激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光通信領(lǐng)域和水聲學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們海洋活動(dòng)的日益頻繁，水聲通信已不再局限于軍事領(lǐng)域，而是廣泛擴(kuò)展到民用領(lǐng)域，如海底形貌測(cè)繪、水下目標(biāo)控制等，通信的海洋應(yīng)用拓展使水下通信的需求大為增加，同時(shí)也對(duì)通信技術(shù)有著越來越高的要求。在浩瀚的海域中，光波和電磁波在其中的傳播衰減都非常大，傳輸距離十分有限，遠(yuǎn)不能滿足人類日益活躍的海洋活動(dòng)對(duì)通信的需要；利用藍(lán)綠激光實(shí)現(xiàn)的海洋通信要求通信雙方在視距下進(jìn)行，同時(shí)傳輸光路復(fù)雜，接收對(duì)準(zhǔn)技術(shù)要求高；利用電磁波實(shí)現(xiàn)的海洋通信要求水下目標(biāo)定期浮到天線露出水面的深度，導(dǎo)致其通信目標(biāo)的隱蔽性降低，因而也限制了這類海洋通信的發(fā)展。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是傳統(tǒng)海洋通信安全性差和對(duì)通信鏈路要求高等問題，提供一種激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)。
[0004]為解決上述問題，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)，主要由信號(hào)發(fā)送計(jì)算機(jī)、數(shù)字調(diào)制模塊、激光器、水聲采集器、水聲放大模塊、數(shù)字解調(diào)模塊和信號(hào)接收計(jì)算機(jī)組成；其中信號(hào)發(fā)送模塊、數(shù)字調(diào)制模塊和激光器位于水面上方；水聲采集器、水聲放大模塊、數(shù)字解調(diào)模塊和信號(hào)接收計(jì)算機(jī)位于水下；信號(hào)發(fā)送計(jì)算機(jī)的輸出端經(jīng)數(shù)字調(diào)制模塊與激光器的輸入端相連，激光器的輸出端依次通過大氣信道和水聲信道后無線連接水聲采集器，水聲采集器的輸出端經(jīng)水聲放大模塊連接數(shù)字解調(diào)模塊的輸入端，數(shù)字解調(diào)模塊的輸出端與信號(hào)接收計(jì)算機(jī)相連。
[0006]上述方案中，所述數(shù)字調(diào)制模塊包括單片機(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路；單片機(jī)控制電路的輸入端連接信號(hào)發(fā)送計(jì)算機(jī)，單片機(jī)控制電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接激光器的輸入端。
[0007]上述方案中，所述數(shù)字解調(diào)模塊包括FPGA解碼電路、信號(hào)輸出電路和緩沖電路；FPGA解碼電路的輸入端經(jīng)由緩沖電路與水聲采集器的輸出端相連，F(xiàn)PGA解碼電路的輸出端經(jīng)由信號(hào)輸出電路連接信號(hào)接收計(jì)算機(jī)。
[0008]上述方案中，信號(hào)采集放大模塊包括前置放大電路、主放大電路和整形電路；前置放大電路的輸入端與水聲采集器的輸出端相連，前置放大電路的輸出端經(jīng)主放大電路與整形電路的輸入端連接，整形電路的輸出端連接數(shù)字解調(diào)模塊的輸入端。
[0009]上述方案中，所述激光器為調(diào)Q脈沖固體激光器。
[0010]上述方案中，所述水聲采集器為壓電水聽器。
[0011]針對(duì)通信環(huán)境的信道特點(diǎn)，并保障通信雙方在信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩?，本?shí)用新型將大氣光通信與水下聲通信相結(jié)合，利用激光跳頻技術(shù)，通過信息加載于不同重頻幀組成的編碼來控制激光器進(jìn)行激光發(fā)射，經(jīng)大氣傳輸使激光能量到達(dá)水面后以汽化或擊穿方式與水介質(zhì)發(fā)生互作用，從而把光波能量轉(zhuǎn)化為聲波能量在水下各異方向傳播，通過水下一定范圍內(nèi)任何位置放置的水聲采集器接收，可完成空中到水下的非視距數(shù)據(jù)通信，只要通信雙方按照約定的激光跳頻通信協(xié)議，通信雙方的信息安全和保密性即可得到一定的保障，使開放信道環(huán)境下的通信方法更具實(shí)用價(jià)值。大氣信道和水聲信道為無線信道，激光脈沖信號(hào)直接與水進(jìn)行互作用后轉(zhuǎn)化為聲波送達(dá)水聲采集器，而無需經(jīng)過中繼換能器；在開放信道環(huán)境下，通信系統(tǒng)的搭建不需要進(jìn)行復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)、水下中繼和水中電纜鋪設(shè)，通信終端位置安裝靈活方便，從光到聲的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)非視距通信。
【附圖說明】
[0012]圖1為激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
[0013]圖2為圖1中數(shù)字調(diào)制模塊的原理框圖。
[0014]圖3為圖1中數(shù)字解調(diào)模塊的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]一種激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)，如圖1所示，主要由信號(hào)發(fā)送計(jì)算機(jī)、數(shù)字調(diào)制模塊、激光器、水聲采集器、水聲放大模塊、數(shù)字解調(diào)模塊和信號(hào)接收計(jì)算機(jī)組成。其中信號(hào)發(fā)送模塊、數(shù)字調(diào)制模塊和激光器位于水面上方。水聲采集器、水聲放大模塊、數(shù)字解調(diào)模塊和信號(hào)接收計(jì)算機(jī)位于水下。信號(hào)發(fā)送計(jì)算機(jī)的輸出端經(jīng)數(shù)字調(diào)制模塊與激光器的輸入端相連，激光器的輸出端依次通過大氣信道和水聲信道后無線連接水聲采集器，水聲采集器的輸出端經(jīng)水聲放大模塊連接數(shù)字解調(diào)模塊的輸入端，數(shù)字解調(diào)模塊的輸出端與信號(hào)接收計(jì)算機(jī)相連。調(diào)制模塊將待傳數(shù)字信號(hào)調(diào)制編碼成基頻可調(diào)ASK通信幀，控制調(diào)Q激光器輸出激光；激光輸出到水面激光入射點(diǎn)之間為系統(tǒng)信號(hào)傳輸大氣信道，而水面激光入射點(diǎn)附近到水聲檢測(cè)設(shè)備之間為系統(tǒng)信號(hào)傳輸水聲信道。水聲采集器用以接收信號(hào)，數(shù)字解調(diào)模塊用于還原待傳數(shù)字信號(hào)。在本實(shí)用新型中，通信用激光器為適合于大氣傳輸1.06 μπι波長(zhǎng)的調(diào)Q脈沖固體激光器，輸出脈沖能量大小可調(diào)節(jié)。所述水聲采集器為壓電水聽器，完成對(duì)發(fā)射激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為水聲信號(hào)的采集，并轉(zhuǎn)換為后端處理的電信號(hào)。
[0016]所述數(shù)字調(diào)制模塊，如圖2所示，包括單片機(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)控制電路的輸入端連接信號(hào)發(fā)送計(jì)算機(jī)，單片機(jī)控制電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接激光器的輸入端。數(shù)字調(diào)制模塊采用基頻可調(diào)ASK編碼的信號(hào)編碼方式，提供激光跳頻通信所需的控制激光器的幀長(zhǎng)可變重頻脈沖信息碼元。通過單片機(jī)軟件算法由時(shí)間定時(shí)方式產(chǎn)生基頻可調(diào)ASK編碼信號(hào)，獲得一非定長(zhǎng)的串行幀結(jié)構(gòu)，通過驅(qū)動(dòng)電路控制激光器實(shí)現(xiàn)光跳頻信號(hào)發(fā)射；單片機(jī)以串行方式接收PC機(jī)送出的跳頻頻率和需傳送信息，基頻點(diǎn)數(shù)和頻率根據(jù)通信要求可實(shí)時(shí)設(shè)置。單片機(jī)的輸入輸出端口可獨(dú)立于信息發(fā)送計(jì)算機(jī)作為小系統(tǒng)，設(shè)置相應(yīng)基頻信號(hào)和碼元信息，通過單片機(jī)編碼后輸出控制激光器進(jìn)行調(diào)試，發(fā)射頻率和碼元信息采用液晶顯示監(jiān)測(cè)。
[0017]所述數(shù)字解調(diào)模塊，如圖3所示，包括FPGA解碼電路、信號(hào)輸出電路和緩沖電路。FPGA解碼電路的輸入端經(jīng)由緩沖電路與水聲采集器的輸出端相連，F(xiàn)PGA解碼電路的輸出端經(jīng)由信號(hào)輸出電路連接信號(hào)接收計(jì)算機(jī)。信號(hào)采集放大模塊包括前置放大電路、主放大電路和整形電路。前置放大電路的輸入端與水聲采集器的輸出端相連，前置放大電路的輸出端經(jīng)主放大電路與整形電路的輸入端連接，整形電路的輸出端連接數(shù)字解調(diào)模塊的輸入端。數(shù)字解調(diào)模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行幀同步、碼元識(shí)別，解調(diào)后的信號(hào)送輸出電路顯示并上傳。FPGA解碼電路經(jīng)由水聽器采集并經(jīng)緩沖電路放大整形的水聲信號(hào)，根據(jù)發(fā)射幀導(dǎo)頻碼結(jié)構(gòu)進(jìn)行解碼得到對(duì)應(yīng)的跳頻頻率和編碼信息。FPGA以串行方式送PC機(jī)監(jiān)測(cè)發(fā)射端發(fā)送信息。FPGA解碼電路的輸入輸出端口可獨(dú)立于信號(hào)接收計(jì)算機(jī)機(jī)作為小系統(tǒng)，采用液晶對(duì)FPGA的解碼信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)，其特征在于:主要由信號(hào)發(fā)送計(jì)算機(jī)、數(shù)字調(diào)制模塊、激光器、水聲采集器、水聲放大模塊、數(shù)字解調(diào)模塊和信號(hào)接收計(jì)算機(jī)組成；其中信號(hào)發(fā)送模塊、數(shù)字調(diào)制模塊和激光器位于水面上方；水聲采集器、水聲放大模塊、數(shù)字解調(diào)模塊和信號(hào)接收計(jì)算機(jī)位于水下；信號(hào)發(fā)送計(jì)算機(jī)的輸出端經(jīng)數(shù)字調(diào)制模塊與激光器的輸入端相連，激光器的輸出端依次通過大氣信道和水聲信道后無線連接水聲采集器，水聲采集器的輸出端經(jīng)水聲放大模塊連接數(shù)字解調(diào)模塊的輸入端，數(shù)字解調(diào)模塊的輸出端與信號(hào)接收計(jì)算機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)字調(diào)制模塊包括單片機(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路；單片機(jī)控制電路的輸入端連接信號(hào)發(fā)送計(jì)算機(jī)，單片機(jī)控制電路的輸出端與驅(qū)動(dòng)電路的輸入端相連，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接激光器的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)字解調(diào)模塊包括FPGA解碼電路、信號(hào)輸出電路和緩沖電路；FPGA解碼電路的輸入端經(jīng)由緩沖電路與水聲采集器的輸出端相連，F(xiàn)PGA解碼電路的輸出端經(jīng)由信號(hào)輸出電路連接信號(hào)接收計(jì)算機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)，其特征在于:信號(hào)采集放大模塊包括前置放大電路、主放大電路和整形電路；前置放大電路的輸入端與水聲采集器的輸出端相連，前置放大電路的輸出端經(jīng)主放大電路與整形電路的輸入端連接，整形電路的輸出端連接數(shù)字解調(diào)模塊的輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)，其特征在于:所述激光器為調(diào)Q脈沖固體激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)，其特征在于:所述水聲采集器為壓電水聽器。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種激光跳頻水下致聲數(shù)字通信系統(tǒng)，其針對(duì)通信環(huán)境的信道特點(diǎn)，并保障通信雙方在信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩?，本?shí)用新型將大氣光通信與水下聲通信相結(jié)合，利用激光跳頻技術(shù)，通過信息加載于不同重頻幀組成的編碼來控制激光器進(jìn)行激光發(fā)射，經(jīng)大氣傳輸使激光能量到達(dá)水面后以汽化或擊穿方式與水介質(zhì)發(fā)生互作用，從而把光波能量轉(zhuǎn)化為聲波能量在水下各異方向傳播，通過水下一定范圍內(nèi)任何位置放置的水聲采集器接收，可完成空中到水下的非視距數(shù)據(jù)通信，只要通信雙方按照約定的激光跳頻通信協(xié)議，通信雙方的信息安全和保密性即可得到一定的保障，使開放信道環(huán)境下的通信方法更具實(shí)用價(jià)值。
【IPC分類】H04B11-00, H04B13-02, H04B10-50
【公開號(hào)】CN204559587
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520272416
【發(fā)明人】何寧, 呂杏利, 蔣紅艷, 鐘坤, 廖欣
【申請(qǐng)人】桂林電子科技大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年4月29日