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用于小型设备的低成本水下无线光通信装置

作　者: 丁阳
导　师: 周洪亮; 张宏建
学　校: 浙江大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 水下无线光通信水体光衰减效应低成本光调制技术
分类号: TN929.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

进入21世纪后对于海洋研究和开发的力度越来越大,对于水下配套技术的要求也随之“水涨船高”。水下和陆上环境的差异,使得很多陆地上成熟的技术在水底无法应用。水下通信是海洋和水下开发的一项重要技术,相对于陆地与空间通信而言,水下通信主要是在淡水、海水中的通信。现有技术可以实现陆地、空间中的自由通信,但实现水下自由通信还是比较困难的。传统的水下通信方式分为有线通信和无线通信两种,水下有线通信可以通过铺设海底线缆来实现。由于电磁波在水中有很大的衰减,所以在陆上广泛使用的电磁波通信,在水下应用中受到限制。水下无线通信主要是指水声通信技术,是目前水下目标间无线通信的最成熟技术。但声波在水中衰减很大,而且衰减与声波频率的平方成正比。因此,水声通信技术传播速度慢,声学设备体积大,成本高,无法满足水下通信应用中对于小体积和低成本的要求。本文在分析了当前水下通信技术的现状和先进技术的基础上,利用蓝绿光在水中的良好透过性,设计了一种低成本的无线光通信装置。无线光通信与传统通信方式相比,具有容量大,带宽高,传输速率快,体积重量小,安全、保密性好和成本低的特点。本文的主要内容如下：(1)介绍了当前国内外水下通信的技术手段和发展现状,并对各项技术的优势和不足进行阐述。(2)研究了水的光学特性,具体分析了绿光在固定指标参数水中的传输特性。考虑到光束扩展损耗和光学损耗,提出了水下光学信道的传输效应和通信链路模型。(3)完成了用于水下小型设备的低成本水下无线光通信装置的设计,装置包括绿光光源,光调制驱动单元,主控和显示单元,光电二极管,以及光电转换单元。该装置能够实现水下中、近距离的高速信息传输。本文的主要特色或创新点如下：(1)结合空间无线激光通信技术和现有水下通信方法,提出了一种用于水下近距离信息传输的无线光通信技术。(2)所设计的低成本无线光通信装置,具有成本低、体积小、相比于传统水下声学通信装置带宽高、功耗小等优点,适用于水下环境中近距离的数据传输场合。(3)通过软件仿真论证了光源的发光功率、散射角和光电探测器灵敏度对于水下无线光通信距离、信噪比以及误码率的影响和相互关系。通过室内实验对水下光通信系统的性能和可行性进行了分析和证实。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-12
第1章绪论  12-22
  1.1 课题背景  12-13
  1.2 水下通信的方法  13-16
  1.3 水下光通信特点与应用  16-19
  1.4 本论文的研究内容  19-20
  1.5 本章小结  20-22
第2章水下无线光学信道的传输衰减效应  22-42
  2.1 引言  22-23
  2.2 光源的基本光学参数  23-24
  2.3 水体光学特性  24-25
  2.4 水体的衰减效应  25-33
    2.4.1 纯水  26-28
    2.4.2 叶绿素  28-29
    2.4.3 非色素悬浮粒子  29-32
    2.4.4 黄色物质  32-33
  2.5 水下无线光通信的衰减模型  33-39
    2.5.1 系统装置的损耗  35-36
    2.5.2 光束扩展损耗  36-37
    2.5.3 水下无线通信信道模型  37-39
  2.6 本章小结  39-42
第3章低成本水下无线光通信装置的实现  42-64
  3.1 引言  42
  3.2 水下无线光通信装置的构成  42-43
  3.3 光发射单元  43-48
    3.3.1 光源  43-46
    3.3.2 光调制驱动电路  46-48
  3.4 光学汇聚系统  48-49
  3.5 光电接收单元  49-57
    3.5.1 硅光电二极管(PIN)  51-53
    3.5.2 光电倍增管(PMT)  53-57
  3.6 控制与显示单元  57-60
    3.6.1 控制与数据传输电路  58
    3.6.2 液晶显示电路  58-60
  3.7 其他电路  60-62
    3.7.1 电源模块电路  60
    3.7.2 复位电路  60-61
    3.7.3 JTAG接口电路  61-62
  3.8 水下通信装置性价比  62-63
  3.9 本章小结  63-64
第4章水下无线光通信装置关键技术  64-72
  4.1 无线光通信调制技术  64-66
    4.1.1 振幅调制(OOK)  64-65
    4.1.2 脉冲位置调制(PPM)  65-66
    4.1.3 异步通信UART的弱光干扰  66
  4.2 光电检测电路的噪声  66-69
  4.3 水下光通信装置的误码率  69-70
  4.4 本章小结  70-72
第5章实验研究与装置性能分析  72-82
  5.1 实验原理和装置  72-75
    5.1.1 光发射装置和光接收装置  72-73
    5.1.2 水下无线激光通信实验  73-74
    5.1.3 水下LED光源模块通信实验  74-75
  5.2 实验结果与分析  75-80
    5.2.1 光源性能分析  75-77
    5.2.2 光电探测器性能分析  77
    5.2.3 放大效果分析  77-78
    5.2.4 噪声分析与改进方法  78-79
    5.2.5 误码率模拟实验  79-80
  5.3 系统改进方案  80-82
第6章总结与展望  82-84
  6.1 总结  82
  6.2 展望  82-84
参考文献  84-88
作者简介  88
作者在校期间的研究成果  88

用于小型设备的低成本水下无线光通信装置

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