(diǎn)主要存在于以下方面：

33、1.高精度多模調(diào)制同步控制電路設(shè)計(jì)與低時(shí)延、高帶寬無(wú)線電-光中繼轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)。

34、2.大衰減、強(qiáng)湍流環(huán)境下，高速率、遠(yuǎn)距離、低誤碼水下通信的實(shí)現(xiàn)。

35、3.高海況下移動(dòng)平臺(tái)無(wú)線接駁通信中的光束散斑識(shí)別與對(duì)準(zhǔn)及穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)。

36、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)中空—?？缬蛲ㄐ艈?wèn)題，提出了以多模藍(lán)綠激光通信技術(shù)構(gòu)建水下信號(hào)節(jié)點(diǎn)，利用了5g通信中最為關(guān)鍵的射頻通信技術(shù)，構(gòu)建水上蜂窩網(wǎng)絡(luò)(cellularnetwork)搭建空中信號(hào)節(jié)點(diǎn)，使用海上浮/潛標(biāo)進(jìn)行電—光信號(hào)轉(zhuǎn)換中繼，空海聯(lián)合組網(wǎng)生成跨域異構(gòu)射頻-激光通信技術(shù)總體方案。

37、針對(duì)多源控制信號(hào)調(diào)控難匹配，中繼式電光轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)時(shí)延高，轉(zhuǎn)換速率低的問(wèn)題，利用fpga芯片設(shè)計(jì)了高精度同步控制模塊，對(duì)系統(tǒng)多源信號(hào)實(shí)現(xiàn)ms級(jí)高精度時(shí)延調(diào)控；利用mimo技術(shù)、dmd結(jié)構(gòu)光調(diào)制與awi信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)并行鏈路配合，同步調(diào)制解調(diào)無(wú)線電與光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、大帶寬中繼式通信轉(zhuǎn)換。

38、針對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中光斑持續(xù)識(shí)別與自適應(yīng)分析的問(wèn)題，基于yolov5設(shè)計(jì)了廣角光斑定位與態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)，突破現(xiàn)有感控算法計(jì)算約束，解決水下感控融合機(jī)理不清、極限運(yùn)動(dòng)模型不準(zhǔn)、控制能力不強(qiáng)等關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高海況下水下無(wú)人動(dòng)平臺(tái)與固定站間的光通信快速對(duì)準(zhǔn)。

39、本發(fā)明圍繞長(zhǎng)距離、高速率、低誤碼率的跨域通信新技術(shù)發(fā)展，綜合利用機(jī)載/岸基/天基5g網(wǎng)絡(luò)(射頻、超短波)、空水界面(浮標(biāo)中繼)、水下(激光、海光纜、水聲)，通過(guò)激光中繼模式，將5g網(wǎng)絡(luò)通信鏈路延伸至水下，構(gòu)建全域跨介質(zhì)通信鏈路，滿足不同實(shí)踐生產(chǎn)生活中水上/水下平臺(tái)大帶寬、低時(shí)延、高速率信息交互的，支撐空、天、地、海一體化信息傳輸生成。其主要應(yīng)用場(chǎng)景有：

40、無(wú)人潛航器等水下平臺(tái)與水面平臺(tái)或岸基數(shù)據(jù)中心等跨介質(zhì)通信。

41、與水聲通信結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多域復(fù)雜場(chǎng)景下復(fù)合通信高效協(xié)同融合。

42、作為海光纜通信轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，助力構(gòu)建跨介質(zhì)海洋通信網(wǎng)絡(luò)。

43、機(jī)載或衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)潛激光通信。

44、海岸檢測(cè)、水下傳感器的數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航與控制、水下生態(tài)保護(hù)監(jiān)測(cè)等三維分布式傳感網(wǎng)應(yīng)用。

45、第二，針對(duì)現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)中空—?？缬蛲ㄐ艈?wèn)題，提出了以多模藍(lán)綠激光通信技術(shù)構(gòu)建水下信號(hào)節(jié)點(diǎn)，利用了5g通信中最為關(guān)鍵的射頻通信技術(shù)，構(gòu)建水上蜂窩網(wǎng)絡(luò)(cellularnetwork)搭建空中信號(hào)節(jié)點(diǎn)，使用海上浮/潛標(biāo)進(jìn)行電—光信號(hào)轉(zhuǎn)換中繼,空海聯(lián)合組網(wǎng)生成跨域異構(gòu)射頻-激光通信技術(shù)總體方案，并首次完成湖上中繼式跨域通信實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

46、針對(duì)多源控制信號(hào)調(diào)控難匹配，中繼式電光轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)時(shí)延高，轉(zhuǎn)換速率低的問(wèn)題，利用fpga芯片首創(chuàng)設(shè)計(jì)了高精度同步控制模塊，對(duì)系統(tǒng)多源信號(hào)實(shí)現(xiàn)ms級(jí)高精度時(shí)延調(diào)控；利用mimo技術(shù)、dmd結(jié)構(gòu)光調(diào)制與awi信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)并行鏈路配合，同步調(diào)制解調(diào)無(wú)線電與光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、大帶寬中繼式通信轉(zhuǎn)換。

47、針對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中光斑持續(xù)識(shí)別與自適應(yīng)分析的問(wèn)題，基于yolov5設(shè)計(jì)了廣角光斑定位與態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)，突破現(xiàn)有感控算法計(jì)算約束，解決水下感控融合機(jī)理不清、極限運(yùn)動(dòng)模型不準(zhǔn)、控制能力不強(qiáng)等關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高海況下水下無(wú)人動(dòng)平臺(tái)與固定站間的光通信快速對(duì)準(zhǔn)。

48、本發(fā)明針對(duì)海洋信息傳輸網(wǎng)絡(luò)高效互聯(lián)互通、水面/水下跨介質(zhì)通信急需，圍繞長(zhǎng)距離、高速率、低誤碼率的跨域通信新技術(shù)發(fā)展，綜合利用機(jī)載/岸基/天基5g網(wǎng)絡(luò)(射頻、超短波)、空水界面(浮標(biāo)中繼)、水下(激光、海光纜、水聲)，通過(guò)激光中繼模式，將5g網(wǎng)絡(luò)通信鏈路延伸至水下，構(gòu)建全域跨介質(zhì)通信鏈路，滿足不同實(shí)踐生產(chǎn)生活中水上/水下平臺(tái)大帶寬、低時(shí)延、高速率信息交互的，支撐空、天、地、海一體化信息傳輸生成。其主要應(yīng)用場(chǎng)景有：

49、1.無(wú)人潛航器等水下平臺(tái)與水面平臺(tái)或岸基數(shù)據(jù)中心等跨介質(zhì)通信

50、2.與水聲通信結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多域復(fù)雜場(chǎng)景下復(fù)合通信高效協(xié)同融合。

51、3.作為海光纜通信轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，助力構(gòu)建跨介質(zhì)海洋通信網(wǎng)絡(luò)

52、4.機(jī)載或衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)潛激光通信。

53、5.海岸檢測(cè)、水下傳感器的數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航與控制、水下生態(tài)保護(hù)監(jiān)測(cè)等三維分布式傳感網(wǎng)應(yīng)用。

54、第三，在傳統(tǒng)的跨域通信系統(tǒng)中，水上與水下的通信由于媒介不同而面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)無(wú)線射頻技術(shù)在水下通信時(shí)嚴(yán)重受限，而激光通信在水上水下間的轉(zhuǎn)換存在高損耗問(wèn)題。此外，現(xiàn)有的系統(tǒng)缺乏高效的同步控制和環(huán)境感知能力，特別是在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，通信鏈路容易受到干擾，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率和準(zhǔn)確性大大下降。這些問(wèn)題限制了跨域通信系統(tǒng)在海洋監(jiān)測(cè)、無(wú)人平臺(tái)控制等應(yīng)用中的性能。

55、本發(fā)明通過(guò)結(jié)合5g射頻通信和多模藍(lán)綠激光通信技術(shù)，構(gòu)建了空海聯(lián)合的跨域異構(gòu)射頻-激光通信系統(tǒng)，解決了水上和水下通信之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸問(wèn)題。采用海上浮標(biāo)或潛標(biāo)作為中繼設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了電-光信號(hào)的高效轉(zhuǎn)換，保證了水上與水下的通信互通。此外，通過(guò)fpga芯片設(shè)計(jì)的高精度同步控制模塊，系統(tǒng)能夠?qū)Χ嘣葱盘?hào)進(jìn)行ms級(jí)時(shí)延調(diào)控，確?？缬蛲ㄐ殴?jié)點(diǎn)之間的高效協(xié)同。

56、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了顯著的技術(shù)進(jìn)步。首先，利用5g通信技術(shù)和激光通信技術(shù)相結(jié)合，突破了水上水下通信的瓶頸，提升了系統(tǒng)的帶寬和穩(wěn)定性。其次，fpga芯片的高精度時(shí)延調(diào)控機(jī)制大幅提升了系統(tǒng)的同步性和通信效率，確保了在復(fù)雜環(huán)境下的通信穩(wěn)定性。第三，基于態(tài)勢(shì)感知和光斑定位系統(tǒng)，系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)海況下能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光通信對(duì)準(zhǔn)，確保了通信質(zhì)量，尤其適用于高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的多平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)和監(jiān)測(cè)。

57、本發(fā)明的跨域中繼式射頻-激光通信模組在海洋監(jiān)測(cè)、軍事通信、無(wú)人平臺(tái)控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其結(jié)合5g和激光通信的技術(shù)突破，極大提高了跨域通信的速率和穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)水上水下通信系統(tǒng)中信號(hào)衰減和不穩(wěn)定的問(wèn)題。通過(guò)在復(fù)雜海況下保持精確的通信對(duì)準(zhǔn)，本發(fā)明能夠有效提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供了更高效的通信解決方案，推動(dòng)了跨域通信系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的普及與發(fā)展。