水下蓝光通信装置及系统、水下移动目标跟踪方法专利检索- 传输专利检索查询-专利查询网

水下蓝光通信装置及系统、水下移动目标跟踪方法
申请号	CN201710795906.0	申请日	2017-09-06	公开(公告)号	CN107528634A	公开(公告)日	2017-12-29
申请人	中国船舶科学研究中心(中国船舶重工集团公司第七0二研究所);			发明人	赵春城; 焦慧锋; 郭佳; 赵国良;
摘要	本发明公开了一种水下蓝光通信装置及系统、水下移动目标跟踪方法，属于水下无线通信技术领域。该水下蓝光通信装置至少包括安装基座、蓝光发射LED、USBL换能器、转台、驱动轮、减速器、滑环、水下电机、控制舱；蓝光发射LED固定在转台上；转台与滑环固定；驱动轮通过同步带与转台连接，驱动轮连接减速器，水下电机连接减速器，水下电机与控制舱连接；减速器、水下电机和滑环分别固定在安装基座的上方，USBL换能器和控制舱分别固定在安装基座的下方；解决了蓝光光束的通讯视场角较小，水下移动目标不在蓝光光束的通讯视场角范围内时水下蓝光通信失败的问题；达到了保证水下蓝光通信装置与水下移动目标之间的通信不间断的效果。
权利要求	1.一种水下蓝光通信装置，其特征在于，所述装置至少包括安装基座、蓝光发射LED、超短基线定位USBL换能器、转台、驱动轮、减速器、滑环、水下电机、控制舱；所述蓝光发射LED固定在所述转台上，所述蓝光发射LED用于发射蓝光光束；所述转台与所述滑环固定；所述驱动轮通过同步带与所述转台连接，所述驱动轮连接减速器的输出轴，所述水下电机的输出轴连接所述减速器，所述水下电机与所述控制舱连接；所述减速器、所述水下电机和所述滑环分别固定在所述安装基座的上方，所述USBL换能器和所述控制舱分别固定在所述安装基座的下方；所述USBL换能器用于发送询问信号、接收USBL信标发送的应答信号。 2.根据权利要求1所述的水下蓝光通信装置，其特征在于，所述装置还包括安装支架，所述安装支架固定在所述安装基座的下方；所述转台与所述滑环的转子法兰固定，所述转台绕所述滑环的转子轴线旋转；所述滑环内设置有转角传感器，所述转角传感器用于检测所述蓝光光束的射向角，所述射向角为所述蓝光光束的轴线与所述水下蓝光通信装置的中轴之间的夹角。 3.一种水下蓝光通信系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1或2所述的水下蓝光通信装置和水下移动目标，水下移动目标至少包括蓝光接收阵、USBL信标。 4.一种水下移动目标跟踪方法，应用于如权利要求1或2所述的水下蓝光通信装置中，其特征在于，所述方法包括：通过所述USBL换能器发送询问信号；通过所述USBL换能器接收所述应答信号，所述应答信号是水下移动目标上的USBL信标发送的；通过所述USBL换能器根据所述应答信号确定所述水下移动目标相对于所述水下蓝光通信装置的方位角；获取所述蓝光光束的射向角，所述射向角为所述蓝光光束的轴线与所述水下蓝光通信装置的中轴之间的夹角；根据所述方位角和所述射向角之间的差值调整所述转台的旋转角度，令所述射向角与所述方位角满足预定条件。
说明书全文	水下蓝光通信装置及系统、水下移动目标跟踪方法技术领域 [0001] 本发明实施例涉及水下无线通信技术领域，特别涉及一种水下蓝光通信装置及系统、水下移动目标跟踪方法。背景技术 [0002] 水下移动目标包括自治潜器、遥控潜器、载人潜器等，在水下移动目标执行水下运动遥控、海底监测大数据回收等任务时，需要与水下接驳站、海底固定式观测站等水下通信装置进行水下无线通信。 [0003] 现有技术中，为了满足水下移动目标实时运动遥控、大容量数据传输等应用的要求，采用水下蓝光通信装置进行水下通信，水下蓝光通信装置利用的蓝光的波长为450nm，在水中的吸收率最小，通信速度能够达到百兆级别。水下蓝光通信系统中包括设置在通信装置上的蓝光发射LED(发光二极管，Light Emitting Diode)、蓝光接收阵、信号处理设备，在进行水下无线通信时，蓝光发射LED发射经过调制的蓝光光束，蓝光接收阵感应蓝光信号，信号处理设备对蓝光信号进行解调、放大等处理。 [0004] 然而，由于蓝光发射LED发射蓝光光束时存在通讯视场角，即蓝光光束的夹角，通讯视场角一般小于30°，较小的通讯视场角导致水下蓝光通信装置存在较大的通讯盲区，如果水下移动目标不在水下蓝光通信装置的蓝光光束的照射范围内，水下移动目标的蓝光接收阵就无法感应到蓝光信号，也就无法进行水下无线通信。发明内容 [0005] 为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种水下蓝光通信装置及系统、水下移动目标跟踪方法。该技术方案如下： [0006] 第一方面，提供了一种水下蓝光通信装置，该装置至少包括安装基座、安装支架、蓝光发射LED、超短基线定位USBL换能器、转台、驱动轮、减速器、滑环、水下电机、控制舱； [0007] 所述蓝光发射LED固定在所述转台上，所述蓝光发射LED用于发射蓝光光束； [0008] 所述转台与所述滑环固定； [0009] 所述驱动轮通过同步带与所述转台连接，所述驱动轮连接减速器的输出轴，所述水下电机的输出轴连接所述减速器，所述水下电机与所述控制舱连接； [0010] 所述减速器、所述水下电机和所述滑环分别固定在所述安装基座的上方，所述USBL换能器和所述控制舱分别固定在所述安装基座的下方； [0011] 所述USBL换能器用于发送询问信号、接收USBL信标发送的应答信号。 [0012] 可选的，该装置还包括安装支架，所述安装支架固定在所述安装基座的下方； [0013] 所述转台与所述滑环的转子法兰固定，所述转台绕所述滑环的转子轴线旋转； [0014] 所述滑环内设置有转角传感器，所述转角传感器用于检测所述蓝光光束的射向角，所述射向角为所述蓝光光束的轴线与所述水下蓝光通信装置的中轴之间的夹角。 [0015] 第二方面，提供了一种水下蓝光通信系统，该系统包括如第一方面所示的水下蓝光通信装置和水下移动目标，水下移动目标至少包括蓝光接收阵、USBL信标。 [0016] 第三方面，提供了一种水下移动目标跟踪方法，应用于如第一方面所示的水下蓝光通信装置中，该方法包括： [0017] 通过所述USBL换能器发送询问信号； [0018] 通过所述USBL换能器接收所述应答信号，所述应答信号是水下移动目标上的USBL信标发送的； [0019] 通过所述USBL换能器根据所述应答信号确定所述水下移动目标相对于所述水下蓝光通信装置的方位角； [0020] 获取所述蓝光光束的射向角，所述射向角为所述蓝光光束的轴线与所述水下蓝光通信装置的中轴之间的夹角； [0021] 根据所述方位角和所述射向角之间的差值调整所述转台的旋转角度，令所述射向角与所述方位角满足预定条件。 [0022] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是： [0023] 该水下蓝光通信装置至少包括安装基座、安装支架、蓝光发射LED、超短基线定位USBL换能器、转台、驱动轮、减速器、滑环、水下电机、控制舱；蓝光发射LED固定在转台上，蓝光发射LED用于发射蓝光光束；转台与滑环固定；驱动轮通过同步带与转台连接，驱动轮连接减速器的输出轴，水下电机的输出轴连接减速器，水下电机与控制舱连接；减速器、水下电机和滑环分别固定在安装基座的上方，USBL换能器和控制舱分别固定在安装基座的下方；USBL换能器用于发送询问信号、接收USBL信标发送的应答信号；解决了蓝光光束的通讯视场角较小，水下移动目标不在蓝光光束的通讯视场角范围内时水下蓝光通信失败的问题；达到了保证水下蓝光通信装置与水下移动目标之间的通信不间断的效果。附图说明 [0024] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0025] 图1是根据一示例性实施例示出的一种水下蓝光通信装置的结构示意图； [0026] 图2是根据一示例性实施例示出的一种水下蓝光通信系统的示意图； [0027] 图3是根据一示例性实施例示出的一种水下移动目标跟踪方法的流程图。具体实施方式 [0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 [0029] 请参考图1，其示出了本发明一个实施例提供的水下蓝光通信装置的结构示意图。如图1所示，该水下蓝光通信装置至少包括：安装基座110、蓝光发射LED101、USBL(ultra short base line，超短基线定位)换能器102、转台104、驱动轮106、减速器108、滑环103、水下电机107、控制舱109。 [0030] 蓝光发射LED101固定在转台104上，蓝光发射LED101用于发射蓝光光束。 [0031] 转台104与滑环103固定。 [0032] 可选的，转台104与滑环103的转子法兰固定，转台104绕滑环103的转子轴线旋转。 [0033] 滑环用于传输电信号。 [0034] 可选的，滑环103内设置有转角传感器，转角传感器用于检测蓝光光束的射向角，射向角为蓝光光束的轴线与水下蓝光通信装置的中轴之间的夹角。 [0035] 驱动轮106通过同步带105与转台104连接。 [0036] 驱动轮106连接减速器104的输出轴，水下电机107的输出轴连接减速器，水下电机107与控制舱109连接。 [0037] 控制舱109内安装有伺服控制器、电机驱动器。 [0038] 当需要调整蓝光发射LED发射的蓝光光束的照射方向时，控制舱内的电机驱动器根据控制信号驱动水下电机，水下电机带动减速器转动，减速器带动驱动轮旋转运动，在同步带的作用下，转台跟随驱动轮转动，转台在转动时绕滑环的转子轴线旋转，由于蓝光发射LED固定在转台上，当转台旋转时蓝光发射LED也旋转，实现控制蓝光发射LED发射的蓝光光束的照射方向的效果。 [0039] 减速器108、水下电机107和滑环103分别固定在安装基座110的上方，USBL换能器102和控制舱109分别固定在安装基座110的下方。 [0040] 可选的，水下蓝光通信装置还包括安装支架111，安装支架固定在安装基座110的下方。 [0041] 水下蓝光通信装置通过安装支架111整体安装在诸如水下接驳站、海底固定式观测站之类的水下大型平台。 [0042] USBL换能器102用于发送询问信号，以及接收USBL信标发送的应答信号。USBL信标设置在水下移动目标上。 [0043] USBL换能器接收到应答信号后，对应答信号进行信号处理得到水下移动目标相对于水下蓝光通信装置的方位角。 [0044] 转台104、同步带105、驱动轮106、水下电机107、减速器108、控制舱109组成了水下蓝光通信装置的伺服系统，滑环103内的转角传感器测量蓝光发射LED101发射的蓝光光束的射向角，并将射向角发送至控制舱109内的伺服驱动器，USBL换能器102接收USBL信标发送的应答信号后确定水下移动目标相对于水下蓝光通信装置的方位角，并将方位角发送至伺服驱动器，伺服驱动器计算射向角与方位角之间的差值，根据控制算法确定并输出控制信号，经过电机驱动器控制水下电机旋转，水下电机的输出轴的转矩经过减速器、驱动轮、同步带、转台，控制蓝光发射LED发射的蓝光光束的照射方向，令射向角与方位角满足预定条件，比如：令射向角与方位角之间的差值为0，或，令射向角与方位角之间的偏差小于预定值，保证水下移动目标上设置的蓝光接收阵始终能够感应到蓝光信号。 [0045] 综上所述，本发明实施例提供的水下蓝光通信装置，至少包括安装基座、蓝光发射LED、超短基线定位USBL换能器、转台、驱动轮、减速器、滑环、水下电机、控制舱；蓝光发射LED固定在转台上，蓝光发射LED用于发射蓝光光束；转台与滑环固定；驱动轮通过同步带与转台连接，驱动轮连接减速器的输出轴，水下电机的输出轴连接减速器，水下电机与控制舱连接；减速器、水下电机和滑环分别固定在安装基座的上方，USBL换能器和控制舱分别固定在安装基座的下方；USBL换能器用于发送询问信号、接收USBL信标发送的应答信号；解决了蓝光光束的通讯视场角较小，水下移动目标不在蓝光光束的通讯视场角范围内时水下蓝光通信失败的问题；达到了保证水下蓝光通信装置与水下移动目标之间的通信不间断的效果。 [0046] 请参考图2，其示出了本发明一个实施例提供的水下蓝光通信系统的示意图。如图2所示，该系统包括如图1所示的水下蓝光通信装置21和水下移动目标22，水下移动目标至少包括蓝光接收阵、USBL信标，蓝光接收阵用于感应蓝光信号。 [0047] 水下蓝光通信装置21上安装有蓝光发射LED101和USBL换能器102。 [0048] 水下移动目标22上安装有第一蓝光接收阵201、第二蓝光接收阵202、USBL信标203。 [0049] 蓝光光束25的通讯视场角23的角度固定，由于水下移动目标22的运动，水下移动目标22和蓝光光束25的轴线26之间产生一个方位角24；当蓝光发射LED101跟随转台转动时，蓝光光束25的轴线26与水下蓝光通信装置21的中轴27之间产生一个夹角，该夹角为蓝光光束的射向角。 [0050] 水下蓝光通信装置上的USBL换能器和水下移动目标上的USBL信标实现水下移动目标的实时定位，达到跟踪水下移动目标的效果；水下蓝光通信装置上的蓝光发射LED与水下移动目标上的蓝光接收阵实现成水下蓝光通信。 [0051] 需要说明的是，USBL换能器与USBL信号之间的信号传输与蓝光通信之间没有时间先后顺序，互相独立工作。 [0052] 请参考图3，其示出了本发明一个实施例提供的水下移动目标跟踪方法的流程图。该水下移动目标跟踪方法应用于如图1或图2所示的水下蓝光通信装置中，该方法包括： [0053] 步骤301，通过USBL换能器发送询问信号。 [0054] 水下蓝光通信装置通过USBL换能器发送询问信号。 [0055] 水下移动目标上的USBL信标接收到询问信号后，发送应答信号。 [0056] 步骤302，通过USBL换能器接收应答信号，应答信号是水下移动目标上的USBL信标发送的。 [0057] 步骤303，通过USBL换能器根据应答信号确定水下移动目标相对于水下蓝光通信装置的方位角。 [0058] USBL换能器对接收到的应答信号进行检测、处理和位置解算，得到水下移动目标相对于水下蓝光通信装置的方位角。 [0059] USBL换能器将水下移动目标相对于水下蓝光通信装置的方位角发送至控制舱内的伺服控制器，方位角作为伺服控制器的控制输入。 [0060] 步骤304，获取蓝光光束的射向角，射向角为蓝光光束的轴线与水下蓝光通信装置的中轴之间的夹角。 [0061] 通过滑环内的角度传感器获取蓝光光束的射向角，将射向角发送至控制舱内的伺服控制器，射向角作为伺服控制器的控制反馈。 [0062] 步骤305，根据方位角和射向角之间的差值调整转台的旋转角度，令射向角与方位角满足预定条件。 [0063] 可选的，预定条件为射向角与方位角之间的差值为0，或者，预定条件为射向角与方位角之间的偏差小于预定值。 [0064] 预定值需要保证水下移动目标的蓝光接收阵始终能够感应到蓝光信号。 [0065] 转台、同步带、驱动轮、水下电机、减速器、控制舱组成了水下蓝光通信装置的伺服系统。 [0066] 伺服驱动器计算射向角与方位角之间的差值，根据控制算法确定并输出控制信号，经过电机驱动器控制水下电机旋转，水下电机的输出轴的转矩经过减速器、驱动轮、同步带、转台，从而调整转台的旋转角度，令射向角与方位角满足预定条件，比如：令射向角与方位角之间的差值为0，或，令射向角与方位角之间的偏差小于预定值，当转台旋转时，转台上固定的蓝光发射LED也发生旋转，保证水下移动目标上设置的蓝光接收阵始终能够感应到水下蓝光通信装置发生的蓝光信号，也即实现水下蓝光通信装置对水下移动目标的跟踪。 [0067] 综上所述，本发明实施例提供的水下移动目标跟踪方法，应用于水下蓝光通信装置中，通过USBL换能器发送询问信号；通过USBL换能器接收应答信号；通过USBL换能器根据应答信号确定水下移动目标相对于水下蓝光通信装置的方位角；获取蓝光光束的射向角；调整转台的旋转角度，令射向角与方位角满足预定条件；解决了蓝光光束的通讯视场角较小，水下移动目标不在蓝光光束的通讯视场角范围内时水下蓝光通信失败的问题；达到了保证水下蓝光通信装置与水下移动目标之间的通信不间断的效果。 [0068] 需要说明的是：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。 [0069] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。 [0070] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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