CN107425909A - 一种基于可见光激光光源的水下照明和通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开一种基于可见光激光光源的水下照明和通信系统。本发明使用发光波长在可见光波段的激光光源，激光光源由氮化镓或者砷化镓基半导体材料制备；激光光源由直流驱动电源驱动，并经过散热封装，发出的激光由光学元件散射后，可以用于水下照明；通过加入通信调制信号，与直流电源共同驱动激光器，激光光源则具备水下照明和通信的双重作用；为了实现通信用途，接收端使用光学元件作为接收天线，用光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并处理接收信号。本发明使用激光光源同时实现了水下照明和通信的用途，具有能源利用效率高、通信速率快、保密性高和时延短的优势。

Description

一种基于可见光激光光源的水下照明和通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于可见光激光光源的水下照明和通信系统。

背景技术

海洋资源是当前世界各国争夺的重要资源，潜艇、无人水下航行器和水下传感器等水下设备在探索和争夺海洋资源中起到关键作用，海洋照明和通信是探索和开发海洋资源的关键技术。一方面，传统水下照明光源和LED光源的能源消耗比较大，而激光光源在大电流注入下的效率比较高，激光照明和显示逐步进入日常应用，但尚未进入水下照明领域。另一方面，水下通信设备常用水声通信、超/甚低频无线电通信和可见光通信。水声通信具有通信距离远的优势，但也有带宽低、多径干扰严重、误码率高和保密性差的劣势；超/甚低频无线电通信存在频带窄、通信容量小、通信频率低和通信速率太低的问题；水下可见光通信是近年来水下通信的热点，具有水下通信速率快、实时传输、局域化和保密性高的优势。

近年来，基于氮化镓基材料的蓝绿光激光器的效率得到大幅度提高，也具有很高的光电调制带宽，基于红光砷化镓基材料的激光器的效率也比较高，但基于激光器的水下照明和通信尚需要进一步的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能源利用效率高、通信速率快、保密性高和时延短的水下照明和实时通信系统。

本发明提供的水下照明和通信系统，是基于可见光激光光源的。具体来说，包括：直流驱动电源1、发射信号模块2、可见光激光器3、激光散热装置4、发射天线5、信号接收天线6、光电探测器7和接收信号处理模块8，参见图1所示，其中：

所述的激光光源3，为峰值波长在400nm和700nm之间的可见光光源，例如为由氮化镓或者砷化镓材料制备的激光器，可以为单一波长的光源，或者为具有多个不同波长的光源，或者为具有单一波长的多个光源；

所述的直流驱动电源1，通过恒定的电压或者电流驱动激光光源3；

所述的发射信号模块2，用于发射数字信号或者模拟信号，与直流驱动电源1共同驱动激光光源3；

所述的散热封装装置4，种类包括金属底座、或者循环水、或者半导体制冷片，封装电路的阻抗与激光光源3的阻抗匹配，以提高可用带宽和通信速度；

所述的发射天线5，种类包括曲面透镜、或者菲涅尔透镜、或者散射片、或者磨砂玻璃，用来调整激光光源的发射光角度，发射天线和激光光源3的间距通过机械螺纹或者电机调节，对于短距离照明和通信（比如十米以上），光源发散角可以比较大（比如大于50度），对于较长距离的照明和通信（比如百米以上），发散角需要尽可能小（比如小于10度）；

所述的信号接收天线6、光电探测器7和接收信号处理模块8组成接收端，实现水下高速通信功能，实现水下局域化组网；其中，所述的信号接收天线6使用抛物线曲面透镜或者菲涅尔透镜，其收集的光聚焦到光电探测器7上；所述的接收端光电探测器7，采用PIN、或者APD、或者单光子计数器；所述的接收信号处理模块8，用于处理并还原接收到的数字信号或者模拟信号。

本系统不但具备水下照明的功能，而且具备水下高速通信功能。

本系统可具备多个信号发射端和多个信号接收端，组建水下通信网络。

本系统的信号接收端和发射端（激光照明光源）使用防水装置；

潜水员、水下机器人、潜艇等可以同时装备发射端（激光照明光源）和接收端，则可以实现照明和双向通信。

本发明使用激光光源同时实现了水下照明和通信的用途，具有能源利用效率高和通信速率快的特点，可以用于水下局域化照明和组网。

附图说明

图1为本发明中提供的水下激光照明和通信的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。下面结合通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

激光光源3同时使用了峰值波长在450nm的氮化镓基蓝光激光器、520nm的氮化镓基绿光激光器和650nm的砷化镓基红光激光器，每个激光器通过直流驱动电源1驱动，并使用半导体制冷片进行封装散热，每个波长的激光器的发射光功率约为100 mW，具有红绿蓝发光波长的激光光源可以提高水下照明的显色指数，并使用散射片调整激光的发射角度为50度，增加水下激光照明的面积。

使用发射信号模块2的数字信号和直流驱动电源1共同驱动激光器，并使用波分复用方法使用红绿蓝激光器同时进行通信，来提高水下通信速率。

信号接收天线6使用菲涅尔透镜将接收到的光聚焦到光电探测器7 PIN上，接收信号处理模块8处理并还原接收到的数字信号。

潜水员和水下机器人可以同时装备上述激光照明光源、信号发射和接收装置，实现水下照明，并组建水下通信网络。

实施例2

激光光源3使用峰值波长在450nm的氮化镓基激光器，通过直流驱动电源1驱动，并使用循环水进行封装散热，激光器的发射光功率约为1 W，使用电机调节透镜位置，调整激光的发射角度为接近准直，比如具有10度的发散角，激光光源可用于小面积照明，但是可以提高通信距离到百米以上。

使用发射信号模块2的数字信号和直流驱动电源1共同驱动激光器，信号接收天线6使用菲涅尔透镜将接收到的光聚焦到光电探测器7 APD上，接收信号处理模块8处理并还原接收到的数字信号。

潜艇可以同时装备上述激光照明光源、信号发射和接收装置，实现水下照明，并组建水下通信网络。

本发明使用激光光源同时实现了水下照明和通信的用途，潜水员、水下机器人、潜艇等可以迅速建立局域化水下照明和通信系统，具有能源利用效率高和通信速率快的优势。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于可见光激光光源的水下照明和通信系统，其特征在于，包括：直流驱动电源1、发射信号模块2、可见光激光器3、激光散热装置4、发射天线5、信号接收天线6、光电探测器7和接收信号处理模块8；其中：

所述的激光光源3，为峰值波长在400nm和700nm之间的可见光光源；

所述的直流驱动电源1，通过恒定的电压或者电流驱动激光光源3；

所述的发射信号模块2，用于发射数字信号或者模拟信号，与直流驱动电源1共同驱动激光光源3；

所述的散热封装装置4，种类包括金属底座、或者循环水、或者半导体制冷片，封装电路的阻抗与激光光源3的阻抗匹配，以提高可用带宽和通信速度；

所述的发射天线5，种类包括曲面透镜、或者菲涅尔透镜、或者散射片、或者磨砂玻璃，用来调整激光光源的发射光角度，发射天线5和激光光源3的间距通过机械螺纹或者电机调节；

所述的信号接收天线6、光电探测器7和接收信号处理模块8组成接收端，实现水下高速通信功能，实现水下局域化组网；其中，所述的信号接收天线6使用抛物线曲面透镜或者菲涅尔透镜，其收集的光聚焦到光电探测器7上；所述的接收端光电探测器7，采用PIN、或者APD、或者单光子计数器；所述的接收信号处理模块8，用于处理并还原接收到的数字信号或者模拟信号。

2.根据权利要求1所述的基于可见光激光光源的水下照明和通信系统，其特征在于，所述的激光光源3，为由氮化镓或者砷化镓材料制备的激光器，为单一波长的光源，或者为具有多个不同波长的光源，或者为具有单一波长的多个光源。

3.根据权利要求1所述的基于可见光激光光源的水下照明和通信系统，其特征在于，具备多个信号发射端和多个信号接收端，组建水下通信网络。

4.根据权利要求1或3所述的基于可见光激光光源的水下照明和通信系统，其特征在于，信号接收端和发射端使用防水装置；

潜水员、水下机器人、潜艇可以同时装备发射端和接收端，实现照明和双向通信。