本發(fā)明屬于水下無線光通信，尤其涉及一種密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、由于從450nm到550nm的藍(lán)綠色波長具有相對較低的衰減窗口，水下無線光通信(under?water?optical?communication,uwoc)在清水和大洋水中表現(xiàn)出了高速和低延遲的特性。然而，不同波長的光在同一水質(zhì)中具有不同的衰減系數(shù)，即不同波長的光對于不同水質(zhì)的通信效果是不一樣的。因此，使用單一波長或稀疏藍(lán)綠波分復(fù)用技術(shù)的傳統(tǒng)uwoc難以容忍水濁度的變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，提高在不同濁度水質(zhì)下通信的信號傳輸穩(wěn)定性，顯著提升傳輸距離和數(shù)據(jù)速率。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

3、一種密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，包括：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和數(shù)字信號處理模塊；其中：

4、發(fā)射機(jī)，包括波長分別為λ1、λ2、λ3、……λn的多個直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器和合束元件，用于在藍(lán)綠光波段實(shí)現(xiàn)密集波分復(fù)用；

5、接收機(jī)包含：準(zhǔn)直器和衍射光柵；其中，光在水下傳播20～200米后散射成不規(guī)則的光斑，所述光斑由接收透鏡收集并在準(zhǔn)直器中壓縮，衍射光柵用于解復(fù)用和分離不同波長的光；

6、數(shù)字信號處理模塊，用于利用光電倍增捕捉光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，電信號由示波器捕捉，并在計算機(jī)上執(zhí)行信號同步、解碼和信道均衡。

7、作為優(yōu)選，發(fā)射機(jī)集成多個不同波長的藍(lán)綠激光二極管ld用于wdm；每個ld都加載由任意信號發(fā)生器生成的一系列偽隨機(jī)二進(jìn)制序列。

8、作為優(yōu)選，發(fā)射機(jī)的波分復(fù)用通過n×1合束器實(shí)現(xiàn)，合束器為光纖合束器或者自由空間光合束器。

9、作為優(yōu)選，當(dāng)n＝7時，7種不同波長的帶尾纖激光二極管基于sbc復(fù)用到一根多模光纖中；多模光纖連接到一個空間光準(zhǔn)直器，以輸出組合激光束；組合光束的直徑為5毫米，通過準(zhǔn)直器擴(kuò)展到25毫米；準(zhǔn)直光束進(jìn)入水下信道，在20米的水下信道傳輸后，接收透鏡、準(zhǔn)直器和反射式衍射光柵用于解復(fù)用；接收的光束直徑為30毫米，通過準(zhǔn)直器收集并準(zhǔn)直為6毫米直徑的平行光束；使用一個衍射光柵分離所有7個波長。

10、作為優(yōu)選，水下信道使用長2米、寬1米的水槽來構(gòu)建光通信傳輸信道，放置在兩側(cè)短邊的兩個反射鏡使光能夠在水下傳輸20米的距離。

11、作為優(yōu)選，發(fā)射機(jī)在波長范圍為450nm到550nm的低衰減窗口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)波長范圍為490nm到520nm的密集波分復(fù)用，最小通道間隔2nm。

12、作為優(yōu)選，當(dāng)n＝14時，14種不同波長的端面出射激光二極管(eel)基于sbc復(fù)用自由空間耦合的多模光纖中；多模光纖連接到一個空間光準(zhǔn)直器，以輸出組合激光束；組合光束的直徑為25毫米；準(zhǔn)直光束進(jìn)入水下信道，在200米的水下信道傳輸后，接收透鏡、準(zhǔn)直器和透射式衍射光柵用于解復(fù)用；接收的光束直徑為300毫米，通過準(zhǔn)直器收集并準(zhǔn)直為6毫米直徑的平行光束；使用一個透射式衍射光柵分離所有14個波長。

13、作為優(yōu)選，水下信道使用長50米、寬5米的水池來構(gòu)建光通信傳輸信道，放置在兩側(cè)短邊的兩個反射鏡使光能夠在水下傳輸200米的距離。

14、作為優(yōu)選，發(fā)射機(jī)在波長范圍為450nm到550nm的低衰減窗口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)波長范圍為450nm到520nm的密集波分復(fù)用，最小通道間隔3nm。

15、本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

16、1、在水下光通信中耐濁度特性好的密集波分復(fù)用技術(shù)。使用490nm至520nm波長范圍內(nèi)的七個不同波長的激光器，實(shí)現(xiàn)了高密度波長通道間的最小間隔為2nm的wdm技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)的濁度耐受性；使用450nm至520nm波長范圍內(nèi)的14個不同波長的激光器，實(shí)現(xiàn)了高密度波長通道間的最小間隔為3nm的wdm技術(shù)，提高了水下傳輸距離和系統(tǒng)的濁度耐受性。在不同水質(zhì)條件下均能穩(wěn)定傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率超過10gbit/s，有效解決了傳統(tǒng)水下通信在濁度變化大時通信質(zhì)量下降的問題。

17、2、采用空間光透鏡組合，能夠有效的控制合束光束在水下傳播時的發(fā)散，并且完全收集傳輸?shù)浇邮斩说乃泄馐芰俊Ｍㄟ^設(shè)計準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置和縮束收集裝置，保證了光在水信道中的高質(zhì)量傳輸，減少了除水信道本身損耗帶來的額外損耗，增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體性能。

18、3、采用衍射光柵來實(shí)現(xiàn)密集波分復(fù)用中2～3nm的通道間隔分光。通過精確計算光柵的幾何和衍射特性，實(shí)現(xiàn)了波長精確的分離和控制，使得不同波長的光信號能夠在極小間隔內(nèi)被有效分離。這種光柵設(shè)計不僅大幅度減少了設(shè)備的復(fù)雜性和成本，還提高了分光的精度和系統(tǒng)的整體效率。實(shí)際應(yīng)用中，這種技術(shù)能夠在高濁度和不同水質(zhì)條件下，有效減少波長間的串?dāng)_，維持高數(shù)據(jù)傳輸率，極大地增強(qiáng)了水下通信系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括：發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和數(shù)字信號處理模塊；其中：

2.如權(quán)利要求1所述的密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)射機(jī)集成多個不同波長的藍(lán)綠激光二極管ld用于wdm；每個ld都加載由任意信號發(fā)生器生成的一系列偽隨機(jī)二進(jìn)制序列。

3.如權(quán)利要求2所述的密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)射機(jī)的波分復(fù)用通過n×1合束器實(shí)現(xiàn)，合束器為光纖合束器或者自由空間光合束器。

4.如權(quán)利要求3所述的密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)n＝7時，7種不同波長的帶尾纖激光二極管基于sbc復(fù)用到一根多模光纖中；多模光纖連接到一個空間光準(zhǔn)直器，以輸出組合激光束；組合光束的直徑為5毫米，通過準(zhǔn)直器擴(kuò)展到25毫米；準(zhǔn)直光束進(jìn)入水下信道，在20米的水下信道傳輸后，接收透鏡、準(zhǔn)直器和反射式衍射光柵用于解復(fù)用；接收的光束直徑為30毫米，通過準(zhǔn)直器收集并準(zhǔn)直為6毫米直徑的平行光束；使用一個衍射光柵分離所有7個波長。

5.如權(quán)利要求4所述的密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，其特征在于，水下信道使用長2米、寬1米的水槽來構(gòu)建光通信傳輸信道，放置在兩側(cè)短邊的兩個反射鏡使光能夠在水下傳輸20米的距離。

6.如權(quán)利要求5所述的密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)射機(jī)在波長范圍為450nm到550nm的低衰減窗口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)波長范圍為490nm到520nm的密集波分復(fù)用，最小通道間隔2nm。

7.如權(quán)利要求3所述的密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)n＝14時，14種不同波長的端面出射激光二極管(eel)基于sbc復(fù)用自由空間耦合的多模光纖中；多模光纖連接到一個空間光準(zhǔn)直器，以輸出組合激光束；組合光束的直徑為25毫米；準(zhǔn)直光束進(jìn)入水下信道，在200米的水下信道傳輸后，接收透鏡、準(zhǔn)直器和透射式衍射光柵用于解復(fù)用；接收的光束直徑為300毫米，通過準(zhǔn)直器收集并準(zhǔn)直為6毫米直徑的平行光束；使用一個透射式衍射光柵分離所有14個波長。

8.如權(quán)利要求7所述的密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，其特征在于，水下信道使用長50米、寬5米的水池來構(gòu)建光通信傳輸信道，放置在兩側(cè)短邊的兩個反射鏡使光能夠在水下傳輸200米的距離。

9.如權(quán)利要求8所述的密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，其特征在于，發(fā)射機(jī)在波長范圍為450nm到550nm的低衰減窗口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)波長范圍為450nm到520nm的密集波分復(fù)用，最小通道間隔3nm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種密集波分復(fù)用水下無線光通信系統(tǒng)，包括：發(fā)射機(jī)，包括波長分別為λ<subgt;1</subgt;、λ<subgt;2</subgt;、λ<subgt;3</subgt;、……λ<subgt;n</subgt;的多個直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器和合束元件，用于在藍(lán)綠光波段實(shí)現(xiàn)密集波分復(fù)用；接收機(jī)包含：準(zhǔn)直器和衍射光柵，光在水下傳播20～200米后散射成一個不規(guī)則的光斑，所述光斑由接收透鏡收集并在準(zhǔn)直器中壓縮，衍射光柵用于解復(fù)用和分離不同波長的光；數(shù)字信號處理模塊，用于利用光電倍增捕捉光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號，電信號由示波器捕捉，并在計算機(jī)上執(zhí)行信號同步、解碼和信道均衡。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，提高在不同濁度水質(zhì)下通信的信號傳輸穩(wěn)定性，顯著提升傳輸距離和數(shù)據(jù)速率。

技術(shù)研發(fā)人員：章廓廓,孫彩明,張愛東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：深圳市人工智能與機(jī)器人研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6