一种用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准系统及方法

本发明属于水下无线光通信，具体涉及一种用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准系统及方法。

背景技术：

1、水下通信是现代海洋工程和科学研究中的重要问题之一。传统的水下通信技术如声波通信和电磁波通信存在着传输速率低、带宽窄等问题，限制了水下通信的应用范围和效果。近年来，水下无线光通信作为一种新兴的水下通信技术备受关注。与传统的水下通信技术相比，水下无线光通信具有传输速率高、带宽广、抗干扰能力强等优点，被认为是解决水下通信难题的一种有效手段。然而，由于水下环境的复杂性，水下无线光通信面临着诸多技术挑战。其中一个关键问题是水下无线光通信的对准技术。在水下，全球卫星导航系统、射频通信等技术难以实现。因此水下无线光通信终端难以通过上述手段完成初步对准。在实际的通信场景中，通信双方的初始偏移程度是任意的，却又无法通过陆地上便捷成熟的定位与通信技术完成初步的对准。面对收发端之间可能存在的大偏移角度，急需一种高效可靠的对准系统与方法，帮助水下无线光通信终端完成实际中的对准任务。本发明提出的用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准系统，充分利用大视场角相机较大的视野，使得通信终端高效地搜索对方成为可能，辅以适合实际通信场景的对准方法，较好地解决了水下无线光通信面临的对准难题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：在实际的水下无线光通信场景中，通信双方的初始偏移程度是任意的，可能非常大，甚至是背对背的情形。但通信终端无法通过陆地上便捷成熟的全球定位系统获取自身位置，更无法通过射频通信等手段交换各自的位置信息。在这种通信双方偏移程度可能非常大的情形下，需要让双方完成对准。

2、为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准系统，包括两个通信终端，分别为发起者和应答者。

4、所述的发起者和应答者均包含用于通信的光源、用于接收光信号的探测器、用于辅助对准的大视场角相机和用于改变通信终端朝向的转动机构，此外还包括用于从大视场角相机拍摄到的画面中检测光源位置的光源检测器以及必要的通信模块、控制模块。同一通信终端上的光源、探测器和大视场角相机同朝向。

5、对准的基本过程为：发起者产生与应答者进行通信的需求，打开通信光源，并通过特定的对准方法与应答者建立视距链路，完成对准。应答者以特定方式转动，搜索是否有要与之通信的发起者，如果有，则打开通信光源，并转向发起者的方向，完成对准。

6、大视场角相机的水平视场角不低于60度，用于辅助发起者或应答者搜索对方，该相机按照一定帧率拍摄通信终端前方，每一帧图像都会被送入光源检测器中，以检测图像中是否存在通信光源，如果存在，则进一步输出光源在图像中的位置，该位置会传输给控制模块，用于指引转动机构转动至对准朝向。

7、本发明还提供了一种用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准方法。该方法基于上述技术方案所述的用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准系统，具体包括以下步骤：

8、步骤1，应答者处于待机搜索状态，即每隔t时间转动度，其中t的取值需确保发起者至少能够转动360°，即覆盖所有方向，的取值不高于所述大视场角相机的水平视场角；

9、步骤2，发起者产生通信需求，进入转动搜索状态，打开通信光源，以固定的角速度转动搜索应答者，并不断发送链路建立请求信号；

10、步骤3，应答者在搭载的大视场角相机拍摄到的图像中发现发起者，进入对准响应状态，打开通信光源，转向发起者方向，同时不断向发起者发送链路建立确认信号；

11、步骤4，发起者在搭载的大视场角相机拍摄到的图像中发现应答者，进入对准响应状态，转向应答者方向，发送链路建立确认信号，完成对准，发起者与应答者建立视距链路；

12、步骤5，发起者与应答者进入跟踪状态，通过搭载的大视场角相机不断监控对方的实时位置，当出现偏移时，修正朝向。若对方从相机的视野中完全消失，则从步骤1重新开始。

13、本发明的有益效果是：

14、1、本发明面向真实的水下无线光通信场景，即默认水下无线光通信终端的初始偏移程度可以是任意的，且由于水下环境中传统定位手段与通信手段失效的现实，通信终端无法自动地缩小偏移程度。而本发明提出的方案应对的就是上述真实的通信场景，不假定通信双方已基本对准，因此具有重大的实用意义。

15、2、本发明使用大视场角相机辅助对准，使得对准时的搜索效率大大提高，对准系统能够在短时间内搜索更大的范围。

16、3、本发明直接在大视场角相机捕获的图像中检测通信光源，不需要额外的信标光，整体结构简单，易于实现。

技术特征：

1.一种用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准系统，其特征在于，包括两个通信终端，分别为发起者和应答者；

2.一种用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准系统，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明属于水下无线光通信技术领域，公开了一种用于水下无线光通信的大视场角相机辅助对准系统及方法，其包括两个通信终端，即发起者和应答者，所述的发起者和应答者均包含光源、探测器、大视场角相机(视场角不低于60度)和转动机构。其中，同一通信终端上的光源、探测器和大视场角相机同朝向。对准时，发起者和接收者分别按照不同的方式转动，并通过大视场角相机高效地搜索对方，当在相机的视野内检测到对方光源时，直接转向其所在的方向，完成对准。本发明面向真实的水下无线光通信场景，通过大视场角相机高效地搜索通信终端，大幅提升了搜索与对准效率，可以应对水下环境中通信终端间可能存在的大偏移角度，提高了通信系统的实用性。

技术研发人员：徐敬,贾博文,王仁明
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15