2023年10月河南省漯河市源汇区事业单位引进10名高层次人才笔试历年难易错点考题荟萃附带答案详解.docx

　　(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 CN 112291019 A (43)申请公布日 2021.01.29 (21)申请号 0.6 (22)申请日 2020.12.31 (71)申请人 鹏城实验室 地址 518000 广东省深圳市南山区兴科一 街2号 (72)发明人 陈圳唐昕柯孙彩明张爱东 (74)专利代理机构 深圳市世纪恒程知识产权代 理事务所 44287 代理人 关向兰 (51)Int.Cl. H04B 10/80 (2013.01) H04B 10/556 (2013.01) H04B 10/69 (2013.01) 权利要求书2页 说明书11页 附图8页 (54)发明名称 水下无线)摘要 本发明公开了一种水下无线光通信方法及 系统，所述方法包括：控制发送端对原始电信号 进行预编码和利用光相位调制器对光进行相位 调制，以生成光调制信号；将光调制信号通过水 下信道发送至接收端；控制接收端对光调制信号 进行自相干解调，以将光调制信号转换为原始光 信号，并通过光信号探测器将原始光信号转换为 原始电信号。本发明能够将电信号转换为光调制 信号，不改变光的强度，仅通过光的相位携带信 息，区别于传统的通过改变光强以实现调制的方 式，通过水下信道传输至接收端，并且接收端利 用单光子探测器阵列进行解调处理时可以消除 A 信号在水中传输过程中的各种干扰和损耗，增大 9 信噪比，提高水下无线传输的传输距离、抗干扰 1 0 1 能力和稳定性。 9 2 2 1 1 N C CN 112291019 A 权利要求书 1/2页 1.一种水下无线光通信方法，其特征在于，应用于水下无线光通信系统，所述水下无线 光通信系统包括发送端、信道和接收端，所述水下无线光通信方法包括以下步骤： 控制所述发送端对原始电信号进行预编码和利用光相位调制器对光进行相位调制，以 生成光调制信号； 将所述光调制信号通过所述信道发送至接收端； 控制所述接收端对所述光调制信号进行自相干解调，以将所述光调制信号转换为原始 光信号，并通过光信号探测器将所述原始光信号转换为原始电信号。 2.如权利要求1所述的水下无线光通信方法，其特征在于，所述控制所述发送端对原始 电信号进行预编码和利用光相位调制器对光进行相位调制，以生成光调制信号的步骤包 括： 控制所述发送端的编码模块将所述原始电信号转换为用于调制光相位的差分相移键 控DPSK电信号，其中，所述原始电信号为DPSK电信号与延后预设周期的DPSK电信号叠加生 成； 将所述DPSK电信号以及光源信号输入相位调制器，并通过所述相位调制器根据所述 DPSK电信号生成光调制信号。 3.如权利要求2所述的水下无线光通信方法，其特征在于，所述控制所述发送端的编码 模块将所述原始电信号转换为用于调制光相位的差分相移键控DPSK电信号的步骤包括： 控制所述发送端的编码模块获取所述原始电信号； 根据DPSK编码方式所述原始电信号转换为用于调制光相位的DPSK电信号。 4.如权利要求2所述的水下无线光通信方法，其特征在于，所述将所述DPSK电信号以及 光源信号输入相位调制器，并通过所述相位调制器根据所述DPSK电信号生成光调制信号的 步骤包括： 将所述光源信号进行准直后输入相位调制器，并将所述用于调制光相位的DPSK电信号 输入相位调制器； 控制所述相位调制器根据所述DPSK电信号将所述光源信号转换为用于调制光相位的 光调制信号。 5.如权利要求1所述的水下无线光通信方法，其特征在于，所述将所述光调制信号通过 所述信道发送至接收端的步骤包括： 将所述光调制信号通过准直器输出至所述信道，以通过所述信道将所述光调制信号发 送至接收端，并通过设置于接收端端口的准直器采集所述光调制信号。 6.如权利要求1所述的水下无线光通信方法，其特征在于，所述控制所述接收端对所述 光调制信号进行自相干解调，以将所述光调制信号转换为原始光信号的步骤包括： 控制所述接收端的分束模块将所述光调制信号转换为第一光信号以及第二光信号； 将所述第一光信号和所述第二光信号发送至光耦合模块，其中，所述第一光信号与所 述第二光信号的到达时间相差预设周期； 通过光耦合模块将所述第一光信号和所述第二光信号进行干涉，并根据生成的干涉信 号确定原始光信号。 7.如权利要求6所述的水下无线光通信方法，其特征在于，所述将所述第一光信号和所 述第二光信号发送至光耦合模块的步骤包括： 2 2 CN 112291019 A 权利要求书 2/2页 将第一光信号通过第一光路发送至光耦合模块，并将第二光信号通过第二光路发送至 光耦合模块，其中，所述第一光路与所述第二光路的长度差为预设周期对应的光程差。 8.如权利要求6所述的水下无线光通信方法，其特征在于，所述通过光信号探测器将所 述原始光信号转换为原始电信号的步骤包括： 通过光信号探测器对原始光信号进行探测，根据探测结果生成对应的原始电信号。 9.一种水下无线光通信系统，其特征在于，所述水下无线光通信系统包括存储器、处理 器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的水下无线光通信程序，其中：所述水 下无线光通信程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的水下无线光 通信方法的步骤。 3 3 CN 112291019 A 说明书 1/11页 水下无线光通信方法及系统 技术领域 [0001] 本发明涉及通信领域，尤其涉及一种水下无线光通信方法及系统。 背景技术 [0002] 目前，随着人类对海洋探索的不断进步，水下活动也随之快速增加。水下网络技术 也已被广泛应用于海洋环境之中。现有的水下无线通信主要通过声波来实现。声波的带宽 有限、延迟较高，不适用于高速数据传输。因此，在水下短距离通信链路中，声波通信的方式 已逐渐被光无线通信的方式所取代。 [0003] 现有的水下光通信方法，都是基于振幅调制，易受到湍流带来的闪烁效应。而在基 于振幅调制的光通信系统中，振幅的变化反映在光强度变化上会产生非线性效应。在水下 光无线通信中，信息数据以水为介质，通过光波进行无线传输，并在对应的接收端进行接 收、检测和解码。现有的UWOC（Underwater Wireless Optical Communication，水下无线光 通信）技术是通过激光二极管LD或发光二极管LED作为光源，并在接收端采用光电二极管作 为光信号的探测器来实现将接收的光信号转换为电信号。在发送端，驱动电路可以将外部 数据转换为射频信号，并控制光源产生强度高低变化的光调制信号，例如强光代表数据 “1”，弱光则代表“0”，在接收端则通过探测器对光调制信号的强度进行直接检测并转换为 相应的电信号，从而实现数据传输。然而，在以水作为传输信道时，光信号在信道传输过程 中将会产生严重的衰减，例如由水分子吸收光子，或者散射导致光信号改变传播方向从而 使得光信号无法抵达接收端等，从而使得接收端接收到的信号发生失真。因此，现有的水下 无线光通信技术存在稳定性和抗噪声干扰能力差的缺点。 发明内容 [0004] 本发明的主要目的在于提供一种水下无线光通信方法及系统，旨在解决现有的光 通信技术信噪比较低、稳定性差的问题。 [0005] 为实现上述目的，本发明提供一种应用于水下无线光通信系统，所述水下无线光 通信系统包括发送端、信道和接收端，所述水下无线光通信方法包括以下步骤： 控制所述发送端对原始电信号进行预编码和利用光相位调制器对光进行相位调制，以 生成光调制信号； 将所述光调制信号通过所述信道发送至接收端； 控制所述接收端对所述光调制信号进行自相干解调，以将所述光调制信号转换为原始 光信号，并通过光信号探测器将所述原始光信号转换为原始电信号。 [0006] 可选地，所述控制所述发送端对原始电信号进行预编码和利用光相位调制器对光 进行相位调制，以生成光调制信号的步骤包括： 控制所述发送端的编码模块将所述原始电信号转换为用于调制光相位的差分相移键 控DPSK电信号，其中，所述原始电信号为DPSK电信号与延后预设周期的DPSK电信号叠加生 成； 4 4 CN 112291019 A 说明书 2/11页 将所述DPSK电信号以及光源信号输入相位调制器，并通过所述相位调制器根据所述 DPSK电信号生成光调制信号。 [0007] 可选地，所述控制所述发送端的编码模块将所述原始电信号转换为用于调制光相 位的差分相移键控DPSK电信号的步骤包括： 控制所述发送端的编码模块获取所述原始电信号； 根据DPSK编码方式所述原始电信号转换为用于调制光相位的DPSK电信号。 [0008] 可选地，所述将所述DPSK电信号以及光源信号输入相位调制器，并通过所述相位 调制器根据所述DPSK电信号生成光调制信号的步骤包括： 将所述光源信号进行准直后输入相位调制器，并将所述用于调制光相位的DPSK电信号 输入相位调制器； 控制所述相位调制器根据所述DPSK电信号将所述光源信号转换为用于调制光相位的 光调制信号。 [0009] 可选地，所述将所述光调制信号通过所述信道发送至接收端的步骤包括： 将所述光调制信号通过准直器输出至所述信道，以通过所述信道将所述光调制信号发 送至接收端，并通过设置于接收端端口的准直器采集所述光调制信号。 [0010] 可选地，所述控制所述接收端对所述光调制信号进行自相干解调，以将所述光调 制信号转换为原始光信号的步骤包括： 控制所述接收端的光分束模块将所述光调制信号转换为第一光信号以及第二光信号； 将所述第一光信号和所述第二光信号发送至光耦合模块，其中，所述第一光信号与所 述第二光信号的到达时间相差预设周期； 通过光耦合模块将所述第一光信号和所述第二光信号进行干涉，并根据生成的干涉信 号确定原始光信号。 [0011] 可选地，所述将所述第一光信号和所述第二光信号发送至光耦合模块的步骤包 括： 将第一光信号通过第一光路发送至光耦合模块，并将第二光信号通过第二光路发送至 光耦合模块，其中，所述第一光路与所述第二光路的长度差为预设周期对应的光程差。 [0012] 可选地，所述通过光信号探测器将所述原始光信号转换为原始电信号的步骤包 括： 通过光信号探测器对原始光信号进行探测，根据探测结果生成对应的原始电信号。 [0013] 此外，为实现上述目的，本发明还提供一种水下无线光通信系统，所述水下无线光 通信系统包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的水下无线 光通信程序，其中：所述水下无线光通信程序被所述处理器执行时实现如上所述的水下无 线光通信方法的步骤。 [0014] 本发明实施例提出的一种水下无线光通信方法及系统，通过对接收端的原始电信 号进行预编码，能够将直接携带数据信息的电信号转换为通过连续的信号携带信息的DPSK 信号，并将该DPSK信号通过相位调制转换为通过相位变化携带信息的光调制信号。发送端 可以将该光调制信号通过信道发送至接收端。接收端可以对光调制信号进行自相干解调， 即延时叠加处理，从而通过连续的光调制信号生成与原始电信号所对应的原始光信号。高 灵敏单光子光信号探测器可以对原始光信号进行探测，并将原始光信号转换为原始电信 5 5 CN 112291019 A 说明书 3/11页 号。通过原始电信号由发送端至接收端的传输过程，即可实现数据通信。由于在信道中传输 的数据载体为光调制信号，且光调制信号并不直接携带信息，而是需要将光调制信号进行 干涉（自相干叠加）处理，在叠加处理过程中即可将光信号传输过程中产生的干扰信号或衰 减损耗进行滤除，保障光信号传输过程中的稳定性和抗干扰能力，提升无线传输的传输距 离和稳定性。 附图说明 [0015] 图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的装置结构示意图； 图2为本发明水下无线光通信方法第一实施例的流程示意图； 图3为本发明水下无线光通信方法第二实施例的流程示意图； 图4为本发明水下无线光通信方法第三实施例的流程示意图； 图5为本发明水下无线光通信方法第四实施例的流程示意图； 图6为本发明水下无线光通信方法第五实施例的流程示意图； 图7为本发明水下无线光通信方法第六实施例的流程示意图； 图8为本发明水下无线光通信方法第七实施例的流程示意图； 图9为本发明水下无线光通信方法第八实施例的流程示意图； 图10为本发明水下无线光通信方法中原始电信号编码及解调过程的示意图； 图11为本发明水下无线光通信系统一实施例的模块示意图； 图12和图13为本发明水下无线光通信方法中发送端和接收端的器件选型示意图； 图14为本发明水下无线光通信方法中两个光信号的干涉示意图。 [0016] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。 具体实施方式 [0017] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0018] 如图1所示，图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的装置结构示意图。 [0019] 本发明实施例终端可以是水下无线光通信系统，其主要包括发送端、信道和接收 端。可以理解的是，水下无线光通信系统中的信道可以为水，也可以为空气等其他介质。 [0020] 如图1所示，该终端可以包括：处理器1001，例如CPU，通信总线。其中，通信总线用于实现这些组件之间的连接通信。 用户接口1003可以包括显示屏（Display）、输入单元比如键盘（Keyboard），可选的用户接口 1003还可以包括标准的有线接口、无线可选的可以包括标准的有线接 口、无线接口（如WI-FI接口）。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器 （non-volatile memory），例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器 1001的存储装置。 [0021] 可选地，发送端或接收端还可以包括摄像头、RF（Radio Frequency，射频）电路，传 感器、音频电路、WiFi模块等等。其中，传感器比如光传感器、运动传感器以及其他传感器。 具体地，光传感器可包括环境光传感器及接近传感器，其中，环境光传感器可根据环境光线 的明暗来调节显示屏的亮度，接近传感器可在硬件设备移动到耳边时，关闭显示屏和/或背 光。作为运动传感器的一种，重力加速度传感器可检测各个方向上（一般为三轴）加速度的 6 6 CN 112291019 A 说明书 4/11页 大小，静止时可检测出重力的大小及方向，可用于识别硬件设备姿态的应用（比如横竖屏切 换、相关游戏、磁力计姿态校准）、振动识别相关功能（比如计步器、敲击）等；当然，硬件设备 还可配置陀螺仪、气压计、湿度计、温度计、红外线传感器等其他传感器，在此不再赘述。 [0022] 本领域技术人员可以理解，图1中示出的终端结构并不构成对终端的限定，可以包 括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。 [0023] 如图1所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通 信模块、用户接口模块以及水下无线所示的终端中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与后台服务器进行 数据通信；用户接口1003主要用于连接客户端（用户端），与客户端进行数据通信；而处理器 1001可以用于调用存储器1005中存储的水下无线光通信程序，并执行以下操作： 控制所述发送端对原始电信号进行预编码和利用光相位调制器对光进行相位调制，以 生成光调制信号； 将所述光调制信号通过所述信道发送至接收端； 控制所述接收端对所述光调制信号进行自相干解调，以将所述光调制信号转换为原始 光信号，并通过光信号探测器将所述原始光信号转换为原始电信号。 [0025] 进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的水下无线光通信程序，还执 行以下操作： 控制所述发送端的编码模块将所述原始电信号转换为用于调制光相位的差分相移键 控DPSK电信号，其中，所述原始电信号为DPSK电信号与延后预设周期的DPSK电信号叠加生 成； 将所述DPSK电信号以及光源信号输入相位调制器，并通过所述相位调制器根据所述 DPSK电信号生成光调制信号。 [0026] 进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的水下无线光通信程序，还执 行以下操作： 控制所述发送端的编码模块获取所述原始电信号； 根据DPSK编码方式所述原始电信号转换为用于调制光相位的DPSK电信号。 [0027] 进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的水下无线光通信程序，还执 行以下操作： 将所述光源信号进行准直后输入相位调制器，并将所述用于调制光相位的DPSK电信号 输入相位调制器； 控制所述相位调制器根据所述DPSK电信号将所述光源信号转换为用于调制光相位的 光调制信号。 [0028] 进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的水下无线光通信程序，还执 行以下操作： 将所述光调制信号通过准直器输出至所述信道，以通过所述信道将所述光调制信号发 送至接收端，并通过设置于接收端端口的准直器采集所述光调制信号。 [0029] 进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的水下无线光通信程序，还执 行以下操作： 控制所述接收端的分束模块将所述光调制信号转换为第一光信号以及第二光信号； 7 7 CN 112291019 A 说明书 5/11页 将所述第一光信号和所述第二光信号发送至光耦合模块，其中，所述第一光信号与所 述第二光信号的到达时间相差预设周期； 通过光耦合模块将所述第一光信号和所述第二光信号进行干涉，并根据生成的干涉信 号确定原始光信号。 [0030] 进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的水下无线光通信程序，还执 行以下操作： 将第一光信号通过第一光路发送至光耦合模块，并将第二光信号通过第二光路发送至 光耦合模块，其中，所述第一光路与所述第二光路的长度差为预设周期对应的光程差。 [0031] 进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的水下无线光通信程序，还执 行以下操作： 通过光信号探测器对原始光信号进行探测，根据探测结果生成对应的原始电信号。 [0032] 本发明应用于水下无线光通信系统的具体实施例与下述应用水下无线光通信方 法各实施例基本相同，在此不作赘述。 [0033] 请参照图2，图2为本发明水下无线光通信方法第一实施例的流程示意图，其中，所 述水下无线光通信方法包括如下步骤： 步骤S10，控制所述发送端对原始电信号进行预编码和利用光相位调制器对光进行相 位调制，以生成光调制信号； 本实施例中，水下无线光通信系统包括有发送端、接收端以及信道。在该系统应用于水 下无线通信时，信道可以为水。 [0034] 发送端与接收端之间相隔一定距离，且发送端与接收端之间的介质为水。可以理 解的是，随着水质的变化，不同波长下的光的衰减率并不相同。通常波长为400nm到550nm之 间的光波在多数水质中的衰减率较小，因此在信道中作为数据载体的光可以采用可见光中 的蓝绿波段，以使得光在信道中传播过程中的衰减系数尽可能小。 [0035] 系统中的发送端可以接收待传输至接收端的原始电信号，该原始电信号可以采用 二进制编码的方式传输至发送端。发送端在获取到该原始电信号后，可以先对原始电信号 进行预编码，以将其转换为由连续电信号携带信息的DPSK信号。其中，DPSK信号与原始电信 号可以相互进行编码转换，DPSK信号中的每两个相邻的电信号可以对应原始电信号的一个 电信号。在发送端将原始电信号通过预编码转换为DPSK信号后，可以对该DPSK信号进行相 位调制，以生成与DPSK信号对应的光调制信号。其中，光调制信号可以通过相位的变化实现 信号的携带和传递，其具体相位与原始电信号中的信号类型相对应。可以理解的是，在原始 电信号为二进制编码信号时，光调制信号的相位可以设置为0和π，分别对应二进制编码中 的0和1。 [0036] 步骤S20，将所述光调制信号通过所述信道发送至接收端； 在将原始电信号转换为通过相位携带数据信息的光调制信号后，可以通过发送端与接 收端之间设置的信道将该光调制信号发送至接收端。可以理解的是，光在信道中的传输路 径通常为直线传播，但由于光在水中传播存在散射现象，部分散射光会偏离光轴，因此接收 端可以在激光出射的光轴方向，也可以是其它能够接收到散射光的位置。 [0037] 步骤S30，控制所述接收端对所述光调制信号进行自相干解调，以将所述光调制信 号转换为原始光信号，并通过光信号探测器将所述原始光信号转换为原始电信号。 8 8 CN 112291019 A 说明书 6/11页 [0038] 在接收端通过信道接收到发送端传输的光调制信号后，需要对光调制信号进行自 相干解调，以将光调制信号转换为原始光信号。光调制信号中的相位信息与预编码后的 DPSK信号的编码信息相对应，光调制信号进行自相干解调是指将光调制信号进行延后，并 将延后的光调制信号与原始的光调制信号进行叠加干涉处理。 [0039] 可以理解的是，由于预编码后的DPSK信号通过相同的自行延后与叠加操作能够实 现反编码重新生成原始电信号，则光调制信号通过延后处理并与原始光调制信号进行叠加 干涉能够生成与原始电信号相对应的原始光信号。 [0040] 在生成原始光信号后，可以将该原始光信号发送至光信号探测器进行探测，光信 号探测器可以根据接收到的原始光信号的强度将其转换为原始电信号进行输出，从而实现 原始电信号从发送端至接收端的传输过程。 [0041] 需要说明的是，在发送端发送至接收端的光调制信号中，携带信息的方式为光波 的相位变化。而根据光调制信号生成的原始光信号，其携带信息的方式为光波的强度。例 如，在原始电信号的编码方式为二进制编码时，生成的原始光信号可以为发送光子与不发 送光子tb天博体育，即光信号探测器在探测到光子时，即表示该原始光信号对应原始电信号中的1，而 光信号探测器在未探测到光子时则表示该原始光信号对应原始电信号中的0。 [0042] 在本实施例中，通过对接收端的原始电信号进行预编码，能够将直接携带信息的 电信号转换为通过连续的信号携带信息的DPSK信号，并将该DPSK信号通过相位调制转换为 通过相位变化携带信息的光调制信号。发送端可以将该光调制信号通过信道发送至接收 端。接收端可以对光调制信号进行自相干解调，即延时叠加处理，从而通过连续的光调制信 号生成与原始电信号所对应的原始光信号。原始光信号在生成后可以通过光信号探测器进 行探测，并将原始光信号转换为原始电信号。通过原始电信号由发送端至接收端的传输过 程，即可实现数据通信。由于在信道中传输的数据载体为光调制信号，且光调制信号并不直 接携带信息，而是需要将光调制信号进行自相干叠加处理，在叠加处理过程中即可将光信 号传输过程中产生的干扰信号或衰减损耗进行滤除，保障光信号传输过程中的稳定性和抗 干扰能力，提升无线传输的传输距离和稳定性。 [0043] 需要说明的是，目前，所有水下光通信的调制方式，都是通过振幅携带信息，易受 到湍流带来的闪烁效应。基于振幅调制的光通信系统，振幅的变化反映在光强度变化上会 产生非线性效应。而与现有技术相比，相位调制的通信方式中光强度保持不变，避免产生非 线性效应。并且相位调制与振幅调制不在同一维度，将振幅调制额的一维变为相位调制的 二维，能够打开高阶调制以及高频谱效率的可能性。 [0044] 进一步的，参照图3，图3为本发明水下无线光通信方法第二实施例的流程示意图， 基于上述图2所示的实施例，所述步骤S10，控制所述发送端对原始电信号进行预编码和利 用光相位调制器对光进行相位调制，以生成光调制信号的步骤包括： 步骤S11，控制所述发送端的编码模块将所述原始电信号转换为用于调制光相位的差 分相移键控DPSK电信号，其中，所述原始电信号为DPSK电信号与延后预设周期的DPSK电信 号叠加生成； 步骤S12，将所述DPSK电信号以及光源信号输入相位调制器，并通过所述相位调制器根 据所述DPSK电信号生成光调制信号。 [0045] 在本实施例中，发送端可以对原始电信号先进行预编码，再对预编码后的DPSK信 9 9 CN 112291019 A 说明书 7/11页 号进行相位调制。发送端内设置有编码模块，在发送端接收到原始电信号时，可以通过编码 模块将该原始电信号转换为用于调制光相位的差分相移键控DPSK电信号。即，DPSK电信号 可以进行延后预设周期处理并与原DPSK电信号进行叠加，根据叠加后的DPSK电信号即可确 定对应的原始电信号。 [0046] 如图10所示，在预设周期设置为一个比特，即一个周期时，每个原始电信号分别与 两个相邻的DPSK电信号相对应。在某一DPSK电信号与其前一DPSK电信号相同时，则该DPSK 电信号对应的原始电信号为1，若某一DPSK电信号与其前一DPSK电信号不相同，则该DPSK电 信号对应的原始电信号为0。在根据该预编码规则将原始电信号转换为DPSK电信号后，可以 将该DPSK电信号以及光源所提供的激光信号输入相位调制器。 [0047] 经过预编码后的DPSK信号可以输入函数发生器内以生成点调制信号，函数发生器 根据该点调制信号输出相应的调制电压至相位调制器中，相位调制器根据不同的调制电压 可以将激光信号转换为相位由0到π进行变化的光调制信号。可以理解的是，相比于现有技 术中通过光信号输出的强度来携带信息，经过相位调制器进行转换后的光调制信号仅相位 发生变化，其光强度可以始终保持为强光信号，从而避免在信道传输过程中因发生吸收或 散射等现象而导致信号传输至接收端时发生失线为本发明水下无线光通信方法第三实施例的流程示意图， 基于上述图3所示的实施例，所述步骤S11，控制所述发送端的编码模块将所述原始电信号 转换为用于调制光相位的差分相移键控DPSK电信号的步骤包括： 步骤S111，控制所述发送端的编码模块获取所述原始电信号； 步骤S112，根据DPSK编码方式所述原始电信号转换为用于调制光相位的DPSK电信号。 [0049] 在本实施例中，发送端在接收到原始电信号后，可以将原始电信号发送至编码模 块进行预编码，以将原始电信号转换为DPSK电信号。 [0050] 编码模块在获取到原始电信号后，可以根据该原始电信号以及已经生成的DPSK电 信号生成原始电信号对应的DPSK电信号。如图10所示，在预设周期设置为一个周期时，编码 模块的预编码规则可以为，获取原始电信号与前一个已经生成的DPSK电信号，若该原始电 信号为1，则新生成的与该原始电信号对应的DPSK电信号与前一个已经生成的DPSK电信号 相同；若该原始电信号为0，则新生成的与该原始电信号对应的DPSK电信号与前一个已经生 成的DPSK电信号相反。即，在原始电信号为1时，前一DPSK电信号为1，则新的DPSK电信号也 为1；前一DPSK电信号为0，则新的DPSK电信号也为0。而在原始电信号为0时，前一DPSK电信 号为1，则新的DPSK电信号为0；前一DPSK电信号为0，则新的DPSK电信号为1。 [0051] 可以理解的是，上述编码模块可以通过设置编码电路或者函数发生器来实现原始 电信号转换为DPSK电信号的编码过程，也可以采用其他能够实现差分编码的设备。具体地， 编码模块可以通过PC端应用以及函数发生器的组合实现原始电信号的预编码功能。 [0052] 在上述编码规则，直接包含有数据信息的原始电信号转换为了DPSK电信号，并通 过DPSK电信号生成光调制信号。在光调制信号在信道中进行传输时，即使该光调制信号被 其他第三方获取，由于光强度并不携带信息，在第三方未预先确定DPSK电信号转换为原始 电信号的编码规则时，也无法通过光调制信号编译得到原始电信号，即携带有数据的光调 制信号在传输过程中相当于加密传输，从而能够提升信息数据传输过程中的安全性和保密 性。 10 10 CN 112291019 A 说明书 8/11页 [0053] 进一步的，参照图5，图5为本发明水下无线光通信方法第四实施例的流程示意图， 基于上述图3所示的实施例，所述步骤S12，将所述DPSK电信号以及光源信号输入相位调制 器，并通过所述相位调制器根据所述DPSK电信号生成光调制信号的步骤包括： 步骤S121，将所述光源信号进行准直后输入相位调制器，并将所述用于调制光相位的 DPSK电信号输入相位调制器； 步骤S122，控制所述相位调制器根据所述DPSK电信号将所述光源信号转换为用于调制 光相位的光调制信号。 [0054] 在本实施例中，相位调制器本身并不产生光源信号，该光源信号可以为预设的光 源所发出的激光信号。激光信号可以通过设置在光源与相位调制器之间的准直透镜进行准 直，并将准直后的激光信号输入相位调制器，以使得激光信号减少散射。相位调制器在接收 到DPSK信号后，即可将该激光信号调制为通过光域的相位变化携带数据信息的光调制信 号，并保持光强度不变。 [0055] 光源可以设置为窄线宽额的固体激光器，其所发出的激光波长可以为532nm，线MHz以内，并具有较好的光束质量，光束质量M 因子可以为1.1。 [0056] 可以理解的是，上述光源还可以设置为半导体激光器、光纤激光器、气体激光器等 其他窄线宽激光器，也可以设置为其他类型的激光器，例如光纤输出激光器或空间光输出 激光器。相位调制器则可以采用光纤耦合方式的相位调制器或空间光耦合方式的相位调制 器，还可以为其他非光纤耦合方式的相位调制器。 [0057] 进一步的，参照图6，图6为本发明水下无线光通信方法第五实施例的流程示意图， 基于上述图2所示的实施例，所述步骤S20，将所述光调制信号通过所述信道发送至接收端 的步骤包括： 步骤S21，将所述光调制信号通过准直器输出至所述信道，以通过所述信道将所述光调 制信号发送至接收端，并通过设置于接收端端口的准直器采集所述光调制信号。 [0058] 在本实施例中，发送端的端口和接收端的端口均可以设置有准直器，以对通过的 光调制信号进行光线准直，减少光信号的散射现象。准直器可以用于调整激光光束，使激光 平行出射以实现远距离传输。其可以由单个透镜或者多个透镜组合而成，类型可以是直接 对空间光准直的空间光类型，也可以是带光纤接头，对光纤输出的激光进行准直的光纤接 口类型。发送端可以将生成的光调制信号通过准直器输出至信道，并通过信道将光调制信 号发送给接收端。由于光调制信号在通过信道中的介质传输后能量将会发生衰减，为了尽 可能地提高接收到的光调制信号的光功率，在接收端的端口可以设置一准直器，并通过准 直器对光调制信号进行光线收束，以保障光调制信号在通过信道传输后具有较高的光功 率。 [0059] 进一步的，参照图7，图7为本发明水下无线光通信方法第六实施例的流程示意图， 基于上述图2所示的实施例，所述步骤S30，控制所述接收端对所述光调制信号进行自相干 解调，以将所述光调制信号转换为原始光信号，并通过光信号探测器将所述原始光信号转 换为原始电信号的步骤包括： 步骤S31，控制所述接收端的分束模块将所述光调制信号转换为第一光信号以及第二 光信号； 步骤S32，将所述第一光信号和所述第二光信号发送至光耦合模块，其中，所述第一光 11 11 CN 112291019 A 说明书 9/11页 信号与所述第二光信号的到达时间相差预设周期； 步骤S33，通过光耦合模块将所述第一光信号和所述第二光信号进行干涉，并根据生成 的干涉信号确定原始光信号； 步骤S34，通过光信号探测器将所述原始光信号转换为原始电信号。 [0060] 在本实施例中，接收端在接收通过信道传输而来的光调制信号后，可以通过光分 束模块将光调制信号分离为第一光信号和第二光信号。并将第一光信号和第二光信号分别 发送至光耦合模块。 [0061] 需要说明的是，光分束模块可以将光调制信号按照信号光功率等比分成两路光信 号，即第一光信号和第二光信号的相位与强度完全相同。但第一光信号和第二光信号通过 不同的传输路径发送至光耦合模块，即两个光信号发送至光耦合模块的光程并不相同，从 而使得光耦合模块所接收到的第一光信号与第二光信号之间的相位相差预设周期。 [0062] 光耦合模块在接收到第一光信号和第二光信号后，可以对第一光信号和第二光信 号进行干涉，并生成干涉信号。参照图10和图14，预设周期设置为1比特，两个相差预设周期 的光信号在进行干涉后，每个位置上的干涉信号即为两个光信号的相位叠加，若两个光信 号在该位置上的相位相同，例如相位均为0或均为π，则叠加后的干涉信号可以确定为1；若 两个光信号在该位置上的相位不同，例如其中一个相位为0，另一个为π，则叠加后的干涉信 号可以确定为0。通过将接收到的光调制信号进行延时，并将延时后的光调制信号与原始的 光调制信号进行耦合，通过相位叠加即可确定DPSK光信号中所携带的数据信息。 [0063] 根据生成的干涉信号，即可将对应的原始光信号发送至光信号探测器。在生成的 干涉信号为1时，则可以将光信号投射至光信号探测器；而在生成的干涉信号为0时，则将光 信号进行截止。光信号探测器接收到原始光信号时可以确定原始电信号为1，并输出相应的 原始电信号；而在光信号探测器未接收到原始光信号时，则可以确定原始电信号为0，并输 出相应的原始电信号。 [0064] 需要说明的是，由于光信号探测器仅探测是否接收到光子，而并不检测光信号的 相位信息，因此，光耦合模块在干涉信号为1时，可以将两路光信号中的一路发送至光信号 探测器，也可以将两路光信号耦合后发送至光信号探测器，以提升光信号的强度，使得光信 号探测器能够很容易探测到光信号。 [0065] 进一步的，参照图8，图8为本发明水下无线光通信方法第七实施例的流程示意图， 基于上述图7所示的实施例，所述步骤S32，将所述第一光信号和所述第二光信号发送至光 耦合模块的步骤包括： 步骤S321，将第一光信号通过第一光路发送至光耦合模块，并将第二光信号通过第二 光路发送至光耦合模块，其中，所述第一光路与所述第二光路的长度差为预设周期对应的 光程差。 [0066] 在本实施例中，光路即为光的传播路径，其可以是在自由空间（空气/真空等），也 可以是光纤或者其它类型的光波导中。接收端在通过分束模块将光调制信号分离为相位和 强度相同的第一光信号和第二光信号后，可以通过第一光路将第一光信号发送至光耦合模 块，并通过第二光路将第二光信号发送至光耦合模块。其中，第一光路和第二光路的长度差 可以为预设周期对应的光程差，在第一光路较短，第二光路较长时，经过光路传播后，第二 光信号相对于第一光信号的相位发生延后，此时光耦合模块将第一光信号和第二光信号进 12 12 CN 112291019 A 说明书 10/11页 行耦合即可实现光信号与延时光信号的自相干干涉。 [0067] 在预设周期为一个周期时，两个光信号的光程差应为Length=Time*c/n，其中Time 为延时时长，c为光速3x10^8m/s，n为光纤内的折射率1.5。在本方案中，预设通信速率可以 为200Mbps，则一个周期时长为5ns，计算可得两个光信号产生一个周期的延时，其光程差为 1米。则第一光路和第二光路的长度差即可设置为1m。 [0068] 可以理解的是，在光源设置为空间光时，上述光耦合模块还可以更换为空间光耦 合器件。如图12和图13所示，本水下无线光通信系统中，收发端器件类型互不影响。图12为 发射端采用空间光器件或光纤器件的示意图，图13为接收端采用空间光器件或光纤器件的 示意图。即发射端无论是采用空间光或者是光纤器件，对于接收端而言，可以是空间光也可 以是光纤器件。其中，需要注明的是，现有水下无线光通信技术中所用的激光光源是可见光 波段400nm-600nm波长，区别于空间光通信和光纤通信的红外光波段，850/1310/1550nm。 [0069] 进一步的，参照图9，图9为本发明水下无线光通信方法第八实施例的流程示意图， 基于上述图7所示的实施例，所述步骤S34，通过光信号探测器将所述原始光信号转换为原 始电信号的步骤包括： 步骤S341，通过光信号探测器对原始光信号进行探测，根据探测结果生成对应的原始 电信号。 [0070] 在本实施例中，光耦合模块在将两路光信号进行耦合后，若生成的干涉信号为1， 则可以将光信号发送至光信号探测器，若生成的干涉信号为0，则截止光信号。光信号探测 器可以为平衡式光电探测器，SiPM（Silicon photomultiplier，硅光电倍增管）或SPAD （Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管），SPAD具有单光子探测能力，即使 光耦合模块发送的光信号极其微弱，也能够探测到单个光子，从而在光信号较弱时仍能准 确地将原始光信号转换为原始电信号，提升水下无线光通信系统的功率容限，还能够提升 无线] 上述光信号探测器还可以为APD（Avalanche Photon Diode，雪崩光电二极管）、 PIN型光电二极管等，相对于单光子雪崩二极管能够降低生产成本。 [0072] 此外，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有水下无线光通信程序。 所述计算机可读存储介质可以是图1的终端中的存储器20，也可以是如ROM（Read-Only  Memory，只读存储器）/RAM（Random Access Memory，随机存取存储器）、磁碟、光盘中的至少 一种，所述计算机可读存储介质包括若干指令用以使得具有处理器的水下无线光通信系统 执行本发明各个实施例所述的水下无线，本发明还提供一种水下无线光通信系统，水下无线光通信系统包括 发送端10、信道20和接收端30。发送端10包括光源11、相位调制器12、编码模块13、准直透镜 15以及准直器14，接收端30包括准直器14、分束模块31、光耦合模块32以及光信号探测器 33。 [0074] 在发送端10接收到原始电信号后，可以通过编码模块13将原始电信号进行预编 码，以生成DPSK电信号，并将DPSK电信号发送至相位调制器12。相位调制器12还可以接收光 源11发出的光源11信号，该光源11信号可以为激光信号，并通过准直透镜15输入相位调制 器12。相位调制器12可以根据DPSK电信号对激光信号进行相位调制，以生成与DPSK信号对 应的光调制信号。光调制信号可以通过信道20发送至接收端30。在信道20的输入一侧和输 13 13 CN 112291019 A 说明书 11/11页 出一侧均设置有准直器14，能够将光调制信号进行集中，避免光信号的散射造成光强减弱。 接收端30在接收到光调制信号后，可以通过分束模块31将其分离为两个相同的光信号，即 第一光信号和第二光信号。第一光信号和第二光信号通过不同长度的光纤输入至光耦合模 块32，从而使得光耦合模块32接收到的两个光信号之间存在延时，例如将第二光信号相对 于第一光信号延时一个周期。光耦合模块32通过将第一光信号与延时处理的第二光信号进 行干涉，能够得到相应的干涉信号，并根据干涉信号向光信号探测器33发送原始光信号。光 信号探测器33根据是否接收到光子来确定原始光信号为0或为1，即光信号探测器33在接收 到光子时确定原始光信号为1，未接收到光子时则确定原始光信号为0，并根据原始光信号 重新生成原始电信号输出，以实现原始电信号由发送端10通过信道20至接收端30的通信传 输过程。 [0075] 可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他 实施例”、或“第一实施例 第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、~ 结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语 的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者 特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 [0076] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排 他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而 且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有 的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该 要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。 [0077] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。 [0078] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方 法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下 前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做 出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个 存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机， 计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。 [0079] 以上仅为本发明的优选实施例，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。 14 14 CN 112291019 A 说明书附图 1/8页 图1 图2 15 15 CN 112291019 A 说明书附图 2/8页 图3 图4 16 16 CN 112291019 A 说明书附图 3/8页 图5 图6 17 17 CN 112291019 A 说明书附图 4/8页 图7 18 18 CN 112291019 A 说明书附图 5/8页 图8 19 19 CN 112291019 A 说明书附图 6/8页 图9 图10 20 20 CN 112291019 A 说明书附图 7/8页 图11 图12 图13 21 21 CN 112291019 A 说明书附图 8/8页 图14 22 22

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