一种空气到水跨介质激光致声通信装置

1.本技术属于跨介质通信设备技术领域，更具体地说，是涉及一种空气到水跨介质激光致声通信装置。


背景技术：

2.随着通信技术的发展，水声通信技术成为最为广泛应用的水下无线通信技术，信号从空中平台传输至水下目标的海空一体化通信技术将会在未来战争中和国民经济生产中占重要地位。
3.目前，国内外研究人员尝试水下目标和水上目标之间的通信方式主要有以下几种：
4.（1）长波、超长波通信分别使用甚低频(vlf)和极低频(slf)进行通信，虽然该方式从原理上可传输较远的距离，且数据传输速率可以达到50～200bit/s，但受限于其庞大的发射接收设备，不利于隐蔽，潜航器上也难以安装如此巨大的设备，难以实际应用于水-空跨介质双向通信。
5.（2）通信卫星可以接收、放大、转发来自地面某一点的信号并将其转发到另外一点，通过具有覆盖面大，速率高的优点，但是其频段在水中衰减非常大，难以穿透水体，通信时必须保证天线保持在水面上，移动过程中潜艇带来的尾迹能够被探测到，不利于隐蔽。
6.（3）中继节点式跨介质通信，依靠中继节点的转发实现不同介质中的通信，声呐需有部分沉浸在水中才能够正常发射接收信号，而其与空中节点的信息传输又需要露出水面，这种方式带来的问题首先是其中继器容易随海浪飘散，其次对于有隐蔽需求的潜艇而言，潜艇自带的中继节点的存在着暴露的危险，而对于固定的中继节点，由于水声通信的距离限制，当潜艇超出了该节点的通信范围就会失联，这难以保证潜艇在大范围海域巡逻威慑的需求。
7.因此，急需研发一种新的空气到水跨介质信号通信装置。


技术实现要素：

8.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：提供一种空气到水跨介质激光致声通信装置，包括激光器，一种空气到水跨介质激光致声通信装置，包括激光器，所述激光器将激光脉冲信号经导光臂传输至水面；
9.所述激光器内设置有激光调q组件、激光脉冲组件、激光放大组件和导光臂。
10.可选地，所述激光调q组件包括后镜、调q开关和直角角锥棱镜，所述调q开关的右侧设置有后镜且调q开关的左侧设置有直角角锥棱镜。
11.可选地，所述后镜和调q开关之间设置有第一凹透镜、第一双凸透镜、第一凸透镜、第一楔板、第二楔板；所述直角角锥棱镜和调q开关之间设置有第一1/2波片和第一偏振片；所述第一凹透镜的内凹侧朝向后镜设置。
12.可选地，所述激光脉冲组件包括脉冲模块，所述脉冲模块的右侧依次设置有第二
1/2波片、输出镜、第一1/4波片、第一45
°
双波长镜和第一45
°
平面镜。
13.所述输出镜和后镜为一体成型结构的镜体，所述镜体的上部为能够穿过激光脉冲信号的输出镜；所述镜体的下部设置有激光高反膜层，为能够反射激光脉冲信号的后镜。
14.可选地，所述激光放大组件包括法拉第旋光器和放大模块，由激光脉冲组件传输来的激光脉冲信号经激光放大组件传输至导光臂。
15.可选地，所述法拉第旋光器的右侧设置有第二45
°
平面镜和第二偏振片，所述法拉第旋光器和放大模块之间设置有第二1/4波片、第二凹透镜、第二凸透镜、第三1/4波片，所述放大模块的左侧设置有第四1/4波片、第二双凸透镜、第三45
°
平面镜、第四45
°
平面镜、第三双凸透镜、准直透镜、第四双凸透镜、窗口片。
16.可选地，所述导光臂包括红光激光器、第二45
°
双波长镜和多个45
°
谐振镜，所述激光放大组件传输来的激光脉冲信号输送至第二45
°
双波长镜，再由第二45
°
双波长镜经多个45
°
谐振镜传输至水面；
17.所述红光激光器将红光激光信号经第二45
°
谐振镜、第二45
°
双波长镜传输至第二45
°
双波长镜，红光激光信号与激光脉冲信号经第二45
°
双波长镜后同路径输出至水面。
18.可选地，还包括上位机、信号发生器、水听器和信号处理模块；
19.所述上位机用于输入文本信息，并将文本信息转换为二进制数据，进行manchester编码；
20.所述信号发生器用于接收manchester编码信息并将manchester编码的信息转换为方波信号，并将方波信号输送至激光器；
21.所述激光器用于产生激光脉冲信号，激光脉冲信号经过空气且穿过导光臂入射到达水面，激光脉冲信号经热膨胀效转换为声信号并在水下向各个方向传播，所述水听器用于在水下任意位置接收声信号，所述水听器将接收的声信号输送至采集系统，所述采集系统将声信号转换为文本信息，实现光从空气到水的跨介质通信。
22.可选地，所述采集系统包括数据采集卡和信号处理模块；
23.所述水听器用于将接收的声信号转换为电信号，包括波分复用器和迈克尔逊干涉仪；电信号经波分复用器传输至迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪将电信号经光电探测器、放大器传输至数据采集卡，所述数据采集卡将电信号传输至数据处理模块；
24.所述数据处理模块包括pgc解调模块、滤波整形模块、抽样判决模块和译码模块，所述pgc解调模块用于接收数据采集卡传输来的电信号；
25.所述滤波整形模块用于对电信号带通滤波去除工频噪声，提取上包络，选取合适阈值，生成方波信号；
26.所述抽样判决模块用于对方波信号进行抽样判决；
27.所述译码模块用于对方波信号进行译码将二进制数据转换文本信息。
28.本技术提供一种空气到水跨介质激光致声通信装置，可以将激光在空气信道和声波在海洋信道的传输优势结合起来以摆脱空-水界面的限制；具有不需要在介质中部署任何物理换能器的特点，保证了隐蔽性；同时，激光器可部署在飞机、船或岸基等位置，满足通信系统的灵活性。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本技术空气到水跨介质激光致声通信装置的结构示意图；
31.图2为水听器和信号处理模块的结构框图；
32.图3为激光器的内部结构示意图。
33.图中符号说明：
34.1-后镜；2-第一凹透镜；3-第一双凸透镜；4-第一凸透镜；5-第一楔板；6-第二楔板；7-调q开关；8-第一1/2波片；9-第一偏振片；10-直角角锥棱镜；11-脉冲模块；12-第二1/2波片；13-输出镜；14-第一1/4波片；15-第一45
°
双波长镜；16-第一45
°
平面镜；17-第二45
°
平面镜；18-第二偏振片；19-法拉第旋光器；20-第二1/4波片；21-第二凹透镜；22-第二凸透镜；23-第三1/4波片；24-放大模块；25-第四1/4波片；26-第二双凸透镜；27-第三45
°
平面镜；28-第四45
°
平面镜；29-第三双凸透镜；30-准直透镜；31-第四双凸透镜；32-窗口片；33-第二45
°
双波长镜；34-第一45
°
谐波镜；35-第二45
°
谐波镜；36-红光激光器；37-第三45
°
谐波镜；38-第四45
°
谐波镜；39-第五45
°
谐波镜；50-上位机；60-信号发生器；70-激光器；80-导光臂；90-水听器；100-采集系统；101-数据采集卡；102-信号处理模块。
具体实施方式
35.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
36.现对本技术实施例提供的一种空气到水跨介质激光致声通信装置进行说明。参见图1，一种空气到水跨介质激光致声通信装置，包括上位机50、信号发生器60、激光器70、导光臂80、水听器90、信号处理模块100。
37.上位机50用于输入文本信息，并将文本信息转换为二进制数据，进行manchester编码。其中，manchester编码中“0”码用“01”表示，“1”码用“10”表示。
38.信号发生器60用于接收manchester编码信息并将manchester编码的信息转换为方波信号。方波信号作为激光器70的外触发调q信号传入，同时还需传入另一路频率为500hz的方波信号作为激光器外触发clkin信号传入，调q信号和clkin信号均以高电平5v，低电平0v进行传入信号发生器60。保证调q信号上升沿位于clkin高电平处，通过调q信号上升沿控制激光器70发射脉冲。
39.激光器70选用泵浦固体激光器，用于产生激光脉冲信号，激光脉冲信号经过空气且穿过导光臂80入射到达水面，激光能量聚集于水面一点产生热膨胀效应。热膨胀效应将激光脉冲信号转换为声信号在水下向各个方向传播，通过水听器90在水下任意位置对声信号进行接收。
40.水听器90用于接收声信号，并将声信号转换为电信号。水听器90将电信号传入采集系统100，采集系统100包括数据采集卡101和信号处理模块102。
41.水听器90为光纤激光水听器。
42.具体的，参见图2，所述激光器70经导光臂80将激光脉冲信号输送水听器90。
43.水听器90包括波分复用器和迈克尔逊干涉仪，电信号经波分复用器传输至迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪将电信号经光电探测器、放大器传输至数据采集卡101，数据采集卡101将电信号传输至数据处理模块102。
44.波分复用器和迈克尔逊干涉仪之间设置有光隔离器。
45.数据处理模块102包括pgc解调模块、滤波整形模块、抽样判决模块和译码模块，pgc解调模块接收数据采集卡101传输来的电信号，电信号通过滤波整形模块带通滤波去除工频噪声，提取上包络，选取合适阈值，生成方波信号；方波信号进入抽样判决模块进行抽样判决，然后进入译码模块进行译码，“0001”表示“0”，“0010”表示“1”，最后将二进制数据转换文本信息，完成从空气到水的跨介质通信。
46.波分复用器适用于980nm/1550 nm波长的光。
47.迈克尔逊干涉仪内设置有耦合器、光电探测器、压电陶瓷环和达拉第旋转镜。
48.迈克尔逊干涉仪，用于分布式反馈激光器光波长变化，声信号由于声压作用转换为相位变化；将迈克尔逊干涉仪一臂的光纤缠绕至压电陶瓷环，由此产生pgc解调所需的正弦载波相位调制。pzt驱动装置产生正弦信号对pzt进行调制，消除迈克尔逊干涉仪中的相位衰落现象；干涉信号经光电探测器转化为电压信号，与载波信号一同由数据采集卡101传入信号处理模块102。
49.本技术中pgc为相位产生载波技术，为现有技术，此处不再赘述。
50.pzt驱动装置，用于产生正弦信号对pzt进行调制，消除干涉仪中的相位衰落现象。
51.参见图3，以图3中的左侧为左进行描述，激光器70内设置有激光调q组件、激光脉冲组件、激光放大组件和导光臂。
52.激光调q组件包括后镜1、调q开关7和直角角锥棱镜10，所述调q开关7的右侧设置有后镜1且调q开关7的左侧设置有直角角锥棱镜10，后镜1和调q开关7之间由右至左依次设置有第一凹透镜2、第一双凸透镜3、第一凸透镜4、第一楔板5、第二楔板6；直角角锥棱镜10和调q开关7之间设置由右至左依次有第一1/2波片8和第一偏振片9。
53.第一凹透镜2的内凹侧朝向后镜1设置。
54.调q开关7接收信号发生器60传输来的光信号作为光源，（光源是从信号发生器60传来的方波，包括外触发调q信号、外触发clkin信号），光信号分别经第二楔板6、第一楔板5、第一凸透镜4、第一双凸透镜3、第一凹透镜2传输至后镜1，后镜1将光信号按原路反射至调q开关7，再由调q开关7传输至直角角锥棱镜10，直角角锥棱镜10将光信号传输至激光脉冲组件。
55.激光脉冲组件包括脉冲模块11，脉冲模块11的右侧由左至右依次设置有第二1/2波片12、输出镜13、第一1/4波片14、第一45
°
双波长镜15和第一45
°
平面镜16。直角角锥棱镜10输出的光信号依次经脉冲模块11、第二1/2波片12、输出镜13、第一1/4波片14、第一45
°
双波长镜15传输至第一45
°
平面镜16，第一45
°
平面镜16将光反射至激光放大组件。
56.其中，脉冲模块11采用市售方式取得，由yag晶体棒横向纵向垂直方向三个维度各排布11个，其中yag晶体棒直径3mm，总长120mm，参杂浓度0.6%。
57.输出镜13和后镜1为一体成型结构的镜体，平行度10秒，其中，镜体的上部为能够
穿过光信号的输出镜13，镜体的下部设置有镀1064纳米激光高反膜层，为能够反射激光脉冲信号的后镜1。
58.激光放大组件包括法拉第旋光器19和放大模块24，法拉第旋光器19的右侧由右至左依次设置有第二45
°
平面镜17和第二偏振片18，法拉第旋光器19和放大模块24之间由右至左依次设置有第二1/4波片20、第二凹透镜21、第二凸透镜22、第三1/4波片23，放大模块24的左侧由右至左依次设置有第四1/4波片25，第二双凸透镜26，第三45
°
平面镜27，第四45
°
平面镜28，第三双凸透镜29、准直透镜30、 第四双凸透镜31、窗口片32。
59.由激光脉冲组件传输来的激光脉冲信号经激光放大组件传输至导光臂80。
60.其中，第二凹透镜21的内凹侧朝向放大模块24设置。
61.放大模块24采用市售方式取得，由yag晶体棒横向纵向垂直方向三个维度各排布11个，其中yag晶体棒直径5mm，总长120mm，参杂浓度0.6%。
62.导光臂80包括红光激光器36、第二45
°
双波长镜33和多个45
°
谐振镜，多个45
°
谐振镜分别为第一45
°
谐振镜34、第二45
°
谐振镜35、第三45
°
谐振镜37、第四45
°
谐振镜38、第五45
°
谐振镜39。
63.具体的，激光放大组件传输来的光信号输送至第二45
°
双波长镜33，再由第二45
°
双波长镜33依次传输至第三45
°
谐振镜37、第四45
°
谐振镜38、第五45
°
谐振镜39，并由第五45
°
谐振镜39将光信号输出至水面。
64.红光激光器36将红光激光信号经第二45
°
谐振镜35、第二45
°
双波长镜34传输至第二45
°
双波长镜33，激光信号与光信号一同输出至水面。
65.其中，红光激光器36用于提醒激光出射位置。
66.第四45
°
谐振镜38、第五45
°
谐振镜39放置到导光臂80内部可旋转关节处。
67.所述激光器70内的各元件均采用焊镀和支架进行固定。
68.本技术中，上位机输入文本信息，将文本信息转换为二进制数据，进行manchester编码，“0”码用“01”表示，“1”码用“10”表示。利用信号发生器转换为方波信号作为激光器的外触发调q信号传入，同时还需传入另一路频率为500hz的方波信号作为激光器外触发clkin信号传入，两路信号以高电平5v，低电平0v进行传入。保证调q信号上升沿位于clkin高电平处，通过调q信号上升沿控制激光器发射脉冲。激光脉冲信号经过空气通过导光臂入射到达水面，激光能量聚集于水面一点产生热膨胀效应。进而将激光脉冲信号转换为声信号在水下向各个方向传播，通过水听器在水下任意位置对声信号进行接收。由水听器接收声信号，传入采集系统的数据处理模块，数据处理模块进行带通滤波去除工频噪声，提取上包络，选取合适阈值，生成方波信号。对方波信号进行抽样判决，进行译码“0001”表示“0”，“0010”表示“1”，最后将二进制数据转换文本信息，完成从空气到水的跨介质通信。
69.本技术提供一种空气到水跨介质激光致声通信装置，将激光在空气信道和声波在海洋信道的传输优势结合起来以摆脱空-水界面的限制，具有不需要在介质中部署任何物理换能器的特点，保证了隐蔽性，同时，激光器可部署在飞机、船或岸基等位置，满足通信系统的灵活性。
70.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种空气到水跨介质激光致声通信装置，包括激光器，其特征在于：所述激光器将激光脉冲信号经导光臂传输至水面；所述激光器内设置有激光调q组件、激光脉冲组件、激光放大组件和导光臂。2.如权利要求1所述的一种空气到水跨介质激光致声通信装置，其特征在于：所述激光调q组件包括后镜、调q开关和直角角锥棱镜，所述调q开关的右侧设置有后镜且调q开关的左侧设置有直角角锥棱镜。3.如权利要求2所述的一种空气到水跨介质激光致声通信装置，其特征在于：所述后镜和调q开关之间设置有第一凹透镜、第一双凸透镜、第一凸透镜、第一楔板、第二楔板；所述直角角锥棱镜和调q开关之间设置有第一1/2波片和第一偏振片；所述第一凹透镜的内凹侧朝向后镜设置。4.如权利要求2所述的一种空气到水跨介质激光致声通信装置，其特征在于：所述激光脉冲组件包括脉冲模块，所述脉冲模块的右侧依次设置有第二1/2波片、输出镜、第一1/4波片、第一45
°
双波长镜和第一45
°
平面镜。5.如权利要求4所述的一种空气到水跨介质激光致声通信装置，其特征在于：所述输出镜和后镜为一体成型结构的镜体，所述镜体的上部为能够穿过激光脉冲信号的输出镜；所述镜体的下部设置有激光高反膜层，为能够反射激光脉冲信号的后镜。6.如权利要求1所述的一种空气到水跨介质激光致声通信装置，其特征在于：所述激光放大组件包括法拉第旋光器和放大模块，由激光脉冲组件传输来的激光脉冲信号经激光放大组件传输至导光臂。7.如权利要求6所述的一种空气到水跨介质激光致声通信装置，其特征在于：所述法拉第旋光器的右侧设置有第二45
°
平面镜和第二偏振片，所述法拉第旋光器和放大模块之间设置有第二1/4波片、第二凹透镜、第二凸透镜、第三1/4波片，所述放大模块的左侧设置有第四1/4波片、第二双凸透镜、第三45
°
平面镜、第四45
°
平面镜、第三双凸透镜、准直透镜、第四双凸透镜、窗口片。8.如权利要求1所述的一种空气到水跨介质激光致声通信装置，其特征在于：所述导光臂包括红光激光器、第二45
°
双波长镜和多个45
°
谐振镜，所述激光放大组件传输来的激光脉冲信号输送至第二45
°
双波长镜，再由第二45
°
双波长镜经多个45
°
谐振镜传输至水面；所述红光激光器将红光激光信号经第二45
°
谐振镜、第二45
°
双波长镜传输至第二45
°
双波长镜，红光激光信号与激光脉冲信号经第二45
°
双波长镜后同路径输出至水面。9.如权利要求1所述的一种空气到水跨介质激光致声通信装置，其特征在于：还包括上位机、信号发生器、水听器和信号处理模块；所述上位机用于输入文本信息，并将文本信息转换为二进制数据，进行manchester编码；所述信号发生器用于接收manchester编码信息并将manchester编码的信息转换为方波信号，并将方波信号输送至激光器；所述激光器用于产生激光脉冲信号，激光脉冲信号经过空气且穿过导光臂入射到达水面，激光脉冲信号经热膨胀效转换为声信号并在水下向各个方向传播，所述水听器用于在水下任意位置接收声信号，所述水听器将接收的声信号输送至采集系统，所述采集系统将声信号转换为文本信息，实现光从空气到水的跨介质通信。
10.如权利要求9所述的一种空气到水跨介质激光致声通信装置，其特征在于：所述采集系统包括数据采集卡和信号处理模块；所述水听器用于将接收的声信号转换为电信号，包括波分复用器和迈克尔逊干涉仪；电信号经波分复用器传输至迈克尔逊干涉仪，所述迈克尔逊干涉仪将电信号经光电探测器、放大器传输至数据采集卡，所述数据采集卡将电信号传输至数据处理模块；所述数据处理模块包括pgc解调模块、滤波整形模块、抽样判决模块和译码模块，所述pgc解调模块用于接收数据采集卡传输来的电信号；所述滤波整形模块用于对电信号带通滤波去除工频噪声，提取上包络，选取合适阈值，生成方波信号；所述抽样判决模块用于对方波信号进行抽样判决；所述译码模块用于对方波信号进行译码将二进制数据转换文本信息。

技术总结
本申请提供了一种空气到水跨介质激光致声通信装置，包括激光器，所述激光器将激光脉冲信号经导光臂传输至水面；所述激光器内设置有激光调Q组件、激光脉冲组件、激光放大组件和导光臂。本申请提供的空气到水跨介质激光致声通信装置，将激光在空气信道和声波在海洋信道的传输优势结合起来以摆脱空-水界面的限制，具有不需要在介质中部署任何物理换能器的特点，保证了隐蔽性，同时，激光器可部署在飞机、船或岸基等位置，满足通信系统的灵活性。满足通信系统的灵活性。满足通信系统的灵活性。


技术研发人员：赵扬 黄金鑫 周志权 王晨旭 王金龙 赵占锋 李迎春 李剑锋
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/9/13