本申請屬于跨介質(zhì)通信，更具體地說，是涉及一種基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置。

背景技術(shù)：

1、跨介質(zhì)通信是海空天一體化通信組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，跨介質(zhì)通信可以打破不同通信介質(zhì)之間的界限，實現(xiàn)了空中平臺與水下目標(biāo)之間的直接通信，解決了水面通信中繼的問題，從而推動信息的無縫傳遞和高效互聯(lián)。跨介質(zhì)通信技術(shù)為信息在海洋、空中及水下多個領(lǐng)域間的自由流動提供了保障，極大提升了通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、連續(xù)性和可靠性。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，跨介質(zhì)通信系統(tǒng)的激光致聲通信實現(xiàn)碼元同步主要采用同步序列的方式，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需要先發(fā)送一個通信雙方已知的同步序列，接收方通過檢測這個序列來進行碼元同步，該系統(tǒng)運行方式需要對于同步序列進行檢索，建立時鐘同步所需時間較長，占用一定的信息位使得通信速率與有效性有所降低，當(dāng)傳輸存在錯誤時，則時鐘同步將無法建立。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本實用新型就是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置。

2、為解決上述技術(shù)問題，為此本實用新型包括信號發(fā)送機構(gòu)和信號接收機構(gòu)，信號發(fā)送機構(gòu)設(shè)置在空中平臺，信號接收機構(gòu)設(shè)置在水下空間，信號發(fā)送機構(gòu)包括信號調(diào)制模塊和激光器，激光器與信號調(diào)制模塊連接，信號調(diào)制模塊獲取待發(fā)送信息，對待發(fā)送信息進行調(diào)制并轉(zhuǎn)換為激光器控制信號，信號調(diào)制模塊控制激光器發(fā)射激光束，激光器包括第一激光器和第二激光器，兩個激光器的輸出端均與分束設(shè)備相連，分束設(shè)備將激光器輸出的光束分為兩束，其中第一束輸出進入能量監(jiān)測模塊，第二束垂直入射到水氣交界面；

3、信號接收機構(gòu)包括信號處理模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及水聽器，信號發(fā)送機構(gòu)在水面產(chǎn)生的激光聲信號經(jīng)過水聲信道傳播，水聽器接收到激光聲信號后將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行信號采集，采集的信號傳輸至信號處理模塊。

4、優(yōu)選的，激光器輸出的光束通過分束設(shè)備分為兩束，第一束以2％的能量進入能量監(jiān)測模塊，第二束通過光纖垂直入射到水氣交界面，控制兩臺激光能量分別產(chǎn)生熱膨脹與光擊穿效應(yīng)，進而將激光脈沖信號轉(zhuǎn)換為聲信號；

5、當(dāng)高能量的光被水吸收時，根據(jù)光輻照度的不同，依據(jù)水介質(zhì)的性質(zhì)是否發(fā)生變化，會產(chǎn)生線性或非線性的光聲過程，熱膨脹機制屬于線性機制，光擊穿機制屬于非線性機制，高光能量的吸收在水介質(zhì)中產(chǎn)生局部溫度波動，從而引起體積波動，體積波動會產(chǎn)生傳播的聲信號。

6、優(yōu)選的，信號接收機構(gòu)依據(jù)光擊穿信號位置對于激光致聲信號進行定位，對采樣信號進行分割，保留熱膨脹部分，信號接收機構(gòu)將第一個光擊穿信號作為碼元的起始碼，第二個光擊穿信號作為碼元的終止碼，兩個光擊穿信號之間部分作為信息碼，對信息碼進行存儲，譯碼保留熱膨脹部分，獲取發(fā)送信息。

7、優(yōu)選的，信號調(diào)制模塊接收分段后的二進制序列數(shù)據(jù)，信號調(diào)制模塊依據(jù)分段后二進制序列產(chǎn)生兩路時鐘信號以及兩路控制信號，分別控制兩臺激光器發(fā)射激光，兩路時鐘信號完全同步，兩路控制信號依次工作。

8、優(yōu)選的，信號發(fā)送機構(gòu)還包括激光測距儀，激光測距儀與信號調(diào)制模塊連接，激光測距儀設(shè)置在激光束經(jīng)分束設(shè)備分束后入射到水氣交界面之前的傳輸路線上，激光測距儀包括第一激光測距儀和第二激光測距儀，信號調(diào)制模塊分別讀取第一激光測距儀和第二激光測距儀的距離數(shù)據(jù)，之后根據(jù)需要調(diào)整第一激光器及第二激光器的目標(biāo)焦距。

9、優(yōu)選的，分束設(shè)備完成激光能量分離及透射、反射能量檢測的能量分配；分束設(shè)備包括分束板，分束板上設(shè)置有分光鏡，分光鏡包括第一分光鏡和第二分光鏡，第一分光鏡與第一激光器相連，第二分光鏡與第二激光器相相連，第一分光鏡與第二分光鏡均為45°透鏡。

10、優(yōu)選的，數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡的第一端與水聽器連接，數(shù)據(jù)采集卡的第二端與信號處理模塊相連；

11、水聽器包括光纖激光器和光纖傳感器，水聽器內(nèi)形成具有周期性光場的光纖，選擇性反饋特定波長光，激光光束在水聽器內(nèi)產(chǎn)生特定波長光的頻率偏移。

12、優(yōu)選的，信號接收機構(gòu)還包括前置放大器。

13、優(yōu)選的，信號調(diào)制模塊包括主控芯片、數(shù)據(jù)存儲模塊及信號放大模塊，主控芯片產(chǎn)生四路控制信號，并通過信號放大模塊進行放大，然后將放大后的信號傳輸給激光器。

14、優(yōu)選的，激光器為nd:yga焦距可調(diào)激光器，水聽器為分布反饋式光纖激光水聽器。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具備以下有益效果：

16、本實用新型通過信號發(fā)送機構(gòu)獲取所需要傳輸?shù)男畔?，將待發(fā)送信息轉(zhuǎn)換為二進制形式，將數(shù)據(jù)分段為長度統(tǒng)一的二進制序列，將分段后二進制序列傳入信號調(diào)制模塊，由信號調(diào)制模塊依據(jù)分段后二進制序列產(chǎn)生兩路時鐘信號以及兩路控制信號，分別控制兩臺激光器發(fā)射激光束，激光器輸出的光束由分束板分為兩束，其中一束部分能量狀態(tài)進入能量監(jiān)測模塊，以便對每個激光脈沖的能量進行檢測，另一束通過光纖垂直入射到水氣交界面，通過控制兩臺激光的能量不同分別產(chǎn)生熱膨脹與光擊穿效應(yīng)，進而將激光脈沖信號轉(zhuǎn)換為聲信號在水下向各個方向傳播，通過水聽器在水下任意位置對聲信號進行接收，對所接收到的信號進行解調(diào)獲取到發(fā)送信息，從而完成從空氣到水的跨介質(zhì)通信，本實用新型通過利用基于線性-非線性機制聯(lián)合調(diào)制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，提高了空氣到水跨介質(zhì)通信的速度、有效性及穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，包括信號發(fā)送機構(gòu)和信號接收機構(gòu)，所述信號發(fā)送機構(gòu)設(shè)置在空中平臺，所述信號接收機構(gòu)設(shè)置在水下空間，其特征在于，所述信號發(fā)送機構(gòu)包括信號調(diào)制模塊和激光器，所述激光器與所述信號調(diào)制模塊連接，所述信號調(diào)制模塊獲取待發(fā)送信息，對待發(fā)送信息進行調(diào)制并轉(zhuǎn)換為激光器控制信號，所述信號調(diào)制模塊控制激光器發(fā)射激光束，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，兩個激光器的輸出端均與分束設(shè)備相連，所述分束設(shè)備將激光器輸出的光束分為兩束，其中第一束輸出進入能量監(jiān)測模塊，第二束垂直入射到水氣交界面；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其特征在于，所述激光器輸出的光束通過分束設(shè)備分為兩束，第一束以2％的能量進入能量監(jiān)測模塊，第二束通過光纖垂直入射到水氣交界面，控制兩臺激光能量分別產(chǎn)生熱膨脹與光擊穿效應(yīng)，進而將激光脈沖信號轉(zhuǎn)換為聲信號。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其特征在于，所述信號接收機構(gòu)依據(jù)光擊穿信號位置對于激光致聲信號進行定位，對采樣信號進行分割，保留熱膨脹部分，所述信號接收機構(gòu)將第一個光擊穿信號作為碼元的起始碼，第二個光擊穿信號作為碼元的終止碼，兩個光擊穿信號之間部分作為信息碼。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其特征在于，所述信號調(diào)制模塊接收分段后的二進制序列數(shù)據(jù)，所述信號調(diào)制模塊依據(jù)分段后二進制序列產(chǎn)生兩路時鐘信號以及兩路控制信號，分別控制兩臺激光器發(fā)射激光。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其特征在于，所述信號發(fā)送機構(gòu)還包括激光測距儀，所述激光測距儀與所述信號調(diào)制模塊連接，所述激光測距儀設(shè)置在激光束經(jīng)所述分束設(shè)備分束后入射到水氣交界面之前的傳輸路線上，所述激光測距儀包括第一激光測距儀和第二激光測距儀，所述信號調(diào)制模塊分別讀取第一激光測距儀和第二激光測距儀的距離數(shù)據(jù)，之后根據(jù)需要調(diào)整所述第一激光器及第二激光器的目標(biāo)焦距。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其特征在于，所述分束設(shè)備完成激光能量分離及透射、反射能量檢測的能量分配；所述分束設(shè)備包括分束板，所述分束板上設(shè)置有分光鏡，所述分光鏡包括第一分光鏡和第二分光鏡，所述第一分光鏡與所述第一激光器相連，所述第二分光鏡與所述第二激光器相連，所述第一分光鏡與第二分光鏡均為45°透鏡。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡的第一端與所述水聽器連接，所述數(shù)據(jù)采集卡的第二端與所述信號處理模塊相連；

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其特征在于，所述信號接收機構(gòu)還包括前置放大器。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其特征在于，所述信號調(diào)制模塊包括主控芯片、數(shù)據(jù)存儲模塊及信號放大模塊，所述主控芯片產(chǎn)生四路控制信號，并通過所述信號放大模塊進行放大，然后將放大后的信號傳輸給所述激光器。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性-非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其特征在于，所述激光器為nd:yga焦距可調(diào)激光器，所述水聽器為分布反饋式光纖激光水聽器。

技術(shù)總結(jié)
本技術(shù)公開了一種基于線性?非線性機制的空氣到水跨介質(zhì)激光通信裝置，其屬于跨介質(zhì)通信技術(shù)領(lǐng)域。本技術(shù)包括信號發(fā)送機構(gòu)和信號接收機構(gòu)，信號發(fā)送機構(gòu)設(shè)置在空中平臺，信號接收機構(gòu)設(shè)置在水下空間，信號發(fā)送機構(gòu)包括第一激光器和第二激光器，第一激光器和第二激光器均與信號調(diào)制模塊連接，信號調(diào)制模塊控制兩臺激光器發(fā)射激光束，兩個激光器的輸出端與分束設(shè)備相連，分束設(shè)備將激光器輸出的光束分為兩束，其中第一束輸出進入能量監(jiān)測模塊，第二束垂直入射到水氣交界面；信號接收機構(gòu)包括信號處理模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及水聽器，本申請?zhí)岣吡丝諝獾剿缃橘|(zhì)通信的速度、有效性及穩(wěn)定性，實現(xiàn)可靠高效的水聲通信。

技術(shù)研發(fā)人員：趙揚,陳英楠,周志權(quán),王金龍,張延超,王晨旭
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）
技術(shù)研發(fā)日：20240520
技術(shù)公布日：2025/1/2