用于小型设备的低成本水下无线光通信装置

来源: www.sblunwen.com 作者:linbingkun 发布时间:2013-08-08 11:03 论文字数:22132字
论文编号: sb201308071455287313 论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文 论文价格: 150
对激光二极管和LED的性能进行了探讨,对硅光电二极管、雪崩光电二极管模块和光电倍增管的特性进行分析,根据实际使用要求和现有技术设计了水下无线光通信装置的发射单元、接收单元和

绪论

 
1.1课题背景
浩激的海洋占地球表面积达71%,不但藏有丰富的资源,而且对人类社会和经济的发展有重要影响。尽管从哥伦布航海、郑和七下西洋的古代其人类就开始了对海洋的探索活动,但是至今对于海域的了解十分有限。世界范围内陆地资源的开发和利用已经趋于成熟与饱和,人类社会的发展已经受到了陆地资源不足的限制。大规模的开发利用海洋资源,是世界各国进入21世纪后面对新形势所做的战略调整和规划。胡锦涛同志在十八大报告中直接阐述了 “海洋强国”是未来中国发展的又一个战略主线。这个观点和理念进一步推动了国内对于海洋开发,海洋探索,海洋资源利用工作的开展。海洋资源开发、储备和利用的竞争热潮所带来的挑战,也促使海洋和水下相关知识理论的深入,对于科研成果和相关水下技术提出了更高的要求⑴。
近些年来,新兴的无线传感网络技术为获得连续、高分辨率、系统的水下观测资料提供了新的技术手段。水下的无线传感器网络由低成本、低功耗、多功能集成的固定传感器节点组成,这些画定节点构成无线数据釆集网,具有数据收集、无线通信和处理信息的功能,在某一水域内安置若干此类固定节点可以形成无线传感器网络,通过标准的协议,进行自组网,并通过所装有的各类传感器对水下信息进行实时监控和测量,利用水下通信技术将监测信息进行实时的传输。因此,类似于陆地上的无线传感网络应用,可在选定海域安置大量的水下无线传感器节点,可以获得水下环境的监测数据,为人类进一步开发利用水下资源提供了强有力的技术支持[2’3]。以“蛟龙号”为典型代表的水下机器人技术近些年也得到快速的发展。水下机器人可以分为两类:遥控式水下机器人ROV(Remotely Operated Vehicle)和智能水下机器人AUV (Autonomous Underwater Vehicle)。前种水下机器人带有线缆,由母船上人工控制;后种水下机器无人无缆,自主航行,分为预编程控制和智能式控制。水下机器人主要应用在海洋环境监测,海洋资源勘察和海洋科学研究等。
在海上石油开发、打榜救生、科学考察、水产养殖、大坝检查、辅助潜水员水下作业和军事扫雷等具体方面有着不可忽视的潜能。在我国南海的石油钻丼平台使用了水下机器人检查各种装置的安放,检查损耗程度。监视、勘测井位的地形,勘测丼口。搜索失落海底的物品。安装、维修水下设备等。上海大学的OUTLAND 1000水下机器人,曾经应用于全国大案的刑侦过程。在潜水员连续作业无果的情况下,协助刑警在40米水深的湖底找到重要物证[4]。对于智能式水下机器人AUV来讲,作为水下的移动平台却没有有线线缆对其行为进行控制,也缺乏有效的手段对其数据进行及时的传输。需要一种新型的无线通信方法将水下智能移动平台AUV与固定监测节点紧密连接起来。由于声纳价格昂贵,并且与AUV相比体积过大,所以不适合AUV在水下作业中携带。早在1977年美国海军就提出卫星一潜艇通信的方法,随着半导体激光技术的发展,这一方法逐渐从实验走向实用。从1980年起,美国就进行了 6次大型蓝绿激光海上对潜通信试验,试验包括了成功进行12千米高空对水下300米潜艇的单工激光通信试验,并验证了长续航时间的飞机与以正常的下潜深度和航速航行的潜艇间的双工激光通信可行性,证实了蓝绿激光通信解决了恶劣天气、深水环境等条件下的通信困难问题。
1983年,前苏联黑海舰队的基地塞瓦斯托波尔附近也进行了一项实验,把蓝色激光发送到空间轨道的反射镜,然后通过光反射再发送到水下的弹道导弹潜艇,进行了 一次太空与水下间的激光通信试验[5,6]。上述提到的无论是水下固定监测节点、水下智能机器人还是深海中的潜艇,都是海洋开发研究中必不可少的工具。对于它们的控制,和相互之间的数据传输,信息共享都需要对应的水下无线通信技术的支持。因此,对于设计一种用于上述场景的水下无线通信装置与技术存在迫切的需求,并已受到越来越多人的关注。
 
1.2水下通信的方法
水下通信方法可分为有线通信和无线通信两种方式,有线通信釆用在水下铺设的电缆或者光线连接各个传输端口。有线通信方式,在我们上面提到的水下智能机器人AUV、潜艇和动态组网的无线传感网络应用中,会制约上述设备的移动和灵活性。而且电缆和光线的成本会随着运动距离而不断增大,也不便于在小型设备上搭载。所以无线通信方式更适合水下移动设备釆用,在无线应用中尤以水声通讯的应用最广泛,技术发展最成熟[7]。因为在水中传播的各种波中,以纵波(声波)的衰减最小,因此声纳技术和水声信息传输技术已经被广泛的采用和关注。对于电磁波这种横波而言,海水对其是氣导体,趋肤效应将严重影响到电磁波在海水中的传输,以至于在陆地上使用广泛的无线电波在水下几乎无法应用。
 
第2章水下无线光学信道的传输衰减效应..................11
2.1 .................11
2.2光源的基本光学参数.................12
2.3水体光学特性.................13
2.4水体的衰减效应.................14
第3章低成本水下无线光通信装置的实现.................31
3.1 Sit.................31
3.2水下无线光通信装置的构成.................31
3.3光发射单元.................32
第4章水下无线光通信装置关键技术.................53
4.1无线光通信调制技术.................53
4.2光电检测电路的噪声.................55
4.3水下光通信装置的误码率.................58
4.4本章小结.................59
第5章实验研究与装置性能分析.................61
5.1实验原理和装置.................61
5.2实验结果与分析.................64
5.3系统改进方案 .................69
 
总结随着人类在海洋监测和开发过程中对各类型水下传感器应用的日益普及,尤其小型水下设备上需要高带宽、低功耗和低成本的无线通信装置实现信息的及时传输,无线光通信技术为水下信息的交换提供了技术方案,可以与水下无线声学通信技术互补。根据可见光在水中的传输特性的模拟,本文对不同接收器件和调制方法在不同水质环境下的通信性能进行了仿真对比研究,设计了用于小型设备的低成本、低功耗水下无线光通信装置,通过室内的模拟实验证实了其可行性和性能指标,主要完成的工作如下:
(1)介绍了水下光无线通信技术的基本原理,根据水下信道吸收和散射的特点,提出了水下光学信道的传输衰减模型,对传输距离与发射功率、发散角和误码率之间的关系进行分析,为水下无线光学通信装置的设计提供依据。
(2)对激光二极管和LED的性能进行了探讨,对硅光电二极管、雪崩光电二极管模块和光电倍增管的特性进行分析,根据实际使用要求和现有技术设计了水下无线光通信装置的发射单元、接收单元和控制单元。对各个部分的硬件组成进行了详细的说明和分析。
 
参考文献
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[3].王磊,杨申申等.一种新型水下机器人的研究与开发[J].中国造船,2010,03:122-130
[4], Jing Xin, Preservation of the marine environment in China[J].China NationalEnvironment Monitoring Center, 2003,120?127
[5].张杨,张芳,卞勇.激光通信及其在潜艇通信中的应用[J].无线光通信,2006,(7): 43-45
[6].柳树要,何焰蓝.激光对潜通信原理及发展[J].现代物理知识,2005,17(5):19-21
[7]. Markager W, Vincent W F. Spectral Light Attenuation and Absorption of UV andBlue Light in Natural Waters [J]. Limnol & Oceanogr, 2000, 45(3):642?650
[8]. F. Akyildiz Ian, D. Pompili, T. Melodia. Challenges for Efficient Communicationin Underwater Acoustic Sensor Networks [J]. ACM.SIGBED Review,July2004,1(1):3 -8
[9]. D.Pompili, T. Melodia. Architecture for Ocean Bottom Underwater AcousticSensor Networks[R]. Poster Presentation of Med-Hoc-Net, 2004,554
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